УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ ПРИМЕСЕЙ В ЖИДКОСТИ Российский патент 1996 года по МПК G01N1/10 

Изобретение относится к физико-химическому анализу жидких сред и может быть использовано для контроля за состоянием водных объектов и с источников их загрязнения.

Известно устройство для контроля качества жидкости, содержащее корпус, измерительную камеру, выполненную в виде блока цилиндров с поршнями, датчиками измерений и отверстиями для исследуемой жидкости и реактивов, золотник, клапанное устройство, трубопроводы и емкости для реактивов, привод поршней, золотника и клапанного устройства, блок управления и измерения. Поршни штоками взаимодействуют с наклонной шайбой, выполняющей роль программатора. Емкости для реактивов посредством трубопроводов соединены с пазами золотника, выполняющего роль клапанного устройства для подачи исследуемой жидкости и реактивов в измерительные камеры. Привод выполнен с электродвигателем, соединенным зубчатой передачей с наклонной шайбой и является общим для упомянутых подвижных элементов устройства.

Устройство обеспечивает отбор дозированной пробы, ее обработку реактивами, качественный и количественный анализ пробы жидкости, сброс пробы с очисткой и промывкой полостей цилиндров.

Однако в устройстве не предусмотрены дозаторы реактивов, выполняющее их роль клапанное устройство из-за неплотностей в золотнике не обеспечивает высокой точности дозирования и, следовательно, точности анализа пробы.

Цель изобретения повышение точности контроля примесей в исследуемой жидкости устройством контроля и его надежности путем решения технической задачи повышения точности ввода заданного объема реактивов в измерительную камеру устройства и повышения надежности и точности составляющих устройство узлов.

Цель достигается тем, что в устройстве для контроля примесей в жидкости, содержащем корпус, измерительную камеру с установленным в ее полости поршнем, датчиком измерений и отверстиями для исследуемой жидкости и реактивов, золотник, клапанное устройство, трубопроводы и емкости для реактивов, приводы поршня, золотника и клапанного устройства, блок управления и измерения с программатором, оно снабжено сосудом постоянного уровня, размещенным вокруг измерительной камеры, камера снабжена установленными с возможностью изменения ее объема в количестве, соответствующем количеству емкостей для реактивов дополнительными поршнями с индивидуальными приводами, а приводы поршней снабжены электропроводными нитями, соединенными с программатором и источником электрического тока.

По дополнительным пунктам могут быть установлены в продольных отверстиях, выполненных в теле поршня измерительной камеры.

Возможна их установка между поршнем измерительной камеры и ее стенками с возможностью их взаимного перемещения относительно друг друга и стенок камеры.

Кроме того, площади поперечных сечений поршня измерительной камеры и дополнительных поршней могут находиться в пропорциональной зависимости с общим коэффициентом пропорциональности от объемов доз контролируемой жидкости и реактивов соответственно.

Затворы клапанного устройства выполнены, например, в виде установленных в вертикальных гнездах стенок измерительной камеры трубок с возможностью упора торцами в уплотнители гнезд.

Мешалка может быть выполнена в виде штока с наконечником, также соединенного с индивидуальным приводом и установленного в продольном отверстии поршня измерительной камеры.

Введение в полость измерительной камеры дополнительных поршней с индивидуальными приводами дало возможность использовать их в качестве дозаторов при введении в камеру реактивов. С помощью индивидуального привода поршень, предназначенный для дозированного введения в камеру конкретного реактива, увеличивает объем камеры на величину, равную вводимому объему реактива. Размеры поршней, точнее площади их поперечных сечений и длина путей их перемещения выбраны с учетом величины доз реактивов, необходимых для проведения анализа исследуемой жидкости, при заданной точности дозирования, обуславливающей повышение точности контроля. Ясно, что возможность точного дозирования малых доз позволяет уменьшить дозу исследуемой жидкости, вводимую в измерительную камеру. Это, в свою очередь, позволяет уменьшить габариты камеры и устройства в целом. Кроме того, возможность выдачи малых доз реактивов повышает экономичность устройства. Количество дополнительных поршней соответствует количеству емкостей для реактивов, т.е. числу различных используемых реактивов для анализа. Но числа поршней может быть меньше числа реактивов, так как возможно введение в камеру, например, двух реактивов с помощью одного и того же поршня последовательным увеличением объема камеры, если это не ухудшит точность дозирования. Возможно превышение числа поршней над числом реактивов при нониусной системе дозирования.

Указанное соответствие числа поршней числу реактивов способствовало повышению качества контроля.

Дополнительные поршни могут быть установлены в продольных направляющих (их продольные оси параллельны продольной оси поршня камеры), выполненных в теле поршня измерительной камеры. Это обеспечивает работоспособность поршневого узла и придает ему вертикальную ориентацию в корпусе устройства, что создало условия для уменьшения габаритов измерительной камеры с учетом расположения в ее стенках датчика измерений, возможности его функционирования и одностороннего относительно камеры расположения нитей всех приводов.

Однако расположение дополнительных поршней в теле поршня камеры не является единственно возможным вариантом. Так, дополнительные поршни могут быть расположены по периметру поршня камеры между ним и стенками камеры с возможностью их взаимного перемещения относительно друг друга и стенок измерительной камеры.

Оба варианта расположения поршней не критичны к форме их поперечных сечений.

Возможны иные варианты расположения дополнительных поршней, например, в стенках измерительной камеры, но все варианты находятся в пределах объема прав заявляемого изобретения.

Важно, чтобы эти подвижные элементы имели возможность изменять объем измерительной камеры при вводе в нее реактивов установленной дозировки.

Если V_кж объем контролируемой жидкости;
S_кж площадь поперечного сечения поршня камеры;
l_кж ход поршня,
то
Аналогично для n-го реактива, где n 1, 2.

Возможен вариант, когда l_кж l_1p l_2p l_пр
В этом случае хода всех поршней одинаковы и объем дозы обусловлен только величиной площади поперечного сечения поршней.

Одинаковые ходы поршней дали возможность уменьшить количество вариантов управляющих сигналов, формируемых блоком управления и измерения с программатором: они могут быть одинаковыми по величине и отличаться только моментом выдачи. Такое решение упростило конструкцию блока, уменьшило количество возможных погрешностей и, следовательно, повысило точность работы и надежность устройства в целом.

Выполнение затворов клапанного устройства в виде трубок, установленных в вертикальных гнездах стенки измерительной камеры с упором торцами в уплотнители гнезд легко осуществимо и создало более надежную конструкцию. Этому способствует использование кольцевых торцевых уплотнителей и упор в них торцами трубок, обеспечиваемый ее приводом. Надежное уплотнение исключило утечку реактивов в измерительную камеру, что, в свою очередь, повысило точность контроля.

Введение в состав приводов подвижных элементов устройства электропроводных нитей, изменяющих длину при прохождении по ним электрического тока, соединенных электрически с программатором и механически со средствами передачи движения подвижным элементам упростило конструкцию приводов и обеспечило практически безотказную работу. Необходимая точность хода поршней достигнута постановкой регулируемых ограничителей их хода.

Введение в конструкцию устройства мешалки обеспечило возможность перемешивания реактивов в пробе и этим ускорять реакцию развития окраски, происходящую между определяемыми примесями, и повысить точность анализа.

Таким образом, предлагаемая совокупность существенных отличительных признаков и каждый признак в отдельности из этой совокупности обеспечили достижение поставленной цели повышения точности контроля примесей в жидкости устройства контроля и повышения его надежности.

На чертеже показана схема устройства для контроля примесей в жидкости.

Устройство содержит корпус 1, в нижней части которого выполнен сосуд 2 постоянного уровня, измерительную камеру 3 с установленным в ее полости поршнем 4, датчиком измерений, отверстием в днище камеры для исследуемой жидкости и отверстиями 5 в стенках (показано одно) для реактивов, золотник 6, клапанное устройство, трубопроводы 7 (показан один), емкости 8 для реактивов (показана одна), привод поршня 4, золотника 6, клапанного устройства, дополнительных поршней и мешалки 9, блок управления и измерения с программатором (не показан).

Датчик измерений реализует фотометрический метод анализа и содержит осветитель 10 и фотоприемник 11, для которых в нижней части измерительной камеры 3 выполнены окна. Золотник 6 представляет собой заслонку отверстия камеры 3 для исследуемой жидкости, по существу являясь ее дном, и соединен с приводом. Клапанное устройство имеет несколько затворов. Каждый из них выполнен в виде трубки 12, установленной в вертикальном гнезде 13 стенки измерительной камеры 3. Трубка 12 одним торцом упирается в уплотнитель 14, выше которого расположено отверстие 5 для реактива. Другим концом трубка 12 соединена с приводом. Внутренняя полость трубки связана с атмосферой и трубопроводом 7, соединенным с выходом емкости 8 для реактива, выполненной в виде сосуда с постоянным давлением. Количество затворов равно количеству трубопроводов 7 и количеству емкостей 8 и обусловлено методикой анализа.

Дополнительные поршни 15 (показан один) соединены (каждый из них) с индивидуальными приводами и расположены в данном примере конкретного выполнения в направляющих продольных отверстиях, выполненных в теле поршня 4. Количество поршней 15 соответствует числу используемых реактивов, т.е. оно может быть несколько большие или несколько меньше в зависимости от требований к точности дозирования. При одинаковом ходе всех поршней площади их поперечных сечений зависят от заданных объемов дозирования как исследуемой жидкости, так и реактивов. В этом случае после полного набора всех компонентов реакции все поршни торцевыми поверхностями будут находиться на одном уровне (заподлицо), что облегчает перемешивание и очистку камеры 3 после процесса анализа. Мешалка 9 состоит из штока с наконечником. Шток установлен в продольном отверстии поршня 4 и соединен с приводом.

Поршень 4 измерительной камеры 3, дополнительные поршни 15, золотник 6, трубка 12 клапанного устройства, мешалка 9 имеют индивидуальные приводы. Каждый из приводов содержит электропpоводную металлическую нить 16 20 с заданными длиной и температурным коэффициентом удлинения. Один из концов каждой нити изолированно соединен с соответствующим рычагом 21 25, а второй конец также изолированно жестко закреплен на корпусе 1. По сигналам управления нити соединены с блоком управления и измерения с программатором (не показано). Рычаги имеют силовые элементы, выполненные в виде спиральных пружин 26 30. Каждая из пружин одним концом закреплена на корпусе 1, а вторым концом на соответствующем рычаге в точке, лежащей по другую сторону от оси вращения рычага относительно крепления соответствующей нити. В качестве нитей 16 20 для индивидуальных приводов может быть использована, например, нихромовая проволока. Для предотвращения ее разрыва предусмотрены в месте крепления к корпусу упругие элементы (не показаны). Для ограничения перемещения поршней 4 и 15 установлены ограничители 31 и 32.

Сосуд 2 постоянного уровня имеет переливную стенку 33, установленную между входным и выходным отверстиями 34 и 35, выполненными в днище корпуса 1.

Внутренняя полость измерительной камеры 3 может быть выполнена любой формы. Ей соответствует форма поршня 4. Форма дополнительных поршней 15 может быть любой, ей соответствует форма их направляющих отверстий.

В емкости 8 для реактивов имеется регулирующая рабочий уровень трубка 36. Трубопроводы 7 установлены с наклоном в сторону камеры 3.

Работа устройства для контроля примесей в жидкости. В сосуд 2 постоянного уровня корпуса 1 через входное отверстие 34 сосуда поступает контролируемая жидкость и заполняет его до уровня высоты переливной стенки 33. Постоянный уровень устанавливается благодаря перетеканию лишней жидкости через стенку 33, уходящей далее через выходное отверстие 35.

В исходном состоянии нити 16 20 обесточены и вследствие этого уменьшена их длина. При этом положение рычагов 21, 22, 24 и 25 таково, что поршень 4 измерительной камеры 3, дополнительные поршни 15, мешалка 9 находятся в крайнем верхнем положении, а пружины 26, 27 и 30 в растянутом состоянии. Пружины 29 находятся также в растянутом состоянии, а трубки 12 в нижнем положении, закрыв отверстия 5 для реактивов и прижимая уплотнители 14 гнезд 13. Рычаг 23 находится в положении, при котором золотник 6 открыл отверстие в днище камеры 3, а пружина 28 в сжатом состоянии.

Затем с блока управления и измерения с программатором подается электрический сигнал на нити 16, 17 и 20, нити разогреваются и удлиняются, под действием пружин 26, 27 и 30 рычаги 21, 22 и 25 поворачиваются на своих осях и поршни 4 и 15, мешалка 9 опускается вниз и очищают измерительную камеру 3, ее стенки, окна осветителя 10 и фотоприемника 11. Режим очистки может быть проведен несколько раз путем перемещения поршней 4, 15 и мешалки 9 в верхнее и нижнее положения. После окончания режима очистки, когда поршни 4, 15 и мешалка 9 находятся в нижнем положении, снимается сигнал с нити 16 и поршень 4 поднимается вверх до ограничителя 31, освобождая внутреннее пространство камеры 3. Измерительную камеру 3 заполняет порция исследуемой жидкости. Подают сигнал на нить 18. Нить удлиняется, под действием пружины 28 рычаг 23 перемещает золотник 6 на перекрытие отверстия для исследуемой жидкости, отсекая заданную порцию, обусловленную объемом камеры 3 при верхнем положении поршня 4 и нижнем положении поршней 15.

Подают сигнал на нить 19 привода одной из трубок 12 клапанного устройства. Нить 19 удлиняется, пружина 29 сжимается, рычаг 24 поворачивается на оси в сторону перемещения трубки 12 вверх, открывая доступ соответствующего реактива из емкости 8 по трубопроводу 7 к отверстию 5 в стенке камеры 3. Реактив поступит в камеру 3 после снятия сигнала с нити 17 одного из поршней 15, который при этом поднимается вверх до ограничителя 32, освобождая часть пространства в камере 3. Эта часть и обуславливает величину дозы поступающего в камеру 3 реактива. Снимают сигнал в нити 19 привода трубки 12 данного канала подачи реактива, трубка 12 опускается, закрывает отверстие 5 и прижимает уплотнитель 14. Аналогично осуществляется подача в камеру других реактивов путем освобождения части пространства в ней соответствующими поршнями 15. Трубки 36 емкостей 8 поддерживают рабочий уровень реактивов в них.

Для включения в работу мешалки 9 на нить 20 ее привода подают периодический импульсный сигнал, по которому с частотой следования импульсов нить удлиняется и укорачивается, а мешалка 9 совершает возвратно-поступательное движение в вертикальном направлении. В соответствии с методикой измерения примесей мешалка 9 может включаться в промежутках между подачей реактивов.

После набора последнего реактива и перемешивания подготовленной пробы выдерживают паузу, если это необходимо по методике, например, для развития окраски или осаждения осадка, и осуществляют фотометрирование путем включения питания на осветитель 10 и получения сигнала с фотоприемника 11.

При необходимости можно провести промежуточное фотометрирование, например, для определения нуля отсчета, учета мутности калибровки и т.д. После окончания измерений снимают сигнал с нити 18 и золотник 6 открывает отверстие для исследуемой жидкости камеры 3 и устройство приходит в исходное состояние.

Описание характерных особенностей и принципа функционирования заявляемого устройства, а также успешное испытание опытного образца, созданного авторами, подтвердили работоспособность устройства и его технические преимущества.

Использование: контроль за состоянием водных объектов и источников их загрязнения при физико-химическом анализе жидких сред. Существо изобретения: устройство для контроля примесей в жидкости содержит корпус, в котором выполнен сосуд постоянного уровня с измерительной камерой в нем, снабженной поршнем и выполненной с отверстием в днище для исследуемой жидкости и отверстиями для реактивов. В теле поршня установлены дополнительные поршни и мешалка. В вертикальных гнездах стенки камеры установлены трубки, упирающиеся торцами в уплотнители и соединенные трубопроводами с емкостями для реактивов. Количество поршней, гнезд, трубок, трубопроводов и емкостей обусловлено количеством используемых реактивов. В состав всех используемых приводов входят электропроводные нити. Устройство содержит датчик измерений, выполненный в виде осветителя с фотоприемником. 5 з. п. ф-лы, 1 ил.

1. Устройство для контроля примесей в жидкости, содержащее корпус, измерительную камеру с поршнем в ее полости, датчиком измерений, отверстиями для исследуемой жидкости и реактивов, золотник, клапанное устройство, трубопроводы, емкости для реактивов, приводы поршня, золотника и клапанного устройства, блок управления и измерения с программатором, отличающееся тем, что устройство снабжено сосудом постоянного уровня, размещенным вокруг измерительной камеры, а камера снабжена дополнительными поршнями с индивидуальными приводами, установленными с возможностью изменения объема камеры и в количестве, соответствующем количеству емкостей для реактивов, при этом приводы поршней снабжены электропроводными нитями, соединенными с блоком управления. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что поршень измерительной камеры выполнен с продольными отверстиями, а дополнительные поршни установлены в этих продольных отверстиях. 3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что дополнительные поршни установлены между поршнем измерительной камеры и ее стенками с возможностью взаимного перемещения. 4. Устройство по пп. 1, 2, 3, отличающееся тем, что площади поперечных сечений поршня измерительной камеры и дополнительных поршней находятся в пропорциональной зависимости с общим коэффициентом пропорциональности от объемов доз контролируемой жидкости и реактивов соответственно. 5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что клапанное устройство выполнено с затворами в виде установленных в вертикальных гнездах стенок измерительной камеры трубок с возможностью упора торцами в уплотнители гнезд. 6. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что оно снабжено мешалкой, установленной в продольном отверстии поршня измерительной камеры и выполненной в виде соединенного с приводом штока с наконечником.