Спосіб вимірювання концентрації речовини

Спосіб вимірювання концентрації речовини (газу, рідини), який ґрунтується на тепловій взаємодії термочутливого елемента з речовиною і залежності теплопровідності і теплоємності речовини від її концентрації, який полягає в розміщенні першого малошерційного твердотільного вимірювального перетворювача температури з термозалежним електричним опором в зразковій речовині, розміщенні аналогічного другого малошерційного вимірювального перетворювача температури в досліджуваній речовині, одночасному нагріванні першого і другого вимірювальних перетворювачів електричним струмом до стаціонарної температу Спосіб, що заявляється, відноситься до вимірювальної техніки і стосується аналізу концентрації речовини Вміст ОДНІЄЇ речовини в ІНШІЙ визначається вимірюванням величини параметрів теплової взаємодії з речовиною, температура якої контролюється Концентрація речовини відноситься до фізичних параметрів, які незадовільно сприймаються органами відчуття людини Тому для визначення концентрації речовини майже не використовують операції взаємодії речовини з органами відчуття людини, а вимірюють параметри природних процесів взаємодії електромагнітних, електричних, теплових Множина аналізуємих речовин і широкий діапазон вимірювання концентрації обумовили виникнення численних і надзвичайно різноманітних способів вимірювання концентрацій, заснованих на всіляких фізико-хімічних явищах і властивостях речовини Багато які способи вимірювання концен ри, перетворенні температури нагріву вимірювальних перетворювачів в електричний опір, а різниці температур в інформаційний сигнал, який дискретизують, квантують і перетворюють в цифрове значення, по якому оцінюють концентрацію речовини, який відрізняється тим, що вимірювальні перетворювачі температури збуджують гармонічним сигналом струму низької частоти, нагрівання перетворювачів здійснюють електричним струмом ступінчастої форми, на інтервалі часу теплового перехідного процесу, коли вимірювальні перетворювачі нагріваються до стаціонарної температури, різницю їх опору перетворюють в фазорізницеві сінусоїдальні сигнали напруги, а останні - в інтервали часу, які дискретизують, квантують і перетворюють в цифрове значення, на інтервалі часу теплового перехідного процесу з частотою гармонічного сигналу збудження створюють потік цифрової інформації про різницю температури нагріву першого і другого вимірювальних перетворювачів і реєструють його, по змінах потоку цифрової інформації оцінюють інтенсивність, швидкість і коливальний характер термодинамічного процесу, по одержаних параметрах визначають величину концентрації речовини трації речовини засновані на порівнянні властивостей аналізуємого об'єкта з мірою властивостей і наступним переходом до визначення концентрації по ВІДОМІЙ залежності склад-властивість ВІДОМІ електрокондуктометричні способи вимірювання концентрації речовини, які основані на залежності електропровідності речовини від її складу і концентрації окремих компонентів [Левшина Е С , Новицкий П В Электрические измерения физических величин Измерительные преобразователи - Л Энергоатомиздат, - 1983] Кулонометричний спосіб заснований на вимірюванні струму або КІЛЬКОСТІ електрики при електролізі досліджуваної речовини Теплові методи засновані на залежності теплових властивостей речовини теплопровідності і теплоємності від її складу і концентрації окремих компонентів, а також на визначенні температурних коефіцієнтів при різних фізиКО-ХІМІЧНИХ фазових перетвореннях речовини Теплові способи дуже часто використовуються для О о о (О 62010 аналізу складу газів та рідини [Спектор С А ЭлекСЛІДОВНІСТЮ операцій трические измерения физических величин Меторозміщують перший малошерційний твердотіды измерений - Л Энергоатомиздат - 1987 льний вимірювальний перетворювач температури 320с] в зразковій речовині, Один з теплових методів вимірювання конценрозміщують другий аналогічний перетворювач трації заснований на порівнянні теплопровідності температури в досліджувальній речовині, речовин Чотири чутливих термоелементи однаковимірювальні перетворювачі включають в вих розмірів з однаковим електричним опором плечі моста Уітстона і нагрівають електричним розміщують в чотирьох маленьких камерах, дві з струмом до стаціонарної температури, створюючи яких наповнені вимірювальним газом, а дві ІНШІ різницю температури між перетворювачем і речопорівняльним Термочутливі елементи з термозавиною, лежним опором включають в плечі моста Уітстона перетворюють температуру нагріву перетвоЧерез термочутливі елементи пропускають однарювачів в електричний опір, ковий постійний струм і нагрівають їх У вимірюварізницю опору першого і другого вимірювальльних і порівняльних камерах знаходиться газ з них перетворювачів перетворюють в аналоговий різними теплопровідностями, тому термочутливі сигнал напруги, елементи нагріваються до різної температури , сигнал напруги диекретизують, квантують і певрівноваження моста порушується Напругу в виретворюють в цифрове значення, мірювальній діагоналі моста дискретизують, кванпо цифровому значенню амплітуди сигналу тують і перетворюють в цифрове значення По оцінюють коефіцієнт теплопередачі досліджувальцифровому значенню напруги в вимірювальній ноі речовини, діагоналі моста оцінюють теплопровідність і конпо коефіцієнту теплопередачі визначають концентрацію речовини Для досягнення високої чутцентрацію речовини ливості температура чутливих елементів повинна ВІДПОВІДНО ДО наведеної ПОСЛІДОВНОСТІ операперевищувати температуру стінок камер більш як цій і формулі (1) оцінка концентрації речовини на 150°С В такому разі можна досягти точність вимірювання 2,5%, а при низькій концентрації (1здійснюється тільки по одному параметру процесу 2%) - 20% Для підвищення чутливості необхідно теплообміну між двома тілами І для підвищення підвищувати температуру нагріву термочутливих чутливості способу необхідно підвищувати темпеелементів ратуру нагріву вимірювальних перетворювачів, яка обмежена максимально допустимою температуНе дозволяє досягти поставленої мети те, що рою нагріву термочутливих елементів і речовини чутливість аналогу обмежена максимальною темЗгідно З (1) підвищити розрізнювальну здатпературою нагріву термочутливих елементів, яка ність і чутливість способу-прототипу можна підвине перевищує кількох сот градусів Другою причищенням коефіцієнта тепловіддачі а, або різниці ною є високий рівень шумів на виході моста Уітстемператури ДТ° Коефіцієнт а є характеристикою тона речовини, а ДТ° обмежена максимально допустиНайбільш поширеним з теплових методів є мою температурою нагріву вимірювальних перетермокондуктометричний спосіб вимірювання контворювачів Обмеження максимальної температуцентрації [Измерения в промышленности Справ ри нагріву вимірювальних перетворювачів і речоизд в 3-х кн Кн 3 Способы измерения и аппаравини є основною причиною, завдяки чому не можтура Пер с нем / Под ред Профоса П - М Мена підвищити розрізнювальну здатність способуталлургия, - 1990 - 344с] Спосіб полягає в тому, прототипу що порівнюють дм на процес теплообміну двох В способі-прототипі використовується тільки речовин Одна з них має відому концентрацію і при один параметр процесу теплообміну між двома взаємодії з нагрітим тілом створює порівняльний тілами Для підвищення чутливості вимірювання тепловий процес, а друга є речовиною з невідоконцентрації речовини є можливість використати мою концентрацією і створює вимірювальний прокілька параметрів теплового процесу цес Різниця взаємодії вимірюється параметрами ВІДПОВІДНО ДО дифузійної моделі конвекційного теплообміну порівняльного і вимірювального протеплообміну динаміка процесу передачі темперацесів Вимірювання концентрації речовини в такому способі здійснюється по коефіцієнту теплопетури від нагрітого тіла до менш нагрітого описуєтьредачі - параметру процесу теплообміну, який ся диференційним рівнянням першого порядку пропорційний коефіцієнту теплопровідності речо(t) = T(t)+mC.dT|t) вини Такий спосіб вимірювання концентрації реas at човини обґрунтовується формулою Ньютона для де Te(t) - функція, яка зображує теплову дію передачі тепла між двома тілами в тепловому реджерела температури, що створює різницю темжимі ператури між об'єктами теплової взаємодії, T(t) q=oAT° (1) функція, що зображує процес теплообміну, яку знаходять, розв'язавши диференційне рівняння, m де q - питомий тепловий потік через одиничну - маса тіла, що нагрівається в процесі теплообміплощадку поверхні тіла, а - коефіцієнт тепловіддану, С - його теплоємність, S - площа контактної чі, який характеризує інтенсивність теплообміну, поверхні між взаємодіючими об'єктами ДТ° - різниця температур Порівнюючи рівняння (1) і (2), знаходимо, що Термокондуктометричний спосіб вимірювання можна створити спосіб вимірювання концентрації концентрації речовини найбільш близький до проречовини, який використовує динаміку процесу понованого і тому вибраний як спосіб-прототип передачі температури від нагрітого тіла до менш Спосіб-прототип характеризується такою ПО нагрітого й описується рівнянням (2) Процес (2) характеризується двома компонентами С і а Тому використовуючи такий спосіб можна досягнути більш високої інформаційної, а отже і розрізнювальної здатності вимірювання концентрації речовини В основу винаходу поставлено задачу створити такий спосіб вимірювання концентрації речовини, в якому використовуються кілька контролюємих параметрів теплообміну між двома тілами, в якому вимірюються і реєструються основні параметри динаміки теплообміну між термочутливим елементом і речовиною, що може привести до досягнення найвищої розрізнювальної здатності і чутливості вимірювання концентрації речовини Спосіб вимірювання полягає в дії досліджувальної речовини невідомої концентрації на процес встановлення температури термочутливого елемента з термозалежним електричним опором Процес зміни температури здійснюють шляхом нагрівання термочутливого елемента електричним струмом, тобто в результаті перетворення енергії електричного поля в провіднику в тепло як механічну форму енергії Поставлена задача досягається тим, в термодинамічному способі вимірювання концентрації речовин, який оснований на тепловій взаємодії термочутливого елемента з речовиною і залежності теплопровідності, теплоємності, а отже і температури нагріву термочутливого елемента від и концентрації Цей спосіб вимірювання концентрації речовини характеризується такою ПОСЛІДОВНІСТЮ 62010 чу - підвищити розрізнювальну здатність і досягти високої чутливості і точності способу вимірювання концентрації речовини Нові властивості запропонованого способу, які використовуються для вимірювання всіх основних параметрів динаміки теплообміну між малошерційним вимірювальним перетворювачем температури і досліджувальною речовиною, полягають в застосуванні для візуалізацм і реєстрації перехідного процесу нагрівання вимірювального перетворювача нового способу перетворення температури провідників електричного струму, а точніше опору провідників в фазорізницевий сигнал Частота вимірювання температури ВІДПОВІДНО до цього способу дорівнює частоті гармонічного сигналу збудження, що створює фазорізницеві сигнали в вимірювальному перетворювачі опору Практично період частоти збудження набагато менший ніж час теплового перехідного процесу і тому можлива його візуалізація і вимірювання всіх суттєвих параметрів На фіг 1 показані сигналограми теплового перехідного процесу при взаємодії сенсора перетворювача температури у вигляді тонкого мідного проводу з повітрям (фіг 1 ,а) і рідиною (фіг 1 ,б) На фіг 2 показані характерні точки параметрів термодинамічного процесу З фіг 1 видно, що перехідний процес має дифузійний характер у ВІДПОВІДНОСТІ ДО рівняння (2) тільки при взаємодії з повітрям Перехідний процес взаємодії з рідиною є коливальним, і отже він описується рівнянням другого порядку ДІЙ розміщують перший малошерційний твердотільний вимірювальний перетворювач температури з термозалежним електричним опором в зразковій речовині, розміщують аналогічний другий малошерційний твердотільний перетворювач температури в досліджувальній речовині, перший і другий вимірювальні перетворювачі одночасно нагрівають електричним струмом ступінчастої форми до стаціонарної температури, температуру першого і другого перетворювачів перетворюють в електричний опір і в фазорізницеві гармонічні сигнали напруги, фазорізницеві гармонічні сигнали перетворюють в часовий інтервал, який дискретизують, квантують і перетворюють в цифрове значення, з частотою гармонічного сигналу вимірюють і реєструють різницю температури перетворювачів на інтервалі часу існування процесу зміни температури, створюють потік цифрової інформації про різницю температури перетворювачів на інтервалі часу теплового перехідного процесу з періодом фазорізницевого гармонічного сигналу, по потоку цифрової інформації оцінюють величину параметрів термодинамічного процесу, які характеризують його інтенсивність, швидкість і коливальний характер, по величині параметрів термодинамічного процесу визначають величину концентрації речовини Комплекс дій, якими відрізняється пропонований спосіб від прототипу дозволяє вирішити зада де І_т - коефіцієнт, що відповідальний за коливальний характер процесу Це дає змогу збільшити КІЛЬКІСТЬ параметрів процесу теплової взаємодії, що використовується для оцінки концентрації від одного (а), як в способі прототипі, до трьох а, С, І_т При цьому вода розглядається як зразкова речовина Отже суттєвими ознаками способу є створення динамічного процесу взаємодії і використання фазорізницевого цифрового реєстратора процесу Порівняльний аналіз пропонованого рішення з прототипом показує, що завдяки наявності операцій нагрівання перетворювачів струмом ступінчастої форми, перетворення різниці температури в фазорізницевий гармонічний сигнал реєстрації параметрів теплового перехідного процесу і оцінки концентрації по параметрам інтенсивності, швидкості і коливальному характеру цього процесу При вивченні інших рішень в техніці аналізу способів вимірювання концентрації речовини не було виявлено СПІЛЬНІСТЬ нових суттєвих ознак Сутність пропонованого способу вимірювання концентрації речовини полягає в тому, що він оснований на тепловій взаємодії термочутливого елемента з речовиною, залежності теплопровідності і теплоємності речовини від її концентрації, і в зв'язку з цим, залежності від неї температури, часу і характеру нагріву термочутливого елемента, контактуючого з речовиною, стороннім джерелом енергії А вимірювання концентрації речовини здійснюється шляхом реалізації такої послідовнос 8 62010 ті фізичних процесів - В зразковій речовині розміщують перший малошерційний твердотільний вимірювальний перетворювач температури з термозалежними електричним опором (наприклад, мідний провідник) - Другий аналогічний вимірювальний перетворювач (з однаковими характеристиками з першим) розміщують в досліджувальній речовині - Одночасно нагрівають перший і другий вимірювальні перетворювачі електричним струмом ступінчастої форми до стаціонарної температури (до такої, коли температура нагріву перетворювача перестає змінюватись при незмінному електричному струмі його нагрівання) Тобто здійснюють стаціонарний процес нагрівання провідників з термозалежним опором На величину температури і часові параметри теплового перехідного процесу впливає зовнішнє середовище, тобто речовина, в якій розміщений провідник, і її концентрація Тому теплові перехідні процеси нагрівання термочутливих перетворювачів в зразковій і досліджувальній речовинах будуть різними - В зразковій і досліджувальній речовинах створюються стаціонарні теплові конвекційні процеси теплової взаємодії вимірювальних перетворювачів температури з речовиною Під дією концентрації речовини на тепловий процес в провіднику по різному відбувається зміна параметрів інтенсивності процесу конвекції тепла в зразковій і досліджувальній речовинах в результаті перерозподілу теплової енергії між провідником і середовищем (речовиною) Зміну параметрів процесу конвекції визначають методом вимірювання і реєстрації температури провідника (вимірювального перетворювача), який використовується як терморезистивний перетворювач температури в електричний опір - Цифрове вимірювання температури здійснюється методом перетворення опору вимірювальних перетворювачів в фазорізницевии гармонічний сигнал напруги Таке перетворення здійснюється в результаті підключення термочутливого елемента (провідника) до резонансної електромагнітної системи магнетик-провідник, яка збуджується гармонічним електричним струмом низької частоти - Температурний перехідний процес в термочутливому елементі вимірюють і реєструють, вимірюючи інтервал часу як інформаційний параметр фазорізницевого гармонічного сигналу - Цей інтервал часу дискретизують, квантують і перетворюють в цифрове значення - З частотою фазорізницевого гармонічного сигналу створюють потік цифрової інформації про різницю температури першого і другого вимірювальних перетворювачів (в зразковій і досліджувальній речовинах) на інтервалі часу зміни їх температури від початку нагріву електричним струмом ступінчастої форми до встановлення стаціонарної температури - З частотою фазорізницевого гармонічного сигналу реєструють процес зміни різниці температур першого і другого вимірювальних перетворювачів - По потоку цифрової інформації оцінюють величину параметрів термодинамічного процесу, які характеризують його інтенсивність, швидкість і коливальний характер - По величині параметрів термодинамічного процесу визначають величину концентрації речовини В запропонованому способі для збільшення чутливості вимірювання використовується методика урахування множити параметрів термодинамічного процесу, чутливого до зміни концентрації речовини ВІДПОВІДНО ДО ЦІЄЇ методики знаходимо цифрові значення параметрів відмічених на координатних осях кривих 1 і 2 фіг 2, на якій показані сигналограми зміни температури першого і другого вимірювальних перетворювачів під час їх нагрівання Сигналограма 1 відноситься до температури теплового перехідного процесу в зразковій речовині, а сигналограма 2 відноситься до теплового перехідного процесу в досліджувальній речовині, яка містить 1% цукру в воді По сигналограмам 1 і 2 обраховують значення коефіцієнтів а, С, І_т і по ним оцінюють величину концентрації речовини Параметр а, приймає значення ои=а, а,2=а', параметр С має значення С-і=Ь, С2=Ь", параметр І_т виражається тривалістю відрізку часу t І_ц=сІ-с, l_T2=d'-c' Довжина відрізку на осі ординат N виражається в одиницях дискретизації (цифровій чутливості) температури, а довжина відрізків на осі абсцис t вимірюється в одиницях дискретизації часу, що дорівнює періоду Т вимірювання температури Концентрацію вважаємо пропорційною цифровим значенням параметрів а, С і І_т a=(a'-a)(b'-b)[(d'-c')+(d-c)] (4) а чутливість способу is Д = - = a .Vui І_М/_ІІ „Л TZ\ ІЛІ w) Аналіз виразу (5) показує, що величина Д завжди менше при урахуванні кількох параметрів (а1а), (b'-b), [(d'-c')-(d-c)] ніж одного (а'-а), (b'-b) або [d1c')-(d-c)] Таким чином чутливість способу з урахуванням множини параметрів термодинамічного процесу завжди вище, ніж однопараметричний процес Реалізацію способу розглянемо на прикладі вимірювання концентрації цукру в воді Наливаємо в дві однакових ємності воду В одній ємності розчиняємо цукор В обох ємностях розміщуємо термочутливі елементи у вигляді мідного провідника, які підключаємо до фазорізницевих перетворювачів і до генератора електричного струму Фазорізницеві перетворювачі збуджуємо гармонічним сигналом струму частотою 50Гц В термочутливі елементи (МІДНІ провідники) від генератора струму подається електричний струм ступінчастої форми, в результаті чого МІДНІ провідники нагріваються і опір їх зростає, що викликає зміну зсуву фази струму гармонічного сигналу відносно е р с збудження В результаті теплової конвекції середовища, в якому розміщені термочутливі елементи (в зразковій речовині - воді і в досліджувальній - розчині цукру), температура і час їх нагріву будуть різними, ВІДПОВІДНО і зсув фаз між струмом гармонічного сигналу і сигналом е р с збудження будуть різними Зсув фаз між струмом і є р с (або між струмом в термочутливих елементах в зразковій і досліджувальній речовинах) перетворюється в інтервал часу, який дискретизується, квантується і 62010 10 центрації рідин, поряд з концентрацією газів, якими обмежується застосування окремих способів Твердотільні перетворювачі температури не обов'язково розміщувати в спеціально виготовлених камерах, їх можна розміщувати в промислових резервуарах і вимірювати концентрацію речовини безпосередньо в умовах виробництва Спосіб може застосовуватися як для промислових автоматичних вимірювань, так і для лабораторних досліджень ВІДПОВІДНО ДО існуючої теорії управління термодинамічну характеристику взаємодії (фіг 2) розглядають як відгук динамічної системи на дію ступінчастої сили Така динамічна система має власні коливання, які характеризуються резонансною В порівнянні з відомими запропонований спочастотою збудження силою, що має гармонічну сіб вимірювання концентрації дозволяє в кілька форму Тому є можливість замінити ступінчасту разів збільшити чутливість за рахунок використандію гармонічним сигналом, частота якого близька ня цифрових значень трьох параметрів термодидо резонансного При такому збудженні концентнамічного процесу замість одного - статичного рація речовини може оцінюватись часовою затрипроцесу теплової взаємодії сенсора з досліджувамкою між гармонічним сигналом збудження та вильною речовиною Крім того розширюються функмірювальним і реєструємим гармонічним сигналом ціональні можливості вимірювання концентрації за теплового перехідного процесу рахунок придатності методу для вимірювання кон перетворюється в цифрове значення Цифрові значення температури нагріву термочутливих елементів з частотою гармонічного сигналу збудження передаються в ПЕОМ (або мікропроцесор), створюючи потік цифрової інформації про температурний перехідний процес, де вони реєструються з дискретністю періоду гармонічного сигналу збудження і перетворюються в параметри інтенсивності, швидкості і характеру термодинамічного процесу двох термочутливих елементів По параметрам цього процесу ПЕОМ (або мікропроцесор) проводить обчислення, порівнює їх з базовими, які занесені в пам'ять, і видає результат вимірювання концентрації речовини в процентах Фігі і}' Ь С £' On-2 Комп'ютерна верстка О Гапоненко Підписне Тираж39 прим Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, Львівська площа, 8, м Київ, МСП, 04655, Україна ДП "Український інститут промислової власності", вул Сім'ї Хохлових, 15, м Київ, 04119