Устройство для измерения концентрации кислорода Советский патент 1984 года по МПК G01N21/64 

Изобретение относится к газоанализаторам, а более конкретно к анализаторам кислорода, использу ло.им динамическое тушение люминесценции органических красителей.

Известен анализатор кислорода, ко- 5 торый имеет чувствительный элемент, изготовленный путем электрохимического окисления танталовой фольги и нанесения .на полученную окись тантала прозрачного электрода из SnOj 10

Возбуждение люминесценции осуществляется как постоянным, так и переменным напряжением. Кислород свободно проникает сквозь тонкий слой Sn02 в глубину пористой пленки окиси тан- 15 тала, вызывая свечение электролкминесцентной системы 7а-ТаС2 п02Интенсивность свечения чувствительного элемента пропорциональна концентрации кислорода в анализируемой га- 20 зовой среде .

Недостатками устройства являются {фличие неоднозначности в определении концентрации кислорода, связанной с существованием оптимальной 25 концентрации кислорода, отклонение от которой в ту или другую сторону уменьшает яркость свечения, практически полное прекращение свечения при отсутствии кислорода, а также 0 сильная зависимость яркости свечения от температуры.

Известен анализатор кислорода, использующий динамическое тушение люминесценции органических красите- 35 лей кислородом, в котором интенсивность свечения пропорциональна парциальному давлению кислорода в анализируемой среде.

Известное устройство имеет изме- . рительный элемент в форме трубки, которий расположен в зоне действия источника света и имеет слой вещества, обладакщего люминесценцией, зависящей от парциального давления кислорода. Люминесцентное вещество со- 5 стоит из раствора антрацена. Со стороны потока измеряемой среды оно ПОК1МЛТО мембраной. Кислород диффундирует через мембрану в раствор антрацена и ослабляет возбуждаемую в нем 50 источником света люминесценцию пропорционально своей концентрации Г2.

Применяемое в устройстве люминесцентное вещество - антрацен - возбуж« дается в УФ-свете, что требует при- 55 мекения газоразрядных ламп, имеющих

ограниченный срок службы. Применение УФ-света для возбуждения приводит к фстоокислению раствора антрйцена к:, как следствие, сокращению его 60 срока службы.

Недостатком данного устройства яв ляется также большая кнерционность вследствие-длительного времени диффу зии кислорода через мембрану. 5

Наиболее близким к предлагаемому является устройство для змерения концентрации кислорода, содержащее люминесцентный чувствительный элемен в виде красителя, адсорбированного .на силикагеле, схему возбуждения и приемник излучения.

Применение силикагеля обеспечивает малое время реагирования кислорода с возбужденными молекулами красителя. Применение красителя - трипафлавина благодаря его благоприятствующему спектральному диапазону позволяет использовать простые источники света и приемники излучения. В качестве источника возбуждения в данном устройстве используется лампа накаливания, свет которой модулируется с помощью механического прерывателя ( модулятора/ 3J.

Недостатком известного устройства является наличие элементов возбуждения люминесценции, а именно: механического прерывателя модулятора и лампы накаливания.

Применение механического прерывателя (модулятора) усложняет схему относительных измерений из-за введения дополнительных элементов для разделения эталонного и измеряемого сигналов. Наличие механически движущихся частей модулятора ведет к ограниченному сроку службы и дополнительным затратам на эксплуатацию. Лампы накаливания также имеют ограничен ный срок службы, низкую энергию излучения в диапазоне возбуждения люминесценции и изменение во времени своих световых характеристик.

Цель изобретения - упрощение конструкции и увеличение срока службы устройства.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для измерения концентрации кислорода, содержащем люминесцентный чувствительный элемент в виде красителя,, адсорбированного на силикагеле., схему возбуждени и приемник излучения, схема возбуждения выполнена в виде двух электродов , один из которых является исзточником коронного разряда, а второй выполнен прозрачным к излучению, при этом электроды разделены диэлектриком .

Электрод-источник коронного разряда может быть выполнен в виде проволочной металлической сетки.

Предлагаемое устройство для измерения содержания кислорода основано на принципе динамического тушения люминесценции, возбуждаемой излучением коронного разряда, в воздухе. Коронный разряд возникает тогда, . когда имеется конфигурация электродов, при которой поле в разрядном промежутке очень неравномерно. Ионизация происходит-лишь в тонком слое (около электрода с малым радиусом кривизны), называемом коронирую1г.им. Ионизированные молекулы азота, которые составляют в воздухе 78%, излучают свет в диапазоне длин волн 410411 им, который соответствует спектр поглощения большинства гетероциклических красителей, например трипафлавика, и вызывает их люминесценцию На фиг. 1 показано устройство для измерения концентрации кислорода, общий вид; на фИЕ. 2 - чувствительный элемент со схемой возбух дения. Устройство состоит из источника возбуждающего напряжения, рабочей 2 и эталонной 3 кювет, в которых разметены чувствительные элементы 4, светофильтра 5, фотоприемника б, устройства 7 обработки сигналов и Измерительного прибора 8. Между светофильтром 5 и чувствительным элементом 4 рабочей кюветы 2 имеется канал 9 для протекания анализируемой газовой среды. Чувствительный элемент состоит из пленки 10, находящейся внутри кювет (рабочей 2 и эталонной 3), на которой закреплен силикагель с адсор бированныМ на нем люминесцентным веществом, и схемы возбуждения, состоящей из прозрачного электрода 11 нанесенного на слюдяную пластинку 12, с другой стороны которой приложе ;На проволочная металлическая сетка 13, которая является электродом, создающимв разрядном воздушном .промежутке неравномерное поле. , Устройства работает следующим образом. При подаче переменного напряжения от источника 1 возбуждающего напряжения на электроды 11 и 13 схемы воз буждения возникает коронный разряд в слое воздуха между слюдяной пластинкой 12 и проволочной металлической сеткой 13. Возбуждающее напряжение попеременно подается на эталонную и рабочую кювету, что соответствует принципу работы модулятора. Коронный разряд сопровождается излучением, которое возбуждает люминесценцию красителя. Кислород, содержащийся в анализируемой среде, которая проходит через канал 9 рабочей кюветы 2, тушит эту люминесценцию Г пропорционально своему парциалЪному давлению. Свет люминесценции чувстви тельного элемента 4 отделяется с помощью светофильтра 5 от возбуждают щего излучения и в фотоприемнике 6 преобразуется в электрический сигнал |В эталонной кювете 3 находится азот :или любой, другой газ, не вызывающий тушения люминесценции, или газ с известной концентрацией кислорода.Свет люминесценции чувствительного элемента 4 эталонной кювЪты 3 также .через светофильтр 5 попадает на фотоприемник 6, который преобразует его в электрический сигнал, в результате чего на выходе фотоприемника получается последовательность импульсов, синхронизированных с импульсами возбуждения, отношение амплитуд которых пропорционально содержанию кисрода в анализируемой смеси, согласно закону Штерна-Фольмера. « °-.-- У + КРо J°2 где 30- интенсивность лкминесценции без кислорода {эталонная кювета ); 3 - интенсивность люминесценции при наличии кислорода {рабо-. чая кювета); К - константа тушения, PQ - парциальное дйвление кисло2 рода в анализируемой смеси. Электрические сигналы от фотоприемника 6 обрабатываются в блоке 7 обработки сигналов. Полученный в результате обработки сигнал воспроизводится на измерительном приборе 8, проградуированном в-единицах парциального дав-ления кислорода. Использование двухканальной схемы измерения позволяет устранить изменение характеристик фотоприемника и источника возбуждения во времени и избавиться от влияния температуры, так как производится измерение отношения интенсивностей люминесценции эталонной и рабочей кювет одним и тем же фотоприемником. Таким образом, использование в источнике возбуждения люминесценции излучения коронного разряда позволяет отказаться от применения в качестве источников возбуждения ртутных ламп и лампы накаливания, а также механических модуляторов света. Кроме этого, отпадает необходимость в применении светофильтра для выделения света .возбуждения. Следов тельно, чувствительный элемент может быть выполнен небольшим по размеру и простым по конструкции. Кроме того, возрастет срок его службы, так как в предлагаемой конструкции не расходуется материал источника (у ламп накаливания вольфрамовая нит.) . На.электроды схемы возбуждения может быть подано напряжение до 500 В с частотой 50 Гц. Величина тока при напряжении 500 В составля.ет около 5(Р мкА, таким образом, . потребляемая мощность равна 2,5-10 Вт, что значительно ниже, чем у любой лампы накаливания.

ii J f 11

16 ft

It

/

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ КИСЛОРОДА, содержатее лкялинесцентный чувствительный элемент в виде красителя, адсорбированного на силикагеле, схему возбуждения и приёмник излучения, о т л и ч а юVk е е с я тем, что,, с целью упрокения его конструкции и увеличения , срока службы, схема возбуждения вы;ПОлнена в виде двух электродов, один из которых является источником коронного разряда, а второй выполнен щэозрачным к излучению, при этом :электроды разделены диэлектриком. § О) сл | 4 О г CD . Atta vjtffffff/fbff фу/./