Способ измерения концентрации компонентов в жидкости

Использование: для определения влаги в органических растворителях. Сущность изобретения: сорбционно чувствительный элемент помещается непосредственно в анализируемую жидкость. В зависимости от вязкости анализируемой среды и частоты колебаний чувствительного элемента подводимую к чувствительному элементу мощность устанавливают путем изменения подводимого напряжения питания к электронному генератору в соответствии с формулой где Р - мощность, подводимая к сорбционно-частотному чувствительному элементу, Вт; К - коэффициент пропорциональности, численно равный 18,5·10³ Вт·Гц/сП; η - вязкость анализируемой среды, сП; F₀ - номинальная частота колебаний сорбционно-частотного чувствительного элемента, Гц. Технический результат изобретения заключается в повышении чувствительности, точности и упрощении процесса измерения. 2 табл.

 

Изобретение относится к области аналитического приборостроения и может быть использовано для контроля состава жидкости, в частности для измерения влагосодержания органических жидкостей.

В настоящее время для измерения влаги в жидкостях используются несколько методов, например метод объемного титрования пробы анализируемой жидкости реактивом Фишера (см. Karl Fischer, Angerv. Chem., 1935, 48,394 или патент Японии №7197, кл. 113Д 31). Конец титрования устанавливают либо визуально (по изменению окраски раствора), либо электрометрическим способом. Расчет влажности производится по формуле

где W - содержание воды, %;

а - количество реактива Фишера, мл;

Т - титр реактива, мг/мл;

Н - навеска анализируемой пробы, мг.

К недостаткам метода относится малая чувствительность в области микроконцентраций (нижний предел измерений 10 млн^-1 об.), длительность анализа (˜30 мин), сложность аппаратурного оформления.

Известен также газометрический способ определения влаги в органических жидкостях, заключающийся в том, что пробу анализируемой жидкости смешивают с избыточным количеством гидрида или карбида кальция. В результате реакции вода замещается эквивалентным количеством водорода или ацетилена. По количеству образовавшегося газа определяют содержание влаги в жидкости (см. Stanrvorth Lawrence, Анг. патент, №939.678, кл. 97(3), G 01 R).

Газометрический метод обладает такими недостатками, как невысокая точность, большая инерционность, чрезвычайная сложность в отношении автоматизации процесса измерения.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению является способ определения влаги в жидкостях по патенту Швеции №331.204, кл. 42 4/16. Сущность его заключается в том, что влагу из анализируемой жидкости полностью извлекают сухим газом-носителем, который затем подают в камеру с сорбционно-частотным чувствительным элементом. По изменению частоты судят о влагосодержании жидкости.

Одним из недостатков этого метода является невозможность непрерывного измерения концентрации измеряемого компонента, так как извлечение влаги производится из дозированного объема жидкости, что предполагает циклический режим работы. Обеспечение такого режима существенно усложняет приборную реализацию. Кроме того, для обеспечения полноты извлечения влаги из жидкости должен быть использован абсолютно сухой газ-носитель. Еще одним недостатком является необходимость обеспечения высокой чувствительности датчика из-за низкой концентрации извлеченной влаги в потоке газа-носителя.

Сущность предлагаемого способа измерения концентрации компонентов в жидкостях, например влаги в органических растворителях, путем измерения частоты колебаний сорбционно-частотного чувствительного элемента, включенного в схему электронного генератора, заключается в следующем.

Сорбционно-частотный чувствительный элемент, представляющий собой кварцевый резонатор (пластину) с металлическими электродами и с нанесенной на него влагочувствительной пленкой сорбента, например, в виде поли-ε-капроамида, помещается в исследуемую жидкость и включается в схему электронного генератора.

Условия возбуждения сорбционно-частотного чувствительного элемента характеризуется уровнем возбуждения, величина которого может быть выражена в единицах мощности, рассеиваемой на пьезоэлементе кварцевого резонатора, а также в единицах тока или напряжения. Для возбуждения колебаний к пьезоэлементу подводится через электроды переменное напряжение. Пьезоэлемент, обладающий обратным пьезоэффектом, начинает колебаться синхронно с приложенным напряжением, при этом амплитуда на кварцевом резонаторе изменяется как от параметров самого резонатора, так и от величины напряжения питания генератора.

Мощность, подводимая к чувствительному элементу, может быть определена по известной формуле

где Р - мощность, подводимая к чувствительному элементу, Вт;

U_K - амплитуда напряжения на пьезокварцевом резонаторе, В;

I_K - ток, протекающий через пьзоэлемент, А.

В результате исследований, проведенных на жидкостях с различной вязкостью, было установлено, что при работе сорбционно-частотного чувствительного элемента в жидкой среде с увеличением ее вязкости амплитуда напряжения на пьезоэлементе уменьшается. Это объясняется тем, что параметры кварцевого резонатора (эквивалентное сопротивление R_K и добротность Q) существенно зависят от вязкости среды.

Уменьшение амплитуды напряжения на кварцевом резонаторе при измерении концентрации компонентов жидких сред, имеющих значительную вязкость, приводит к неустойчивой работе сорбционно-частотного чувствительного элемента, а нередко и к срыву колебаний.

Для обеспечения (поддержания) устойчивой работы сорбционно-частотного чувствительного элемента в жидких средах с различными вязкостями требуемую амплитуду напряжения следует устанавливать путем изменения подводимого напряжения питания к электронному генератору. С увеличением вязкости анализируемых жидкостей для получения устойчивых колебаний чувствительного элемента в жидкой среде подводимое напряжение питания к электронному генератору необходимо увеличить. При увеличении питания электронного генератора возрастает ток, протекающий через пьезоэлемент, и это, в свою очередь, согласно формуле (2), приведет к увеличению подводимой к чувствительному элементу мощности.

Следовательно, с увеличением вязкости анализируемой среды подводимую к чувствительному элементу мощность необходимо пропорционально увеличивать. При этом, как показали исследования, для кварцевых резонаторов с номинальной частотой, равной 5 МГц, подводимую к чувствительному элементу мощность необходимо устанавливать несколько больше, чем для пьезоэлемента с номинальной частотой, равной 9 МГц. Другими словами, для устойчивой работы сорбционно-частотного чувствительного элемента в жидких средах с различной вязкостью подводимая к нему мощность должна быть прямо пропорциональна вязкости анализируемой среды, некоторому коэффициенту пропорциональности и обратно пропорциональна номинальной частоте кварцевого резонатора.

Таким образом, экспериментально было установлено, что подводимую к сорбционно-частотному чувствительному элементу мощность можно определить по формуле

где Р - мощность, подводимая к сорбционно-частотному чувствительному элементу, Вт;

К - коэффициент пропорциональности, численно равный 18,5·10³ Вт·Гц/сП;

η- вязкость анализируемой среды, сП;

F₀ - номинальная частота колебаний чувствительного элемента, Гц.

Численное значение коэффициента пропорциональности было определено экспериментально-расчетным путем. Сорбционно-частотные чувствительные элементы с номинальной частотой, равной 5 и 9 МГц помещали в различные жидкие среды (см. таблица 1). При известной вязкости анализируемой жидкости устанавливали устойчивый режим работы чувствительного элемента путем изменения подводимого напряжения питания к электронному генератору и для каждого значения вязкости по формуле (3) определяли мощность, подводимую к сорбционно-частотному чувствительному элементу. Приравнивая правые значения в выражении (2) и (3), находили численное значение коэффициента пропорциональности, величина которого для различных жидкостей постоянна и равна 18,5·10³ Вт·Гц/сП.

Таким образом, в зависимости от вязкости анализируемой среды и от номинальной частоты колебаний сорбционно-частотного чувствительного элемента для обеспечения устойчивой его работы необходимую мощность, подводимую к элементу, устанавливают путем изменения подводимого напряжения питания к электронному генератору. Значение подводимой к чувствительному элементу мощности рассчитывается по формуле (3).

Пример. Экспериментальная проверка предлагаемого способа проводилась на следующих жидкостях: пентан, гексан, тридекан, гептадекан, толуол, бензол, о-ксилол, тетрадецилбензол, бензин.

В таблице 1 приведены значения мощности, подводимой к чувствительному элементу, для анализируемых сред с различной вязкостью.

Таблица 1
Исследуемая жидкость	Вязкость при t=+20°С, сП	Мощность, подводимая к сорбционно-частотному чувствительному элементу, Вт
Номинальная частота колебаний элемента 5 МГц	Номинальная частота колебаний элемента 9 МГц
Пентан	0,240	0,9·10-3	0,5·10-3
Гексан	0,307	1,15·10-3	0,65·10-3
Бензин	0,530	2,0·10-3	1,1·10-3
Толуол	0,584	2,2·10-3	1,2·10-3
Бензол	0,649	2,4·10-3	1,35·10-3
О-ксилол	0,804	3,0·10-3	1,65·10-3
Тридекан	1,878	7,0·10-3	3,9·10-3
Гептадекан	4,209	15,6·10-3	8,7·10-3
Тетрадецилбензол	7,650	28,3·10-3	15,7·10-3

Частоту колебаний сорбционно-частотного чувствительного элемента контролировали с помощью электронно-счетного частотомера. В таблице 2 приведены данные по изменению частоты колебаний сорбционно-частотного чувствительного элемента на базе кварцевого резонатора с частотой 5040 кГц с сорбентом из поли-ε-капроамида от влажности керосина ТС-1.

Таблица 2
Объемная доля влаги керосина W, млн-1	Частота колебаний элемента, F, Гц	Изменение частоты колебаний, ΔF, Гц	Примечание
0	5001700	0	Вязкость керосина при t=+20°C равна 0,97 сП. Мощность, подводимая к чувствительному элементу, Р=3,6·10-3 Вт
10,5	5001250	450
24,5	5000850	850
42,0	5000240	1460
63,0	4999225	2475
70,0	4998750	2950

Использование предлагаемого способа измерения концентрации компонентов жидких сред, например влаги, обеспечивает по сравнению с существующими способами следующие преимущества:

а) возможность упрощения процесса измерения концентрации компонентов в жидких средах;

б) увеличение чувствительности и точности измерения;

в) в случае практической реализации способа обеспечивается непрерывный процесс измерения.

Способ измерения концентрации компонентов в жидкостях, например влаги в органических растворителях, путем измерения частоты колебаний сорбционно-частотного генератора, отличающийся тем, что повышение чувствительности, точности и упрощение процесса измерения достигают помещением сорбционно-частотного чувствительного элемента непосредственно в анализируемую жидкость и путем изменения подводимого напряжения питания к электронному генератору устанавливают подводимую к чувствительному элементу мощность в зависимости от вязкости анализируемой среды и частоты колебаний чувствительного элемента в соответствии с формулой:

где Р - мощность, подводимая к сорбционно-частотному чувствительному элементу, Вт,

К - коэффициент пропорциональности, численно равный 18,5·10³ Вт·Гц/сП;

η - вязкость анализируемой среды, сП;

F₀ - номинальная частота колебаний сорбционно-частотного чувствительного элемента, Гц.