Фотоелектричний спосіб визначення концентрації рідких і газоподібних середовищ

Винахід відноситься до області аналізу рідких матеріалів і газоподібних середовищ з допомогою оптичних засобів і може бути застосований для визначення концентрації контрольованих компонентів в технологічних потоках за величиною поглинання монохроматичного випромінювання розшукуваної компоненти. Відомий фотоелектричний спосіб визначеннй концентрації рідких і газових середовищ [1], при здійсненні якого формують монохроматичне випромінювання, зондують ним складену кювету, робоча камера якої заповнена аналізованим середовищем, а камера порівняння вихідною речовиною порівняння, перетворюють приймачем монохроматичне випромінювання, що пройшло, в електричний сигнал, його логарифмують, вимірюють електричну напругу, змінюють довжину хвилі монохроматичного випромінювання, поки не отримають мінімальне значення електричної напруги U1 заповнюють камеру порівняння речовиною, концентрація якої дозволяє змінювати електричну напругу на величину, яка перевищує поріг чутливості приймача випромінювання, вимірюють відповідну електричну напругу U2 і визначають концентрацію досліджуваного середовища за аналітичним співвідношенням. Після вимірювання напруги U 2 знову заповнюють камеру порівняння вихідною речовиною порівняння, і змінюють довжину хвилі монохроматичного випромінювання до значення, при якому електрична напруга кратна порогу чутливості приймача випромінювання, вимірюють відповідну електричну напругу U3. а концентрацію визначають за співвідношенням де С х - концентрація досліджуваного середовища; Со - концентрація речовини порівняння; e (Dl) - показник частотної дисперсії коефіцієнта поглинання речовини порівняння, який визначають в процесі калібровки; l1 і l2 - товщини робочої камери і камери порівняння, ВІДПОВІДНО. Проте відомий спосіб також не забезпечує високої точності визначення концентрації С х розшукуваної компоненти в досліджуваному середовищі. Показник частотної дисперсії e (Dl) = DK(Dl)/K1(Dl), як показали дослідження, дуже сильно залежить від абсолютної зміни довжини хвилі монохроматичного випромінювання Dl = l 2- l 1 і від початкового значення коефіцієнта поглинання K1(Dl) розшукуваної компоненти. Через велику нерівномірність спектрів поглинання речовин неминуча неточність установки довжин хвиль l1 і l 2 у процесі вимірювання приводить до значного розкиду значень як початкового значення коефіцієнта поглинання K1(l2) так і його частотної дисперсії DK(Dl). Тому реальне значення показника дисперсії e(Dl) може істотно відрізнятися від цього показника, який був визначений в процесі калібровки. В результаті, при визначенні концентрації досліджуваного середовища С х за відомим аналітичним співвідношенням, виникає похибка через невідповідність фактичного показника дисперсії e(Dl) його каліброваному значенню. В основу винаходу покладена задача створити такий фотоелектричний спосіб визначення концентрації рідких і газоподібних середовищ, в якому нове виконання операцій вимірювання електричної напруги U 3 і введення нової операції дозволило б забезпечити організацію додаткового вимірювання інтенсивності ослаблення монохроматичного випромінювання із зміненою довжиною хвилі, при цьому виключився б показник частотної дисперсії з розрахункової формули, завдяки чому підвищилася б точність вимірювання концентрації. Поставлена задача розв'язана тим, що у фотоелектричному способі визначення концентрації-рідких і газоподібних середовищ, при здійсненні якого формують монохроматичне випромінювання, зондують ним складану кювету, робоча камера якої заповнена досліджуваним середовищем, а камера порівняння - вихідною речовиною порівняння, перетворюють приймачем випромінювання монохроматичне випромінювання, що пройшло, в електричний сигнал, його логарифмують, вимірюють електричну напругу, змінюють довжину хвилі монохроматичного випромінювання, поки не одержать мінімальне значення електричної напруги U1, заповнюють камеру порівняння речовиною порівняння, яка має концентрацію, що дозволяє змінити електричну напругу на величину, що перевищує поріг чутливості приймача випромінювання, вимірюють відповідну електричну напругу U2 і визначають концентрацію за аналітичним співвідношенням, згідно з винаходом, після вимірювання електричної напруги U2 знову змінюють довжину хвилі монохроматичного випромінювання до значення, при якому електрична напруга збільшиться на величину, що перевищує поріг чутливості приймача випромінювання в число разів, кратне порогу чутливості, вимірюють відповідну електричну напругу U3,- потім заповнюють камеру порівняння початковою речовиною порівняння, вимірюють збільшену напругу U4. а концентрацію досліджуваного середовища визначають за співвідношенням де С х - концентрація досліджуваного середовища: Со - концентрація речовини порівняння; l1 і l2 - товщини робочої камери і камери порівняння, відповідно. На відміну від відомого способу, третє вимірювання електричної напруги U3 здійснюють при заповненій камері порівняння слабоконцентрованою речовиною порівняння і зміненій довжині хвилі монохроматичного випромінювання. Додаткове четверте вимірювання електричної напруги U4 виконують, заповнюючи камеру порівняння вихідною речовиною порівняння, в якій відсутня розшукувана компонента, але також і при зміненій довжині хвилі монохроматичного випромінювання. Розв'язання чотирьох рівнянь, що зв'язують результати вимірювання електричних напруг U1, U2, U3 і U4 з концентрацією досліджуваного середовища С х і концентрацією речовини порівняння С о, дозволяє визначити концентрацію С х за концентрацією С о без знання фактичного значення показника частотної дисперсії. Так забезпечується організація додаткового вимірювання Інтенсивності ослабленого монохроматичного випромінювання Із зміненою довжиною хвилі. На фігурі показана функціональна схема пристрою для здійснення запропонуваного способу. Пристрій складається з джерела 1 оптичного монохроматичного випромінювання, електрооптичного модулятора 2, формувачів З 14 оптичного променя, складаної кювети 5 з проточною робочою камерою б і проточною камерою порівняння 7, приймача 8 оптичного випромінювання, логарифматора 9, вольтметра 10, радіочастотного генератора переналагоджуваної частоти 11 і частотоміра 12. Складана кювета 5 встановлюється по ходу оптичного променя, який формується з монохроматичного випромінювання джерела 1, частоту коливань якого регулюють електрооптичним частотним модулятором 2. Випромінювання, що пройшло через кювету 5, попадає на приймач 8, до виходу якого через логарифматор 9 під'єднаний вольтметр 10. Електричний вхід модулятора 2 з'єднаний з виходом радіочастотного генератора 11 з переналагоджуваною частотою, значення якої вимірює частотомір 12. Запропонований спосіб визначення концентрації рідких і газоподібних середовищ здійснюється так. Монохроматичне випромінювання з довжиною хвилі А, яку встановлюють на виході модулятора 2 оптичного джерела 1, зондує складану кювету 5, через робочу камеру 6 якої протікає досліджувана рідина або газова суміш. Камеру порівняння 7 спочатку заповнюють вихідною речовиною порівняння: водою, або Іншим розчинником досліджуваного рідкого середовища, а у випадку газового аналізу - повітрям, у якому немає розшукуваного компонента. Довжину хвилі джерела 1 монохроматичного випромінювання вибирають в спектральній області поглинання розшукуваної компоненти досліджуваного середовища. Зміною частоти радіочастотно о генератора 11 початкову довжину хвилі l1 встановлюють на максимум поглинання в кюветі 5, що регіструє вольтметр 10. Відповідне значення частоти генератора 11 фіксує частотомір 12. Інтенсивність ослабленого зондуючого випромінювання І'1 на ви ході робочої камери 6 кювети 5 визначається за формулою де I0(l 1) - ІНТЄНСИВНІСЬ оптичного випромінювання на вході кювети 5; Сх - концентрація розшукуваної компоненти в досліджуваному середовищі; K1(l1) і K2(l 1) - коефіцієнти поглинання розшукуваної компоненти і розчинника (повітря або води) на довжині хвилі l 1; l1 - товщина робочої камери. Інтенсивність зондуючого випромінюванння І"1 на виході камери порівняння 7 кювети 5 має вигляд де l2 - товщина камери порівняння 7 кювети 5. Враховуючи значення I'1 з виразу (1), послаблення випромінювання стінками кювети А і забруднення скла робочої камери досліджуваним середовищем В результуючу Інтенсивність на виході складеної кювети 5 можна визначити як Прийняте випромінювання перетворюється в електричний сигнал приймачем 8 і функціональному перетворенню в логарифматорі 9. Електрична напруга на вході вольтметра 10 піддається де S1 - крутизна логарифмічного перетворення; S2(l1) - спектральна чутливість приймача 8 на довжині хвилі l1 відносна похибка чутливості приймача випромінювання від нестабільності його параметрів; d1 =DU1 - абсолютна похибка нуля приймача випромінювання через дрейф тем-нового струму і шуми фотоелектричного приймача. Заповнюють камеру порівняння 7 кювети 5 речовиною порівняння у вигляді слабоконідентрованого розчину розшукуваної компоненти або газовою сумішшю з відомою концентрацією С о. Концентрація розшукуваної компоненти С х повинна бути такою, щоб покази вольтметра 10 U2 зменшилися відносно U1 на значення, що перевищує поріг чутливості приймача випромінювання в задане число разів де DU0 - поріг чутливості приймача оптичного випромінювання; a - кратність перевищення різницевою напругою порога чутливості приймача. Якщо як поріг чутливості приймача випромінювання взяти середньо-квадратичне відхилення (СКВ) виміряної напруги, то максимальна випадкова похибка вимірювання вихідної напруги приймача не перевищить З DU0 при вірогідності р = 0,997. Щоб одержати стабільно регістроване відхилення U2 від U1 кратність a вибирають в межах від 5 до 10 (a= 5...10). За цих умов інтенсивність послабленого випромінювання на виході складеної кювети зменшиться і буде мати вигляд Електрична напруга U2 на вході вольтметра 10 буде де g2 d2 - похибки вимірювання оптичного випромінювання, що має інтенсивність І2(l1). Змінюють довжину хвилі монохроматичного випромінювання переналагоджуючи частоту радіочастотного генератора 11. При цьому коефіцієнт поглинання досліджуваним середовищем зменшується, а інтенсивність випромінювання на виході кювети 5 і електрична напруга на вході вольтметра 10-збільшуються. Довжину хвилі l1 змінюють до нового значення l2 =l1 ± Dl, при якому нова напруга U3 змінюється згідно з виразом Нове значення частоти генератора 11 фіксують частотоміром 12. При зміні довжини хвилі на Dl інтенсивність випромінювання на виході складеної кювети 5 визначається виразом коефіцієнти поглинання розшукуваної компоненти і розчинника (води або повітря) на довжині хвилі l2 ; А(l2) і В(l2) - ослаблення від скла кювети при його забрудненні на довжині хвилі l2. Коефіцієнт поглинання K1(l2) розшукуваної речовини у смузі поглинання різко залежить від довжини хвилі випромінювання. Тому його значення на довжині хвилі l2 можна подати у ви гляді відносно частотна дисперсія коефіцієнта поглинання. Коефіцієнт поглинання K2(l) визначає спектральні властивості розчинника (води або повітря) за межами смуги пропускання і слабо залежить від довжини хвилі оптичного випромінювання. Також слабо залежать від довжини хвилі показники ослаблення скла і його забруднення. Тому практично при Dl