СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ЭЛЕКТРОЛИТА Российский патент 1996 года по МПК G01N27/02 

Изобретение определения концентрации электролитов относится к области физико-химических исследований и может быть использовано в химической и других родственных с ней отраслях промышленности.

Известен аналого-частотный способ определения электролитов (1) [Усиков С. В. Электрометрия жидкостей. -Л. Химия, 1974, с.95-98] заключающийся в преобразовании изменения емкости чувствительного элемента с воздухом и жидкостью в соответствующее изменение частоты и напряжения генератора и решению полученных зависимостей для определения искомой концентрации электролита.

Недостатком способа является низкие точность и оперативность, связанная с настройкой контура в резонанс недостаточно широкий диапазон измерений.

Наиболее близким является амплитудно-частотный способ определения концентрации электролита(2) [Лопатин Б. А. Высокочастотное титрование с многозвенными ячейками. -М. Химия, 1980, с.9-13] размещенного в емкостной измерительной ячейке с n звеньями резонансной частотно-задающей цепи генератора высокой частоты и подбору резонансной частоты по амплитудно-частотной характеристике, включающей измерение частоты и напряжения через равные промежутки времени, расчет параметров электролита по измеряемой частоте.

Недостатком этого способа являются низкие точность и оперативность, связанные с заменой одной ячейки на другую, недостаточно широкий диапазон измерения, так как каждая ячейка работает только в своем диапазоне, большая методическая погрешность обусловленная тем, что искомые характеристики электролита хотя и находятся через частоту, но путем дополнительного преобразования амплитудно-частотной характеристики.

Техническим результатом изобретения является повышение точности определения характеристик электролитов в широком диапазоне концентраций.

Технический результат достигается тем, что: в способе определения концентрации электролита размещенного в измерительной ячейке, включенной в цепь генератора частоты, расчет параметров электролита по резонансной частоте, в отличие от известных решений, резонансную частоту определяют по минимому погрешности измерения частоты, по резонансной частоте расчитывают искомую концентрацию электролита.

Сущность изобретения заключается в следующем. Исследуемый раствор электролита помещается в измерительную ячейку.

Исходя из предположения о составе электролита, как совокупности положительно и отрицательно заряженных ионов можно предложить схему замещения ячейки с помещенным в нее электролитом показанную на фиг.1.

При этом возникновение емкости обусловленно, как поляризационными эффектами, так и емкостями возникающими между положительно и отрицательно заряженными ионами, как обкладками миниконденсаторов.

Индуктивность возникает как проявление кинетической энергии иона, как заряженной частицы, при движении его под действием приложенного к электродам внешнего элекромагнитного поля.

Сопротивление раствора представляет результат взаимодействия ионов между собой, препятствующее направленному движению ионов между электродами.

Таким образом комплексное сопротивление ячейки с раствором:


При резонансе I_mZ О, то есть:

Откуда и учитывая получаем:

Определение резонансной частоты осуществляется следующим образом. На измерительную ячейку с генератора частоты подается известная программно-установленная частота. Осуществляется определение погрешности измерения частоты. Производится изменение частоты по заданному закону, например линейному и измерения повторяются для ряда частот. По наименьшей погрешности измерения частоты находится резонансная частота, по которой определяется искомая концентрация,
Докажем эффективность предлагаемого решения по отношению к прототипу по точности исходя из чувствительности.

Чувствительность для предлагаемого варианта:

Для прототипа, например для ячейки RL-типа (Лопатин Б.А. Высокочастотное титрование с многозвенными ячейками. -М: Химия, 1980, с.107), выразим x через ω параметры ячейки. Из выражения (IV.49) с учетом (IV.52) имеем
α′ω⁴+β′ω²+γ′= 0 (1)
где α′ = R²CL³(5R21

C+L),;
β′ = L²[3RR₁L-R²(11R₁C+L) +5 R21L],;
γ′ = 6R²R21L
Подставив значения α′, β′, γ′ в (1) и разделив на R² получаем:

Учитывая, что и преобразовав уравнение относительно x₂, получаем:

Решая уравнение, получаем:

где
Чувствительность

Учитывая, что отношение чувствительностей есть отношение точностей, получаем выражение для определения коэффициента эффективности по точности для предлагаемого технического решения:

Подставляя данные реальных ячеек получаем при L 2 мкГн, L' 33 мГн, С 10 нФ, C' 40 пФ R 1кОм, для x 0,5 см, получаем h = 67,97, т.е. примерно на 2 порядка.

Способ апробирован на экспериментальной установке, созданной на базе микропроцессорного кондуктометра КЛ-4 "Импульс", выполненного на микропроцессорном комплекте К1801. При измерениях использовались контактные первичные преобразователи удельной электрической проводимости с платиновыми электродами.

В качестве проводящей среды использовались модельные растворы NaCI. Измерения проводились при различных частотах питания измерительной цепи в диапазоне от 5 Гц до 5 кГц.

В качестве примера на фиг.2 приведены графики зависимости относительной погрешности ε от частоты питания измерительной цепи f для различных концентраций.

Эксперимент показал, что значение концентрации может быть найдено по частоте, на которой погрешность измерения минимальна, так концентрация с 32000 мг/л определяется при частоте 470 Гц.

Таким образам, управление частотой генератора контроль погрешности измерения частоты по которой определяют резонансную частоту раствора электролита, по которой определяют концентрацию, в отличие от известных решений позволяет повысить точность определения концентрации электролитов примерно на 2 порядка.

Использование: аналитическое приборостроение, в частности, химическая промышленность. Сущность изобретения: способ определения концентрации электролита с помощью ячейки, включенной в цепь генератора частоты, заключается в том, что через равные промежутки времени измеряют частоту. Изменяют частоту генератора, на каждой частоте находят погрешность измерения частоты. По частоте, соответствующей минимальной погрешности, определяют концентрацию электролита. 2 ил.

Способ определения концентрации электролита, размещенного в ячейке, включенной в цепь генератора частоты, включающий измерение частоты через равные промежутки времени и расчет параметров электролита по частоте, отличающийся тем, что контролируют погрешность измерения частоты, по которой определяют резонансную частоту раствора электролита, соответствующую минимальной погрешности измерения частоты, по которой определяется искомая концентрация.