Способ определения концентрации водного раствора этанола Советский патент 1992 года по МПК G01N33/14 

Изобретение относится к технике измерения состава и свойств жидких сред и может быть использовано при измерении концентрации в устройствах автоматизации водных растворов этанола, для контроля технологических процессов в пищевой и других отраслях промышленности.

Известен способ определения влагосо- держания растворов, основанный на использовании резонанса, возникающего в колебательном контуре.

Недостатками такого способа являются большая сложность преобразований, наличие резонансных контуров, с ростом диэлектрических потерь в датчике уменьшается пик резонансной кривой, которая становится более плоской, а ее максимум - расплывчатым, что уменьшает точность настройки на резонанс, диапазон измерения влажности материала ограничивается добротностью контура.

Известен способ измерения концентрации вещества в жидкой смеси, заключающийся в том, что в смесь вводят экстракт,

обладающий диэлектрическими свойствами, и отделяют экстракт от основной фазы, в смесь добавляют элетролит, нерастворимый в экстракте, формируют слой экстракта на поверхности электрода, а в слой электролита помещают дополнительный электрод и измеряют емкость образованного конденсатора, по которой определяют искомую концентрацию.

Недостатком известного способа является необходимость устранения влияния нескольких факторов на емкость полученного конденсатора, так как она зависит не только от диэлектрической проницаемости экстракта, но и от его толщины; в образованном конденсаторе, являющемся ПИП (первичным измерительным преобразователем), по мере увеличения длительности проведения эксперимента растут диэлектрические потери, возникает необходимость в ряде ручных операций и. как следствие выше изложенного, низкие точность, помехоустойчивость и надежность, сложность преобразования результата измерений, трудность и экономиХ|

W

Х| 00 (л

ческая нецелесообразность автоматизации способа.

Известен способ определения диэлектрических свойств газообразных и жидких сред, заключающийся в измерении измене- ния емкости.

Недостатком известного способа является низкое значение удельной емкости (т.е. емкости, отнесенной к единице объема), что обусловлено трудностью выполнения малого зазора между коаксиальными электродами. Поэтому в приемлемых по экономическим и конструктивным соображениям габаритах общая полезная емкость датчика составляет всего 10-100 пФ, что соизмеримо с пара- зитной емкостью соединительных приводов и создает трудности при разработке емкостных измерительных устройств, в которых по условиям эксплуатации датчик должен быть удален от измерительной схемы. Способ об- ладает недостаточной точностью, надежностью, сложен в практической реализации.

Наиболее близким.к предлагаемому по технической сущности является способ определения концентрации водных растворов спирта, предусматривающий поочередное воздействие потоком электромагнитных колебаний на эталонный и контролируемый растворы, помещенные в отрезок длинной линии, являющейся датчиком, и измерение фазового сдвига между входными и выходными сигналами, причем фазовый сдвиг поддерживают постоянным, а концентрацию водного раствора спирта устанавливают по значению измененной частоты входного сигнала.

Недостатками способа являются использование в качестве носителя информации фазового сдвига, имеющего низкую помехозащищенность, сложность преобра- зования результата измерений и вследствие этого большую погрешность результата, числоимпульсный метод обработки информации не позволяет получить, помимо высокого быстродействия, достаточную точность.

Цель изобретения - повышение точности определения концентрации.

Указанная цель достигается тем, что согласно способу определения концентрации водных растворов этанола на контролируемую среду, помещенную в датчик - отрезок длинной линии, воздействуют сигналом- электрическим импульсом калиброванной длительности, для которого обеспечен про- цесс циркуляции по замкнутому контуру, причем длительность импульса уменьшают при каждом прохождении через контролируемую среду на калиброванную величину, а концентрацию водного раствора определяют по числу циркуляции введенного импульса до его полного исчезновения.

На фиг. 1 изображена функциональная схема устройства, реализующего данный способ; на фиг. 2 - временные диаграммы процесса уменьшения длительности импульса; на фиг. 3 - графическая зависимость концентрации одного из компонентов в водном растворе этанола от числа циркуляции.

Устройство содержит логический элемент ИЛИ 1, датчик 2 - отрезок длинной линии, коаксиальный кабель с исследуемым раствором, логический элемент И 3, пинию 4 задержки в цепи обратной связи. При этом входом схемы, реализующей способ, является первый вход элемента ИЛИ, выход которого подключен к второму входу элемента И 3, первый вход элемента И 3 через элемент задежки - датчик 2 подключен к выходу элемента ИЛИ 1, второй вход которого подключен к выходу линии задержки 4, вход которой подключен к выходу элемента И 3, который является выходом схемы.

Способ осуществляется следующим образом.

Электромагнитным сигналом - электрическим импульсом калиброванной длительности воздействуют на контролируемый раствор в замкнутом контуре и определяют число циркуляции этого импульса через раствор, помещенный в датчик - отрезок длинной линии, этот сигнал проходит через датчик 2, логический элемент И 3, линию 4 задержки и сумматор - логический элемент ИЛИ 1, причем длительность импульса уменьшается при каждом прохождении через контролируемую среду, так как обеспечен процесс его циркуляции по замкнутому контуру, а определение концентрации водного раствора этанола осуществляют по числу циркуляции введенного импульса до его полного исчезновения.

Сущность способа заключается в том, что число циркуляции калиброванного импульса в контуре 1-2-3-4 зависит от концентрации водного раствора этанола в датчике (фиг. 2).

Известны формулы:

t3

V

ср

(1)

где t3 - время задержки импульса в датчике, с;

I - длина датчика - отрезка линии, м;

VCp - скорость распространения импульса в среде датчика, м/с

Vcp,(2)

где с «скорость света в вакууме (0,3 м/нс): Јср диэлектрическая проницаемость

среды водного раствора этанола. В свою очередь:

ficp PlЈl + Р2С2,

(3)

где Pi и Р2 - концентрации жидкостей рас- ,твора, соответственно, в относительных единицах, для которых справедливо:

Р1+Р2 1;

(4)

Ј1ИЈ2 - диэлектрическая проницаемость жидкостей раствора, соответственно воды и этанола.

Зная выражение:

гк N гз.

(5)

где гк - длительность калиброванного импульса;

N - число циркуляции по замкнутому контуру,

выразив из выражения (5) число циркуляции N, подставив в него выражение (1), учитывая выражения (2), (3) и (А), возведя в квадрат обе части уравнения, выделив из него составляющую концентрации, например Р2, получим для нее выражение

и

(-fr) 6

Устройство работает следующим образом.

Сигнал - электрический импульс калиброванной длительности тк поступает на первый вход элемента ИЛИ 1. С выхода этого элемента калиброванный сигнал подается на 2-й вход элемента И 3 непосредственно, а на 1-й вход- через датчик 2 с контролируемой средой, создающий задержку калиброванного импульса во времени на величину ta. Таким образом, на входы элемента И 3 поступают два импульсных сигнала с длительностью гк, которые сдвинуты друг относительно друга на величину ta. На выходе элемента И 3 формируется импульсный сигнал, длительность которого меньше длительности исходного - калиброванного на величину задержки в датчике ta. Выходной сигнал элемента И 3 фиксируется, например, счетчиком импульсов и поступает через линию 4 задержки на 2-й вход элемента ИЛИ, 1. Величина задержки Ьз, создаваемая линией 4 задержки, должна быть больше первоначальной длительности ка- либрЬванного импульса, чтобы обеспечить

процесс его циркуляции по замкнутому контуру логический элемент ИЛИ 1 - датчик 2 - логический элемент И 3 - линия 4 задержки. Далее процесс циркуляции импульсного сигнала в замкнутом контуре будет происходить аналогично первому циклу обращения, каждый раз уменьшаясь на величину t3, и прекратится, когда длительность импульса станет меньше величины, определяющей дискретность измерения. По окончании процесса циркуляции будет зафиксировано число N, соответствующее число циклов обращения импульса.

Определение концентрации поданному

способу возможно тогда, когда перед измерением снимают калиброванную зависимость концентрации водного раствора этанола от количества циркуляции импульса калиброванной длительности другими способами, т.е. производят калибровку.способа для каждого конкретного импульса калиброванной длительности, которая должна удовлетворять следующему условию

25

гк ts.

Пример. Построить зависимость концентрации водного раствора этанола от количества циркуляции.

Исходные данные: ,1 м; ,3 м/нс; ,37; ,07; не.

Подставляя данные в формулу (6), получим значения концентрации для величины

Р2.

На фиг. 3 изображена зависимость (N).

Предлагаемый способ по сравнению с прототипом позволяет повысить помехоустойчивость, что особенно важно при измерении физико-химических параметров жидких сред с низкой концентрацией одного из компонентов, позволяет широко применять высокочастотный метод измерения в научных исследованиях в сочетании с

элементами вычислительной техники, дает возможность проводить исследования не прекращая технологического процесса, при этом он отличается существенной простотой по сравнению с известными способами.

Формула изобретения Способ определения концентрации водного раствора этанола, предусматривающий помещение раствора в датчик, представляющий собой отрезок длинной линии, отличающийся тем, что, с целью повышения точности определения концентрации, воздействие на контролируемый раствор осуществляют электрическим

импульсом калиброванной длительности ввремени задержки импульса, проходящего

замкнутом контуре и определяют число цир-через раствор, а определение концентракуляций этого импульса через раствор, при-ции водного раствора этанола осуществчем длительность импульса уменьшают приляют по числу циркуляции введенного

каждом цикле его прохождения на величину5 импульса до его полного исчезновения.

Использование: для измерения состава и свойств жидких сред. Сущность изобретения: помещают раствор в датчик, представляющий собой отрезок длинной линии, воздействуют на него электрическим импульсом калиброванной длительности в замкнутом контуре, уменьшают длительность импульса при каждом цикле его прохождения через раствор на величину времени задержки импульса, проходящего через раствор, и определяют концентрацию водного раствора по числу циркуляции введенного импульса до его полного исчезновения. 3 ил.

Вход JT. 4

Вход I

Фиг. I

Вход 2

а

б Выход

Зиг. 2

Выход -о

0,956 0,858

0,728 0,658

,2

335

350

400 450

500

550 599

fur. 3