Спосіб вимірювання концентрації речовин у середовищах

Спосіб вимірювання концентрації речовин у середовищах, в якому досліджуване середовище розміщують у прозорій циліндричній посудині з внутрішнім а і зовнішнім b діаметрами і показником заломлення матеріалу стінок посудини nc, освітлюють останню пучком променів, паралельних площині відліку, що проходить через вісь посудини, пучок обмежують на вході у посудину на відстані, меншій а/2 і більшій nc·а/2 відносно площини відліку, реєструють граничне положення 3 відстані, меншим а/2 і більшим nс·а/2 відносно площини відліку, реєструють граничне положення променів, що зазнали явища повного внутрішнього відбиття на поверхні розподілу внутрішньої стінки судини і досліджуваного середовища, а показник заломлення середовища при дотриманні умови nср1,55. Фотоприймачем (4) може служити лінійний прилад із зарядовим зв'язком типу TSL1401 фірми "Texas Instruments". Аналого-цифровим перетворювачем (5) може служити мікросхема типу ADS7841 фірми "BURR-BROWN". Блок обчислень (6) може бути виконаний на мікропроцесорі типу ATmega16 фірми "Atmel", призначеному для обробки вихідних електричних сигналів фотоприймача (4) з метою визначення показника заломлення досліджуваної рідини, що знаходиться у прозорій циліндричній судині (3) по відстані границь світлотіні від площини відліку, формування сигналів, що подаються на блок електродів (8), і обробки електричних сигналів з блока електродів (8) з метою визначення діелектричної проникності вимірюваної рідини, обробки вихідних сигналів датчика температури (9) з метою визначення температури вимірюваної рідини, формування сигналів, необхідних для синхронізації роботи аналого-цифрового перетворювача (5) і реєстрації результатів вимірювання. Цифро-аналоговим перетворювачем (7) може служити мікросхема типу DAC7612 фірми "BURR-BROWN". Блок електродів (8) включає резистор, який обмежує струм через кондуктометричну комірку, яка утворюється двома електродами 5 блока електродів (8), що знаходяться з обох кінців прозорої циліндричної судини (3) з вимірюваною рідиною. Датчик 9 температури включає термометр опору, наприклад, типу HEL-700-U-1-A фірми "Honeywell", який знаходиться у тепловому контакті з вимірюваною рідиною у прозорій циліндричній судині (3), стабілізатор напруги типу К142ЕН5А з резистором, який обмежує струм через термометр опору, підсилювач типу INA2126 фірми "BURRBROWN", вихід якого з'єднаний з третім входом аналого-цифрового перетворювача (5). Блоком реєстрації (10) може служити індикатор на рідких кристалах типу SC1602A фірми "SUNLIKE DISPLAY TECH. CORP". Спосіб вимірювання концентрації речовин у середовищах, на прикладі використання пристрою для вимірювання вмісту цукру у рідинах, реалізується таким чином. У першому такті роботи пристрою у прозорій циліндричній судині (3) розміщують певну кількість досліджуваної рідини, яка забезпечує контактування з досліджуваною рідиною обох електродів блока електродів (8). Після цього блок обчислень (б) послідовно фіксує результати вимірювання показника заломлення n1, діелектричної проникності 1 та температури досліджуваної рідини Т1 відповідно за формулами: n1=Кnзmcр1, (1) 1 K nmц1 , (2) T1=Kmt1, (3) де Кnз, K n , Кm - коефіцієнти передачі пристрою відповідно по каналах вимірювання показника заломлення, діелектричної проникності і температури рідини, mср1 - вміст сухих речовин у відсотках, пропорційний показнику заломлення рідини, mц1 - вміст цукру у відсотках, пропорційний діелектричній проникності досліджуваної рідини і t1 - температура рідини у градусах Цельсія у першому такті роботи пристрою. Показник заломлення рідин визначають згідно з описаним способом [3]. Діелектричну проникність рідин визначають наступним чином. За сигналами з виходу блока обчислень (6) на виході цифро-аналогового перетворювача (7) формується сигнал постійного струму, за яким визначається електричний опір кондуктометричної комірки з рідиною у вигляді прозорої циліндричної судини (3) і блока електродів (8). Після цього на блок електродів (8) подається електричний сигнал у формі меандру частотою 1 кГц і за перехідними процесами, що виникають у кондуктометричній комірці з рідиною, визначають сталу часу перехідних процесів i RiCi , де Ri - електричний опір кондуктометричної комірки з рідиною, Сi - ємність кондуктометричної комірки з рідиною, і - порядковий номер досліджуваної рідини. Діелектричну проникність рідини визначають з урахуванням того, що вона пов'язана з ємністю кондуктометричної комірки через значення відстані між електродами блока електродів (8), яке визначається у процесі настроювання описуваного пристрою. Визначення температури рідинине має техні 12431 6 чних особливостей. У другому такті роботи пристрою до досліджуваної рідини додають розчин цукру з відомими показником заломлення, діелектричною проникністю, температурою і вмістом цукру, меншим за очікуваний вміст цукру досліджуваної рідини у першому такті роботи пристрою. Значення вмісту цукру у зразковій рідині mц01, що додається до досліджуваної у другому такті роботи пристрою визначають, виходячи з отриманого у першому такті роботи пристрою результату вимірювання вмісту сухих речовин mcp1 згідно описаному способу [3], за формулою: mц01=Чн·mср1, (4) де Чн= - мінімально допустиме значення чистоти вимірюваного продукту у відносних одиницях згідно з вимогами технологічного процесу, а чистота рідких продуктів визначається як відношення вмісту цукру до загального вмісту сухих речовин у рідинах. Вміст цукру mц01 визначають ваговим методом при підготуванні розчину до змішування. Показник заломлення n01, діелектричну проникність 01 і температуру t01 визначають описуваним пристроєм після підготування зразкового розчину до змішування. Після змішування досліджуваної і зразкової рідин у рівних пропорціях блок обчислень (6) послідовно фіксує результати вимірювання показника заломлення, діелектричної проникності та температури змішаної рідини відповідно за формулами: n2=Кnз (mср1+mср01)/2, (5) 2 K n (mц1 mц01) / 2 , (6) Т2=Кm·t2, (7) де mср01 - вміст сухих речовин у зразковій рідині у другому такті вимірювання. У третьому такті роботи пристрою у прозорій циліндричній судині (3) розміщують таку ж кількість досліджуваної рідини і забезпечують такі ж умови, як у першому такті роботи пристрою. Після цього блок обчислень (6) послідовно фіксує результати вимірювання показника заломлення, діелектричної проникності та температури досліджуваної рідини відповідно за формулами (1)-(3) і слідкують, щоб результати вимірювання у третьому такті відповідали результатам вимірювання у першому такті роботи пристрою. У четвертому такті роботи пристрою до досліджуваної рідини додають розчин цукру з відомими показником заломлення, діелектричною проникністю, температурою і вмістом цукру, більшим за очікуваний вміст цукру вимірюваної рідини у першому та третьому тактах роботи пристрою. Значення вмісту цукру у зразковій рідині mц02, що додається до досліджуваної у четвертому такті роботи пристрою визначають, виходячи з отриманого у першому такті роботи пристрою результату вимірювання вмісту сухих речовин mср1 згідно описаному способу [3], за формулою: mц02=Чв·mср1, (8) де Чв - максимально можливе значення чистоти вимірюваного продукту у відносних одиницях згідно з вимогами технологічного процесу. Вміст цукру mц02 визначають ваговим методом 7 12431 при підготуванні розчину до змішування. Показник заломлення n02, діелектричну проникність 02 і температуру t02 визначають описуваним пристроєм після підготування другого зразкового розчину до змішування. Після змішування досліджуваної і зразкової рідин у рівних пропорціях блок обчислень (6) послідовно фіксує результати вимірювання показника заломлення, діелектричної проникності та температури змішаної рідини відповідно за формулами: nз=Кnз (mср1+mср02)/2, (9) 3 K n (mц1 mц02 ) / 2 , (10) Т3=Кm·t3, (11) де mср02 - вміст сухих речовин у зразковій рідині у четвертому такті роботи пристрою. У процесі роботи пристрою необхідно забезпечити рівність температур t01=t1=t2=t3 шляхом стабілізації температури навколо прозорої циліндричної судини (3), а також досліджуваної, зразкових і змішаних рідин. Крім того, необхідно забезпечувати змішування досліджуваної і зразкових рідин у рівних пропорціях шляхом використання мірних судин і контролю за результатами вимірювання показника заломлення досліджуваної, зразкових і змішаних рідин описуваним пристроєм згідно способу [3]. У результаті вимірювання описуваним пристроєм діелектричної проникності досліджуваної, зразкових та змішаних рідин отримуємо характеристику залежності вихідних величин від концентрації середовищ, наведену на фіг.2. У п'ятому такті роботи пристрою блок обчислень (6), використовуючи дані, наведені на фіг.2, розраховує, з використанням двох рівнянь (6) і (10) з двома невідомими K n і mц1, шукану величину за формулою: Комп’ютерна верстка Д. Шеверун 8 mц1 (mц02 2 mц01 3 ) /( 3 2 ) . (12) У результаті експериментальних досліджень, проведених на базі НДІ інформаційних процесів НТУУ'КПГ і ВАТ "2-й ім. Петровського цукровий завод," встановлено, що використання описуваного способу у кілька разів скорочує час на отримання результатів вимірювання у порівнянні з традиційними поляриметричними способами. При цьому похибка вимірювання вмісту цукру у рідинах описуваним способом не перевищила ±0,1%, що відповідає вимогам ведення технологічного процесу виготовлення цукру. Введення у спосіб вимірювання концентрації речовин у середовищах нових операцій: визначення температури досліджуваного середовища, визначення діелектричної проникності досліджуваного середовища, проведення змішування досліджуваного середовища та зразкових середовищ з відомими показниками заломлення, температурою, діелектричними проникностями і вмістом речовин з діелектричними властивостями, і визначення шуканої величини за величиною зміни діелектричної проникності середовища при змішуванні вигідно відрізняє описуваний спосіб від відомого, тому що забезпечує можливість визначати складову частку вмісту речовин з діелектричними властивостями у досліджуваному середовищі і, за рахунок цього, розширює функціональні можливості способу. Джерела інформації 1. А.С. СРСР №1656425, МКІ G01N25/02, 1991p. 2. Заявка Японії №61-8933, МКІ G01N9/24, G01N21/43, 1986р. 3. Патент України №6711, МКІ G01N21/41, 1994p. Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601