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 вещества, основанным на методе электронного резонанса (ЭПР) и предназна ченным для непрерывного контроля в автоматических системах управления технологическими процессами (АСУ ТП) в радиотехнической промышленности, приборостроении и других отраслях народного хозяйства.

Цель изобретения - увеличение надежности и экспрессности при измерении концентрации непарамагнитных ионов .

На чертеже представлена блок-схем предлагаемого измерителя концентрации ионов в растворе соли переходного металла.

Измеритель концентрации ионов содержит устройство 1 для перевода непарамагнитных ионов протекающего раствора в парамагнитное состояние и электронно-парамагнитный анализатор 2, включаюпщй магнит 3 и сверхвысокочастотный (СВЧ) тракт 4 с помещенным в зазор магнита 3 резонатором 5, в котором расположены проточные ампулы 6 и 7 соответственно с компенсационным и измеряемьпм образцами 8 и 9 и сравнительный образец 10. Кроме того, анализатор 2 содержит усилительно-преобразовательное устройство 11, модулятор 2 поляризующего магнитного поля, измеритель 13 отношения напряжений, электромагнитный экран 14, охватывающий часть компен

сационного образца 8 СВЧ-генера- тор 15, СВЧ-детектор 16, задающий генератор 17, нерегулируемый каскад 18, регулируемый каскад 19, катушки 20 модуляции компенсационного образца, катушки 21 модуляции измеряемого образца, включенные про- тивофазно, катушки 22 модуляции сравнительного образца, измерительные катушки 23 измеряемого образца и измерительные катушки 24 сравнительного образца.

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

s

0

5

Измеритель концентрации ионов работает следующим образом.

Анализируемый раствор, поступающий на его вход, проходит через проточную ампулу 6 компенсационного образца 8, устройство 1 для перевода непарамагнитных ионов в парамагнитное состояние и проточную ампулу 7 измеряемого образца 9. Поэтому образещ В представляет собой непосредственно анализируемое вещество, например травильный раствор, содержащий Н€ парамагнитные ионы одновалентной меди и парамагнитные ионы двухвалентной меди. Образец 9 является тем же травильным раствором, в котором ионы одновалентной меди перешли в парамагнитное, двухвалентное состояние в результате окисления протекающего раствора в устройстве I для перевода. СВЧ-генератор 15 возбуждает в резонаторе 5 электромагнитное СВЧ-поле, в пучностях магнитной составляющей которого находятся проточные ампулы 6 и 7 соответственно с компенсационным и измеряемь м образцами 8 и 9 и сравнительный образец 10.

Магнит 3 создает в объемах образцов -8-10 поляризующее поле. При значениях этого поля, соответствующих линии спектра ЭПР, в образцах 8-10 происходит поглощение СВЧ-энергии. Это приводит к уменьшению добротности резонатора 5 и изменению мощности,, поступающей на СБЧ детек- тор 16.

Напряженность поляризующего поля в объеме каждого из образцов 8-10 0 модулируется независимо с амплитудой, много меньшей ширины линии спектра ЭПР, при помощи KatyraeK 20- 22 модуляции соответственно. Катушки 20 и .21 модуляции питаются яере- 5 гулируем1л1М каскадом 18, а катушка 22 модуляции - регулируемым каскадом 19.

г

Каска,цы .18 и 19 возбуждаются, в свою очередь, задйюш м генератором 17. Б результате на выходе СВЧ-детек0 тора 16 от каждого из образцов 8-10 вьщеляется сигнал, пропорциональный первой производной ЭПР-поглощения (сигнсал ЭПР) , с частотой равной частоте модуляции поляризующего поля, и

5 амплитудой, пропорциональной концентрации парамагнитных ионов и амплитуде модуляции поля в соответствующем образце.

0

5

Модуляция ПОЛЯ в образцах 8 и 10 осуществляется противофазно с модуляцией поля в образце 9. Вследствие этого, составляющая сигнала ЭПР от образца 9, обусловленная парамагнитными ионами в анализируемом растворе компенсируется сигналом ЭПР от образца 8. Полной компенсации достигают изменением степени экранирования образца 8 от СВЧ-поля резонатора 5 путем перемещения электромагнитного экрана 14. При этом разностный сигнал от образцов 9 и В становится пропорциональным количеству непарамагнитны ионов. Фаза сигнала ЭПР от образца 1 отличается от фазы разностного сигнала от.образцов 9 и 8 на 180. Поэтом результирующий сигнал на выходе СВЧ- детектора 16 равеи разности разностного сигнала от образцов 9 и 8 и си нала ЭПР от образца 10.

Результирующий сигнал с выхода СВЧ-детектора 16 поступает на вход усилительно-преобразовательного устройства 11, а зйтем, после соответствующего усиления и преобразования - в цепь управления регулируемого каскада 19 модулятора 12 поляризующего магнитного поля. Этот сигнал изменяет амплитуду модуляции поля в образце 10 так, что разностный сигнал от образцов 9 и 8 и сигнал от образца 10 становятся равными, в результирующий сигнал уменьшается до нуля.

Таким образом, автоматическая система регулирования, в которую входят сравнительный образец 10, резонатор 5, СВЧ-детектор 16, усилительно-преобразовательное устройство 11, регулируемый каскад 19 и катущка 22 модуляции сравнительного образца, непрерывно поддерживает равенство сигнала ЭПР от сравнительного образца 10 и разностного сигнала-от компенсационного образца 8 и измеряемого образца 9. При этом справедливо общее соотношение

Гг +с (1 --l-.ll.Hi.) V. г г 1-Ь„- -1.„ U ;

C,V, де h,h h

Кр h. У,

амплитуды модуляций поля в сравнительном, измеряемом и компенсационном образцах 10-8; коэффициент разбавления , учитывающий уменьшение концент

5

0

5

v- ,v

с

рации парамагнитных ионов в измеряемом образце 9 за счет добавления вещества для перевода непарамагнитных ионов в парамагнитные (в частности случае, когда перевод осуществляется за счет кислорода воздуха и нет разбавления,

Кр 1);

V - эффективные объемы

образцов 10-8; С - концентрация парамагнитных частиц в сравнительном образце JO;

С ,Сц - концентрации парамагнитных и непарамагнитных ионов в анализируемом растворе.

Перемещение электромагнитного экрана 14 эквивалентно изменению эффективного объема V компенсационного образца 8. Полная компенсация, |достигаемая путем перемещения электромагнитного экрана равенством 1

14, описывается

Л... ,

Кр h, V

-h.

В этом случае общее соотношение преобразуется к виду

hc h C,.V,

ЭДС, наводимые в измерительных катушках 23 и 24, пропорциональны с коэффициентами пропорциональности Кц и К амплитудам модуляции поля h и h . Напряжение с измери

тельной катушки 23 поступает на первый вход измерителя 13 отношения напряжений. Напряжение с измерительной катздпки 24 поступает на второй вход измерителя 13 отношения напряжений. В соответствии с этим выходной сигнал измерителя концентрации ионов с учетом последнего соотношения равен

7 V

С,

k. V, С,

н

Подстраивая во время градуировки измерителя концентрации эффективный объем Vj сравнительного образца 10 путем изменения степени его погружения в резонатор 5 так, чтобы выполнялось равенство

kc

k. v;

:

1,

получают A C,

т.е. предлагаемый измеритель концентрации ионов определяет концентрацию непарамагнитных ионов в протекающем через него растворе соли переходного металла.

Формула изобретения

Измеритель концентрации ионов в растворе соли переходного металла, содержащий устройство для перевода непарамагнитных ионов протекающего раствора в парамагнитное состояние и электронно-парамагнитный анализатор, имеющий проточную ампулу измеряемого образца и сравнительный образец, помещенные в резонатор, модулятор поляризующего магнитного поля с нерегулируемым и регулируемым каскадами, нагруженными на катушки модуляции поля в этих образцах, измеритель отношения напряжений, магнит, задающий генератор, СВЧ-генератор, СВЧ-де- тектор, усилительно-преобразовательное устройство, причем выход задающего генератора соединен с входом нерегулируемого и первым входом регулируемого каскадов, выход нерегулируемого каскада соединен с катуш- крй модуляции измеряемого образца, выход регулируемого каскада соединен с катушкой модуляции сравнительного образца, измерительная катушка измеряемого образца подключена к первому входу измерителя отношения:на- пряжений, а измерительная катушка сравнительного образца - к второму входу измерителя отношения напряжений, СВЧ-генератор 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, а резонатор помещен в

зазор магнита, отличающий- с я тем, что, с целью увеличения надежности и экспрессности при измерении концентрации непарамагнитных ионов, он дополнительно содержит передвиясной электромагнитный экран, проточную ампулу компенсационного образца,, помещенную в резонатор, и катушку модуляции компенсационного образца j, причем катушки модуляции компенсационного и измеряемого образцов подключены к выходу нерегулируемого каскада противофазно, вход из- мерит шя концентрации ионов в растворе соли переходного металла подключен .к входу проточной ампулы компенсационного образца, выход которой через устройство для перевода непарамагнитных ионов в парамагнитное состояние подключен к входу проточной

ампулы измеряемого образца, а передвижной электромагнитный экран расположен соосно с внешней стороны проточной ампулы компенсационного образца и охватывает часть ее рабочего обьема.

Измеритель концентрации ионов в растворе соли переходного металла относится к приборам и средствам анализа состава вещества, основанным на методе ЭПР. Цель изобретения - упрощение конструкции, увеличение надежности и быстродействия. Новым является введение в измеритель проточной ампулы компенсационного образца с передвижным электромагнитным экраном и катушки модуляции поля в этом образце, подключенной противо- фазно к катушке модуляции поля в измеряемом образце. При этом жидкостные связи вьтолнены так, что анализируемый раствор поступает через ампулу компенсационного образца в устройство для перевода непарамагнитных ионов в парамагнитное состояние и далее в ампулу измерительного образца . 1 ил.