Способ измерения концентрации веществ в средах

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения концентрации веществ в среде измерения диэлектрической проницаемости, электропроводности, магнитной проницаемости веществ, а также в экологии для измерения загрязненности среды, концентрации пыли в воздухе, концентрации вредных веществ. Технический результат заключается в повышении чувствительности измерения концентрации различных веществ в среде. Способ измерения концентрации веществ в среде заключается в размещении образца испытуемой среды внутри емкостного или индуктивного датчиков, включенных в колебательные контуры, измерении параметров колебательного контура и сравнении их с эталонными значениями для образцов испытуемых сред, и оценке результатов сравнения, по которым судят о характеристиках образца испытуемой среды. Перед измерением параметров колебательного контура в него помещают поочередно эталонный образец и образец испытуемой среды, затем поочередно настраивают их колебательные контуры в резонансный режим и измеряют параметры этих колебательных контуров. 2 ил.

 

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения концентрации веществ в среде измерения диэлектрической проницаемости, электропроводности, магнитной проницаемости веществ, а также в экологии для измерения загрязненности среды, концентрации пыли в воздухе, концентрации вредных веществ.

Известен способ измерения электропроводности газовой среды с частицами, заключающийся в измерении напряженности поля конденсатора, в объеме которого помещают исследуемый газ и чистый газ с известной проводимостью (см. а.с. СССР №646240, MHK⁷ G 01 N 27/02, опубл. 05.02.1979 г.).

Недостатками данного способа являются недостаточная точность и чувствительность.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является способ измерения электрических и магнитных характеристик сред, заключающийся в размещении образца испытуемой среды внутри емкостного или индуктивного датчика, включенного в колебательный контур, измерении параметров колебательного контура и сравнении их с эталонными значениями для образцов испытуемых сред, и оценке результатов сравнения, по которым судят о характеристиках образца испытуемой среды (см а.с. СССР №1372226, МПК⁷ G 01 N 27/00, опубл. 07.02.1988 г.).

Недостатками прототипа являются недостаточная точность и низкая чувствительность.

Задачей предлагаемого технического решения является повышение точности и достоверности измерения концентрации веществ в среде.

Технический результат заключается в повышении чувствительности измерения концентрации различных веществ в среде.

Техническое решение поставленной задачи достигается тем, что в известном способе измерения концентрации веществ в среде, заключающемся в размещении образца испытуемой среды внутри емкостного или индуктивного датчика, включенного в колебательный контур, измерении параметров колебательного контура и сравнении их с эталонными значениями для образцов испытуемых сред, и оценке результатов сравнения, по которым судят о характеристиках образца испытуемой среды, согласно изобретению перед измерением параметров колебательного контура в него помещают поочередно эталонную среду и образец испытуемой среды, затем поочередно настраивают их колебательные контуры в резонансные режимы, измеряют параметры этих колебательных контуров и определяют концентрацию вещества в образце испытуемой среды, исходя из измеренного значения приращения регулируемых индуктивности или емкости.

Данный способ позволит повысить точность и чувствительность измерений, их достоверность, так как измерения производятся в резонансных режимах.

Сущность способа поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена принципиальная электрическая схема с емкостными датчиками, а на фиг.2 - c индуктивными датчиками.

Электрическая схема состоит из двух соединенных параллельно колебательных контуров А и Б, состоящих из одинаковых емкостных датчиков 1 и 2 и общей регулируемой индуктивности 3 (см. фиг.1) или из одинаковых индуктивных датчиков 1 и 2 и общей регулируемой емкости 3 (см. фиг.2), внутри которых размещены эталонный образец 4 и образец испытуемой среды 5, которые подключены через переключатели режимов 6 и 7 параллельно к генератору ВЧ синусоидального напряжения 8 через ограничительное сопротивление 9 и нуль-индикатор (или миллиамперметр) 10.

Пример конкретной реализации способа.

Пространство внутри емкостного датчика 1, входящего в колебательный контур А, заполняли эталонным образцом 4 (см. фиг.1). Пространство внутри емкостного датчика 2, входящего в колебательный контур Б, заполняли образцом испытуемой среды 5. Далее поочередно образовывали колебательные контуры А и Б, которые поочередно настраивали в резонанс. Ключ 6 переводили в положение «а», а ключ 7 в положение «с», в результате чего емкостный датчик 1 и регулируемая индуктивность 3 образовывали параллельную цепочку, подключенную к генератору ВЧ синусоидального напряжения 8 через ограничительное сопротивление 9 и нуль-индикатор 10.

С помощью регулируемой индуктивности 3 параллельную L,C_A цепочку настраивали в резонанс (токов); в этом случае показания нуль-индикатора 10 были минимальными или равными нулю. Из условия резонанса для колебательного контура А:

,

где L_A - величина индуктивности 3 в резонансном режиме цепочки C_A,L;

- угловая частота;

С_А - величина емкости датчика 5;

ε_rA - относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика в эталонном датчике 1;

ε₀ - электрическая постоянная;

S - площадь одной пластины емкостного датчика 1;

d - расстояние между пластинами.

Далее ключ 6 переводили в положение "b", а ключ 7 - в положение "d", в результате чего датчик 2 и образец испытуемой среды 5 образовывали другую параллельную цепочку, подключенную к генератору 8 через сопротивление 9 и нуль-индикатор 10. С помощью регулируемой индуктивности 3 цепочку L,C_Б вновь настраивали в резонанс, добивались тех же показаний нуль-индикатора 10, что и в предыдущем режиме. Из условия резонанса:

,

где L_B - величина индуктивности 3 в резонансном режиме цепочки С_B, L;

С_B - величина емкости датчика 2;

ε_rB - относительная диэлектрическая проницаемость испытуемой среды.

Приращение индуктивности

Как видно из формулы (3), приращение индуктивности ΔL зависит от относительной диэлектрической проницаемости среды, которая в свою очередь зависит от концентрации примесных веществ в образце испытуемой среды 5.

Чем больше концентрация примесных веществ между обкладками конденсатора образца испытуемой среды 5, тем больше изменялась его диэлектрическая проницаемость и емкость и, следовательно, тем большее изменение индуктивности требовалось для настройки цепи в резонансный режим. Таким образом, по приращению регулируемой индуктивности, требуемой для реализации резонансного режима, судили о концентрации примесных веществ в образце испытуемой среды 5.

При измерениях сначала проградуировали прибор переводом приращения индуктивности в значение диэлектрической проницаемости или концентрации примесных веществ в образце испытуемой среды.

Резонансный режим с эталонным образцом 4 реализовывали один раз, что и являлось началом отсчета (нулевым значением) концентрации примесных веществ в образце испытуемой среды 5.

Способ также был реализован по схеме фиг.2, в которой емкостные датчики заменены индуктивными (1, 2), а регулируемая индуктивность - регулируемой емкостью 3. Способ измерения, как и в предыдущем случае, основан на реализации резонансных режимов в эталонном образце 4 и в образце испытуемой среды 5.

Использование резонансных режимов в предлагаемом способе позволит по сравнению с прототипом существенно повысить точность измерения, а также увеличить чувствительность и достоверность при измерениях концентрации примесных веществ в анализируемой среде и при измерениях других электрических характеристик испытуемой среды, например мощности потерь, тангенса угла диэлектрических потерь и др.

Способ измерения концентрации веществ в среде, заключающийся в размещении образца испытуемой среды внутри емкостного или индуктивного датчиков, включенных в колебательные контуры, измерении параметров колебательного контура, сравнении их с эталонными значениями для образцов испытуемых сред, и оценке результатов сравнения, по которым судят о характеристиках образца испытуемой среды, отличающийся тем, что перед измерением параметров колебательного контура в него помещают поочередно эталонный образец и образец испытуемой среды, затем поочередно настраивают их колебательные контуры в резонансные режимы, измеряют параметры этих колебательных контуров и определяют концентрацию вещества в образце испытуемой среды, исходя из измеренного значения приращения регулируемых индуктивности или емкости.