АВТОМАТИЧЕСКИЙ ФОТОКОЛОРИМЕТРИЧЕСКИЙ ТИТРАТОР Советский патент 1965 года по МПК G01J3/50 

Известен автоматический фотоколориметрический титратор для титрования растворов, оптическая плотность которого резко изменяется в конечной точке титрования. Он содержит источник света, оптическую систему линз со светофильтрами, сравнительную и рабочую кюветы (последняя с мешалкой), светочувствительный элемент, электронную схему отработки конечной точки титрования, устройство для регистрации количества израсходованного титранта, содержащую два электрода, замыкающихся при падении между ними капли титранта, дозирующее устройство с электромагнитными клапанами, схему управления и питания. Такой титратор не обеспечивает высокой точности и стабильности при анализе растворов, оптическая плотность которых изменяется пропорционально количеству израсходованного титранта.

Предложенное устройство содержит источник света, оптическую систему линз со светофильтрами, титровальную ячейку с мешалкой, светочувствительный элемент, схему отработки конечной точки титрования, систему регистрации количества израсходованного титранта, дозирующее устройство с электромагнитными клапанами, схему управления и питания. Оно отличается от известных тем, что на пути светового потока, проходящего через сравнительную кювету, помещен сравнительный светофильтр, выполненный из материала, спектральная характеристика которого близка к спектральной характеристике титруемого раствора в конечной точке титрования, и перед светочувствительным элементом установлен прерыватель светового потока, например электромагнитный вибратор, связанный с фазодетекторным каскадом, включенным в схему отработки конечной точки титрования. Он содержит одну ячейку, включающую сравнительную и рабочую кюветы. Сравнительная кювета выполнена в виде полуцилиндра и расположена внутри рабочей кюветы так, что оси обеих кювет взаимно перпендикулярны и смещены относительно друг друга, а светопроводящие стенки обеих кювет плоскопараллельны. Система измерения израсходованного титранта содержит иглу, подвешенную на токопроводящем тросике, перекинутом через шкив двигателя, перемещающего иглу, которая включена со столбом титранта в цепь реле, связанного со схемой управления и схемой питания этого двигателя, на одном валу со шкивом которого расположен датчик, связанный с регистрирующим прибором.

Указанные отличия позволяют повысить точность и стабильность измерений и производить анализ растворов, оптическая плотность которых меняется в процессе титрования пропорционально количеству поданного титранта.

На фиг. 1 изображена принципиальная электрическая схема устройства для отработки конечной точки титрования; на фиг. 2 - блок-схема титратора с устройством для измерения количества израсходованного титранта.

Предлагаемый автоматический фотоколориметрический титратор содержит источник света 1, оптическую систему линз 2 со светофильтром 3, титровальную ячейку, включающую сравнительную 4 и рабочую 5 кюветы с мешалкой 6, сравнительный светофильтр 3, вибратор 7, светочувствительный элемент 8. схему отработки конечной точки титрования 9, включающую фазодетекторный каскад 10, систему регистрации количества израсходованного титранта, включающую иглу 11, опущенную в бюретку 12, токопроводящий тросик 13, шкив двигателя 14, двигатель 15, датчик 16 и регистрирующий прибор 17, кроме того, прибор содержит дозирующее устройство 18 с электромагнитными клапанами 19, 20, а также блок управления 21 и питания 22.

Принцип работы прибора заключается в следующем.

В блоке титрования 23, куда непосредственно поступает отфильтрованная проба, производятся следующие операции:

отбор заданного количества пробы, фона, воды, индикатора и впуск перечисленных компонентов в титровальную ячейку;

титрование при непрерывной подаче титранта из мерной бюретки при интенсивном перемешивании;

подача электрического сигнала в блок отработки конечной точки титрования для прекращения поступления титранта в титровальную ячейку в момент достижения раствором в ячейке окраски, заданной оптической плотности;

измерение объема израсходованного титранта и передача соответствующего электрического сигнала в блок регистрации;

слив отработанных растворов, промывка всех линий ячейки водой, пополнение запаса титранта в бюретке, подготовка прибора к следующему циклу.

Все перепускные операции в блоке титрования осуществляются с помощью специальных мембранных электромагнитных вентилей.

При отработке конечной точки (фиг. 1) происходит усиление и преобразование поступившего электрического сигнала из блока титрования 23. Преобразованный сигнал поступает в блок управления 21, воздействующий на клапан 19 подачи титранта в блоке титрования. В блоке управления 21 заложена программа последовательности операций всего прибора в целом - работа электромагнитных клапанов 20, мешалки 6, включение прибора регистрации и т.д. Регистрирующий прибор 17 записывает на диаграммную бумагу результаты анализа за каждый цикл измерения. Блок питания 22 обеспечивает электрическим питанием все блоки прибора.

Прибор работает следующим образом.

После того как закончены все подготовительные операции, блок управления 21 включает клапан 19 подачи титранта из бюретки 12 в рабочую кювету 5 титровальной ячейки. В сравнительную кювету 4 предварительно заливают испытуемый раствор.

Титровальная ячейка представляет собой цилиндр с нижней конической частью, в который встроена сравнительная кювета 4 с плоскопараллельными стенками. В сравнительную кювету направляется часть пробы, поступающей в рабочую кювету 5 для титрования (см. фиг. 2).

Свет от лампы 1 с вольфрамовой нитью через систему оптических линз 2 и светофильтр 3 проходит параллельными пучками через сравнительную и рабочую кюветы и попадает на светочувствительный элемент 8, перед которым находится язычок (флажок) вибратора 7, питаемого переменным током от напряжения 6,3 в.

Флажок вибратора попеременно закрывает то верхнюю, то нижнюю части светового потока, падающего на фоточувствительный элемент.

Если бы не было сравнительного фильтра 24, установленного на выходе светового потока из сравнительной кюветы, то вследствие того, что на светочувствительный элемент 8 падал бы симметричный переменный поток, со светочувствительного элемента снималось бы напряжение в виде симметричной синусоиды.

Благодаря наличию сравнительного светофильтра, спектральная характеристика которого соответствует спектральной характеристике испытуемого раствора в конечной точке титрования, световой поток, падающий на фотосопротивление, теряет свою симметричность, при этом с фотосопротивления снимается напряжение определенной фазы.

К концу титрования (вблизи конечной точки титрования) интенсивность окраски раствора в титровальной ячейке приближается к интенсивности окраски сравнительного фильтра; при равенстве верхнего и нижнего световых потоков, приходящих на светочувствительный элемент, вид кривой напряжения, снимаемого с последнего, приближается к симметричному, в процессе титрования в рабочей кювете 5 преобладает интенсивная окраска, при этом происходит переворот фазы сигнала и с помощью фазодетекторного каскада 10 блока отработки конечной точки прекращается подача титранта.

Блок отработки конечной точки титрования (фиг. 1) имеет четыре каскада - усилительный 25, фазочувствительный 10 и последний со схемой задержки 26.

Если в процессе титрования вследствие изменения цвета раствора в рабочей кювете и приближения его к цвету сравнительного светофильтра фаза напряжения на фотосопротивлении начинает быстро изменяться, то в момент перехода фазы через нуль реле 27 перебрасывает свои контакты 28 в «левую» сторону; реле 29 срабатывает и размыкает электромагнитный клапан 19 подачи титранта. Титрант в ячейку не поступает. Одновременно реле 29 отсоединяет сетку лампы 30 от запирающего ее отрицательного смещения и замыкает цепь разряда емкости 31 на сопротивление 32. Если емкость успеет разрядиться за установленное время, лампа 30 отпирается, реле 33 срабатывает и разрывает цепь электромагнитного клапана 19 для подачи титранта. Если за время разряда емкости 31 появившееся случайное изменение цвета раствора в рабочей кювете рассеется при перемешивании, то якорь реле 27 возвратится в исходное, «правое» положение, реле 29 обесточится, электромагнитный клапан 19 вновь откроется и титрант будет подаваться в титровальную ячейку до следующего срабатывания схемы. Такие циклы будут повторяться все чаще до тех пор, пока не наступит окончательное изменение окраски рабочего раствора, то есть до тех пор, пока реакция титрования не закончится.

Для согласования фаз вибратора 7 с фазой напряжения, питающего фазодетекторный каскад 10, в схеме применен фазовращательный мостик 34.

После окончания титрования блок управления 21 включает двигатель 15, находящийся в системе управления количеством израсходованного титранта. Этот двигатель связан со шкивом 14, на который наматывается токопроводящий тросик 13 следящей иглы 11. Игла опускается вниз до тех пор, пока не коснется поверхности титранта в бюретке 12, при этом возникает электрическая цепь: тросик - игла - титрант - нижний контакт бюретки, которая включит находящееся в блоке управления реле, разрывающее цепь обмотки двигателя 15, и игла остановится.

Двигатель 15 связан не только со шкивом 14, на который намотан тросик, но и с датчиком (реохордом) 16, питаемым постоянным напряжением от блока питания 22. Угол поворота движка реохорда пропорционален ходу иглы от нулевого положения до уровня титранта в бюретке, а следовательно, расходу титранта в течение одного цикла титрования.

Напряжение, снимаемое с реохорда, подается на вход регистрирующего прибора 17.

Чтобы запись результатов анализа не была прерывистой, а стрелка не возвращалась к нулю после каждого цикла измерения, в блоке управления имеется устройство, включающее двигатель каретки регистрирующего прибора только в заданный момент времени, в течение которого стрелка регистрирующего прибора перемещается в положение, соответствующее результатам анализа за текущий цикл; таким образом запись результатов анализа получается ступенчатой.

Перед моментом регистрации блок управления включает электромагнитный клапан слива отработанного раствора из титровальной ячейки.

После окончания титрования по сигналу из блока управления через мерники 35 в титровальную ячейку подается вода для промывки, а затем после удаления воды подаются растворы - испытуемая проба, фон, вода для разбавления, а также индикатор - необходимые для проведения следующего цикла титрования.

После того как регистрация результатов анализа произведена, игла вновь поднимается и останавливается в верхнем «нулевом» положении, а бюретка пополняется титрантом - прибор готов к проведению следующего цикла титрования.

Для пояснения эффективности предложенного устройства рассмотрим пример автоматического определения содержания двухвалентного железа в фильтратах пульп гидрометаллургического производства цинка.

Пример. Исходный раствор с содержанием двухвалентного железа 30-400, цинка 115-135, меди 1,5-3, трехвалентного железа 0,5-1, сурьмы 2-10, мышьяка 100-250, серной кислоты 20-35 г/л автоматически титровали бихроматом калия (титр = 0,0008) с дифениламиносульфонатом натрия (0,2% р-р) в качестве индикатора с добавлением в исходную смесь 3% раствора серной и фосфорной кислот в качестве фона.

В приборе был установлен сравнительный пурпурный светофильтр, соответствующий пурпурному цвету раствора в конечной точке титрования, а в качестве общего светофильтра использовался желто-зеленый (типа ЖЗС-1). Цвет исходного раствора до титрования - зеленовато-голубой. Периодичность автоматического анализа - один анализ через каждые 5 мин. Эксплуатационная среднеквадратичная погрешность прибора около 1%.

Автоматический фотоколориметрический титратор, содержащий последовательно по ходу светового луча источник света, оптическую систему линз со светофильтрами, титровальную ячейку с мешалкой, светочувствительный элемент, электронную схему отработки конечной точки титрования, устройство для регистрации количества израсходованного титранта, дозирующее устройство с электромагнитными клапанами, электрическую схему управления и питания, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и стабильности измерений и возможности титрования растворов, оптическая плотность которых меняется в процессе титрования пропорционально количеству поданного титранта, на пути светового потока, проходящего через сравнительную кювету, помещен сравнительный светофильтр, выполненный из материала, спектральная характеристика которого близка к спектральной характеристике титруемого раствора в конечной точке титрования, и перед светочувствительным элементом установлен прерыватель светового потока, например, электромагнитный вибратор, связанный с фазодетекторным каскадом включенным в схему отработки конечной точки титрования.

2. Автоматический фотоколориметрический титратор по п. 1, отличающийся тем, что в титровальную ячейку помещены рабочая кювета и расположенная внутри нее выполненная в виде полуцилиндра сравнительная кювета с плоскопараллельными светопроводящими стенками и смещенными относительно друг друга взаимно перпендикулярными осями.

3. Автоматический фотоколориметрический титратор по п. 1-2, отличающийся тем, что устройство для измерения количества израсходованного титранта состоит из бюретки с титрантом и иглы, подвешенной на токопроводящем тросике, перекинутом через шкив двигателя, перемещающего иглу, которая включена со столбом титранта в цепь реле, связанного со схемой управления и питания этого двигателя, на одном валу со шкивом которого расположен датчик, связанный с регистрирующим прибором.