Спосіб вимірювання концентрації речовин у середовищі

Реферат: Винахід належить до вимірювальної техніки і може бути використаний для визначення концентрації речовин у середовищі. Спосіб вимірювання концентрації речовин у середовищі полягає у випромінюванні та прийманні імпульсного ультразвукового сигналу в контрольованому та двох еталонних середовищах, причому концентрацію першого та другого еталонних середовищ вибирають на початку і в кінці діапазону вимірювання концентрацій. Вимірюють різниці часів поширення ультразвукових сигналів в еталонних середовищах, в контрольованому та другому еталонному середовищі і в першому еталонному та контрольованому середовищах, а концентрацію С речовин у середовищі визначають за формулою:  Tk 210C1  T1k 10C2  C  lg  ,   T12  3 де  - нахил градуювальної характеристики, дм /Мг; Tk 2 , T1k , T12 - відповідно, різниці часів 1 поширення ультразвукових сигналів у контрольованому та другому еталонному середовищах, у першому еталонному та контрольованому середовищах, у першому та другому еталонних середовищах; C1 , C 2 - концентрації еталонних середовищ. Спосіб характеризується високою точністю внаслідок того, що для рідин порівняно легко приготувати і атестувати з високим ступенем точності (за ГОСТ 14870-77) однорідні та однотипні розчини рідин з відомими UA 113680 C2 (12) UA 113680 C2 концентраціями (вбудовані стандартні зразки підприємства за ГОСТ 8.315-78), а це дає змогу зменшити систематичну та повільнозмінну похибки вимірювання. UA 113680 C2 5 10 15 20 25 30 35 Винахід належить до вимірювальної техніки і може бути використаний для визначення концентрації речовин у середовищі. Відомий спосіб визначення параметрів матеріалів та ультразвукового контролю матеріалів шляхом вимірювання часу поширення ультразвуку в них (авторське свідоцтво СРСР №1682915 МПК G01N29/18). Основний недолік способу полягає в тому, що він не враховує вплив температури на швидкість ультразвуку в контрольованих середовищах. Відомий спосіб ультразвукового контролю хімічного складу навколишнього середовища, який полягає в тому, що визначають хімічний склад середовища вимірюванням часу поширення ультразвуку від акустичного випромінювача через середовище з контрольованим хімічним складом до акустичного приймача та порівнюють час поширення ультразвуку в контрольованому та еталонному середовищах (деклараційний патент України №33870 МПК G01 N29/18). Однак відомий спосіб має низьку точність, оскільки він дає змогу визначати хімічний склад середовища шляхом порівняння його з еталонним і не оцінює кількісно концентрацію речовини. Відомий пристрій для вимірювання концентрації речовин у середовищі, який полягає у випромінюванні та прийманні ультразвукових сигналів у двох еталонних середовищах, причому концентрації першого та другого еталонних середовищ вибирають на початку і в кінці діапазону вимірювання, вимірюють часи поширення ультразвукових сигналів у контрольованому та двох еталонних середовищах, а концентрацію водного середовища визначають за формулою за допомогою мікроконтролера (Погребенник В.Д. Комп'ютерні вимірювально-інформаційні системи для оперативного екологічного моніторингу водного середовища / В.Д. Погребенник, А.В. Ромашок. - Львів: Видавництво Львівська політехніка, 2013. - С. 55-57). Однак відомий спосіб є доволі складний, оскільки у ньому необхідно вимірювати часи поширення ультразвукових сигналів у контрольованому та двох еталонних середовищах, визначати різницю часів їх поширення, а потім ще їх опрацьовувати, що також знижує його швидкодію. В основу винаходу поставлено задачу створити спосіб вимірювання концентрації речовин у середовищі, в якому введення нових операцій та зв'язків дає змогу спростити вимірювання і підвищити швидкодію перетворення. Поставлена задача вирішується тим, що в способі вимірювання концентрації речовин у середовищі, який полягає у випромінюванні та прийманні імпульсного ультразвукового сигналу в контрольованому та двох еталонних середовищах, причому концентрацію першого та другого еталонних середовищ вибирають на початку і в кінці діапазону вимірювання концентрацій, згідно з винаходом, вимірюють різниці часів поширення ультразвукових сигналів в еталонних середовищах, в контрольованому та другому еталонному середовищі і в першому еталонному та контрольованому середовищах, а концентрацію С речовин у середовищі визначають за формулою: C 40 45 50 55 де  T 10C1  T1k 10C2  lg  k 2 , (1)   T12  1  3 - нахил градуювальної характеристики, дм /Мг; Tk 2 , T1k , T12 - відповідно, різниці часів поширення ультразвукових сигналів у контрольованому та другому еталонному середовищах, у першому еталонному та контрольованому середовищах, у першому та другому еталонних середовищах; C1 , C 2 - концентрації еталонних середовищ. У запропонованому способі вимірюють різниці часів поширення ультразвукових сигналів в еталонних середовищах, в контрольованому та другому еталонному середовищі, у першому еталонному і контрольованому середовищах, що значно спрощує опрацювання ультразвукових сигналів та збільшує швидкодію способу, оскільки для визначення концентрації вже не потрібно витрачати час на вимірювання часів поширення ультразвукових сигналів окремо в контрольованому та еталонних середовищах, а потім ще й визначати їх різницю. У заявленому способі різниці часів поширення ультразвукових сигналів визначають одразу. Також запропонований спосіб дає змогу визначати концентрації речовин у діапазоні від C1 до C 2 і має високу точність, оскільки, наприклад, для рідин порівняно легко приготувати і атестувати з високим ступенем точності (за ГОСТ 14870-77) однорідні та однотипні розчини з відомими концентраціями (вбудовані стандартні зразки підприємства за ГОСТ 8.315-78), а також зменшити систематичну та повільнозмінну похибки вимірювання. 1 UA 113680 C2 5 10 15 На фіг. 1 подано структурну схема пристрою, для реалізації способу, де: 1 - вимірювальний канал з першим еталонним середовищем; 2 - вимірювальний канал з досліджуваним середовищем; 3 - вимірювальний канал з другим еталонним середовищем; 4, 5, 6 - акустичні випромінювачі; 7 - генератор зондування, 8, 9, 10 - акустичні приймачі; 11, 12, 13 - підсилювачі; 14, 15, 16 - детектори; 17, 18, 19 - відповідно, блок вимірювання різниці часу поширення звуку в контрольованому та другому еталонному середовищах; блок вимірювання різниці часу поширення звуку в першому еталонному та контрольованому середовищах, блок вимірювання різниці часу поширення звуку в першому та другому еталонному середовищах; 20 - кварцовий генератор; 21, 22, 23 - лічильники імпульсів, 24 - мікроконтролер; а на фіг. 2 - часові діаграми роботи, де: а) - зондувальний сигнал; б) - перший прийнятий сигнал; в) - другий прийнятий сигнал; д) третій прийнятий сигнал; Суть запропонованого способу полягає в наступному. Акустичні імпульсні сигнали заданої амплітуди і частоти випромінюють у напрямку до приймачів одночасно в кожному з вимірювальних каналів 1, 2 і 3 (фіг. 2а). Ці сигнали поширюються в контрольованому та еталонному середовищах і надходять на акустичні приймачі, через часи Te1 , Te 2 і Tk (фіг. 2, б, в, д). Визначають різниці часових параметрів Tk 2  Tk  Te 2  , T1k  Te1  Tk  , T12  Te1  Te 2  , a концентрацію С речовин у контрольованому 20 середовищі визначають за формулою (1). При лінійній залежності вихідного часового інтервалу від інтенсивності і ультразвукового сигналу, що поширився через контрольоване середовище, маємо Tk  a0  a1 I , (2) де a 0 і 25 a1 - коефіцієнти реальної функції перетворення, а при проходженні ультразвукового сигналу через середовища 1 i 3, заповнені еталонними речовинами з концентраціями відповідно отримаємо: Te1  a0  a1 I c1 , (3) C1 і C 2 , Te 2  a0  a1 I e 2 . (4) Коефіцієнти a 0 і a1 змінюються у часі при впливі зовнішніх збурень на електричні та акустичні елементи схеми, що особливо виявляється при ультразвукових вимірюваннях, але за короткий період вимірювану концентрацію C k і коефіцієнти функцій перетворення можна 30 вважати постійними. При збереженні лінійного закону поширення ультразвукових хвиль в однакових з акустичної точки зору середовищах I I 0  10 Ck ; I1 I 0  10 C1 ; I 2 I 0  10 C2 ; (5) 35 де I 0 , I1 , I 2 , I - інтенсивність випромінювання на входах і виходах каналів,  - нахил градуювальної характеристики. З врахуванням (3) - (5) залежність (2) набуде вигляду Tk  (Te 210 C1  Te110 C2 ) /(10 C1  10 C2 )  [Te1  Te 2  /(10 C1  10 C2 )]10 Ck , (6) звідки визначається загальна концентрація речовин у контрольованому середовищі за формулою (1), де Tk 2  Tk  Te 2  , T1k  Te1  Tk  , T12  Te1  Te 2  . 40 Пристрій для вимірювання концентрації речовин у середовищі реалізовано у вигляді триканального пристрою, у двох каналах якого знаходяться еталонні середовища, які відповідають початку і закінченню діапазону вимірювання, а в третьому - контрольоване середовище. Пристрій працює так. Імпульси з частотою відліків f 0 запускають генератор зондування 7. 45 Електричний імпульс зондування одночасно надходить на ультразвукові випромінювачі, які перетворюють його в акустичні імпульси. Ці імпульси поширюються в контрольованому та двох еталонних середовищах на базі L (фіг. 1) і надходять на акустичні приймачі 8, 9 і 10, які перетворюють їх в електричні імпульсні сигнали, які через підсилювачі 11, 12 і 13 та детектори 14, 15, 16 надходять на входи блоків 17, 18, 19 вимірювання різниці часів поширення звуку в середовищах, на виході яких формуються часові інтервали Tk 2  Tk  Te 2  , T1k  Te1  Tk  , 50 2 UA 113680 C2 T12  Te1  Te 2  , які визначають лічильниками імпульсів 21, 22, 23, куди надходять імпульси еталонної частоти f 0 з генератора 20. Ці дані заносять у мікроконтролер 24. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 5 10 Спосіб вимірювання концентрації речовин у середовищі, який полягає у випромінюванні та прийманні імпульсного ультразвукового сигналу в контрольованому та двох еталонних середовищах, причому концентрацію першого та другого еталонних середовищ вибирають на початку і в кінці діапазону вимірювання концентрацій, який відрізняється тим, що вимірюють різниці часів поширення ультразвукових сигналів в еталонних середовищах, в контрольованому та другому еталонному середовищі і в першому еталонному та контрольованому середовищах, а концентрацію С речовин у середовищі визначають за формулою:  Tk 210C1  T1k 10C2  C  lg  , (1)   T12  3 де  - нахил градуювальної характеристики, дм /Мг; Tk 2 , T1k , T12 - відповідно, різниці часів 1 15 поширення ультразвукових сигналів у контрольованому та другому еталонному середовищах, у першому еталонному та контрольованому середовищах, у першому та другому еталонних середовищах; C1 , C 2 - концентрації еталонних середовищ. 3 UA 113680 C2 Комп’ютерна верстка О. Рябко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4