АВТОМАТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗАТОР ОСТАТОЧНОГО АКТИВНОГО ХЛОРА Российский патент 2002 года по МПК G01N27/26 G01N27/00 

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 АР (А.С. Шевнин "Определение остаточного хлора в природных и сточных водах потенциометрическим методом"; сборник научных трудов ВНИИ ВОДГЕО "Автоматизация и управление процессами очистки и транспорта воды", 1988 г.). Анализатор содержит потенциометрическую ячейку с двумя электродами, измерительный усилитель, программное устройство, устройство обработки результатов измерений, емкость с фоновым электролитом, дозатор.

Недостатком этого устройства является невысокая точность измерения концентрации, а также сложность технического обслуживания.

Наиболее близким аналогом предлагаемого устройства является автоматический анализатор остаточного активного хлора по патенту 2094788, кл. С 01 N 27/26. Анализатор содержит потенциометрическую ячейку с четырьмя электродами, измерительный усилитель, датчик температуры, программное устройство, устройство обработки результатов измерений, емкость с фоновым электролитом, дозатор, генератор тока, коммутирующее устройство, проточную камеру. Первый и второй электроды потенциометрической ячейки подключены соответственно к первому и второму входам измерительного усилителя, третий вход которого соединен с датчиком температуры, а выход соединен с первым входом устройства обработки результатов измерений. Первый и второй выходы программного устройства подключены соответственно к впускному клапану и к мешалке потенциометрической ячейки. Емкость с фоновым электролитом связана с потенциометрической ячейкой через дозатор, управляющий вход которого подключен к третьему выходу программного устройства. Генератор тока подключен к третьему и четвертому электродам потенциометрической ячейки через коммутирующее устройство, управляющий вход которого соединен с четвертым выходом программной устройства, пятый и шестой выходы которого соединены соответственно со вторым и третьим входами устройства обработки результатов измерения. Потенциометрическая ячейка и датчик температуры размещены внутри проточной камеры.

Работа устройства происходит следующим образом. Анализируемая вода непрерывно подается в проточную камеру, внутри которой размещены потенциометрическая ячейка и датчик температуры. Благодаря этому температура пробы в ячейке сохраняется постоянной в течение всего цикла измерения и не зависит от температуры окружающей среды. После включения питания программное устройство по команде оператора начинает отработку записанной в нем программы. С первого и второго выхода программного устройства выдаются команды на впускной клапан и мешалку потенциометрической ячейки. В ячейке происходит забор пробы воды, заканчивающийся после снятия команды с впускного клапана. После этого программное устройство с третьего выхода выдает команду на дозатор. Из емкости в потенциометрическую ячейку поступает определенное количество фонового электролита, содержащего йодид калия. В результате после перемешивания в растворе образуется свободный йод, количество которого определяется суммарным количеством свободного и связанного активного хлора в исходной пробе воды. В соответствии с законом Нернста ЭДС, возникающая между первым и вторым электродами потенциометрической ячейки, линейно зависит от абсолютной температуры воды и от логарифма концентрации йода. Эта ЭДС прикладывается к первому и второму входам измерительного усилителя. Одновременно на третий вход измерительного усилителя поступает сигнал с выхода датчика температуры, обеспечивающий изменение коэффициента передачи измерительного усилителя, обратно пропорциональное абсолютной температуре воды. В результате выходной сигнал измерительного усилителя, подаваемый на первый вход устройства обработки результатов измерений, не зависит от температуры воды. По команде с пятого выхода программного устройства, подаваемой на второй входа устройства обработки результатов измерений, происходит запоминание выходного напряжения измерительного усилителя (напряжение U₁). После этого по команде определенной длительности с четвертого выхода программного устройства, подаваемой на управляющий вход коммутирующего устройства, генератор тока подключается к третьему и четвертому электродам потенциометрической ячейки. В пробе воды генерируется определенное дополнительное количество йода, в результате изменяется выходное напряжение измерительного усилителя, оно становится равным U₂. По команде с шестого выхода программного устройства происходит определение разности напряжений U₁ и U₂ и вычисление концентрации активного хлора в исходной пробе. Одновременно происходит снятие команды на мешалку со второго выхода программного устройства. Через время, определяемое необходимой периодичностью измерения концентрации, программное устройство снова выдает команды на впускной клапан и на мешалку потенциометрической ячейки. Начинается новый цикл измерений.

Анализатор по патенту 2094788 обладает более высокой точностью измерения концентрации по сравнению с анализатором АР за счет уменьшения влияния нестабильности дозирования фонового электролита и нестабильности нулевого уровня измерительного усилителя, обеспечения постоянства температуры анализируемой пробы в течение цикла измерения.

Недостатком данного устройства является сложность технического обслуживания. В основном она обусловлена необходимостью периодически отключать анализатор и производить очистку электродов потенциометрической ячейки, при этом периодичность очистки зависит от качества анализируемой воды. Загрязнение электродов вызывается как веществами, содержащимися в природных водах, так и некоторыми веществами, используемыми в технологическом процессе очистки воды. Кроме того, оператор должен контролировать наличие фонового электролита в емкости анализатора, а также поступление анализируемой воды в анализатор. При из расходовании фонового электролита или при непоступлении анализируемой воды результаты измерения концентрации искажаются, что будет ложно воспринято как изменение содержания активного хлора в воде.

Задачей изобретения является упрощение технического обслуживания анализатора при одновременном повышении достоверности результатов измерений.

Данная задача решается за счет того, что в автоматическом анализаторе, содержащем потенциометрическую ячейку с четырьмя электродами, размещенную вместе с датчиком температуры внутри проточной камеры, измерительный усилитель, первый и второй входы которого подключены соответственно к первому и второму электродам потенциометрической ячейки, а третий вход соединен с выходом датчика температуры, программное устройство, первый и второй выходы которого подключены соответственно к впускному клапану и к мешалке потенциометрической ячейки, емкость с фоновым электролитом, соединенную с потенциометрической ячейкой через дозатор, управляющий вход которого подключен к третьему выходу программного устройства, генератор тока, соединенный с входом первого коммутирующего устройства, управляющий вход которого подключен к четвертому выходу программного устройства, устройство обработки результатов измерений, первый вход которого соединен с выходом измерительного усилителя, а второй и третий входы соединены соответственно с пятым и шестым выходами программного устройства, введены второе и третье коммутирующие устройства, сигнальные входы которых соединены с выходом первого коммутирующего устройства, а их управляющие входы соединены с седьмым выходом программного устройства, восьмой и девятый выходы которого подключены соответственно к четвертому и пятому входам устройства обработки результатов измерений, при этом третий электрод потенциометрической ячейки подключен к первому выходу второго коммутирующего устройства и ко второму выходу третьего коммутирующего устройства, а четвертый электрод подключен ко второму выходу второго коммутирующего устройства и к первому выходу третьего коммутирующего устройства.

Функциональная схема устройства приведена на чертеже.

Устройство содержит потенциометрическую ячейку 1, измерительный усилитель 2, программное устройство 3, устройство обработки результатов измерений 4. Входы I и II измерительного усилителя 2 подключены соответственно к первому 5 и второму 6 электродам потенциометрической ячейки 1, а его выход подключен к входу I устройства обработки результатов измерений 4. Емкость с фоновым электролитом 7 через дозатор 8 соединена с потенциометрической ячейкой 1. Генератор тока 9 подключен к входу первого коммутирующего устройства 10. В потенциометрической ячейке 1 размещены также третий 11 и четвертый 12 электроды, впускной клапан 13 и мешалка 14. К входу III измерительного усилителя 2 подключен датчик температуры 15, размещенный совместно с потенциометрической ячейкой 1 внутри проточной камеры 16. Третий электрод 11 потенциометрической ячейки 1 подключен к выходу I второго коммутирующего устройства 17 и к выходу II третьего коммутирующего устройства 18. Четвертый электрод 12 потенциометрической ячейки 1 подключен к выходу II второго коммутирующего устройства 17 и к выходу I третьего коммутирующего устройства 18. Выходы I и II программного устройства 3 соединены соответственно с впускным клапаном 13 и мешалкой 14 потенциометрической ячейки 1, выход III - с управляющим входом дозатора 8, выход IV - с управляющим входом первого коммутирующего устройства 10, выход VII - с управляющими входами второго 17 и третьего 18 коммутирующих устройств, выходы V, VI, VIII и IX - соответственно с входами II, III, IV и V устройства обработки результатов измерений 4.

Существенными и отличными от наиболее близкого аналога признаками являются следующие вновь введенные признаки:
1. Второе 17 и третье 18 коммутирующие устройства являются новыми по отношению к аналогу, известны из других решений, но соединенные сигнальными входами с выходом первого коммутирующего устройства 10, а управляющими входами - с дополнительным седьмым выходом программного устройства 3, при этом первый выход второго коммутирующего устройства 17 и второй выход третьего коммутирующего устройства 18 соединены с третьим электродом 11, а второй выход второго коммутирующего устройства 17 и первый выход третьего коммутирующего устройства 18 соединены с четвертым электродом 12 потенциометрической ячейки 11, совместно с остальными заявленными признаками позволяют проявить новое свойство, заключающееся в достижении положительного эффекта, т. е. решают задачу упрощения технического обслуживания анализатора при одновременном повышении достоверности результатов измерений.

2. Программное устройство 3 не ново по отношению к аналогу, но выполнено таким образом, что имеет дополнительный седьмой выход, соединенный с управляющими входами дополнительных второго 17 и третьего 18 коммутирующих устройств, дополнительные восьмой и девятый выходы, соединенные соответственно с дополнительными четвертым и пятым входами устройства обработки результатов измерений 4, совместно с остальными заявленными признаками позволяет проявить новое свойство, заключающееся в достижении положительного эффекта, т.е. решает задачу упрощения технического обслуживания анализатора при одновременном повышении достоверности результатов измерений.

3. Устройство обработки результатов измерений 4 не ново по отношению к аналогу, но выполнено таким образом, что имеет дополнительные четвертый и пятый входы, соединенные соответственно с дополнительными восьмым и девятым выходами программного устройства 3, совместно с остальными заявленными признаками позволяет проявить новое свойство, заключающееся в достижении положительного эффекта, т.е. решает задачу упрощения технического обслуживания анализатора при одновременном повышении достоверности результатов измерений.

4. Первое коммутирующее устройство 10 не ново по отношению к аналогу, но будучи соединенным своим выходом с сигнальными входами двух дополнительных коммутирующих устройств 17 и 18, управляющие входы которых подключены к дополнительному седьмому выходу программного устройства 3, совместно с остальными заявленными признаками позволяет проявить новое свойство, заключающееся в достижении положительного эффекта, т.е. решает задачу упрощения технического обслуживания анализатора при одновременном повышении достоверности результатов измерений.

5. Третий 11 и четвертый 12 электроды потенциометрической ячейки 1 не новы по отношению к аналогу, но будучи соединенными с первым коммутирующим устройством 10 через два дополнительных коммутирующих устройства 17 и 18, управляющие входы которых подключены к дополнительному седьмому выходу программного устройства 3, совместно с остальными заявленными признаками позволяют проявить новое свойство, заключающееся в достижении положительного эффекта, т.е. решают задачу упрощения технического обслуживания анализатора при одновременном повышении достоверности результатов измерений.

Таким образом, все перечисленные признаки являются новыми, т.к. из уровня техники не известно их использование с целью упрощения технического обслуживания автоматического анализатора при одновременном повышении достоверности результатов измерений, и имеют изобретательский уровень, т.к. для специалиста совокупность признаков явным образом не следует из уровня техники.

Программное устройство 3 и устройство обработки результатов измерений 4 могут быть выполнены, например, на микропроцессорной плате 4000-386-25MHz-lMB фирмы Octagon Systems с программируемым запоминающим устройством на микросхеме 29 F 040.

Коммутирующие устройства 10, 17, 18 могут быть выполнены, например, на герконовых реле типа РЭС55А.

В качестве третьего II и четвертого 12 электродов потенциометрической ячейки 1 могут быть использованы, например, серийно выпускаемые электроды ЭТП-02 и ЭПЛ-02.

Работа устройства происходит следующим образом.

Анализируемая вода непрерывно подается в проточную камеру 16, внутри которой размещены потенциометрическая ячейка 1 и датчик температуры 15. Благодаря наличию проточной камеры температура пробы сохраняется постоянной в течение всего цикла измерения. В начале цикла измерения с выходов I и II программного устройства 3 выдаются команды на впускной клапан 13 и на запуск мешалки 14 потенциометрической ячейки 1, задействуется генератор тока 9. В потенциометрической ячейке 1 начинается забор пробы. Измерительный усилитель 2 непрерывно измеряет напряжение между электродами 5 и 6 потенциометрической ячейки 1, выходной сигнал измерительного усилителя 2 поступает на вход I устройства обработки результатов измерений 4. Напряжение на выходе измерительного усилителя 2 в процессе забора пробы резко уменьшается. Программное устройство 3 с выхода VIII выдает команду на вход IV устройства обработки результатов измерений 4 - запомнить величину напряжения на выходе измерительного усилителя 2 (напряжение U₃). После этого программное устройство 3 с выхода III выдает команду на дозатор 8. Из емкости 7 в потенциометрическую ячейку 1 поступает определенное количество фонового электролита. При этом напряжение на выходе измерительного усилителя 2 резко возрастает. Программное устройство 3 с выхода IX выдает команду на вход V устройства обработки результатов измерений 4 - запомнить величину напряжения на выходе измерительного усилителя 2 (напряжение U₄) и сравнить ее с величиной U₃. Если анализируемая вода на этапе забора пробы не поступала в измерительную ячейку 1, т.е. не происходило уменьшение напряжения на выходе измерительного усилителя 2, а также если при срабатывании дозатора 8 в измерительную ячейку 1 не поступил фоновый электролит, разность напряжений U₄ и U₃ будет меньше некоторой установленной величины U_o, и на выходе устройства обработки результатов измерений 4 формируется соответствующий сигнал. После перемешивания фонового электролита, содержащего йодид калия, с пробой в растворе образуется свободный йод, количество которого определяется суммарным количеством свободного и связанного активного хлора в исходной пробе воды. В соответствии с законом Нернста напряжение между первым 5 и вторым 6 электродами потенциометрической ячейки 1, приложенное между входами I и II измерительного усилителя 2, линейно зависит от абсолютной температуры воды и от логарифма концентрации йода. На вход III измерительного усилителя 2 поступает сигнал с выхода датчика температуры 15, обеспечивающий изменение коэффициента передачи измерительного усилителя 2, обратно пропорциональное абсолютной температуре воды, в результате выходной сигнал измерительного усилителя 2 от температуры воды не зависит. По команде с выхода V программного устройства 3, подаваемой на вход II устройства обработки результатов измерений 4, происходит запоминание выходного напряжения измерительного усилителя 2 (напряжение U₁). После этого по команде определенной длительности с выхода IV программного устройства 3, подаваемой на управляющий вход первого коммутирующего устройства 10, генератор тока 9 через первое 10, второе 17 и третье 18 коммутирующие устройства подключается к третьему 11 и четвертому 12 электродам потенциометрической ячейки 1. При этом сигнальные входы второго 17 и третьего 18 коммутирующих устройств соединены с их выходами 1, в результате ток в потенциометрической ячейке 1 протекает от третьего электрода 11 (анода) к четвертому электроду 12 (катоду). В пробе воды генерируется определенное дополнительное количество свободного йода, в результате изменяется напряжение на выходе измерительного усилителя 2, оно становится равным U₂. По команде с выхода VI программного устройства 3, подаваемой на вход III устройства обработки результатов измерений 4, происходит определение разности напряжений U₁ и U₂ и вычисление концентрации активного хлора в исходной пробе воды. В устройстве обработки результатов измерений 4 формируется электрический сигнал, пропорциональный вычисленной концентрации, который может быть использован в автоматической системе дозирования хлора. После этого программное устройство 3 с выхода VII выдает команду на управляющие входы второго 17 и третьего 18 коммутирующих устройств, в результате сигнальные входы этих устройств оказываются соединенными с их выходами II. После этого программное устройство 3 с выхода IV снова выдает команду определенной длительности на управляющий вход первого коммутирующего устройства 10. Генератор тока 9 снова оказывается подключенным к третьему 11 и четвертому 12 электродам потенциометрической ячейки 1, но при этом ток протекает в противоположном направлении - от четвертого электрода 12 (катода) к третьему электроду 11 (аноду). Происходит так называемая катодная поляризация анода, при этом его потенциал становится ниже потенциала разложения воды и образующиеся пузырьки водорода сбивают осадок с поверхности электрода. Таким образом происходит автоматическая очистка анода. Как показывают исследования, загрязнение именно этого электрода сказывается на работе анализатора. После снятия команды с выхода IV программного устройства 3 снимается команда с его выхода VII, второе 17 и третье 18 коммутирующие устройства возвращаются в исходное состояние. Снимается команда с выхода II программного устройства 3 на мешалку 14 потенциометрической ячейки 1. Через время, определяемое необходимой периодичностью измерения концентрации, программное устройство 3 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 напряжений U₁ и U₂ 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 йода, мг/л;

I - ток генерирования, создаваемый генератором тока, А;
t - время генерирования, с;
F - число Фарадея, F=96500;
Θ = 0,01983 Т, мВ;
Т - абсолютная температура пробы, К;
ΔE = U₁-U₂ ,мВ;
Е' = 0,2 мВ - поправка, учитывающая убыль йодида в пробе в процессе генерирования.

Упрощение технического обслуживания анализатора достигнуто за счет:
- увеличения интервала времени между отключениями анализатора для очистки электродов, т. к. очистка производится автоматически после каждого цикла измерения;
- отсутствия необходимости оператору проверять наличие фонового электролита в емкости анализатора и поступление анализируемой воды в анализатор, т.к. при несоблюдении этих условий в приборе формируется соответствующий сигнал. При этом источником информации являются не какие-то дополнительные датчики, а те же электроды потенциометрической ячейки, с которых снимаются сигналы для вычисления концентрации.

Формирование сигнала об израсходовании фонового электролита или о не поступлении анализируемой воды в анализатор повышает также достоверность результатов измерений, т.к. при выдаче неправильных результатов одновременно сообщается о наличии внешних факторов, вызвавших эти неправильные результаты.

Использование: изобретение относится к средствам измерения химического состава веществ и может быть применено для контроля обеззараживания питьевой воды на водоочистных станциях. Технический результат изобретения заключается в упрощении технического обслуживания анализатора при одновременном повышении достоверности результатов измерения массовой концентрации остаточного активного хлора. Сущность: анализатор содержит потенциометрическую ячейку 1, измерительный усилитель 2, программное устройство 3, устройство обработки результатов измерений 4. Входы I и II измерительного усилителя 2 подключены соответственно к первому 5 и второму 6 электродам потенциометрической ячейки 1, а его выход подключен ко входу I устройства обработки результатов измерений 4. Емкость с фоновым электролитом 7 через дозатор 8 соединена с потенциометрической ячейкой 1. Генератор тока 9 подключен ко входу первого коммутирующего устройства 10. В потенциометрической ячейке 1 размещены также третий 11 и четвертый 12 электроды, впускной клапан 13 и мешалка 14. Ко входу III измерительного усилителя 2 подключен датчик температуры 15, размещенный совместно с потенциометрической ячейкой 1 внутри проточной камеры 16. Третий электрод 11 потенциометрической ячейки 1 подключен к выходу I второго коммутирующего устройства 17 и к выходу II третьего коммутирующего устройства 18. Четвертый электрод 12 потенциометрической ячейки 1 подключен к выходу II второго коммутирующего устройства 17 и к выходу I третьего коммутирующего устройства 18. Выходы I и II программного устройства 3 соединены соответственно с впускным клапаном 13 и мешалкой 14 потенциометрической ячейки 1, выход III - с управляющим входом дозатора 8, выход IV - с управляющим входом первого коммутирующего устройства 10, выход VII - с управляющими входами второго 17 и третьего 18 коммутирующих устройств, выходы V, VI, VIII и IX - соответственно с входами II, III, IV и V устройства обработки результатов измерений 4. 1 ил.

Автоматический анализатор остаточного активного хлора, содержащий потенциометрическую ячейку с четырьмя электродами, размещенную вместе с датчиком температуры внутри проточной камеры, измерительный усилитель, первый и второй входы которого подключены соответственно к первому и второму электродам потенциометрической ячейки, а третий вход соединен с выходом датчика температуры, программное устройство, первый и второй выходы которого подключены соответственно к впускному клапану и к мешалке потенциометрической ячейки, емкость с фоновым электролитом, соединенную с потенциометрической ячейкой через дозатор, управляющий вход которого подключен к третьему выходу программного устройства, генератор тока, соединенный с входом первого коммутирующего устройства, управляющий вход которого подключен к четвертому выходу программного устройства, устройство обработки результатов измерений, первый вход которого соединен с выходом измерительного усилителя, а второй и третий входы соединены соответственно с пятым и шестым выходами программного устройства, отличающийся тем, что в него введены второе и третье коммутирующие устройства, сигнальные входы которых соединены с выходом первого коммутирующего устройства, а их управляющие входы соединены с седьмым выходом программного устройства, восьмой и девятый выходы которого подключены соответственно к четвертому и пятому входам устройства обработки результатов измерений, при этом третий электрод потенциометрической ячейки подключен к первому выходу второго коммутирующего устройства и ко второму выходу третьего коммутирующего устройства, а четвертый электрод подключен ко второму выходу второго коммутирующего устройства и к первому выходу третьего коммутирующего устройства.