Спосіб визначення концентрації речовин

Спосіб визначення концентрації речовини, за яким формують монохроматичне ультрафіолетове випромінювання заданої інтенсивності та довжини хвилі, розділяють його на два потоки однакової інтенсивності, модулюють їх шляхом періодичного переривання, послаблюють інтенсивності сформованих періодичних потоків ультрафіолетового випромінювання шляхом їх одночасного пропускання через робочу кювету і кювету порівняння, виділяють та підсилюють змінну складову періодичних сигналів та синхронно детектують їх, отримують постійні напруги, по яких судять про концентрацію речовини досліджуваного середовища, який відрізняється тим, що у кожному напівперіоді сигналу частоти модуляції при перериванні дії першого та другого потоків формують темнові потоки, почергово у кожному з чотирьох тактів вимірювання послаблюють інтенсивності періодичних потоків ультрафіолетового випромінювання, причому у першому такті вимірювання послаблюють C2 2 (11) 1 3 75180 4 №1, 1992p.], який полягає в тому, що формують порівняльного пристрою та синхронного детектора монохроматичне ультрафіолетове випромінюванопорного каналу сигнали подають на вхід вимірюня, почергово пропускають його через вимірювавача відношень, вихідний сигнал якого являється льну кювету та кювету порівняння з середовищами мірою концентрації досліджуваної речовини. досліджуваної та порівняльної концентрації речоУ відомому способі монохроматичне ультравини, відповідно, перетворюють вихідні потоки за фіолетове випромінювання пропускають через допомогою фотоприймача у напруги U1 і U2, а про кювети різного об'єму, що призводить до неоднаконцентрацію досліджуваної речовини судять згідкового поглинання потоку випромінювання навіть но з рівнянням вимірювання при однаковій концентрації речовин. В результаті виникає методична похибка вимірювання, обумовU1 , Uвих k ln лена неідентичністю характеристик кювет. ВідоU2 мий спосіб не виключає похибку, обумовлену погде k - коефіцієнт пропорційності, що враховує линанням ультрафіолетового випромінювання коефіцієнти k1 і k2 підсилення підсилювачів, тобто стінками кювети та елементами оптичного тракту. k=k2 k2. Нестабільність в часі і за температурою параметУ відомому способі нестабільність параметрів рів функції перетворення потоку випромінювання у функції перетворення фотоприймача ультрафіонапругу приводить до недостатньої точності вимілетового випромінювання приводить до появи рювання та обмеженості діапазону значень концеадитивної та мультиплікативної складових систентрацій. Це обумовлено тим, що відомий спосіб матичної похибки вимірювання і, як наслідок, до передбачає використання піроелектричних фотопнедостатньої точності вимірювання та обмеженосриймачів, які підвладні природному старінню і їх ті діапазону значень концентрації. Суттєво впличутливість змінюється в часі. Крім того, визначенває на похибку вимірювання необхідність логариня відношень напруг, пропорційних інтенсивності фмування вихідного сигналу фотоприймача. випромінювання, що пройшло через робочу кювеОперації підсилення, синхронного детектування та ту і кювету порівняння, виконується з недостатлогарифмування сигналу також виконуються з ньою точністю завдяки використанню аналогових похибкою, обумовленою нестабільністю коефіцієнсхем ділення. та підсилення, амплітуди синхроімпульсів, нестаВ основу винаходу покладена задача створити більністю та нелінійністю функції логарифмічного такий спосіб визначення концентрації речовин, в перетворення. Крім того, відомий спосіб не виклюякому шляхом введення нової сукупності операцій, чає похибки, обумовленої поглинанням ультрафіпроведення їх у заданій послідовності та умовах олетового випромінювання стінками кювети та виконання, забезпечилась би автоматична корекелементами оптичного тракту. ція систематичних похибок вимірювання концентВідомий спосіб визначення концентрації речорації при нестабільній функції перетворення інтенвин, [патент СРСР №1828544, МПК G01N21/61, сивності ультрафіолетового випромінювання у Бюл. №26, 1993p.], який полягає в тому, що форнапругу. Вирішення зазначеної задачі підвищить мують монохроматичне ультрафіолетове випроміточність визначення концентрації речовин. нювання, почергово пропускають його через робоПоставлена задача вирішується тим, що в чу кювету та кювету порівняння, перетворюють способі визначення концентрації речовин, при інтенсивності монохроматичного ультрафіолетовоякому формують монохроматичне ультрафіолетого випромінювання, що пройшло через середовиве випромінювання заданої інтенсивності та довща досліджуваної та порівняльної концентрації жини хвилі, розділяють його на два потоки однакоречовини, у відповідні дійсні значення електричних вої інтенсивності, модулюють їх шляхом напруг і визначають значення концентрації досліперіодичного переривання, послаблюють інтенсиджуваної речовини за рівнем вихідного сигналу, вності сформованих періодичних потоків ультраотриманого після його обробки. фіолетового випромінювання шляхом їх одночасВідомий спосіб потребує виключення системаного пропускання через робочу кювету і кювету тичної складової похибки перед кожним тактом порівняння, виділяють та підсилюють змінну склавимірювання. У відомому способі калібрування дову періодичних сигналів та синхронно детектупохибки вимірювання виконується вручну. Це поють їх, отримують постійні напруги, по яких судять в'язано з неідентичністю оптичних параметрів і про концентрацію речовини досліджуваного серехарактеристик кювет, а також з повільним дрейдовища, згідно з винаходом, у кожному напівперіфом нуля синхронного детектора. Додаткову пооді сигналу частоти модуляції при перериванні дії хибку вимірювання вносять також шуми каналів першого та другого потоків формують темнові поперетворення. Все це знижує точність вимірютоки, почергово у кожному з чотирьох тактів вимівання. рювання послаблюють інтенсивності періодичних Відомий також спосіб визначення концентрації потоків ультрафіолетового випромінювання, приречовин [а. с. СРСР №884400 G01N21/27, Бюл. чому у першому такті вимірювання послаблюють №24, 1991р.), в якому формують монохроматичне інтенсивність другого потоку ультрафіолетового ультрафіолетове випромінювання, пропускають випромінювання поглинаючим середовищем з його через робочу кювету і кювету порівняння, нормованою за розміром концентрацією С1 дослімодулюють з різними частотами потоки випроміджуваної речовини, у другому такті вимірювання нювання від робочої кювети і кювети порівняння, інтенсивність того ж потоку середовищем з нормоподають на приймач випромінювання, підсилюють ваною за розміром концентрацією С2 досліджувасигнал з приймача, подають підсилений сигнал на ної речовини, у третьому такті послаблюють інтендва синхронних детектори, подають вихідні сигнасивність першого потоку ультрафіолетового ли детекторів на порівняльний пристрій, з виходу 5 75180 6 випромінювання поглинаючим середовищем з льоване монохроматичне ультрафіолетове виневідомою концентрацією Сx і інтенсивність другопромінювання через робочу кювету і кювету порівго потоку ультрафіолетового випромінювання споняння. Перетворюють інтенсивність першого поточатку поглинаючим середовищем з нормованою за ку випромінювання, що пройшов через робочу розміром концентрацією С2 досліджуваної речовикювету в перший напівперіод перетворення, в нани, у четвертому такті послаблюють інтенсивність пругу U'12 та в другий напівперіод - в напругу U'12, а другого потоку ультрафіолетового випромінюванінтенсивність другого потоку випромінювання, що ня середовищем з нормованою за розміром конпройшов через кювету порівняння в перший напівцентрацією С1 досліджуваної речовини, перетвоперіод перетворення, в напругу U''11 та в другий рюють послаблені за інтенсивністю періодичні напівперіод - в напругу U''12. Різниці цих напруг потоки ультрафіолетового випромінювання та тепідсилюють і синхронно детектують. В результаті мнові потоки в періодичні сигнали різницевої ампотримують напруги літуди, а концентрацію досліджуваної речовини U`1 U``11 U`12 S`лI`0 e k c C00 і визначають у відповідності з рівнянням надлишкових вимірювань U``1 U``11 U``12 S``лI``0 e k c C1 , ln(Uн1 Uн2 ) ln(Uн3 Uн4 ) де S’л- чутливість першого фотоприймача; S’’л C x (C2 C1) , n2 (lnUн1 ln Uн2 ) - чутливість другого фотоприймача; I`0- інтенсивність ультрафіолетового потоку випромінювання, або що надходить на робочу кювету; I``0 - інтенсивність ln(Uн1 / Uн3 ) , C x (C2 C1) потоку випромінювання, що надходить на кювету n2 (ln Uн1 ln Uн2 ) порівняння; kc - коефіцієнт пропорційності, залежде С1 та C2 - нормовані за розміром концентний від коефіцієнту поглинання досліджуваної рерації розчинів порівняння; Un1, Un2, Un3, Un4- постійчовини k і товщини шару d, тобто {kc}={k}. {d}. Пені напруги, що отримані в результаті проміжних ремножують напруги U`1 і U``1 та отримують вимірювань; коефіцієнт пропорційності n2=2. результуючу напругу На Фіг. приведена структурна схема пристрою Uн1 kU`1U``1 k[S`лI`0 e k c C00 xS ``лI``0 e k c C1 ] для вимірювання концентрації газоподібних та (1) рідинних речовин у діапазоні ультрафіолетових kS`л S``лI`0 I``0 e k c (C1 C00 ) kU0e k c (C1 C00 ) довжин хвиль, де 1 - генератор ультрафіолетового де k- коефіцієнт пропорційності, U0= S'л S’'л випромінювання, 2 - світлоподіляюча призма, 3 І'0І''0 робоча кювета, 4 - кювета порівняння, 5 і 6 - світПісля запам'ятовування отриманого значення ловипромінюючі фотодіоди, 7 і 8 - фотодіоди, Р напруги Uн1 заповнюють камеру порівняння тим обтюраторний диск з двигуном, 10 і 11 - друга і самим середовищем (газоподібним чи рідинним), третя фокусуючі лінзи, 72 і 13 - перший і другий але з нормованою за розміром концентрацією С2 фотоприймачі, 14 і 15 - підсилювач-формувач ім({С2} = { С0} + { C}) досліджуваної речовини. Одпульсів, 16 і 17 – перший і другий селективні підночасно пропускають модульоване монохроматисилювачі частоти модуляції, 18 і 19 - перший і дручне ультрафіолетове випромінювання через робогий синхронні детектори, 20 - блок обробки, 21 – чу кювету і кювету порівняння. Перетворюють цифровий відліковий пристрій (ЦВП). інтенсивність першого потоку випромінювання, що Суть запропонованого способу полягає в напройшов через робочу кювету в перший напівперіступному. од перетворення, в напругу U`21 та в другий напівФормують монохроматичне ультрафіолетове період - в напругу U`22, a інтенсивність другого випромінювання заданої інтенсивності I0 та довпотоку випромінювання, що пройшов через кювету жини хвилі . Розділяють його на два потоки однапорівняння в перший напівперіод перетворення, в кової інтенсивності, які модулюють шляхом періонапругу U``21 та в другий на півперіод - в напругу дичного переривання. У кожному напівперіоді U``22. Різницю цих напруг підсилюють і синхронно сигналу частоти модуляції при перериванні дії детектують. В результаті отримують напруги першого та другого потоків формують темнові поU`2=U`21-U`22=S`лI’0e-KcC00 і токи. Потоки монохроматичного ультрафіолетовоk c C2 U``2 U``21 U22 S``лІ' '0 е . Перемножують наго випромінювання та темнові потоки забезпечують формування (після їх перетворення) пруги U’1 і U"2,. В результаті отримують напругу електричного сигналу, значення амплітуди змінної Uн2 kU`2 U``2 k[S`лІ`0 e k c C00 xS ``лI``0 e k c C 2 ] складової якого пропорційно різниці значень інтен(2) сивностей потоку монохроматичного ультрафіолеkS`л S``лI`0 I``0 e k c (C 2 C00 ) kU0e k c (C 2 C00 ) тового випромінювання (нетемнового потоку) та Після запам'ятовування отриманого значення темпового потоку. напруги Uн2 заповнюють робочу камеру середовиСпочатку заповнюють кювету порівняння сещем з досліджуваною речовиною і невідомою конредовищем з нормованою за розміром концентрацентрацією Сх. Одночасно пропускають модульоцією ване монохроматичне ультрафіолетове С1({C1}={С0}-{ С випромінювання через робочу кювету і кювету де C0 - постійне значення концентрації; порівняння. Перетворюють інтенсивність першого C - заданий за значенням приріст концентпотоку випромінювання, що пройшов через робочу рації) досліджуваної речовини. Робоча кювета кювету в перший напівперіод перетворення, в назалишається порожньою, тобто в ній знаходиться пругу U'31 та в другий напівперіод - в напругу U'32, a повітря з нульовою концентрацією досліджуваної інтенсивність другого потоку випромінювання, що речовини ({С00}=0). Одночасно пропускають модупройшов через кювету порівняння в перший напів 7 75180 8 період перетворення, в напругу U’'31 та в другий човини, а робоча кювета 3 залишається порожнапівперіод - в напругу U'’32. Різниці цих напруг ньою. Монохроматичне ультрафіолетове випроміпідсилюють і синхронно детектують. В результаті нювання джерела 1 періодично переривається за допомогою обтюраторного диску 9 і одночасно отримують напруги U3 U' 31 - U' 32 S`лI`0 e k c Cx і пропускається через робочу кювету 3 і кювету 4 порівняння. Послаблене випромінювання поступає U``3 U``31 - U``32 S``лI``0 e k c Cx . Перемножують нана фотоприймачі 12 і 13. Вихідні електричні сигнапруги U’3 і U"3 та отримують результуючу напругу ли фотоприймачів підсилюються по амплітуді в k k cCx k c C2 Uн3 kU`3 U``3 k[S`лI`0 e xS ``лІ' '0 е ] разів за допомогою селективних підсилювачів 16 і (3) 77 частоти модуляції. Вихідні сигнали підсилюваkS`л S``лІ'0 І' '0 е k c (C x C2 ) kU0e k c (C x C 2 ) чів детектуються синхронними детекторами 18 і Після запам'ятовування отриманого значення 19. На виходах синхронних детекторів формуютьнапруги Uн3 заповнюють камеру порівняння сереся постійні напруги U`1 і U"1, які перемножуються довищем з концентрацією С1 досліджуваної речоза допомогою блоку 20 обробки. За допомогою вини. Одночасно пропускають модульоване моноцифрового мілівольтметра 21 вимірюють напругу хроматичне ультрафіолетове випромінювання Uн1 на виході блоку 20 обробки і запам'ятовують черезробочу кювету і кювету порівняння. Перетотримане значення ворюють інтенсивність першого потоку випромінюNн1(Nн1={Sпр}{Uн1}, вання, що пройшов через робочу кювету в перший де Sпр - крутість перетворення напруги в цифнапівперіод перетворення, в напругу U'41 та в друровий код). гий напівперіод - в напругу U'42, a інтенсивність В другому такті вимірювання середовище в другого потоку випромінювання, що пройшов черобочій кюветі 3 не змінюється. Кювета 4 поріврез кювету порівняння в перший напівперіод переняння наповнюється середовищем з концентрацітворення, в напругу U"41 та в другий напівперіод єю С2 досліджуваної речовини. Аналогічним чив напругу U"42. Різниці цих напруг підсилюють і ном, як і в першому такті, вимірюють цифровим синхронно детектують. В результаті отримують мілівольтметром 21 напругу Uн2 на виході блоку 20 U`4 U`41 U`42 S`лІ'0 е k c Cx напруги і обробки і запам'ятовують отримане значення Nн4{Nн2={Sпр}{Uн2}. k c Cx U``4 U``41 U``42 S``лІ``0 е . Перемножують наВ третьому такті робоча кювета 3 заповнюєтьпруги U'4, і U``4 та отримують результуючу напругу ся середовищем з невідомою концентрацією Cx досліджуваної речовини. У кюветі 4 порівняння Uн4 kU`4 U``4 k[S`лI`0 e k c C x xS ``лІ' '0 е k c C 2 ] (4) залишається середовище з тією ж концентрацією, k c (C x C 2 ) k c (C x C 2 ) kS`л S``лІ'0 І' '0 е kU0e що й у попередньому такті. Знову вимірюють цифЗапам'ятовують отримане значення вихідної ровим мілівольтметром 21 напругу Uн3 і запам'ятонапруги U^. Визначають концентрацію досліджувують отримане значення Nн3{Nн3={Sпр}{Uн3} ваної речовини у відповідності з рівнянням надлиВ четвертому такті кювету 4 порівняння спошкових вимірювань рожнюється і заповнюється середовищем з концеln(Uн1 Uн2 ) ln(Uн3 Uн4 ) нтрацією С1. Які в попередніх тактах вимірюють C x (C2 C1) (5) цифровим мілівольтметром 21 напругу Uн4 і запаn2 (lnUн1 ln Uн2 ) м'ятовують отримане значення Nн4{Nн4={Sпр}{Uн4}. або Визначають концентрацію досліджуваної реln(Uн1 / Uн2 ) ln(Uн3 / Uн4 ) C x (C2 C1) човини у відповідності з рівнянням числових зна(6) n2 (lnUн1 ln Uн2 ) чень Розглянемо суть запропонованого способу на ln(Nн1 Nн2 ) ln(Nн3 Nн4 ) Nx ({C2 } {C1}) прикладі роботи пристрою вимірювання концентn2 (lnNн1 ln Nн2 ) рації (див. рис.). яке відповідає рівнянню надлишкових вимірюВмикають живлення установки. В результаті вань (5), або за рівнянням числових значень джерело 1 монохроматичного випромінювання ln(Nн1 / Nн3 ) ln(Nн2 / Uн4 ) генерує ультрафіолетове випромінювання заданої Nx ({C2 } {C1}) n2 (lnNн1 ln Nн2 ) інтенсивності І0 та довжини хвилі . Світлодіоди 5 яке відповідає рівнянню надлишкових вимірюі 6 починають випромінювати світові потоки, які вань (6). поступають на фотодіоди 7 і 8. Вихідні електричні Покажемо, що, дійсно, за допомогою запропосигнали фотодіодів через підсилювачі-формувачі нованих рівнянь надлишкових вимірювань забезімпульсів 14 і 75 поступають на синхронні детектопечується одержання позитивного ефекту. Для ри 18 і 19. На відліковому пристрої цифрового міцього в рівняння (5) підставимо вирази (1) - (4). лівольтметра 21 висвітлюються нулі. Тоді: В першому такті вимірювання кювета 4 порівняння заповнюється середовищем з нормованою за розміром концентрацією С1 досліджуваної ре 9 Cx (C 2 75180 C1) ln C2 C1 ln(Uн1 Uн2 ) ln(Uн3 Uн4 ) n2.(ln Uн1 ln Uн2 ) C2 C2 2 kU0e k c (C x C2 ) kU0e k c (C x C1 ) ln C1 2 C1 U U ln н1 н2 Uн3 Uн4 U ln н1 Uн2 kU0e k c (C1 C00 ) kU0e k c (C2 C00 ) 2 ln C2 10 e e k c C1 k cCx ln C2 kU0e k c (C1 C00 ) ln C1 2 kU0e k c (C 2 C00 ) e k c C00 e k c C 2 e k c C00 k c C2 k cCx e e e e k c C1 e k c C00 . k c C2 k c C1 C1 2 k c C00 e e C1 [ 2k c C00 1 ( 2k c C x ) 1] 2 [ k c C1 1 ( k c C2 ) 1] C2 C1 2k c (C x 2 k c (C 2 Таким чином, введення нової сукупності та послідовності операцій вимірювання різних за розміром концентрацій і використання нового рівняння надлишкових вимірювань дало можливість забезпечити автоматичну корекцію систематичних похибок вимірювання при нестабільній функції перетворення інтенсивності ультрафіолетового випромінювання у напругу, зменшити час вимірювання за рахунок мінімізації кількості операцій та оптимізації порядку їх виконання. На відміну від прототипу, запропонований спо Комп’ютерна верстка Н. Лисенко C2 ln ln e k c (C1 C00 ) e k c (C 2 C00 ) e k c (C x C 2 ) e k c (C x C1 ). e k c (C1 C00 ). ln e k c (C 2 C00 ). e k c C00 e k cCx e k c C1 C1 ln e k c C00 C2 2 ln e k c C x k c C1 ln e k c C2 ln e k c C2 e C00 ) C1) Cx C00 C x , бо {C00 } 0. сіб використовує ідентичні робочу кювету та кювету порівняння, не потребує логарифмування електричного сигналу фотоприймача. Завдяки використанню нового рівняння надлишкових вимірювань у запропонованому способі виконання операції логарифмування здійснюється чисельними методами, що забезпечує додаткове підвищення точності визначення концентрації. Таким чином, запропонований спосіб забезпечує вирішення зазначеної технічної задачі. 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