Способ измерения концентрации вещества в растворе

 

Способ относится к оптике и используется источник модулированного излучения, делитель света, кювета, два фотоприемных блока с демодуляторами, блок вычислений и блок индикации. Технический результат - точное измерение концентрации вещества в растворе. 1 ил., 1 табл.

Изобретение относится к технической физике и может использоваться, например, для контроля концентрации воды в пищевой промышленности и чистоты питьевой воды.

Известно устройство (а.с. №1492245, кл. G 01 N 21-27, 07.07.98 г.), содержащее блок управления, соединенный с ИК-излучателями информационного и опорного каналов, соответственно излучение которых через контролируемый материал поступает на приемник ИК-излучения, выход которого через усилитель соединен со входом детектора превышения нулевого уровня, а его выход через инвертор связан с первым входом сумматора, второй вход которого соединен с выходом усилителя. Выход сумматора через инвертирующий усилитель соединен с первыми входами блоков выборки-хранения информационного и опорного сигналов соответственно. Выход усилителя связан с первым входом блока выборки-хранения фонового сигнала. Вторые входы блоков выборки-хранения информационного, опорного и фонового сигналов связаны с соответствующими выходами блока управления. Выход блока выборки-хранения фонового сигнала связан с первыми входами блоков вычитания, а их вторые входы соединены с выходами блоков выборки-хранения информационного и опорного сигналов. Выходы блоков вычитания связаны с блоком вычисления и регистрации влажности.

Недостатками рассматриваемого устройства являются сложность его реализации и низкая точность измерения влажности.

Известно устройство (а.с. №1589164, кл. G 01 N 21/81, 30.08.90 г.), выбранное в качестве прототипа, содержащее расположенные последовательно и оптически связанные источник света, оптический прерыватель, светоделительные зеркала, выделяющие два оптических канал, светофильтры в каждом канале и блоки фотоприемного усиления, выходы которых в каждом канале электрически соединены с блоками усиления сигналов, выходы которых подключены к блоку деления сигналов, выход которого подключен к блоку масштабирования, соединенного с блоком индикации, имитатор нулевой влажности, снабженный приводом для ввода его между источником света и оптическим прерывателем, блок сравнения, блок эталонного напряжения, соединенный с блоком сравнения, блок управления, блоки делителей с переменным коэффициентом деления по одному в каждом канале и шесть ключей, причем входы первого и второго ключей соединены соответственно с выходами первого и второго блоков делителей, выходы этих ключей соединены со входами первого и второго блоков усиления сигналов, входы третьего и четвертого ключей соединены соответственно с выходами первого и второго блоков делителей, а выходы этих ключей подключены к первому и второму входам блока сравнения, входы пятого и шестого ключей соединены соответственно с первым и вторым выходами блока сравнения, а выходы этих ключей подключены к отстраивающим входам первого и второго блоков делителей, при этом сигнальные входы последних соединены в каждом канале с выходами блоков фотоприемного усиления, а выходы блока управления разделены так, что первый из них соединен с приводом имитатора нулевой влажности, второй - с управляющими входами четвертого и шестого ключей, третий - с вправляющими входами третьего и пятого ключей, четвертый - с управляющими входами первого и второго ключей.

Недостатками рассматриваемого устройства являются сложность его реализации и сложная функциональная зависимость выходной функции от измеряемого параметра.

Задача изобретения состоит в получении точного значения концентрации воды в растворе.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в способ измерения концентрации вещества в растворе, включающем использование источника модулированного инфракрасного излучения, делителя света, формирующего два луча, и расположенных по ходу лучей двух фотоприемных блоков с демодуляторами, блока вычислений и блока индикации, используют кювету, введенную между делителем света и двумя фотоприемными блоками, при этом часть кюветы, через которую проходит первый луч, имеет длину d ₁, а часть кюветы, через которую проходит второй луч, имеет длину d₂, d₂>d₁, в блоке вычисления осуществляется по соотношению где U₁, U₂ - напряжения на выходах фотоприемных блоков при наличии кюветы с образцом, v₁, V₂ - напряжения на выходах фотоприемных блоков при отсутствии кюветы с образцом, c₁, с₂, с₃ - параметры, вычисление которых реализуется по эталонам и подобранные таким образом, что W=C, где С - концентрация поглощающего вещества, при этом значение концентрации поглощающего вещества индуцируется в блоке индикации.

В способе измерения концентрации вещества в растворе (чертеж) используются источник модулированного излучения 1, делитель света на два луча 2 и расположенные по ходу излучения, кювета 3, два фотоприемных блока с демодуляторами 4.1, 4.2, блок вычислений 5, выходом соединенный с блоком индикации 6.

Способ измерения концентрации воды (см. чертеж) работает следующим образом. Модулированное излучение от источника 1 (лазер) поступает на светоделитель 2, который формирует два параллельных пучка, далее оба луча проходят исследуемый материал, который находится в кювете 3.1, при этом часть кюветы, через которую проходит первый луч, имеет длину d₁, а часть кюветы, через которую проходит второй луч, имеет длину d₂, d₂ >d₁, затем излучения попадают на блоки фотоприемников с демодуляторами 4.1, 4.2, в которых сигналы преобразуются в электрические импульсы. Напряжения на выходах блоков 4.1 и 4.2 при наличии кюветы с образцом в соответствии с обобщенным законом Бугера а при отсутствии кюветы напряжения на выходах блоков 4.1 и 4.2 будут соответственно V₁=F₁· k_y1· k_pr1v, V₂ =F₂· k_y2· k_pr2v, где F₁, F₂ - интенсивности лучей света после светоделителя, С - концентрация поглощающего вещества, А - коэффициент, не зависящий от концентрации и характерный для молекулы поглощающего вещества, связанный с коэффициентом поглощения α =А· С, k₁, k₂ - коэффициенты ослабления интенсивности светового потока стеклянными стенками кюветы, k _y1, k_y2 - коэффициенты усиления усилителей фотоприемников, k_pr1, k_pr2, k_pr1v , k_pr2v - зонные чувствительности фотоприемников.

Полученное значение напряжения с блоков 4.1,4.2 поступают на блок вычислений 5, где производятся вычисления по соотношениям где а c₁, с₂, с₃ - параметры, подобранные таким образом, что W=C. Существование таких параметров можно показать на следующем примере для водного раствора спирта. При λ =1,0 мкм, d₁=1,0 см, d₂=2,0 см, А=0,24 см^-1. Значение t после элементарных преобразований При хорошей юстировке величина должна быть равна единице, а в худшем случае она есть константа. Если z=1,0, то с₁=0,999945, c₂=0,113197, с₃=0,127471, то погрешность вычисления влажности согласно приведенной ниже таблицы составляет менее 0,026%.

В том случае когда z отлично от единицы, то нужно подкорректировать c₁, c₃. Вычисление параметров c₁ , c₂, c₃ можно реализовать по эталонам.

Значение концентрации поглощающего вещества индуцируется в блоке индикации 6.

Таким образом можно точно определить концентрацию воды в растворе.

Формула изобретения

Способ измерения концентрации вещества в растворе, включающий использование источника модулированного инфракрасного излучения, делителя света, формирующего два луча, и расположенных по ходу лучей двух фотоприемных блоков с демодуляторами, блока вычислений и блока индикации, отличающийся тем, что используют кювету, введенную между делителем света и двумя фотоприемными блоками, при этом часть кюветы, через которую проходит первый луч, имеет длину d1, а часть кюветы, через которую проходит второй луч, имеет длину d2, d2>d1, в блоке вычислений производят вычисления по соотношению W=(1-с1·t)/(с2+с3·t), где t=(U2·V1)/(U1·V2), U1, U2 - напряжения на выходе фотоприемных блоков при наличии кюветы с образцом, V1, V2 - напряжения на выходах фотоприемных блоков при отсутствии кюветы с образцом, с1, с2, с3 - параметры, подобранные таким образом, что W=C, где С - концентрация поглощающего вещества, вычисление которых реализуют по эталонам, при этом значение концентрации поглощающего вещества индуцируется в блоке индикации.

РИСУНКИ