Устройство для потенциометрических измерений
Изобретение относится к анализаторам состава жидких сред с применением ионселективного индикаторного электрода. Устройство включает переключатель потоков, кран с золотником в виде шара, камеру подготовки пробы, дозатор буферного раствора и потенциометрическую измерительную ячейку с камерой приема пробы. Устройство также снабжено механизмом раздвижки полусфер, камера подготовки пробы снабжена мешалкой, плавающей крышкой и расположенной между ними мембраной дозатора буферного раствора. Камера подготовки пробы и измерительная ячейка размещены в кожухе, снабженном нагревателем, причем верхняя полусфера крана является дном камеры и частью кожуха. На поверхности золотника выполнены симметрично относительно центра каналы с уплотнениями для соединения камеры подготовки пробы с переключателем и измерительной ячейкой, а также уплотнения для перекрытия отверстий каналов. Изобретение обеспечивает повышение производительности и точности анализа, расширение функциональных возможностей и упрощение конструкции. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.
Изобретение относится к анализаторам состава жидких сред и может быть использовано для контроля водоочистки и водного режима на АЭС, ТЭС, судах с атомными реакторами, в химической и других отраслях промышленности.
Известные потенциометрические анализаторы (см., например, пат. Англии №1497669, 1490604 кл. G01N 27/46) включают устройство ввода потока в анализатор, средства подготовки параметров пробы (расхода, рН, температуры), потенциометрическую измерительную ячейку. В гидравлическую трассу включаются также фильтр, средства улавливания и сброса пузырьков газа. Практически все элементы расположены в гидравлической трассе последовательно. Аналогичный состав элементов и конструкцию имеет анализатор типа pNa-201 (Приборы и системы управления, М., 1991). Из-за большого объема и сложности гидравлической трассы анализаторы имеют высокую инерционность и большую погрешность от гистерезиса. По этой причине производительность анализа будет низкой. В известных устройствах (авт. св. СССР №1256531, пат. RU 2210760 С2 и RU 2210761 С2 G01N 27/00, 27/26) инерционность и точность анализа улучшаются за счет слива жидкости из трассы и ее промывки анализируемым потоком. Однако это возможно только при отсутствии в гидравлической трассе сложных звеньев с высокой инерционностью, например, теплообменников. Слить полностью жидкость из трассы с теплообменником в известных устройствах становится невозможным, а для ускоренной промывки необходимо повышать давление. Из-за высокой инерционности и гистерезиса известные анализаторы имеют низкую производительность анализа и их практически невозможно использовать при контроле жидкостей из разных источников в широком диапазоне измеряемых концентраций.
Наиболее близким к предлагаемому является «Устройство для потенциометрических измерений, RU 2210761 С2 G01N 27/00, 27/26», принятое за прототип. Устройство включает входные магистрали, подключенные к двум переключателям потоков, подсоединенных к маностатам с дросселями, две параллельные ветви стабилизации параметров пробы, формируемые в зависимости от задачи анализа, клапаны, установленные в маностаты и на выходы измерительной ячейки, состоящей из двух приемных камер и расположенной между ними камеры с индикаторным электродом. Слив жидкости из трассы осуществляется переключением клапанов на выходах ячейки и через переключатели потоков, а ускоренная промывка за счет того, что клапаном перекрывается переливной патрубок маностата и весь поток направляется в гидравлическую трассу. Снижение инерционности и погрешности гистерезиса в этом устройстве обеспечивается за счет усложнения конструкции гидравлической трассы. Требуется двойной комплект элементов. Используется 7 средств переключения потоков (два многоканальных переключателя потоков и 5 клапанов, соответственно столько же требуется приводов к этим элементам). Однако при включении в состав стабилизатора параметров пробы сложного инерционного звена, например теплообменника, слить полностью жидкость из трассы становится не возможным, а для ускоренной промывки недостаточно только перекрывать перелив маностатов, инерционность и гистерезис остаются высокими. Это устройство практически невозможно использовать при контроле жидкостей из разных источников в широком диапазоне измеряемых концентраций.
Цель изобретения - повышение производительности и точности анализа за счет снижения инерционности и исключения погрешности гистерезиса, расширение функциональных возможностей, в частности для контроля жидкостей из разных источников в широком диапазоне анализируемых концентраций, и упрощение конструкции.
Для достижения этой цели известное устройство, содержащее переключатель потоков, кран с золотником в виде шара, размещенного между полусферами, камеру подготовки пробы, дозатор буферного раствора и потенциометрическую измерительную ячейку с камерой приема пробы, снабжено механизмом раздвижки полусфер, камера подготовки пробы снабжена мешалкой, плавающей крышкой и размещенной между ними мембраной дозатора буферного раствора, камера подготовки пробы и измерительная ячейка размещены в общем кожухе, снабженном нагревателем, причем верхняя полусфера крана является дном камеры подготовки пробы и частью кожуха, а на поверхности золотника выполнены попарно симметрично относительно центра золотника каналы с уплотнениями для соединения камеры подготовки пробы с переключателем потоков и измерительной ячейкой, а также уплотнения для перекрытия отверстий каналов подачи потоков.
Механизм раздвижки полусфер состоит из двух маховиков, закрепленных на общем валу, скрепленном с золотником, двух пружин, установленных между опорами и кронштейнами, на рабочей поверхности маховиков выполнены две группы углублений симметрично относительно каналов и уплотнений на поверхности золотника, а на концах кронштейнов закреплены подшипники.
Измерительная ячейка снабжена калиброванным каналом, расположенным между камерой приема пробы и камерой с электродами, патрубком слива пробы при анализе и патрубками слива пробы после получения результата анализа.
Мембрана дозатора буферного раствора выполнена из пористого керамического материала на основе окиси алюминия, обладающего стабильной дозирующей способностью при постоянной высоте столба буферного раствора над ней.
Часть поверхности полусфер у основания выполнена конической с увеличением диаметра на 4-5 мм с распространением конусной части на 30-50 градусов от горизонтальной оси полусферы.
На фиг.1 изображено устройство, общий вид; на фиг.2 - вид сверху на камеру подготовки пробы и камеры измерительной ячейки; на фиг.3 - измерительная ячейка, сечение А-А; на фиг.4 - механизм раздвижки полусфер, вид Б.
Устройство содержит входные магистрали потоков 1, подсоединенные к переключателю 2. Из полости переключателя предусмотрен слив жидкости через патрубок 3. В кожухе 4 установлены кран 5, камера 6 подготовки пробы и потенциометрическая измерительная ячейка 7. Между стенками кожуха размещен нагреватель 8 в тепловой изоляции 9. Золотник 10 крана выполнен в виде шара, расположенного между полусферами 11 и 12, составляющих корпус крана. Полусфера 11 входит в дно камеры 6 и составляет часть кожуха 4. Между обечайками полусфер с распространением под дно измерительной ячейки уложена прокладка 13. В поверхности золотника выполнены симметрично относительно центра золотника две группы каналов 14 и 15 с уплотнениями и уплотнение 16. При повороте золотника на 180 градусов каналы и уплотнения функционально взаимно заменяются. В полусфере 11 имеются патрубки 17 и 18, а к полусфере 12 присоединены патрубки 19, 20, 21 и 22. Камера 6 снабжена плавающей крышкой 23 для гашения волн на поверхности воды и мешалкой 24, которая может работать так же как насос. В верхний слой жидкости введена мембрана 25, составляющая вместе с капилляром 26, емкостью 27 и соединительными трубками дозатор буферного раствора. В камере 6 установлен патрубок 28, соединенный с патрубком 21, и патрубок 29, предназначенный для слива избытка жидкости при заполнении камеры 6. Измерительная ячейка состоит из камеры приема пробы 30, камеры 31 с индикаторным 32 и вспомогательным 33 электродами.
Механизм раздвижки полусфер состоит из маховиков 34, закрепленных на валу 35, скрепленном с золотником, пружин 36, установленных между опорами 37 и кронштейнами 38, на маховиках выполнены углубления 39 симметрично относительно каналов и уплотнений на поверхности золотника, а на концах кронштейнов закреплены подшипники 40.
Камеры 30 и 31 соединены калиброванным каналом 41, ограничивающим расход пробы при анализе, камеры оснащены также патрубком 42 слива пробы в дренаж во время анализа и патрубками слива пробы 43, 44 после получения результата анализа, соединенными с патрубком 19.
Мембрана 25 выполнена из пористого керамического материала на основе окиси алюминия, обладающего определенной дозировочной способностью при постоянной высоте столба буферного раствора над ней.
Часть поверхности 45 у основания полусфер выполнена конической с увеличением диаметра на 4-5 мм и распространением конусной части на 30-50 градусов от горизонтальной оси полусферы.
Устройство работает циклически. Управление работой осуществляется вращением золотника 10 по часовой стрелке и изменением положения каналов и уплотнений на поверхности золотника относительно отверстий патрубков в полусферах крана. Каждому такту цикла работы устройства соответствует углубления 39 в рабочей поверхности маховиков. В углубления устанавливаются подшипники 40. Под действием пружин 35 полусферы прижимаются к уплотнениям золотника, чем обеспечивается герметизация каналов и перекрытие отверстий патрубков. При повороте маховика для перехода к следующему такту подшипники 40 выходят из углублений, полусферы раздвигаются, золотник поворачивается до нового положения, причем во время движения золотника уплотнения не касаются стенок полусфер. При подходе подшипника к следующему углублению вращение золотника прекращается, подшипник попадает в углубление, полусферы прижимаются к уплотнениям и выполняется следующий такт работы устройства. Предусмотрено 4 такта в цикле, а при полном обороте золотника осуществляется два цикла работы устройства.
Такт 1 (принятый за начало цикла). Подшипник 40 в первом по ходу углублении 39. В верхней полусфере канал 14 соединяет патрубки 17 и 18. Мешалка работает в режиме «насос». Подготовленная проба через патрубок 18, канал 14, патрубки 17 и 28 перекачивается из камеры 6 в камеру приема пробы 30. Через канал 41 проба с нормированным расходом поступает в камеру 31. После заполнения камеры 31 до уровня патрубка 42 начинается анализ пробы. В нижней полусфере уплотнение 16 перекрывает отверстие патрубка 19. Один из анализируемых потоков из переключателя 2 поступает в полость крана и сливается через патрубок 20.
Такт 2. После поворота маховика подшипник 40 попадает во второе по ходу углубления 39. В верхней полусфере канал 14 отходит от отверстий патрубков 17 и 18. В нижней полусфере канал 15 соединяет патрубки 21 и 22. Через патрубок 22, канал 15 и патрубки 21, 28 поток поступает в камеру 6 и сливается в дренаж через патрубок 18, полость крана 5 и патрубок 20. Мешалка 24 работает в режиме «перемешивание». Анализируемым потоком промываются магистрали и камера 6. Патрубок 19 перекрыт уплотнением 16. Продолжается анализ пробы.
Такт 3. После поворота маховика подшипник 40 попадает в третье по ходу углубление 39. В верхней полусфере канал 15 с уплотнением перекрывает отверстие патрубка 18. В нижней полусфере канал 15 соединяет патрубки 21 и 22. Через патрубок 22, канал 15 и патрубки 21, 28 поток заполняет камеру 6. После заполнения избыток жидкости сливается в дренаж через патрубок 29. Идет подготовка пробы по температуре (подогрев) и добавление буферного раствора (рН). Завершается анализ предыдущей пробы.
Такт 4. После очередного поворота маховика подшипник 40 попадает в очередное четвертое по ходу углубление 39. В верхней полусфере канал 15 с уплотнением перекрывает отверстие патрубка 18. Мешалка 24 работает в режиме «перемешивание». Продолжается подготовка пробы в камере 6. В нижней полусфере канал 15 отходит от отверстий патрубков 21 и 22. Поток сливается в дренаж через полость крана и патрубок 20. Отверстие патрубка 19 открывается. Остатки пробы из измерительной ячейки сливаются в дренаж через патрубки 44, 43, полость крана 5 и патрубок 20.
По окончании такта 4 маховик вместе с золотником поворачивается до установки подшипника 40 в первом по ходу второй группы углублений и цикл повторяется с пробой от следующего потока.
По окончании анализа каждой пробы жидкость из камер измерительной ячейки сливается. Перед каждым новым анализом камера подготовки пробы промывается анализируемым потоком, а измерительная ячейка - первой порцией пробы, которая не остается в зоне индикаторного электрода. Таким образом, каждая проба в устройстве формируется отдельно и не смешивается с другими пробами. Исключается погрешность гистерезиса, время на получение результата анализа пробы соответствует времени отклика индикаторной системы, уменьшается инерционность. Стабилизация температуры и рН пробы производится синхронно в одной замкнутом объеме и с перемешиванием пробы. Соответственно все параметры пробы усредняются. При наладке устройства прежде всего устанавливается время для стабилизации температуры. Это время минимизировано за счет развитой поверхности дна камеры (шаровая поверхность). Время для стабилизации рН устанавливается изменением концентрации буферного раствора так, чтобы процесс стабилизации по температуре заканчивался до стабилизации рН, тогда увеличением (уменьшением) времени выдержки пробы при стабильной температуре можно регулировать рН пробы. Производительность анализа увеличивается также за счет того, что подготовка пробы и анализ предыдущей пробы ведется параллельно, так же как и в прототипе. Предлагаемый анализатор значительно проще прототипа и других анализаторов, так как все переключения в гидравлической трассе выполняются вращением золотника одного крана. Отсутствие гистерезиса и малая инерция позволяют использовать устройство в широком диапазоне измеряемых концентраций. Слив пробы и промывка камер исключает накапливание механических взвесей, пузырьков газа. Время контакта анализируемой жидкости с индикаторным электродом можно сократить до времени отклика измерительной системы. Следовательно, предлагаемое устройство позволяет расширить область применения анализаторов на новые направления анализа.
1. Устройство для потенциометрических измерений, содержащее переключатель потоков, кран с золотником в виде шара, размещенного между полусферами, камеру подготовки пробы и потенциометрическую измерительную ячейку с камерой приема пробы, отличающееся тем, что оно снабжено механизмом раздвижки полусфер, камера подготовки пробы снабжена мешалкой, плавающей крышкой и расположенной между ними мембраной дозатора буферного раствора, причем камера подготовки пробы и измерительная ячейка размещены в кожухе, снабженном нагревателем, а верхняя полусфера крана является дном камеры и частью кожуха, на поверхности золотника выполнены попарно симметрично относительно центра каналы с уплотнениями для соединения камеры подготовки пробы с переключателем потоков и измерительной ячейкой, а также уплотнения для перекрытия отверстий каналов подачи потоков.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что механизм раздвижки полусфер состоит из маховиков, закрепленных на вале, скрепленном с золотником, пружин, установленных между опорами и кронштейнами, на маховиках выполнены углубления, симметрично относительно каналов и уплотнений на поверхности золотника, и на концах кронштейнов закреплены подшипники.
3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что измерительная ячейка снабжена калиброванным каналом, расположенным между камерой приема пробы и камерой с электродами, патрубком слива пробы во время анализа и патрубками слива пробы после получения результатов анализа.
4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что мембрана дозатора выполнена из пористого керамического материала.
5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что у основания полусфер часть поверхности выполнена конической с увеличением диаметра на 4-5 мм с распространением конусной части на 30-50 град от горизонтальной оси полусферы.
