(54) СПОСОБ АНАЛИЗА СОСТАВА ВЕЩЕСТВА Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для ана- лиэа состава и свойств веществ путем измерения их диэлектрических параметров, а также может быть использовано например в анализаторах газов и диэлектрических жидкостей при определении концентрации полярной примеси, в детекторах для жидкостей или газовой хроматографии и во влагомерах. Известен способ дитектирования пиков хроматографически разделенной смеси полярных примесей в неполярном растворителе, при котором воздействуют на пробу анализируемого вещества переменным электрическим полем и измеряют её диэлектрическую проницаемость (1). Недостатком данного способа является сильное влияние температуры и соотношения неизмеряемых компонентов на точность измерения. Способ не обладает селективностью, т.е. не позво ляет провести качественный анализ состава пробы по величине дипольного момента молекул,- если концентрация примеси заранее неизвестна. Наиболее близким к изобретению яв ляется способ измерения влажности нефти и нефтепрюдуктов, при котором воздействуют на пробу анализируемого вещества, помещенного в емкостный датчик, электрическим полем измерительного сигнала, дополнительно воздействуют на пробу электрическим полем от источника питания и измеряют диэлектрическую проницаемость до и после воздействия полем упомянутого источника (21. Недостатком данного способа является низкая точность измерения, так как результат измерения получается как малая разность двух больших чисел, каждое из которых имеет собственную погрепшость. Способ не позволяет производить качественный анализ состава пробы, неприменим к гомогенным вецествам, например к газовым смесям. Цель изобретения - повышения точности качественного и количественного ангшиза состава анализируемого вещества. Поставленная цель достигается за счет того, что в способе анализа, при котором воздействуют на пробу анализируемого вещества электрическим полем измерителя диэлектрической проницаемости дополнительным электрнческим пдлем, не превышающим поле пробоя этого вещества, и измеряют диэлектрическую проницаемость пробы до и после воздействия дополнительным полем, воздействие дополнительным электрическим полем осуществляют одновременно с дополнительным измерением диэлектрической проницаемости , а качественный и количественный анализ осуществляют по однрвременно измеренным величинам диэлектрической проницаемости и разности диэлектрических проницаемостей проб в дополнительном электрическом поле и без такового. Кроме того, воздействие дополнительным электрическим полем, одновременное с измерением диэлектричес кой проницаемости, осуществляют пер одически с частотой, не превышающей частоту изменения поля измерителя д электрической проницаемости, и изме ряют амплитуду изменения диэлектрической проницаемости. В основе предлагаемого способа лежит физическое явление уменьшения диэлектрической проницаемости полярного вещества в сильном электрическом поле. Величина-и, уменьшения диэлектрической проницаемости определяется по формуле - ЧЙ-Г, где q - допольный момент молекулы полярного вещества; Е - величина сильного электрического поля; К - постоянная Больцмана; Т - абсолютная температура веще Формула определяет долю всех полярных молекул выстроившихся в направлении сильного поля и ве прин мающих участия в поляризации полем измерителя диэлектрической проницаемости. При равньох диэлектрических проницаемостях двух проб неполярног вещества f f g содержащих полярные примеси с различн1:Ли1и дипол ными моментами, значения и6 и дё -2 в сильном электрическом поле оказываются различными. Поэтому одновременным измерением величин € и Ь можно определить как качественный состав (т.е. величину дипольног момента) так и концентрацию полярно примеси в неполярном растворителе. Если тип примеси {т.е. величина ее дипольного момента) задан, измерение концентрации примеси можно производить либо по величине й (ка в известном способе), либо по вели чине (по предлагаемому способу) Однако измерение по величине . да ет более высокую точность, так как результат измерения не содержит аддитивной составляющей погрешности от температуры и от изменения соста ва неизмеряемых неполярных компонен тов анализируемого вещества. На фиг.1 схематично представлено устройство для реализации предлагаемого способа; на фиг.2 - зависимость напряжения il от времени t в диагонали мостовой схемы устройства; на фиг.З и 4 - сравнительные характеристики точности измерения по известному способу (фиг.З) и предлагаемому способу (фиг.4). Устройство содержит измерительную камеру 1 с емкостиыми электродами 2 и сравнительную камеру 3 с установленными в ней электродами 4. Камеры 1 и 3 снабжены входными патрубками 5и б соответственно, а также выходными патрубками 7. Патрубок S подключен к источнику анализируемого вещества (газа или жидкости), патрубок 6к Источнику эталонного вещества (не показаны}, электроды 2 и 4 включены в соседние плечи мостовой схемы 8, содержащей также переменный (подстроечный) конденсатор 9 и конденсатор 10. К диагонали а-а мостовой схемы В подключена источник 11 высокочастотного синуссУйдального напряжения (амплитуда 10В, частота 10 кГц) и высоковольтный источник 12 напряжения низкой частоты (100 Гц). К диагонали б-б схемы 8 подключен усилитель 13 высокой частоты. К выходу усилителя 13 подключены измеритель 14 амплитуды высокочастотного напряжения и детектор-измеритель 15 глубиры модуляции высокочастотного напряжения. При осуществлении способа выполняют следующие операции (конкретные параметры указаны в примерах). В камеры 1 и 3 подают эталонное вещество и конденсатором 9 балансируют мостовую схему 8 на нуль по измерителя 14. Затем подают в камеру 1 анализируемое вещество, например неполярную жидкость, содержащее растворенную в нем примесь молекул полярного вещества. При этом происходит разбаланс мостовой схемы 8 из-за изменения емкости между электродами 2. Этот разбаланс пропорционален разности диэлектрических проницаемостей эталонного вещества и примеси, т.е. парциальной диэлектрической проницаемости полярной примеси. Этот разбаланс регистрируют как аи«шлитуду А. переменного напряжения О частоты 10 кГц (фиг.2) с помощью измерителя 14. При периодическом воздействии сильного поля, связанного с действием напряжения источника 12, происходит периодическое изменение (уменьшение) диэлектрической проницаемости полярной примеси в соответствии с формулой (1). Диэлектрическая проницаемость неполярного растворителя не зависит от поля и остается при этом практически постоянной. Таким образом, высо- , кочастотное напряжение и (фиг.2) в
диагонали моста 8 оказывается промодулированныл с амплитудой Б, пропорциональной разности парциальных диэлектрических проницаемостей полярной примеси в сильном электрическом поле источника 12 и без поля. Амплитуду В огибающей W высокочастотного напряжения О.пропорциональнуго величине &€ , измеряют детекторомизмерителем 15.
Практически величину напряжения источника 21 выбирают таким образом, чтобы поле между электродами 2 было максимально близко к полю электрического пробоя анализируемого вещества, но не превышало его (например на 10% меньше поля пробоя). При этом чувствительность измерительного преобразования величины &6 в г тлитуду Б оказывается максимальной. В жидких диэлектриках величина Б обычно составляет от долей до десятков ьшлливольт для величины Л порядка долей вольта.
Одноврекюнно измерение качественного и количественного состава по предлагаемому способу может бцть осуВЕествяено преимущественно при исследовании двухкомпонентных смесей, когда ни концентрация, ни тип одного из компонентов неизвестны. Наиболее типичным примером является пик хроматографически разделенной смеси
органических вепеств в жидкостной хроматографии. При 9toM анализируемая проба (т.е. отдельный пик) содержит известную жидкость-носитель и одно неизвестное индивидуальное вещество в неизвестной концентрации.
Пример 1. Качественная и количественная расшифровка пиков хроматограммы..
Для каждого пика осуществляют автоматическую запись амплитудных значений величину и 6 (фиг.2) по указанной выше методике. Далее по предварительно составленным таблицам (см. ниже пример такой таблицы) определяют качественный и количествеиS ный состав каждого пика. Пусть для двух пиков хроматогргшмы (неполярный растворитель - четыреххлористый углерод) при нормальных условиях получены значения
0
1.,2 В, ,65 МБ
2.А-0,5 В, ,9 мВ.
В таблице находят столбец со значением ,2В (указан стрелкой). Далее, перемещаясь, вниз по этому столбу
5 находят соответствующее значение Б« 0,65 мВ. Слева от этого значения прочитывают типа вещества (бромбензол), а под ним - концентрацию (0,62%). Аналогично осуществляют каQ чественный и количественный анализ второго пика (ацетон 0,48%).
ПовЬшение точности измерения количественного анализа двухкомпонентной смеси заданных веществ (без ка;чественного анализа) иллюстрирует следующий пример.
Пример 2. Измерение концентрации заданной полярной примеси в негомсгенной неполярной жидкости, например влажности трансформаторного масла, содержащего пузырьки газа.
Характеристика измерительного преобразования концентрации С полярной примеси в диэлектрическую проницаемость (пунктирная кривая 16) содержит аддитивную погрешность 17 (фиг.З). Эта погрешность связана с изменением емкости между электродами 2 или 4 при изменении количества пузырьков газа,температуры и т.д./ но не зависит от концентрации примеси. Измерение концентрации менее чем С (фнг.З) по спосоОу прототипу невозможно. По предлагаемому способу измеряют амплитуду Б (фиг.2) изменения диэлектрической проницаемости,котора для заданной полярной прюлеси пропорциональна ее концентрации. В коэффициент пропорциональности входит величина , которая также должна быть измерена по величине амплитуды /). Погрешность измерения, связанная с неточностью измерения 6. входит теперь в коэффициент пропорциональности, т.е. имеет мультипликативный характе и уменьшается при уменьшении измеряемой концентрации. Это показано на фиг.4, где изображены характеристика преобразования 18 и погрешность 19.
Предлагаемый способ может быть использован при измерении концентрации парамагнитной примеси, для чего воздействие электрическим полем должно быть заменено воздействием магнитного поля.
Тахннко-экономическим преимуществом предложения по сравнению с п ототипом является новое качество возможность одновременного измерения дипольного момента молекул полярной примеси и ее концентрации. Это дает возможность надежно и без затрат времени проводить качественный и ко.личественный анализ пиков хроматограммы, а также других веществ в различных областях техники. Кроме того, при использовании способа значительно повыаается точность измерения заданной полярной примеси в неполярном растворителе. Мультипликатив:ный характер погрешности (в отличие от гмшитивной погрешности способапрототипа) не ограничивает нижний предел измерения.
ФО1МУЛ9 изобретения
Источники информации, принятые во внимание при экспертизе
