Устройство для определения концентрации растворенного вещества Советский патент 1993 года по МПК G01N29/02 

с/

С

Изобретение относится к анализу жидкостей и может быть использовано для контроля концентрации вещества, растворенного в различных жидкостях, например неполярных полимеров в морской воде. Цель изобретения - повышение точности измерений за счет компенсации погрешностей, вносимых воздействием внешних факторов. Устройство имеет эталонный и измерительный каналы. Погрешности измерения компенсируются подбором материалов конструктивных элементов каналов по коэффициентам линейного расширения и мо- дулю Юнга. Эталонный канал герметично отделен от исследуемой среды плоскогофрированным сильфоном. Устройство имеет возможности изменять положение отражателя (длину каналов) в зависимости от условий измерения. 1 ил.;

Изобретение относится к анализу жид- й с помощью акустических колебаний может быть использовано для контроля веществ, растворенных в 1чных жидкостях, например неполяр- полимеров в морской воде.

кости

и

концентрации

раз л

ных

Известно устройство для определения концзнтрации растворенного вещества, содержащее эталонный и измерительный каналы, измерительный канал выполнен прот эчным для исследуемого раствора, эталонный канал погружен в исследуемый раствор и герметично отделен от него подвижным элементом цилиндрической форг. ы и заполнен эталонной средой, воспринимающей давление в исследуемом расг творе через подвижный элемент.

Недостатками этого устройства являются необходимость измерять температуру и давление исследуемого раствора, необходимость использования при вычислении концентрации Сложных эмпирических зависимостей, невозможность измерений с за-, данной точностью при наличии в измеряемой среде дисперсной фазы, забивающей поры мембран, большая чувствительность к фоновым загрязнениям растворителя или растворяемого вещества, существенное изменение чувствительности в различных по химическому составу рабочих и эталонных средах, что ограничивает

х|. ЧЭ OJ

GJ О

со

применение устройства в системах автоматического управления и контроля, быстрое отравление чувствительного элемента измерителя даже следами некоторых веществ.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство определения концентрации растворенного вещества, содержащее погруженные в контролируемую среду измерительный и эталонный акустические каналы, каждый из которых ограничен отражателем и электроакустическим преобразователем, эталонный канал заключен в сильфон, расположенный между электроакустическим преобразователем и отражателем, и герметично отделен от контролируемой среды, электронный блок генерации и измерения.

Недостатками известного устройства являются низкая точность, обусловленная отсутствием термобарокомпенсации акустических баз опорного и измерительного каналов и применением электроакустических преобразователей, работающих в разных режимах: в опорном канале в режиме обратимого электроакустического преобразователя, в измерительном - один в режиме излучения, а другой - в режиме приема, что обуславливает разные величины паразитных задержек в электронных цепях устройств, при этом электронный блок устройства суммирует паразитные задержки, так как электроакустические кольца сое- динены последовательно; отсутствие возможности менять величины акустических баз обоих каналов в зависимости от скоростей звука в контролируемых и эталонных средах, что существенно ограничивает область применения устройства; также отсутствие возможности использования в качестве среды сравнения используемых в момент измерения компонентов контролируемых жидкостей, например, тех частей растворов, которые используются в качестве растворителя, что создает трудности при изготовлении эталонных сред; в устройстве не уравниваются давление жидкостей в обо- . их каналах, так как сильфон опорного канала жестко закреплен и не имеет хода вдоль своей оси, поэтому он уравнивает только температуры жидкостей, при этом термо- компенсирующий сильфон, соединяющий внутренние полости обоих каналов, не охватывает весь объем термостатируемой жидкости, при этом обмен контролируемой жидкости, протекающей через измерительный канал, осуществляется с намного меньшей скоростью, чем вне устройства, что приводит к погрешности измерений, величина которой прямо пропорциональна скорости потока контролируемой жидкости, так как при изменении температуры контролируемой жидкости вне измерительного канала баланс температуры вне и внутри

измерительного канала наступает с задержкой по времени, что вызывает увеличение погрешности устройства.

Цель изобретения - повышение точности за счет компенсации погрешностей,

вносимых воздействием температуры и гидростатического давления.

Это достигается тем, что в известное устройство введены первое основание, установленное параллельно ему с возможностыо перемещения второе основание, на торцах которого установлены отражатели, и фиксирующая перемещаемая опора, электроакустические преобразователи установлены на первом основании на

противоположных его концах соосно второму основанию, сильфон выполнен плоскогофрированным, эталонный канал заполнен растворителем, который поступает в основной трубопровод, а материалы первого и

второго основания выбраны из соотношения «1 EI 0.2 Еа,где«1 иаг -температурные коэффициенты линейного расширения; AI и Еа - модули Юнга материалов первого и второго оснований соответственно.

Предлагаемое устройство изображено на чертеже, где показан его продольный . разрез.

Устройство состоит из первого обратимого электроакустического преобразователя 1, прилегающего к внутренней поверхности первого протектора 2, ограничивающего с одной стороны акустическую базу 3 эталонного канала, плоскогофрированный сильфон 4 из теплопроводного материала, образующий герметичный объем эталонного канала, ограниченный с торцов первым протектором 2 и торцом второго основания 6 с отражателями 5 и 9, соединенного фиксирующей опорой 7 с первым основанием 8, на котором закреплен с одной стороны первый протектор 2. Рабочий объем измерительного канала ограничен вторым торцом отражателя 9 с одной стороны, а с другой - вторым протектором 10, згкрепленным на другом конце первого основания 8, К внутренней поверхности протектора 10 прилегает второй обратимый электроакустический преобразователь 11. Первый и второй обратимые электроакустические

преобразователи 1 и 11 размещены в герметичных корпусах 12 и 13 и электрически соединены с электронным блоком 14, размещенным в герметичном корпусе 15.

Устройство работает следующим образом.

Эталонный канал заполняется растбо- риделем, используемым для приготовления исследуемого раствора, в который погружено1 устройство.

Первый обратимый электроакустический преобразователь 1 излучает под воз- де йствием электрического импульса, генерируемого эталонным блоком 14, ульт- ра|звуковой зондирующий импульс, проходит термобарокомпенсированную акустическую базу 3 эталонного канала, за- пблненного растворителем, отражается торцом 5 основания 6 и возвращается, пройдя через акустически прозрачный протектор 2, на обратимый электроакустический преобразователь 1, вырабатывающий псд воздействием ультразвукового зондирующего импульса электрический сигнал, угравляющий запуском возбуждающего п( рвый обратимый электроакустический преобразователь 1 - образуется электроакустическое кольцо, частота следования импульсов которого зависит от параметров состояния измеряемой жидкости-темпера- туэы, давления, концентрации растворенных веществ. В этом случае время одного

Ц1/

кла Т составляет

T-T3+lL,c,

где Т3 - паразитные задержки в электрон- нс м блоке и протекторе;

L - величина акустической базы, м;

с - скорость звука в жидкости, м/с.

Компенсация погрешностей, вносимых бездействием температуры и гидростатического давления, основана на обеспечении постоянства длины акустической базы L за ет равных температурных и барических иращений длин компенсационных плеч, в

сч nf

о; но из которых входит акустическая база, а направление удлинения этих плеч проти- вс положно друг другу, как показано на фиг. 1.Рабочее расстояние между торцами протекторов 2 и 10 равно Н, длина цилиндрического основания 6 - h. В частном случае, когда цилиндрический отражатель 6 разме- щ;н так, что акустические базы эталонного и рабочего каналов равны, то длина акустической базы L равна разности (Н - h):2, если фиксирующая опора 7 размещена на пер- вам основании 8 симметрично протекторам 2 и 10 и второму основанию 6. В общем случае

Н НА + НВ; h ПА + hB; LA НА - НА;

LB Нв - he.

Относительно оси перемещаемой фиксирующей опоры 7 температурное приращение частей первого основания 8 - НА и Нв будет

АНд Нд-ои At; ДНв - Нв ai At;

температурное приращение частей Ид и he второго основания 6 будет

ДЬд пд а-1 At; Дпв пв аг At,

откуда следует, что для условия постоянства длины акустических баз и обязательно условие ALA 0; необходимо таким образом размещать перемещаемую фиксирующую опору 7, чтобы выполнялось условие компенсации приращений длин оснований

20

AHA-AhA 0; АНв-Дпв 0;

5

0

5

0

5 0 5

5,м.

откуда

-А Ц-$)+,%

При измерении концентрации растворенного вещества заявляемым устройством необходимым условием его точных измерений является равенство таких параметров состояния исследуемой жидкости и эталонной, как температура и давление. Для уменьшения времени выравнивания температур в эталонном и рабочем объемах необходимо максимально увеличить площадь контакта раствора с растворителем через теплопроводный элемент, сохранив при этом способность к уравнению давлений. Этим условиям соответствует сильфон с плоскогофрированными гофрами. Давление передается плоскими участками гофра.

При необходимости динамического способа формирования среды эталонного канала он выполняется проточным для растворителя, в котором растворяется контролируемое вещество.

Время выхода измерителя на заданную точность измерений лимитируется наибольшей длительностью уравнивания одного из вторичных параметров жидкостей эталона и исследуемого раствора - температуры и давления, Время выравнивания давлений мало и не учитывается из-за малого вклада во время выхода измерителя на заданную точность. Время выравнивания температур является лимитирующим для определения быстродействия измерителя.

В устройстве для определения концентрации растворенного вещества известны неизменные расстояния: между протекторами 2 и 10, равное Н; между торцами второго основания б, равное h. В этом случае Н h - LA + LB. Так как величину акустической базы 3 эталонного канала LA невозможно измерять из-за наличия сильфона 4, после установки необходимого соотношения частот циркуляции импульсов в электроакустических синхрокольцах эталонного и рабочего каналов измеряют величину акустической базы LB рабочего канала. Далее определяют место размещения перемещаемой фиксирующей опоры 7, соединяющей основания, вычисляя величину пв по установленной формуле - известны величины Н, h, LB, о. и ai , Например, при отсутствии термокомпенсации, при типовой величине акустической базы LB рабочего канала, равной 0,02 м: материале первого основания 8 - стали нержавеющей 12X18Н10Т, у которой температурный коэффициент линейного расширения а 16,1 1/град. погрешность, вносимая дестабилизирующим воздействием температуры с градиентом At 40° С, при удлинении акустической базы 3 на 2 AL, учитывая путь ультразвукового зондирующего импульса туда и обратно, скорости звука в исследуемом растворе. 1500 м/с, частота следования ультразвуковых импульсов в электроакустическом кольце при отсутствии температурного

градиента

Л t 0 составит Р

2 L

37500 Гц, при воздействии температурного градиента A t 40° С на акустическую

базу 3- F- 2(и°д -37475.9 Гц.

ЛР Р- Р1 24,14Гц.

При необходимой точности определения скорости звука с, равной 0,1 м/с 2,5 Гц, погрешность, вносимая воздействием A t, составит A F/2,5 9,6 м/с, что неприемлемо, так как на примере определения концентрации бензола в CaHsOH, для которого зависимость скорости звука от концентрации в линейном приближении равна К с -6 + 7,74, где К-концентрации бензола в CaHsOH; с - скорость звука в растворе; точность измерения концентрации при с 0,1 м/с даст величину А К 6 10:4 моль/л, а погрешность определения скорости звука с А с 9 м/с даст величину А К, равную 5,4 моль/л, что в 90 раз превышает допустимый уровень поФормула изобретения Устройство для определения концентраций растворенного вещества, содержащее погруженные в контролируемую среду измерительный и эталонный акустические

грешности. Введение термокомпенсации приводит к уменьшению погрешности измерений. При величинах длины первого основа- ния 8 из титанового сплава с Щ 8,8 1 /град Н 0,08 м, длине второго основания 6 из нержавеющей стали с «2 16,1 -10 1/град h 0,04 м, при величине LB 0,02 м, величина пв, вычисленная по формуле, составит Ьв - 0,02 м, разность температурных приращений Нв и Ьв составит 1,2 10 м. Длина акустической базы LB изменится на эту величину, что даст прирост частоты Fi1 с1500

-б

2(LB+ALi)

2(0,02 + 1,2- )

37497,8 Гц, a A Fi1 F - Fi1 37500 - 37497,8 2,25 Гц. Так как прирост частоты циркуляции ультразвуковых импульсов составляет 2,8 Гц на прирост скорости звука на 0,1 м/с, a A Fi1 2,25 Гц, то термокомпенсация акустических баз эталонного и рабочего каналов позволяет проводить измерения с заданной точностью. Барокомпенсация акустических баз LA и

LB осуществляется одновременно с термокомпенсацией при отношениях температурных коэффициентов линейного расширения а и модулей Юнга Е материалов стойки 8 и отражателя 6, равных а EI 0.2 EI .

Использование предлагаемого изобретения позволяет упростить процесс измерений концентраций растворенного вещества за счет исключения необходимости учитывать текущие значения температуры и давления, следить за постоянством состава растворителя, вычислять величины скорости распространения скоростей звука, используя только разности выходных сигналов эталонного и рабочего каналов измерителей скорости звука в растворе и растворителе, при упрощении конструкции и уменьшении габаритов измерителя, использовать измеритель в системах контроля и управления, когда при номинальных параметрах состояния контролируемых сред выходной сигнал измерителя должен быть постоянной величины и не зависеть от исходных величин скорости звука в контролируемых средах, а также при разных

исходных величинах температуры, давления, начальной концентрации и качества растворителя.

каналы, каждый из которых ограничен отражателем и электроакустическим преобразователем, эталонный канал заключен в сильфон, расположенный между электроакустическим преобразователем и.отражателём и герметично отделен от контролируемой среды, электронный блок генерации и накренил, отличающееся тем, что, с цеЬью повышения точности измерений за счет компенсации погрешностей, вносимых воздействием внешних факторов, в него введены первое основание, установленное параллельно ему с возможностью переме- ия второе основание, на торцах которощегоу пер

ггановлены отражатели, и фиксирующая смещаемая опора, электроакустические

преобразователи установлена на первом

/- 0

основании на противоположных его концах соосно с вторым основанием, сильфон выполнен плоскогофрированным, эталонный канал заполнен растворителем, который поступает в основной трубопровод, а материалы первого и второго оснований выбраны из соотношения а E.I 05 Ј2 ., где а йог- температурные коэффициенты линейного расширения, a EI и Е2 - модули Юнга материалов первого и второго оснований, соответственно.