СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ПАРОВ РТУТИ Российский патент 1995 года по МПК G01N29/00 

Изобретение относится к аналитическому приборостроению, неразрушающему контролю газообразных веществ и может быть использовано в химической промышленности для экологического контроля.

Известен способ измерения концентрации газообразных веществ, основанный на измерении зависимости собственной частоты пьезоэлектрического резонатора от дополнительной массы, присоединяемой сорбционным покрытием к электродам резонатора [1]
Недостатком известного способа является необходимость точного дозирования исследуемого газа или пара.

Наиболее близким к предлагаемому способу измерения концентрации паров ртути в воздухе является способ [2]
При измерении известным способом концентрации паров ртути в воздухе через измерительную камеру, в которой расположен пьезоэлектрический резонатор, прокачивают известный объем анализируемой смеси. На электрод (электроды) резонатора нанесено золотое покрытие, выполняющее функции сорбционного покрытия. Амальгама, образующаяся при взаимодействии ртути с золотом, увеличивает массу электродов резонатора и снижает его собственную частоту. Собственную частоту резонатора измеряют до начала прокачки известного объема и после прокачки этого объема. Концентрацию паров ртути оценивают по разности указанных собственных частот. Известный объем аналитической смеси задается либо откачкой ее из предварительно заполненной емкости известного объема, либо измерением расхода смеси и продолжительности прокачки смеси через измерительную камеру.

Недостатком известного способа является необходимость пробоотбора определенного объема анализируемой газовой смеси, что усложняет реализацию способа.

Целью изобретения является упрощение способа.

Это достигается тем, что в предлагаемом способе измерения концентраций паров ртути в воздухе, основанном на измерении зависимости собственной частоты пьезоэлектрического резонатора от дополнительной массы, присоединяемой к электродам резонатора при фиксированном расходе анализируемой смеси,измеряют временной интервал, в течение которого собственная частота резонатора изменится на заранее заданную величину, а о концентрации судят по отношению величины изменения частоты к величине упомянутого временного интервала.

Способ осуществляется следующим образом. Анализируемую смесь паров ртути в воздухе прокачивают при фиксированном расходе смеси через камеру с пьезоэлектрическим резонатором, на электроды которого нанесено сорбирующее покрытие в виде тонкого слоя золота, измеряют временной интервал, в течение которого собственная частота резонатора изменится на заранее заданную величину, концентрацию паров ртути оценивают по отношению величины изменения частоты резонатора к величине временного интервала.

На чертеже изображена блок-схема одного из возможных вариантов устройства, реализующего предложенный способ.

Устройство содержит измерительную камеру 1 со сходным и выходным отверстиями 2, 3. Внутри камеры расположен пьезоэлектрический резонатор 4, на электроды которого нанесен тонкий слой золота, являющегося сорбентом для паров ртути. Резонатор 4 включен в схему высокочастотного генератора 5. Выходное отверстие 3 камеры соединено с откачивающим насосом 6, обеспечивающим фиксированный (неизменный) расход анализуемой смеси паров ртути и воздуха. К выходу генератора 5 подключен вход измерителя 7 частоты, выход которого соединен с одним из входов компаратора 8 кодов, второй вход которого соединен с блоком 9 задачи кода сравнения. Выход компаратора 8 кодов соединен со входами "Стоп" хронометра 10 и откачивающего насоса 6.

До начала измерения частота генератора 5 постоянна, ее величина периодически измеряется измерителем 7 частоты и в виде цифрового кода поступает на один из входов компаратора 8 кодов. На второй вход компаратора 8 кодов поступает сигнал в виде цифрового кода от блока 9 задачи кода сравнения. Цифровой эквивалент кода сравнения соответствует частоте, которая меньше первоначальной частоты генератора 5 на заранее заданную величину. Вследствие этого на выходе компаратора 8 отсутствует сигнал "Стоп".

Измерение начинается с внешней команды "Пуск", которая включает откачивающий насос 6 и переводит хронометр 10 в режим измерения временного интервала. Анализируемая смесь прокачивается через входное отверстие 2 измерительной камеры вдоль электродов резонатора 4 и далее через выходное отверстие 3 и насосом 6 выбрасывается в атмосферу.

Вследствие взаимодействия паров ртути с золотым покрытием электродов резонатора 4 собственная частота последнего начинает уменьшаться. Скорость изменения собственной частоты резонатора 4 пропорциональна концентрации паров ртути в воздухе. Когда собственная частота резонатора изменится на заранее заданную величину, цифровые сигналы (коды) на обоих входах компаратора 8 кода делаются одинаковыми и на его выходе появляется сигнал "Стоп", выключающий насос 6 и перекрывающий измерение временного интервала хронометром 10.

Величина концентрации паров ртути в анализируемой смеси определяется по соотношению:
C_κ a, (1) где C_κ- концентрация паров ртути;
а коэффициент пропорциональности (определяется по смесям с известной концентрацией паров ртути);
f₁, f₂ частота генератора 5 (собственные частоты резонатора 4) в моменты соответственно начала и окончания измерения;
T_κ- показания хронометра 10 (временной интервал, на протяжении которого частота генератора 5 изменяется от f₁ до f₂).

Коэффициент пропорциональности а в соотношении 1 определяется параметрами конкретного устройства, реализующего предложенный способ. Важнейшими из этих параметров являются собственная частота пьезоэлектрического резонатора коэффициент а увеличивается пропорционально второй степени величины собственной частоты; расход анализируемой смеси коэффициент а сначала увеличивается пропорционально увеличению расхода, затем увеличивается медленнее увеличения расхода, далее не изменяется при увеличении расхода, а при еще большем увеличении расхода начинает уменьшаться.

Коэффициент а измеряют экспериментально при фиксированной величине расхода анализируемой смеси, который (расход) определяется конструкцией измерительной камеры 1, параметрами (мощность, число оборотов) откачивающего насоса 6, а также сечением трубопроводов устройства и остается неизменным при эксплуатации устройства.

Измерение коэффициента а производят следующим образом.

В емкость достаточно большого объема помещают открытый сосуд с жидкой ртутью, которая, частично испаряясь, образует в емкости смесь паров ртути и воздуха. Емкость соединяют с устройством, реализующим предложенный способ, через оптическую кювету, которая просвечивается излучением ртутной лампы. Далее командой "Пуск" включают устройство и одновременно измеряют величину оптического поглощения излучения ртутной лампы, проходящего через оптическую кювету, через которую насосом устройства прокачивается анализируемая смесь. Концентрацию паров ртути C_κ вычисляют по известным формулам, опираясь на величину оптического поглощения насыщенных паров ртути. Измерив временной интервал T_κ, в течение которого собственная частота резонатора изменится на заранее заданную величину f₁-f₂, вычисляют по соотношению (1) коэффициент а. Поскольку расход анализируемой смеси определяется только конструктивными особенностями конкретного устройства, реализующего предложенный способ, он остается неизменным (фиксированным для данного устройства) в течение всего срока эксплуатации. Вследствие этого же обстоятельства нет необходимости измерять величину расхода.

П р и м е р. Использовался пьеэоэлектрический резонатор АТ-среза (частота ≈15 МГц), на электроды которого нанесено тонкое (0,01 мкм) золотое покрытие. Измерялась концентрация паров ртути в емкость технологического назначения.

Заданная величина изменения собственной частоты резонатора была установлена равной f₁-f₂ 4 Гц. Величина коэффициента пропорциональности а в соотношении (1) составляла а 2˙10^-8(г/л.Гц/мин). При измерении в соответствии с предложенным способом величина временного интервала T_κ, в течение которого собственная частота резонатора изменилась на 4 Гц, составила T_κ= 63 с 1,05 мин. Отсюда определяемая концентрация составила:
C_κ= a 2·10 7,6·10^-8 г/л
При конкретной реализации способа в качестве измерителя частоты можно использовать серийный электронно-счетный частотомер, в качестве компаратора кодов микросхемы типа К561ИП2 или К555СП1, в качестве задатчика кода сравнения систему переключателей.

Изобретение относится к неразрушающему контролю газообразных веществ. Цель изобретения упрощение способа измерения: это достигается тем, что в способе измерения концентрации паров ртути, основанном на измерении зависимости собственной частоты пьезоэлектрического резонатора от дополнительной присоединенной массы при фиксированном расходе смеси паров ртути и воздуха, дополнительно измеряют времеменной интервал в течение которого собственная частота резонатора изменится на заранее заданную величину. 1 ил.

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ПАРОВ РТУТИ, заключающийся в том, что на электрод пьезоэлектрического резонатора, расположенного в измерительной камере, наносятся покрытие из материала с заданными физико-химическими свойствами, заполняют измерительную камеру исследуемой смесью паров ртути и воздуха, фиксируют расход смеси, измеряют собственную частоту резонатора и по ее изменению судят о концентрации паров, отличающийся тем, что с целью упрощения способа, дополнительно измеряют временной интервал, в течение которого собственная частота резонатора изменяется на заданную величину, а о концентрации судят по отношению величины изменения собственной частоты резонатора к величине измеренного временного интервала.