АВТОМАТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗАТОР ОСТАТОЧНОГО АКТИВНОГО ХЛОРА Российский патент 1997 года по МПК G01N27/26 

Изобретение относится к средствам измерения химического состава веществ и может быть применено для контроля обеззараживания питьевой воды на водоочистных станциях, в том числе в составе автоматизированной системы дозирования хлора.

Известен автоматический анализатор остаточного активного хлора АХС-203 [1] содержащий амперометрическую ячейку, измерительный усилитель, устройство обработки результатов измерения, микронасосы подачи реагентов.

Недостатком этого устройства, как и других анализаторов, использующих амперометрический метод измерения является низкая точность, обусловленная большим влиянием загрязнений поверхности электродов ячейки на результаты измерений. Дополнительные причины низкой точности влияние смещения нулевого уровня измерительного усилителя и нестабильности дозирования фонового электролита.

Наиболее близким аналогом предлагаемого устройства является автоматический анализатор остаточного активного хлора АР [2] Анализатор содержит потенциометрическую ячейку, измерительный усилитель, программное устройство, устройство обработки результатов измерений, емкость с фоновым электролитом, дозатор. Первый и второй электроды потенциометрической ячейки подключены соответственно к первому и второму входам измерительного усилителя, выход которого соединен с входом устройства обработки результатов измерений. Первый и второй выходы программного устройства подключены соответственно к впускному клапану и мешалке потенциометрической ячейки. Емкость с фоновым электролитом связана с потенциометрической ячейкой через дозатор, управляющий вход которого подключен к третьему выходу программного устройства.

Работа устройства происходит следующим образом.

После включения питания начинается цикл измерения. Программное устройство выдает команды на впускной клапан и мешалку потенциометрической ячейки. Происходит забор пробы воды, после чего впускной клапан закрывается. После этого программное устройство выдает команду на дозатор, в ячейку поступает определенное количество фонового электролита, содержащего иодид калия. В результате в растворе образуется иод, количество которого определяется суммарным содержанием свободного и связанного активного хлора в исходной пробе воды. По команде программного устройства измерительный усилитель производит измерение ЭДС, возникающей между электродами потенциометрической ячейки. В соответствии с уравнением Нернста величина этой ЭДС пропорциональна логарифму концентрации активного хлора. Устройство преобразования результатов измерения, получив сигнал с измерительного усилителя, выдает сигнал, пропорциональный концентрации активного хлора. После этого автоматически начинается следующий цикл измерения.

Данное устройство свободно от недостатка, свойственного анализатору АХС-203, проявляющегося в высокой чувствительности к загрязнению поверхности электродов электрохимической ячейки, приводящей к снижению точности измерения концентрации активного хлора.

Однако данный анализатор также обладает недостаточно высокой точностью измерения концентрации. Это обусловлено тем, что большое влияние на результат измерения оказывают точность дозирования фонового электролита, смещение нулевого уровня измерительного усилителя (температурный и временной дрейф) и непостоянство температуры анализируемой пробы в течение цикла измерения. Непостоянство температуры пробы, находящейся внутри потенциометрической ячейки, вызвано теплообменом ячейки с окружающей средой. Нестабильность дозирования фонового электролита вызывается, например изменением давления на входе дозатора по мере расходования фонового электролита.

Задачей изобретения является повышение точности измерения концентрации остаточного активного хлора.

Данная задача решается за счет того, что а автоматическом анализаторе, содержащем потенциометрическую ячейку, первый и второй электроды которой подключены соответственно к первому и второму входам измерительного усилителя, выход которого соединен с первым входом устройства обработки результатов измерений, программное устройство, первый и второй выходы которого подключены соответственно к впускному клапану и мешалке потенциометрической ячейки, емкость с фоновым электролитом, соединенную с потенциометрической ячейкой через дозатор, управляющий вход которого подключен к третьему выходу программного устройства, введены датчик температуры, генератор тока, коммутирующее устройство и проточная камера, а в состав потенциометрической ячейки введен третий и четвертый электроды, соединенные с выходом генератора тока через коммутирующее устройство, к управляющему входу которого подключен выход программного устройства, пятый и шестой выходы которого соединены соответственно с вторым и третьим входами устройства обработки результатов измерений, датчик температуры подключен к третьему входу измерительного усилителя, при этом потенциометрическая ячейка и датчик температуры размещены внутри проточной камеры.

Существенными и отличными от наиболее близкого аналога признаками являются следующие вновь введенные признаки.

1. Генератор тока является новым по отношению к анализатору АР, известен из других технических решений, но соединенный через коммутирующее устройство с дополнительными третьим и четвертым электродами потенциометрической ячейки, совместно с остальными заявленными признаками позволяет проявить новое свойство, заключающееся в достижении положительного эффекта, т.е. решает задачу повышения точности анализатора.

2. Коммутирующее устройство является новым по отношению к анализатору АР, известно из других технических решений, но включенное между генератором тока и дополнительными третьим и четвертым электродами потенциометрической ячейки и соединенное управляющим входом с дополнительным четвертым выходом программного устройства, совместно с остальными заявленными признаками позволяет проявить новое свойство, заключающееся в достижении положительного эффекта, т.е. решает задачу повышения точности анализатора.

3. Третий и четвертый электроды потенциометрической ячейки являются новыми по отношению к анализатору АР, известны из других технических решений, но соединенные с генератором тока через коммутирующее устройство, управляющий вход которого подключен к дополнительному четвертому выходу программного устройства, совместно с остальными заявленными признаками позволяет проявить новой свойство, заключающееся в достижении положительного эффекта, т.е. решает задачу повышения точности анализатора.

4. Датчик температуры является новым по отношению к анализатору АР, известен из других технических решений, но будучи размещенным вместе с потенциометрической ячейкой внутри проточной камеры и подключенным к дополнительному третьему входу измерительного усилителя, совместно с остальными заявленными признаками позволяет проявить новой свойство, заключающееся в достижении положительного эффекта, т. е. решает задачу повышения точности анализатора.

5. Проточная камера является новой по отношению к анализатору АР, известна из других технических решений и совместно с остальными заявленными признаками позволяет проявить новое свойство, заключающееся в достижении положительного эффекта, т.е. решает задачу повышения точности анализатора.

6. Устройство обработки результатов измерений не ново по отношению к анализатору АР, но выполненное таким образом, что имеет два дополнительных входа, подключенных к пятому и шестому выходам программного устройства, совместно с остальными заявленными признаками позволяет проявить новое свойство, заключающееся в достижении положительного эффекта, т.е. решает задачу повышения точности анализатора.

7. Программное устройство не ново по отношению к анализатору АР, но выполненное таким образом, что имеет три дополнительных выхода, два из которых подключены к устройству обработки результатов информации, а третий к управляющему входу коммутирующего устройства, совместно с остальными заявленными признаками позволяет проявить новое свойство, заключающееся в достижении положительного эффекта, т.е. решает задачу повышения точности анализатора.

8. Измерительный усилитель не нов по отношению к анализатору АР, но выполненный таким образом, что имеет дополнительный третий вход, подключенный к выходу датчика температуры, размещенного вместе с потенциометрической ячейкой внутри проточной камеры, совместно с остальными заявленными признаками позволяет проявить новое свойство, заключающееся в достижении положительного эффекта, т.е. решает задачу повышения точности анализатора.

9. Потенциометрическая ячейка не нова по отношению к точности анализатору АР, но благодаря введению в нее двух дополнительных электродов, подключенных к генератору тока через коммутирующее устройство и размещению внутри проточной камеры, совместно с остальными заявленными признаками позволяет проявить новой свойство, заключающееся в достижении положительного эффекта, т.е. решает задачу повышения точности анализатора.

Таким образом, все перечисленные признаки являются новыми, так как из уровня техники неизвестно их использование с целью повышения точности измерения концентрации остаточного активного хлора, и имеют изобретательский уровень, так как для специалиста совокупность признаков явным образом не следует из уровня техники.

Функциональная схема устройства приведена на чертеже. Устройство содержит потенциометрическую ячейку 1, измерительный усилитель 2, программное устройство 3, устройство обработки результатов измерений 4. Первый и второй входы измерительного усилителя 1 подключены соответственно к первому 5 и второму 6 электродам потенциометрической ячейки 1, а его выход соединен с первым входом устройства обработки результатов измерений 4. Емкость с фоновым электролитом 7 через дозатор 8 соединена с потенциометрической ячейкой 1. Генератор тока 9 через коммутирующее устройство 10 подключен к третьему 11 и четвертому 12 электродам потенциометрической ячейки 1. Первый и второй выходу программного устройства 3 подключены соответственно к впускному клапану 13 и мешалке 14 потенциометрической ячейки 1, третий выход к управляющему входу дозатора 8, четвертый выход к управляющему входу коммутирующего устройства 10, а пятый и шестой выходы соответственно ко второму и третьему входам устройства обработки результатов измерений 4. К третьему входу измерительного усилителя 2 подключен датчик температуры 15, размещенный совместно с потенциометрической ячейкой 1 внутри проточной камеры 16.

Генератор тока 9 может быть выполнен, например по схеме (Шило В.Л. Линейные интегральные схемы в радиоэлектронной аппаратуре, М. Сов. радио, 1979, с. 171).

Коммутирующее устройство 10 может быть выполнено, например из двух одноконтактных герконовых реле типа РЭС55А.

В качестве дополнительных третьего и четвертого электродов 11 и 12 потенциометрической ячейки могут быть использованы, например, серийно выпускаемые электроды ЭТП-02 и ЭПЛ-02.

В качестве датчика температуры 15 может быть применен, например, терморезистор типа СТЧ-16А.

Проточная камера 16 может, например представлять собой емкость из оргстекла прямоугольного сечения и иметь два отверстия одно для непрерывного поступления анализируемой воды, другое для слива воды.

Измерительный усилитель 2 может быть выполнен, например, на операционном усилителе К544УД1А по типовой схеме (Шило В.Л. Линейные интегральные схемы в радиоэлектронной аппаратуре, М. Сов. радио, 1979, с. 152) и иметь на выходе резистивный делитель, к одному из плеч которого подключается датчик температуры 15.

программное устройство 3 и устройство обработки результатов измерений 4 могут быть выполнены, например, на однокристальном микропроцессоре К1816ВЕО35 с внешней памятью на микросхеме 54IPT2 по схеме (Качан Б.М. Сташин В.В. Основы проектирования микропроцессорных устройств в автоматике, М. Энергоатомиздат, 1987, с. 260).

Работа устройства происходит следующим образом.

Анализируемая вода непрерывно подается в проточную камеру 16, внутри которой размещены потенциометрическая ячейка 1 и датчик температуры 15. Благодаря этому, температура пробы в ячейке сохраняется постоянной в течение всего цикла измерения и не зависит от температуры окружающей среды. После включения питания с первого и второго выхода программного устройства 3 выдаются команды на впускной клапан 13 и мешалку 14 потенциометрической ячейки 1, задействуется генератор тока 9. В ячейке происходит забор пробы воды, заканчивающийся после снятия команды с впускного клапана 13. После этого программное устройство 3 с третьего выхода выдает команду на дозатор 8. Из емкости 7 в потенциометрическую ячейку 1 поступает определенное количество фонового электролита, содержащего иодид калия. В результате после перемешивания в растворе образуется иод, количество которого определяется суммарным количеством свободного и связанного активного хлора в исходной пробе воды. В соответствии с законом Нернста ЭДС, возникающая между первым 5 и вторым 6 электродами потенциометрической ячейки 1, линейно зависит от абсолютной температуры воды и от логарифма концентрации иода. Эта ЭДС прикладывается к I и II входам измерительного усилителя 2. Одновременно на III вход измерительного усилителя 2 поступает сигнал с выхода датчика температуры 15, обеспечивающийся изменение коэффициента передачи измерительного усилителя 2, обратно пропорциональное абсолютной температуре воды. В результате выходной сигнал измерительного усилителя 2, подаваемый на I вход устройства обработки результатов измерений 4, не зависит от температуры воды. По команде с V выхода программного устройства 3, подаваемой на II вход устройства обработки результатов информации 4, происходит запоминание выходного напряжения измерительного усилителя 2 (напряжение U_I). После этого по команде определенной длительности с IV выхода программного устройства 3, подаваемой на управляющий вход коммутирующего устройства 10, генератор тока 9 подключается к третьему 11 и четвертому 12 электродам потенциометричекой ячейки 1. В пробе воды генерируется определенное количество иода, в результате изменяется выходное напряжение измерительного усилителя 2, оно становится равным U₂. По каманде с VI выхода программного устройства 3 происходит определение разности напряжений U₁ и U₂ и вычисление концентрации активного хлора. Одновременно происходит снятие команды с выхода II программного устройства 3 на мешалку 14. В устройстве обработки результатов измерения 4 формируется электрический сигнал, пропорциональный вычисленной концентрации, который может быть использован в автоматической системе дозирования хлора. Через время, определяемое необходимой периодичностью измерения концентрации, программное устройство снова выдает команды на впускной клапан 13 и мешалку 14 потенциометрической ячейки 1. Начинается новый цикл измерения. Вычисление концентрации с активного хлора по разности двух измеренных значений ЭДС производится устройством обработки результатов измерений 4 по следующей формуле, обычной для метода стандартной добавки (Никольский Б.П. Матерова Е.А. Ионоселективные электроды, Л. Химия, 1980)

где

V_ф объем дозы фонового электролита;
V_пр объем анализируемой пробы;
ΔC дополнительно генерируемая добавка иода (мг/л);

I ток генерации, создаваемый генератором тока (А);
t время генерации (сек);
F число Фарадея, F 96500;
θ 0,1983T (мВ)
T абсолютная температура пробы, K;
DE = U₁-U₂ (мВ)
E' 0,2 мВ поправка, учитывающая убыль иодида в пробе в процессе генерации.

Анализ формулы (I) показывает, что коэффициент влияния нестабильности объема дозы фонового электролита на погрешность измерения концентрации численно равен отношению V_ф/V_пр.

Расчеты показывают, что при V_ф/V_пр 0,05, ошибка в дозировании фонового электролита до 20% приведет к погрешности измерения концентрации активного остаточного хлора не более 1% В то же время в аналоге-анализаторе АР, в котором концентрация определяется по одному измеренному значению ЭДС, для получения той же погрешности измерения концентрации ошибка дозирования фонового электролита не должна превышать 1 - 2%
Так как вычисление концентрации производится по разности двух измеренных значений напряжения, смещение нулевого уровня измерительного усилителя не влияют на результат вычисления.

Использование: изобретение относится к средствам измерения химического состава веществ и может быть применено для контроля обеззараживания питьевой воды на водоочистных станциях. Задачей изобретения является повышение точности измерения концентрации остаточного активного хлора. Сущность изобретения: анализатор содержит потенциометрическую ячейку 1, измерительный усилитель 2 программное устройство 3, устройство обработки результатов измерений 4, емкость с фоновым электролитом 7, дозатор 8, генератор тока 9, коммутирующее устройство 10, датчик температуры 15. Потенциометрическая ячейка 1 содержит электроды 5, 6, 11, 12, впускной клапан 13 и мешалку 14. Потенциометрическая ячейка 1 и датчик температуры 15 размещены в проточной камере 16. 1 ил.

Автоматический анализатор остаточного активного хлора, содержащий потенциометрическую ячейку, первый и второй электроды которой подключены соответственно к первому и второму входам измерительного усилителя, выход которого соединен с первым входом устройства обработки результатов измерений, программное устройство, первый и второй выходы которого подключены соответственно к впускному клапану и мешалке потенциометрической ячейки, емкость с фоновым электролитом, соединенную с потенциометрической ячейкой через дозатор, управляющий вход которого подключен к третьему выходу программного устройства, отличающийся тем, что в него введены датчик температуры, генератор тока, коммутирующее устройство, проточная камера, а в состав потенциометрической ячейки введены третий и четвертый электроды, соединенные с выходом генератора тока через коммутирующее устройство, к управляющему входу которого подключен четвертый выход программного устройства, пятый и шестой выходы которого соединены соответственно с вторым и третьим входами устройства обработки результатов измерений, датчик температуры подключен к третьему входу измерительного усилителя, при этом потенциометрическая ячейка и датчик температуры размещены внутри проточной камеры.