Измеритель концентрации ионов в растворе соли переходного металла Советский патент 1986 года по МПК G01N24/10 

Изобретение относится к приборам и средствам для анализа состава веще ства, основанным на использовании метода электронногЬ парамагнитного резонанса (ЭПР) к предназначенным для непрерьгоного контроля в автоматических системах управления технологическими процессами в химической и других отраслях промьшшенности.

Цель изобретения - увеличение надежности и быстродействия при непре- рьшном измерении концентрации парамагнитных нонов.

На чертеже представлена функциональная схема измерителя концентрации ионов в растворе соли переходного металла.

Измеритель концентрации ионов содержит устройство для перевода I непарамагнитных ионов протекающего раствора в парамагнитное состояние и электронно-парамагнитный анализатор 2. Анализатор 2 в свою очередь содержит поляризующий магнит 3 и сверхвысокочастотный (СВЧ) тракт 4 с помещенным в зазор магнит- 3 резонатором 5, внутри которого размещены проточные ампулы измеряемого 6 и сравнительного 7 образцов соответственно с измеряемым и сравнительным образцами 8 и 9. Кроме того., анализатор 2 содержит усилительно-преобразовательное устройствй 10, модулятор поляризующего магнитного поля 1I, фазовращатель 12, аттенюатор 13 с изменяемым коэффициентом передачи сумматор 14 и измеритель отношения .напряжения 15.

Измеритель концентрации ионов содержит СВЧ-генератор 6у СВЧ-детек- тор 17, -задающий генератор 18, нерегулируемый выходной каскад 19, регулируемый выходной каскад 20, катушки модуляции поля 21 и 22 (а измеряемом образце 8 и сравнительном 9 соответственно), первзгю 23 и вторую 24 измерительные катуггкио

Измеритель концентрации ионов работает следующим образом.

СВЧ-генератор 6 возбуждает в резонаторе 5 электромагнитное СВЧ-г|оле в пучностях магнитной составляющей которого находятся проточные ампулы б и 7 с образцами 8 и 9. Измеряемый образец 8 представляет собой непосредственно анализируемое вещество, например раствор палладиевого катализатора, содержащий ионы Си и

Си. Сравнительный образец 9 является раствором того же катализатора,, в котором в результате окисления в устройстве для перевода все ионы

одновалентной меди перешли в двухвалентное состояние.

Магнит 3 создает в объемах образцов 8 и 9 поляризующее поле. При значениях этого поля, соответствующих линии спектра ЭПР, в образцах 8 и 9 происходит поглощение СВЧ-энер- - гии. Это приводит к уменьшению доб- ротности резонатора 5 и изменению мощности, поступающей на СВЧ-детектор 17.

Напряженность поляризующего поля Б объеме каждого из образцов 8 и 9 модулируется независимо с амплитудой, много меньшей ширины линии спектра ЭПР, при помощи катзлпек модуляции 21 и 22, которые питаются выходными каскадами 19 и 20, возбуждаемыми в свою очередь задающим генератором 18. В результате на выходе СВЧ-детектора 17 от каждого из образцов 8 и 9 выделяется сигнал, пропорциональный первой производной ЭПР-поглощения (сигнал Э1ТР),,с частотой равной частоте модуляции поляризующего поля, и амплитудой, пропорциональной концентрации парамагнитных ионов и амплитуде модуляции поля в соответствующем образце. Фазы модуляции поля в образцах 8 и 9 противоположны, позтому фазы сигналов ЭПР от этих образцов отличаются на 80 „ Вследствие этого результи- Р1ТОЩИЙ сигнал на выходе СВЧ-детектора i 7 равен разности сигналов ЭПР от образцов 8 и 9,

Результирующий сигнал с выхода СВЧ-детектора 17 поступает на вход усилительно-преобразовательного устройства 10, а затем в цепь управления регулируемого выходного каскада 20 модулятора поляризующего магнитного поля . Этот сигнал изменяет амплитуду модуляции в сравнительном образце 9 так, что сигналы ЭПР от образцов 8 и 9 становятся равными, а результирующий сигнал на выходе СВЧ-детектора 17 уменьшается до нуля. Таким образом автоматическая систе- ма регулирования, в которую входят

сравнительный образец 9, резонатор 5, СВЧ-детектор 17, усилительно-преобразовательное устройство 10, регулируемый выходной каскад 20 и катушка

модуляции ПОЛЯ 22, непрерывно поддерживает равенство сигналов ЭПР от измеряемого 8 и сравнительного 9 образцов. При этом справедливо

h.

К

Vc Сц+С,

Р V,.

1

где h,

111

h. ,

П

V. Сь и

амплитуды модуляции поля в измеряемом и сравнительном образцах 8 и 9;

коэффициент разбавления учитывающий уменьшение концентрации парамагнитных ионов в сравнительном образце 9 за счет добавления вещества дпя перевода непарамагнитны ионов в парамагнитные (в частном случае, когда перевод осуществляется за счет кислорода воздуха и нет разбавления, );

эффективные объемы измеряемого 8 и сравнительного 9 образцов; концентрация парамагнитных и непарамагнитных ионов в анализируемом растворе.

Электродвижущие силы, наводимые в измерительных катушках 23 и 24, пропорциональны.с коэффициентами пропорциональности k и k(, амплитудам модуляции поля h и h. и ; сдвину ты; по фазе друг относительно друга на 180, поскольку фазы модуляций в образцах 8 и 9 противоположны.

Напряжение с первой измерительной катушки 23 поступает на один вход сумматора 14. Противофазное напряжение с второй измерительной катушки 24 через формирователь 12 и аттенюатор I3 поступает на первый вход сумматора 14, а также приходит на первьй вход измерителя отношения напряжения 15. Точной противофазности напряжений на входах сумматора 14 добиваются путем изменения сопротивления резистора фазовращателя 12. Разностное напряжение с быхода сумматора I4 поступает на второй вход измерителя отношения напряжений 15. В соответствии с этим выходной сигнал измерителя концентрации ионов с учетом указанного соотношения равен

л Л ,

,

1 +

(2)

-)-1

где «фд - коэффициент передачи цепочки из фазовращателя 12 и аттенюатора 13. Подстраивая, например, коэффициент передачи аттенюатора 13 путем изменения сопротивления одного из резисторов, так, чтобы выполнялось равенство

получим

к.У.Кр

K,V,K,.

(3)

А 2л.

с„

(4)

Т.е. в этом случае предлагаемый измеритель концентрации ионов определяет концентрацию парамагнитных ионов в протекающем через него растворе соли переходного металла по отношению к концентрации непарамагнитных ионов.

В частном случае, когда коэффициент передачи сумматора 14 по первому входу равен нулю, а по второму - единице, выходной сигнал измерителя концентрации ионов с учетом соотношений () и (З) равен

А С„

т.е. в этом случае измеритель концентрации определяет концентрацию парамагнитных ионов по отношению к сумме концентраций парамагнитных и непарамагнитных ионов.

Устройство для перевода 1 непара- магнитных ионов в парамагнитное состояние представляет собой, например, в случае пагшадиевого катализатора, смеситель в виде заполненной анализируемым раствором проточной емкости с входом для дозированного потока воздуха, кислород которого является окислителем одновалентной меди в двухвалентную.

Формула изобретения

50

Измеритель концентрации ионов в растворе соли переходного металла, содержащий устройство для перевода непарамагнитных ионов протекающего раствора в парамагнитйое состояние и электронно-парамагнитный анализатор , имеющий проточную ампулу измеряемого образца, сравнительный об- 55 разец, модулятор поляризующего магнитного поля с нерегулируемым и регулируемым выходными каскадами, нагруженными на катушки модуляции поля

в этих образцах, и измеритель отношения напряжений, магнит, СВЧ-генера- тор, СВЧ-детектор, резонатор, усилительно-преобразовательное устройство, причем первый выход задающего генератора соединен с входом нерегулируемого каскада, а второй выход - с первым входом регулируемого каскада, выход нерегулируемого каскада соединен с входом первой катушки модуляции поля, а выход регулируемого каскада - с входом второй катушки модуляции, выход СВЧ-генератора соединен с СВЧ-входом резонатора, СВЧ-выход которого соединен через СВЧ-детектор с входом усилительно-преобразовательного устройства, выход которого соединен с вторым входом регулируемого каскада, отличающийся тем, что, с целью увеличения надежности и быстродействия при непрерывном относительном измерении концентрации парамагнитных ионов, он снабжен

проточной ампулой сравнительного образца, сумматором, фазовращателем и аттенюатором с изменяемым коэффициентом передачи, причем вторая измерительная катушка в сравнительном образце связана с первым входом измерителя отношения напряжений через последовательно включенные фазовращатель и аттенюатор, второй вход измерителя отношения напряжений подключен к выходу сумматора, первый вход сумматора - к второму выходу аттенюатора, а второй;вход сумматора связан с первой изм.ерительной катушкой в измеряемом образце, вход проточной ампулы измеряемого образца является входом измерителя концентрации ионов в растворе соли переходного металла,

а ее выход подключен к входу устрой- става для перевода, выход которого подключен к входу проточной ампулы сравнительного образца.

Редактор М. Дьшын

Составитель С. Рыков

Техред А.Алиев Корректор А.Тяско

Заказ 1605/50 Тираж 778Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035,-Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ГОШ Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Изобретение относится к приборам для анализа вещества, основанным на методе УПР. Цель изобретения - упрощение конструкции, увеличение надежности и быстродействия. Новым является введение в измеритель проточной ампулы сравнительного образца, сумматора, фазовращателя и подстроечно- го аттенюатора. Устройство может использоваться в химической и нефтехимической промьшшенности. 1 ил.