СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ РАСТВОРОВ Российский патент 2008 года по МПК G01N29/02 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для бесконтактного определения концентрации растворов в различных отраслях промышленности.

Известен измеритель концентрации, содержащий пьезоэлемент, контактирующий с трубопроводом, выполненный в виде пластины, и пресс, состоящий из двух колодок, охватывающих трубопровод и соединенных между собой ходовыми винтами, установленный в плоскости сечения трубы (см. а.с. №1430872, МКИ G01N 29/02, 1988 г.), недостатком которого является низкая точность измерения.

Известен измеритель концентрации растворов, состоящий из призмы, одна грань которой погружена в контролируемый раствор, а на других гранях установлены ультразвуковые преобразователи, а также двух термодатчиков контроля температур раствора и призмы, способ контроля концентрации растворов, реализуемый данным измерителем, основан на измерении амплитуды ультразвукового сигнала, отраженного от границы раздела призма - раствор, величина которой зависит от концентрации раствора (см. патент США №178030, МКИ G01N 009/24, 2000 г.), к основным недостаткам которых следует отнести то, что с их помощью невозможно контролировать растворы, содержащие газовые пузырьки и взвешенные частицы, так как их попадание на грань призмы, погруженной в раствор, приводит к изменению амплитуды ультразвукового сигнала, следовательно, к искажению результатов измерений.

Наиболее близким по технической сути и достигаемому результату является способ контроля концентрации растворов и устройство для реализации данного способа (см. патент RU №2150697, МКИ G01N 29/02, 2000 г.) - прототип. Способ, предложенный в данном решении, основан на прямых измерениях времени приема отраженного эхо-сигнала. Устройство бесконтактного измерения концентрации растворов содержит фильтр-отстойник, газоотделитель, измерительный узел, включающий пьезоэлектрический преобразователь, измерительную кювету и дефектоскоп. Недостатком данного устройства и реализуемого им способа является низкая точность измерения, так как генерируемые пьезоэлектрическим преобразователем ультразвуковые импульсы излучаются в контролируемый раствор, достигают отражателя, отражаются от него и возвращаются к преобразователю, а при изменении концентрации раствора происходит изменение времени приема отраженного эхо-сигнала, т.е.

T=f(C),

где Т - время приема отраженного эхо-сигнала, с;

С - концентрация вещества в растворе, %.

Точность измерения концентрации напрямую зависит от того, насколько точно функция f(C) описывает реальную зависимость времени распространения ультразвуковых импульсов от концентрации растворов. Необходимо также учесть влияние на вид функции f(C) реального расстояния от излучающей поверхности пьезоэлектрического преобразователя до отражателя, то есть необходимо произвести калибровку устройства, что при данной конструкции измерительной кюветы вызывает значительные затруднения. Обычная методика определения вида функции f(C) заключается в изготовлении ряда образцовых растворов, концентрация которых определена химическим путем. Каждый образцовый раствор заливают в измерительную кювету и фиксируют показания дефектоскопа. Затем производят аппроксимацию полученных данных и выводят функцию f(С). При этом на точность рассчитанной функции реальной зависимости будут влиять погрешность, возникшая при изготовлении каждого раствора, погрешность дефектоскопа и погрешность аппроксимации показаний дефектоскопа.

Таким образом, кроме погрешности контроля, вызванной погрешностью измерения дефектоскопа при контроле растворов, присутствуют дополнительно:

1) погрешность определения концентрации контрольных растворов;

2) погрешность измерения дефектоскопа при определении функции преобразования;

3) погрешность, возникающая при аппроксимации данных в функцию преобразования f(С).

Необходимо также учесть влияние на вид функции f(C) реального расстояния от излучающей поверхности пьезоэлектрического преобразователя до отражателя. Если это расстояние у двух кювет различается даже незначительно, то процедуру вывода функции необходимо проводить для каждой из них, в противном случае возникнет дополнительная погрешность измерения концентрации растворов.

Технической задачей изобретения является повышение точности измерения.

Поставленная задача решается тем, что в способе определения концентрации растворов, включающем помещение измерительного блока в раствор, подачу зондирующего и прием отраженного импульсов, согласно изобретению перед началом контроля на дефектоскопе устанавливают скорость распространения ультразвуковых колебаний, соответствующую скорости распространения ультразвуковых колебаний в веществе, в котором производится растворение, для чего берут пробу растворителя, помещают в нее измерительный блок и, меняя на дефектоскопе величину скорости распространения колебаний, добиваются показаний расстояния между излучающей поверхностью ультразвукового преобразователя и отражателем (L₀), помещают измерительный блок в раствор и по показаниям дефектоскопа определяют расстояние между излучающей поверхностью ультразвукового преобразователя и отражателем (L), после чего определяют концентрацию раствора по формуле:

где P₀ - удельный вес расторяемого вещества, г/л;

L₀ - расстояние между излучающей поверхностью ультразвукового преобразователя и отражателем, мм;

L - расстояние между излучающей поверхностью ультразвукового преобразователя и отражателем по показаниям ультразвукового дефектоскопа, мм.

Указанная совокупность признаков является новой, не известна из уровня техники и позволяет решить поставленную задачу, так как повышается точность определения концентрации за счет максимально точного определения функции преобразования показаний дефектоскопа в значение концентрации раствора, поскольку в формуле пересчета показаний дефектоскопа в концентрацию раствора учитываются характеристики растворяемого вещества, растворителя и измерительного узла.

Таким образом, погрешность измерения концентрации раствора будет определяться только погрешностью измерения дефектоскопом величины L. При этом дополнительной калибровки измерительного узла не требуется.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг.1 представлена конструкция измерительного узла.

На фиг.2 представлены графики зависимости показаний ультразвукового дефектоскопа от параметров измерительного узла и растворяемого вещества.

Устройство для определения концентрации растворов содержит измерительный узел 1, состоящий из ультразвукового преобразователя 2 и отражателя 3, выполненных в виде единого блока, дефектоскоп и систему сбора информации (не показаны).

Способ определения концентрации растворов реализуется следующим образом.

На ультразвуковом дефектоскопе устанавливают показание скорости распространения ультразвуковых колебаний, характерное для вещества, в котором производится растворение. Для этого берут пробу растворителя, помещают в нее измерительный узел 1 и, меняя на дефектоскопе величину скорости распространения колебаний, добиваются показаний расстояния между излучающей поверхностью ультразвукового преобразователя и отражателем L₀. После помещения измерительного узла 1 в контролируемый раствор подают сигнал с ультразвукового дефектоскопа через ультразвуковой преобразователь 2. Отраженный отражателем 3 сигнал принимают приемной частью дефектоскопа и регистрируют системой сбора и обработки информации. Производится измерение расстояния L.

Для пересчета величины L в концентрацию Р необходимо знать расстояние от излучающей поверхности ультразвукового преобразователя до отражателя L₀, которое определяется предварительно при изготовлении измерительного узла, и значение Р₀, соответствующее удельному весу растворяемого вещества. Это значение берут из справочника, определяют расчетным путем через молекулярный вес растворяемого вещества или опытным путем.

Зная величины L, L₀ и Р₀, рассчитывают значение концентрации Р по формуле (1).

Пример реализации способа устройством.

Необходимо произвести контроль процесса растворения гидроокиси лития (LiOH) в воде. Для контроля применяют измерительный узел с расстоянием между преобразователем и отражателем 150 мм. В качестве измерительного прибора применяют цифровой ультразвуковой дефектоскоп USN 50 с дискретностью измерения расстояния, равной 0,1 мм. Удельный вес гидроокиси лития по справочнику составляет 1300 г/л. Для определения скорости распространения ультразвуковых колебаний в воде, которая сильно зависит от ее качества, берут пробу воды, помещают в нее измерительный блок и, меняя на дефектоскопе величину скорости распространения колебаний, добиваются показаний 150 мм. Затем помещают измерительный узел в контролируемый раствор и ведут контроль концентрации, используя для пересчета формулу (1):

где L - показания дефектоскопа.

Погрешность измерения концентрации раствора без учета инструментальной составит

ΔР=1300/150·0,1=0,87 г/л.

Как видно на фиг.1, применяя измерительные блоки с различной величиной L₀, мы получаем различную чувствительность измерительной системы, то есть меняем величину . Это позволяет оптимизировать измерительную систему, рассчитав необходимую величину L₀, исходя из параметров применяемого ультразвукового дефектоскопа и величины погрешности измерения, которую необходимо обеспечить.

Использование: для определения концентрации растворов. Сущность: заключается в том, что перед началом контроля на дефектоскопе устанавливают скорость распространения ультразвуковых колебаний, соответствующую скорости распространения ультразвуковых колебаний в веществе, в котором производится растворение, для чего берут пробу растворителя, помещают в нее измерительный блок и, меняя на дефектоскопе величину скорости распространения колебаний, добиваются показаний расстояния между излучающей поверхностью ультразвукового преобразователя и отражателем (L₀), помещают измерительный блок в раствор и по показаниям дефектоскопа определяют расстояние между излучающей поверхностью ультразвукового преобразователя и отражателем (L), после чего определяют концентрацию раствора по формуле:

где P₀ - удельный вес растворяемого вещества, г/л;

L₀ - расстояние между излучающей поверхностью ультразвукового преобразователя и отражателем, мм;

L - расстояние между излучающей поверхностью ультразвукового преобразователя и отражателем по показаниям ультразвукового дефектоскопа, мм. Технический результат: повышение точности измерений. 2 ил.

Способ определения концентрации растворов, включающий помещение измерительного блока в раствор, подачу зондирующего и прием отраженного импульсов, отличающийся тем, что перед началом контроля на дефектоскопе устанавливают скорость распространения ультразвуковых колебаний, соответствующую скорости распространения ультразвуковых колебаний в веществе, в котором производится растворение, для чего берут пробу растворителя, помещают в нее измерительный блок и, меняя на дефектоскопе величину скорости распространения колебаний, добиваются показаний расстояния между излучающей поверхностью ультразвукового преобразователя и отражателем (L₀), помещают измерительный блок в раствор и по показаниям дефектоскопа определяют расстояние между излучающей поверхностью ультразвукового преобразователя и отражателем (L), после чего определяют концентрацию раствора по формуле

где P₀ - удельный вес растворяемого вещества, г/л;

L₀ - расстояние между излучающей поверхностью ультразвукового преобразователя и отражателем, мм;

L - расстояние между излучающей поверхностью ультразвукового преобразователя и отражателем по показаниям ультразвукового дефектоскопа, мм.