СПОСОБ КОНТРОЛЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ЭЛЕКТРОЛИТОВ И F-МЕТР-КОНДУКТОМЕТР ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 1998 года по МПК G01N27/02 

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

Известны способ и устройство [Юинг Г. Инструментальные методы химического анализа. М. Мир, 1989, с. 383] определения концентрации электролитов, основанные на измерении электропроводности измерительной ячейки, подключенной ко входу операционного усилителя, в цепи обратной связи которого установлен магазин сопротивлений, определяющий выбор диапазона измерения. Сигнал с выхода операционного усилителя поступает на выпрямитель и затем на считывающее устройство.

Недостатками данных решений являются дополнительная погрешность, связанная с преобразованием сигнала, необходимость компенсации реактивной составляющей.

Известен также кондуктометр (авт.св. СССР N 1092398, кл. G 01 N 27/02), реализующий Q-метрический способ определения концентрации, содержащий: колебательный резонансный контур с рабочей бесконтактной кондуктометрической ячейкой, во внутренней полости которой находится анализируемый раствор электролита, сравнительный резонансный колебательный контур с идентичной сравнительной ячейкой, заполненной эталонной средой с известным значением концентрации электролита, детектирующие блоки, компаратор, интегратор, управляемый генератор частоты, блок управления генератором, вход уставок, первые и вторые входы блока управления, выход блока управления, емкости связи, выход управляемого генератора частоты.

Недостатками способа являются низкие точность и оперативность, связанные с настройкой контура в резонанс, недостаточно широкий диапазон измерений, причем в условиях измерений, отличных от нормальных, устройство обладает дополнительной погрешностью.

Наиболее близким является амплитудно-частотный способ определения концентрации электролита [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 с подбором резонансной частоты по амплитудно-частотной характеристике, включающий измерение частоты и напряжения через равные промежутки времени, расчет параметров электролита по измеряемой частоте.

За прототип устройства принят частотный кондуктометр (авт.св. СССР N 1408334, кл. G 01 N 27/02), содержащий сравнительный канал с ячейкой, ОЗУ и измерительный канал с рабочей ячейкой, включенной между выходом преобразователя код-частота (управляемого умножителя частоты) и входом управляемого делителя частоты, подключенными к ОЗУ, причем преобразователь код-частота и управляемый делитель частоты управляются по информационным входам преобразователем частота-код (счетчиком). Счетный и управляющий входы последнего объединены соответственно с выходами рабочей и сравнительной ячеек. Вычислителем является микропроцессор, связанный с ОЗУ и преобразователем частота-код шинами ввода-вывода.

Недостатками прототипов способа и устройства являются низкие точность и оперативность, связанные с заменой одной ячейки на другие, наличие температурных возмущений при проведении измерений в условиях, отличных от нормальных, когда возникают значительные дополнительные погрешности, вызванные в основном изменениями температуры электролита и окружающей среды, что имеет место в реальных производственных условиях.

Целью предлагаемых технических решений является повышение точности контроля концентрации электролитов в условиях, отличных от нормальных.

Поставленная цель достигается тем, что:
1. в способе определения концентрации электролита, размещенного в ячейке, включенной в цепь генератора частоты, состоящем в измерении частоты через равные промежутки времени, контроле резонансной частоты и расчете параметров электролита по частоте, в отличие от известных решений, исследования проводят в нестабилизированном температурном поле и дополнительно осуществляют контроль на ячейке с нормированными характеристиками в том же температурном поле, управляют частотой генератора, регистрируют погрешность измерения частоты, по которой определяют резонансную частоту раствора электролита, соответствующую экстремальной погрешности измерения частоты, по которой определяется искомая концентрация;
1. в F-метре-кондуктометре, содержащем рабочую и образцовую кондуктометрические ячейки, преобразователи код-частота и частота-код, информационные выходы которого через шину соединены с соответствующими входами преобразователя код-частота, ОЗУ и вычислитель, информационные входы-выходы которых соединены соответствующей шиной, в отличие от прототипа включен коммутатор каналов, вход и выход которого соединены соответственно с выходом и входом преобразователя код-частота и преобразователя частота-код, второй и третий выходы коммутатора каналов через образцовую и рабочую кондуктометрические ячейки подключены к его соответствующим входам, информационные, адресные и управляющие входы коммутатора каналов объединены с соответствующими входами преобразователей код-частота и частота-код и через ОЗУ с выходами вычислителя, а информационные входы коммутатора каналов через шину связывают соответствующие выходы преобразователя частота-код и входы-выходы ОЗУ;
3. в преобразователе частота-код по п. 2 введены последовательно включенные формирователь импульсов, электронный ключ, счетчик, мультиплексор, выходы которого служат информационными входами преобразователя частота-код, адресные входы объединены с соответствующими входами дешифратора и являются адресными входами преобразователя частота-код, управляющие входы преобразователя частота-код подключены к соответствующим входам дешифратора, первый выход которого подключен к управляющим входам счетчика и электронного ключа, второй выход соединен с соответствующими входами мультиплексора и электронного ключа, третий вход которого подключен к выходу синхронизации счетчика, а вход формирователя импульсов служит информационным входом преобразователя частота-код.

4. в преобразователе код-частота по п.2 реализовано последовательное соединение регистра, цифроаналогового преобразователя, варикапа, включенного в цепь генератора, выход которого служит информационным выходом преобразователя код-частота, а информационные, адресные и управляющие входы преобразователя код-частота являются соответствующими входами регистра.

При анализе известных технических решений не обнаружены решения, имеющие признаки, сходные с отличительными признаками заявляемых решений. Наличие совокупности существенных признаков обеспечит повышение точности определения характеристик электролитов в реальных производственных условиях.

Сущность предлагаемого способа заключается в следующем. Исследуемый раствор электролита заливается в рабочую ячейку, а в образцовую ячейку помещается раствор с известной концентрацией раствора электролита. Ячейки размещают в нестабилизированном температурном поле.

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.

Таким образом комплексное сопротивление ячейки с раствором:

После преобразований и выделения действительной и мнимой части получаем:

При резонансе ImZ=0, то есть:


учитывая R = 1/χ, получаем:

где χ_o, χ_i проводимости эталонного и исследуемого растворов электролитов,
ω_o, ω_i резонансные частоты эталонного и исследуемого растворов электролитов.

.

Определение резонансных частот осуществляется следующим образом. На кондуктометрическую ячейку подается известная программно-установленная частота преобразователя частота-код. Производится несколько измерений частоты. Выполняется расчет погрешности
,
где ω_i результат i-го измерения частоты, ω_i-1 результат i-1 измерения. При этом ω_i= ω^*+δω_i, ω_i-1= ω^*+δω_i-1 где ω^* частота на выходе генератора, dw_i, δω_i-1 погрешности измерения частоты при i-ом и i-1, вызванные, в основном, нестабильностью температурного поля. Затем осуществляется изменение частоты ω^* по заданному закону, например линейному, и измерения повторяются для ряда частот. По экстремальной погрешности измерения частоты находится резонансная частота, по которой определяется искомая концентрация.

Учитывая линейный характер зависимости проводимости раствора электролита от его концентрации, имеет:
c_i= aχ_i+b, где c_i искомая концентрация электролита.

Реализующий предлагаемый способ F-метр-кондуктометр (фиг. 2) состоит из следующих блоков: образцовой 1 и рабочей 2 ячеек, коммутатора каналов 3, преобразователя 4 кода в частоту (ПКЧ), преобразователя 5 частоты в код (ПЧК), оперативно-запоминающего устройства (ОЗУ) 6, вычислителя 7, выполненного по трехшинной архитектуре с микропроцессором кодоимпульсного типа, например на базе персонального компьютера (ПК) с шинами адреса 8, данных 9 и управления 10.

Персональный компьютер 7 осуществляет управление отдельными блоками кондуктометра, производит вычислительные операции, связанные с обработкой данных, отображает и сохраняет результаты измерений.

ОЗУ 6 включает, например, буферное устройство, предназначенное для увеличения нагрузочной способности шин компьютера, и селектор адреса для инициирования сигналов выборки внешних устройств.

Преобразователь 4 кода в частоту служит для генерации входной частоты ячеек, изменяющейся в заданном диапазоне в зависимости от кода.

Преобразователь 5 частоты в код формирует код, эквивалентный выходной частоте ячеек.

Коммутатор каналов 3 предназначен для раздельного во времени подключения к ПЧК 5 и ПЧК 4 рабочей и эталонной ячеек, а также контроля частоты ПЧК 5 за счет коммутации выхода ПКЧ 4 на вход ПЧК 5. В образцовой ячейке 1 содержится раствор электролита эталонной проводимости. В рабочую ячейку 2 заливается контролируемый раствор.

F-метр-кондуктометр функционирует следующим образом. В ячейки помещают образцовый и рабочий растворы электролита. ПК 7 через ОЗУ 6 последовательно изменяет код на ПКЧ 4, что дает изменение входной частоты ячеек в заданном диапазоне. При помощи ПЧК 5 контролируется частота на входе и выходе ячеек, которые подключаются по команде вычислителя 7 через коммутатор каналов 3. По полученным значениям частот определяется их девиация, находится ее экстремум и вычисляется проводимость рабочего раствора электролита.

Преобразователь 5 частота код (фиг. 3) состоит из формирователя 11 импульсов, электронного ключа 12, счетчика 13, мультиплексора 14, дешифратора 15 управляющих сигналов. Формирователь 11 импульсов предназначен для преобразования входного импульсного сигнала произвольной формы в последовательность импульсов прямоугольной формы стандартного ТТЛ уровня. Электронный ключ 12 управляет поступлением преобразующей частоты на вход счетчика 13. Ключ 12 состоит, например, из последовательно соединенных D-триггера и логического элемента "и". Счетчик 13 преобразует входную последовательность импульсов в код. Мультиплексор 14 позволяет передавать 16-разрядный код счетчика на 8-разрядную шину данных компьютера 7. Дешифратор 15 управляющих сигналов вырабатывает в соответствии с командами вычислителя 7 сигналы "a", "b", управляющие состоянием электронного ключа 12 (открыт-закрыт), что определяет временной интервал τ_o для преобразования частоты в код.

В преобразователе 5 по команде персонального компьютера дешифратор вырабатывает сигнал "a", по которому сбрасывается счетчик 13 и электронный ключ 12 открывает доступ входной частоты (формирует фронт импульса τ_o), преобразованной формирователем 11 импульсов, к счетчику 13. Происходит подсчет импульсов входной частоты в течение времени работы программы таймера. После выдержки временного интервала τ_o по команде компьютера 7 дешифратором 15 формируется сигнал "b", запирающий электронный ключ 12 (срез импульса ) и мультиплексор 14. Происходит считывание кода со счетчика 13 на шину данных вычислителя 7 побайтно, старшие и младшие разряды в зависимости от состояния сигнала на его адресном входе. Полученный код, нормируемый на длительность временного интервала, дает значение входной частоты. Дешифратор 15 управляющих сигналов работает в соответствии с таблицей состояний, где сигналы выборки внешних устройств, сформированные селектором адреса (CA), управляющие сигналы компьютера. Активный уровень всех сигналов логический ноль.

Преобразователь 4 код-частота состоит из регистра 16, цифроаналогового преобразователя (ЦАП) 17, частотозадающей цепи 18 и генератора 19. (фиг. 4).

В регистр 16 записывается код, определяющий значение выходной частоты. ЦАП 17, выполненный по схеме управляемого делителя напряжения, вырабатывает управляющее напряжение U_i, пропорциональное входному коду и опорному напряжению U_o. Частотозадающая цепь 18 определяет частоту собственных колебаний генератора 19 и представляет из себя управляемую напряжением емкость (варикап).

Работа записывается цифровой код, который выставляется на входе ЦАП 17. В соответствии с моделью на выходе ЦАП 17 вырабатывается управляющее напряжение, меняющее параметры частотнозадающей цепи 18, а следовательно и частоту собственных колебаний генератора 19. Генератор 19 включает пороговое устройство с двумя уровнями переключения, в котором с помощью положительной обратной связи периодически заряжается-разряжается частотнозадающая цепь 18 и таким образом генерируются автоколебания с частотой, определяемой управляемой напряжением емкостью.

Докажем эффективность по точности.

Для прототипа при нормальных условиях погрешность измерения частоты определяется по формуле:
где ω_o, ω₁ эталонная и измеряемая частоты соответственно.

Для предлагаемого решения когда условия отличны от нормальных:

где Δω погрешность, вызванная влиянием температурных возмущений;

Критерий эффективности при этом:

При учете, что ε_t≪ 1 и принимая ε₁ ≅ ε_t, получаем: η = 3 т.е. применение предлагаемого решения повышает точность измерений не менее чем в три раза.

Реализация предлагаемого способа осуществлена в F-метре-кондуктометре "ТЕМП-080", построенном на базе персонального компьютера "Сириус", с трехшинной архитектурой и микропроцессором Z-80. ОЗУ, ПКЧ, ПЧК, коммутатор каналов выполнены на основе ИМС серии 564.

Результаты экспериментов, проведенных на модельных растворах NaCl с бесконтактными кондуктометрическими ячейками, представлены на фиг. 5. График 1 получен при концентрации раствора NaCl 71 г/л и температуре окружающей среды 20^oC±5^oC, график 2-при концентрации раствора NaCl 71 г/л и температуре окружающей среды 20^oC±2^oC, график 3 при концентрации раствора NaCl 35 г/л и температуре окружающей среды 20^oC±2^oC.

Таким образом, контроль концентрации по резонансной частоте, регистрируемой в нестабилизируемом температурном поле, с помощью предлагаемого F-метра-кондуктометра с коммутатором и соответствующими преобразователями в отличие от известных решений повышает точность контроля концентрации в условиях, отличных от нормальных, не менее чем в три раза, что повышает качество контроля концентрации электролитов в производственных условиях.

Использование: в химической и других родственных с ней отраслях промышленности. Сущность способа определения концентрации электролита, размещенного в ячейке, включенной в цепь генератора частоты, заключается в измерении частоты через равные промежутки времени, контроле резонансной частоты и расчете параметров электролита по частоте. Исследования проводят в нестабилизированном температурном поле и дополнительно осуществляют контроль на ячейке с нормированными характеристиками в том же температурном поле. Управляют частотой генератора, регистрируют погрешности измерения частоты, вызванные нестабильностью температурного поля. Определяют резонансную частоту раствора электролита, соответствующую экстремальной погрешности измерения частоты, и по ней определяют искомую концентрацию. Для реализации способа используется F-метр-кондуктометр, содержащий рабочую и образцовую кондуктометрические ячейки, преобразователи код-частота и частота-код, информационные выходы которого через шину соединены с соответствующими входами преобразователя код-частота, ОЗУ и вычислитель, информационные входы-выходы которых соединены соответствующей шиной. F-метр-кондуктометр снабжен коммутатором каналов, вход и выход которого соединены соответственно с выходом и входом преобразователя код-частота и преобразователя частота-код, второй и третий выходы коммутатора каналов через образцовую и рабочую кондуктометрические ячейки подключены к его входам, адресные и управляющие входы коммутатора каналов объединены с соответствующими входами вычислителя, информационные входы коммутатора каналов преобразователей код-частота и частота-код и через ОЗУ с выходами вычислителя, информационные входы коммутатора каналов через шину связывают выхлопы преобразователя частота-код и входы-выходы ОЗУ. 2 с. и 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ контроля концентрации электролита, размещенного в ячейке, включенной в цепь генератора частоты, состоящий в измерении частоты через равные промежутки времени, контроле резонансной частоты и расчете по ней параметров электролита, отличающийся тем, что в цепь генератора частоты включают дополнительную ячейку, содержащую элеткролит с известной концентрацией, и ведут контроль в нестабилизированном температурном поле, изменяют частоту генератора по заданному закону, регистрируют погрешности измерения частоты, вызванные нестабильностью температурного поля для ряда частот, выбирают из них экстремальную погрешность и по ней определяют резонансную частоту. 2. F-метр-кондуктометр, содержащий рабочую и образцовую кондуктометрические ячейки, преобразователи код частота и частота код, информационные выходы которого через шину соединены с соответствующими входами преобразователя код частота, ОЗУ и вычислитель, информационные входы-выходы которых соединены соответствующей шиной, отличающийся тем, что содержит коммутатор каналов, вход и выход которого соединены соответственно с выходом и входом преобразователя код частота и преобразователя частота код, второй и третий выходы коммутатора каналов через образцовую и рабочую кондуктометрические ячейки подключены к его соответствующим входам, адресные и управляющие входы коммутатора каналов объединены с соответствующими входами преобразователей код частота и частота код и через ОЗУ с выходами вычислителя, а информационные входы коммутатора каналов через шину связывают соответствующие выходы преобразователя частота код и входы-выходы ОЗУ. 3. F-метр-кондуктометр по п. 2, отличающийся тем, что преобразователь частота код содержит последовательно включенные формирователь импульсов, электронный ключ, счетчик, мультиплексор, выходы которого служат информационными выходами преобразователя частота код, а адресные входы объединены с соответствующими входами дешифртора и являются адресными входами преобразователя частота код, управляющие входы преобразователя частота код пдключены к соответствующим входам дешифратора, первый выход которого подключен к управляющим входам счетчика и электронного ключа, второй выход соединен с соответствующими входами мультиплексора и электронного ключа, третий вход которого подключен к выходу синхронизации счетчика, а вход формирователя импульсов служит информационным входом преобразователя частота - код. 4. F-метр-кондукторметр по п. 2, отличающийся тем, что преобразователь код частота содержит последовательное соединение регистра, цифроаналогового преобразователя, варикапа, включенного в цепь генератора, выход которого служит информационным выходом преобразователя код частота, а информационные, адресные и управляющие входы преобразователя код частота являются соответствующими входами регистра.