Фотоелектричний спосіб визначення концентрації речовин у рідких та газоподібних середовищах

Фотоэлектрический способ определе ния концентрации веществ в жидких и газо образных средах, при ос уществлении которого формируют монохроматическое излучение, зондируют им составную кювету, рабочая камера которой заполнена исследу емой средой, а камера сравнения - вещест вом сравнения, преобразуют приемником излучения прошедшее монохроматическое излучение в электрический сигнал, логариф мируют последний и измеряют значение электрического напряжения с последующим определением концентрации исследуемой среды по аналитическому соотношению, о тл и ч а ю щ и й с я тем, что изменяют длину волны монохроматического излучения до Изобретение относится к оптическому анализу веществ и материалов по поглощению излучения и может быть использовано для определения концентрации веществ в получения минимального значения прологарифмированного электрического напряжения Ui, заполняют камеру сравнения веществом сравнения с концентрацией, позволяющей изменить электрическое напряжение на величину, превышающую-порог чувствительности приемника излучения, измеряют величину прологарифмированного электрического напряжения U2. вновь заполняют камеру сравнения веществом сравнения и изменяют длину волны монохроматического излучения до значения, при котором величина прологарифмированного электрического напряжения Ui изменится на величину, в заданное число раз кратную порогу чувствительности приемника излучения, измеряют величину прологарифмированного электрического напряжения из. а концентрацию определяют из соотношения Сх (Ui - из) І2 С > Со, где Сх концентрация исследуемой среды; Со - концентрация вещества cpaвнeния^ Е (ДА) - показатель частотной дисперсии коэффициента поглощения вещества сравнения, определяемый в процессе калибровки: И и І2- толщина рабочей камеры и камеры сравнения, соответственно. (О о 00 О жидких и газообразных технологических и природных средах с повышенной точностью. 12987 Таким образом, о основу изобретения положена задача повышения точности определения концентрации вещестп в анализируемой среде пу тем полного исключения Наиболее близким по технической сущ - 5 влияния запотевания и загрязнения стекол кюветы на результат измерения, з также инности к предлагаемому является спос об оп струментальных погрешностей оптикоэлек реде лен ия кон цен тра ци и рас твор имог о тронной схемы. ррщ ества я жидких средах [2], заключаюПоставленная задача решается тем, что щийся о том, что формируют пучок моиохро мз тмческ ог о из лу че ни я , о блач аю т и м 10 в фотоэлектрическом способе определения анализируемую жидкость п кювете с переконцентрации вещ еств в жидких и газообменной толщиной слоя, измеряют интенсив разных средах, заключающемся о том, что н ос ть из луч е н ия, ос ла бле н н ог о формируют пучок монохроматического излу чения, облучают им анализируемую жиданализируемой жидкостью, вводят на пути оптического излучения образцовую жид - 15 кость в составной кювете, рабочая камера кость с известной концентрацией и пере - которой заполнена исследуемой средой, а менной толщ иной сдоя, расі порите ль или камера сравнения - веществом сравнения раствор сравнения с переменной толщиной, (воздухом, водой или растворителем), измедополняющий толщ ины анализируемой и ряют интенсивность излучения, ослабленного го образцовой жидкостей до постоянных вели - анализируемой жидкостью, преобразуют чин, при этом после измерения интенсивно- излучение в электрический сигнал, логари фс ти ос ла бле н н о г о а н а ли з и ру е м о й мируют его, вводят на пу ти оптического из жидкостью излучения с учетом оптической лучения образцовую жидкость известной плотности растворителя или раствора срав - концентрации и определяют концентрацию нения изменяемой голщ ини слоя анализи- 25 искомого вещества по аналитическому соотруе м ой ж идк ос ти н а зн ач е ни е All, " ношению, согласно изобретению, подстраивызывающее изменение интенсивности ос вают длину волны излучения до получения лабленного излучения на величину, превыминимального значения прологарифмироша ющ ую п о р ог чу вс тв и те ль н ос ти ванного напряжения Ui, заполняют камеру приемника излучения в заданное число раз, 30 сравнения слабоконцентрированным рас определяемое из условий измерения, изметвором [зещ ествэ сравнения и известной няют голшииу слоя образцовой жидкости на концентрации Со, при этом концентрацию значение Діа, восстанавливающее первона расі вора сравнения и газовой смеси выбирают чальное значение ослабленного излучения, такой, чтобы вызвать изменение электрическоа искомую концентрацию определяют из со- 35 го напряжения на величину, превышающую поотношения рог чувствительности приемника в заданное число рэз, измеряют соответствующее зуіачение прологарифмированного электрического напряжения U2 - вновь заполняют камеру 40 сравнения веществом сравнения, изменяю т длину волны излучения до значения, при котогде С - искомая концентрация анализируером первоначально прологарифмированное мой жидкости; электрическое напряжение Ui приемника Со - известная концентрации образцоизлучения изменится на величину, в заданное вой ЖИД!' ОСТИ. 45 число раз кратную порогу чувствительности Однако извес тны й с пос об также не приемника, измеряют соответствующее зна О0ЄСПСЧИВЛ5Г високую точность определечение прологарифмированного электрическония концентрации искомого вещ ества. При го напряжения Уз, а искомую концентрацию перемещении кюветилтл изменения толщиопределяют из соотношения ны слоя анализируемой среды на значение Дії неизбежно прохождение оптического из - 50 лучения через участки стенок кюветы с дру (Ui - Оз) І2 гой степенью заі рязнєшіч или запотевания, что обуславливает получение дополнительней погрешности измерения. Кроме того, где Сх - искомая концентрация анализируе возератно-пос тупэтельноо движение кюве - 55 мой среды; ты изменяет лзминарность потока анализиСо - изоестная концентрация среды руемс я ср еды м созд а е т з ао ихр ен и л , сравнения; который вызывают изменение однородноїї и Ї 2 ~ толщина рабочей камеры и камести слоя, ры сравнения составной кюветы; Известен фотоэлектрический способ оп ррделения концентрации вещ еств в жидких и газообразных сродах [1]. 12987 £(ДА) - показатель частотной дисперсии коэффициента поглощения искомого вещества, определяемый в процессе калибровки. На чертеже схематично показано уст- 5 ройстводля осуществления предложенного способа. Устройство содержит источник 1 моно хроматического излучения, - электрооптиче ский модулятор 2, формирователи 3 и 4 10 оптического луча, составную кювету 5 с ра бочей камерой б для анализируемой жидкой или газообразной среды и камерой сравне ния 7 для образцовой среды {вещества срав нения) с известной концентрацией, 15 приемник 8 оптического излучения, лога рифмирующий преобразователь 9, милли вольтметр 10, генератор 11 электрических высокочастотных колебаний и цифровой ча стотомер 12. 20 Кювета 5 установлена по ходу оптиче-, ского луча, формируемого из монохроматического излучения источника 1 и принимаемого приемником 8 оптического излучения. Выход приемника 8 оптического 25 излучения через логарифмирующий преобразователь 9 соединен с цифровым милливольтметром 10, а управляющий вход элекгрооптического модулятора 2-е входом генератора 11 высокочастотных колебаний и 30 цифровым частотомером 12. Сущность предложенного способа опре деления концентрации веществ D ЖИДКИХ И газообразных средах заключается в следую щем. 35 Монохроматическим излучением источника 1 с длиной волны Я зондируют составную кювету 5. Через проточную камеру 6 протекает анализируемая жидкость или газовая смесь. Камеру сравнения 7 вначале 40 заполняют водой или другим растворителем, а о случае газового анализа - воздухом, в котором отсутствует искомое вещество. Длина волны А зондирующего излучения выбирают в спектральной области поглоще- 45 пия искомым веществом. С помощью электрооптического модулятора 2 длина волны Я подстраивается генератором 11, до значения Ai, при котором выходное напряжение логарифмирующего преобразоаа- 50 теля 9. измеряемое милливольтметром 10, достигает минимального значения, что соответствует максимуму поглощения оптического излучения искомым веществом. Соответствующее значение частоты зондирующего 55 излучения измеряется частотомером 12. В соответствии с законом Бугерз-Ламберта-Бера интенсивность ослабленного зондирующего излучения, прошедшего че рез заполненную кюнету с зягряінрннмми стеклами и реальные элементы оптического тракта, определяется соотношением H(Ai)=!o(Ai)expHKi(Ai)Cx»+ K2(AiX1-Cx)]H--K2(Ai)! 2A-B}, (1) где Іо(Я|) и h(Ai)- интенсивность оптического излучения на входе и выходе кюветы 5; Сх ~ концентрация искомого вещества; Кі(Яі) и Кг(А2) - коэффициенты поглощения соответственно исследуемого вещества и вещества сравнения {воды или воздуха) на длине волны Яі; А-оптическое ослабление, вносимое стенками кюветы и элементами оптического тракта; В - показатель загрязненности стекол рабочей камеры 6 кюветы 5 С помощью приемника 8 преобразуют интенсивность оптического излучения в электрический сигнал, который затек логарифмируют преобразователем 10. Полагая зависимость выходного сигнала приемника 8 от интенсивности излучения линейной в окрестностях рабочей точки, получают напряжение на выходе логарифмирующего преобразователя 10 в виде (2) где Si - крутизна функционального преобразования; S2(Ai) - спектральная чувствительность приемника 8 на длине волны Як yt= AS(Ai)/S(Ai) — относительная погрешность чувствительности от изменения наклона характеристики фотоэлектрического преобразования под действием дестабилизирующих факторов; д] = AUi-абсолютная погрешность фо-° тоэлектрического преобразования от смещения характеристики на AUi из-за дрейфа темпового тока приемника и шумов фотоэлектрического преобразователя. Заполняют камеру сравнения 7 кюветы 5 слабоконцентрированным раствором искомого вещества или газовой смеси известной концентрации С о . Интенсивность зондирующего излучения на выходе кюветы 5 принимает значение Іі(АО=1о(Аі)ехр{~[Кі{Яі)Сх+ + K2(Ai)(1-Cx)]h~[Ki(Ai)C0+ + K2tAi)(1- (3) Co)]l2~A-B} В слабо концентрированном растворе или смеси Со ttAU, (6) выражение (8) можно представить так где (X коэффициент пропорциональности (кратности), 30 Із( к) - lofe )exp{-Ki(At )(1 ± Е (ДА) )Сх+ " связывающий максимальное значение К2(Аі)(1-Сх)]1і-К2 (Аі )І2-А-В}. (11) случайной величины с ее среднеквадратичным значением; при вероятности \it При работе приемника 8 оптического из35 лучения на пороговых отклонениях в окрест0,997 коэффициент се=3. Вновь заполняют камору сравнения 7 ностях рабочей точки, задаваемой кюветы 5 веществом сравнения (водой или значением интенсивности излучения Н(Аі), воздухом). Перестройкой частоты генератора можно считать, что погрешности преобразо11 изменяют (увеличивают или уменьшают) вания равны: длину оолны излучения до значения А2~Аі±ЛА, при котором первоначальное 40 прологарифмированное электрическое на(12) пряжение Ui логарифмирующего преобрад\ -62=63=6 , зователя 9 изменится на величину, в заданное «-.исло роз кратную порогу чувствиКроме того, при пороговых отклонениях тельности приемника и удовлетворяющую ^ интенсивности излучения на близких длиусловию (6), Измеряют соответствующее нах волн практически равны по значению, знамение прологарифмированного напря- т.е. жения преобразователя 9 U3 я Siln[S2(A2) (1 ьуз) 1з(А2)]1-(Ъ , (7) где (13) 5г(Аг) - спектральная чувствительность приемника Я на длине вопиы кг\ а спектральные чувствительности остаются уз и г (21) откуда показатель дисперсии 1 і* "1*3 І2 Со U i - U С 2 h (22) Изменение длины волны оптического излучения на ± ДЯконтролируется по пока15 заниями частотомера 12. , Предложенный способ позволил контролировать остаточную концентрацию поUi -из __с(ДА)И . верхн ос тн о- ак тив н ых вещ ес тв ( ПАВ ) в Co' U1-U2 І2 промывочной поде, в процессе полоскании откуда получаем значение концентрации исбелья. Отполаскивание белья осуществляет20 ся для доведения остаточной концентрации комого вещества ПАВ на белье до уровня, не превышающего 20 мг/л (требование СанПИН № 4630-88). JS I _т_ J_____ .*?_ \TL • Г*" (Л ІХ\ v При определении указанной концентрации U і — иг И ' 25 предложенным способом использовалось оптическое излучение с длиной волны А= 240 нМ, Если в процессе изменения длины пол выделяемой с помощью интерференционноны оптического излучения обеспечить вы го филь тра. Толщ ина рабочей камеры и полнение равенства абсолютных значений камеры сравнения составляли, соответстприращ ений 30 венно, И ~ 9,5 мм, а 12 = 8,5 мм. Режим стирки изделии из смешанных IUi- U3 l = IUi - U2 l, (If) тканей (лавсан с хлопком) проводился при 1 ti° = (35±1)°С - пеовая стирка, t2 = (50 ±1)°С то выражение (18) принимает вид вторая стирка и гз = (62i1)°C -третья стирка. (20) 35 Жидкостный модуль составил 6 дм /кг, расг - її L o ход воды Л ±0,5) дм /кг Продолжительность стирок -8.8 и3 минуты соответственно. Затем а проведено четыре полоскания при tr (50 Следовательно, концентрация Сх иско±1)°С, tz° = НО ±1)°С, гз° = {30 ±1}°С и мого вещества определится концентрацией Со образцового раствора или смеси газов , 40 t4° - ( 2 0 ± 1) ° С, по 3 м ин. каждое. Измерялась концентрация ПАВ з воде показателем дисперсии коэффициента почетвертого полоскания В качестве образцоглощения £ (ДА) и соотношением длин И и l2 вого раствора использовалась проба воды камер составной кюветы 5. Определение концентрации Сх по фор- ._ после четвертого полоскания, разоедеиная ж в 5-10 раз до значений Со (2.5± 0,1) мг/л. муле (20) позволяет в более широких предеКалиброванный по концентрации раствор лах измеря ть концен тр аци ю С за счет получили путем разбавления пробы после масштабного множителя (Ui-U3)/(Ui-U2). п ер в ог о п о лоск а н ия д о з на ч ен и я Ск ' Результаты определения Сх по форму (30 ±0,1)мг/л, Значения Со и Ск определялам (18) и (20) не зависят от погрешностей лись аналитическим методом в химической фо тоэлектрического преобразования ум 6, лаборатории. чувствительности приемника S2 и крутизны преобразования логари фматора Si, дополПосле четвертого полоскания белья кон центрация ПАВ о промывочной воде опреденительных оптических потерь А, степени залялзсь следующим образом. грязнения стекол кюветы В, коэффициентов Рабочая камера 6 составной кюветы 5 поглощения искомого вещества Ki( А) и ис(см. рис.) заполнялась промывочной водой, ходной среды К2(А) камера сравнения - чистой водой. С поПоказатель частотной дисперсии коэ фмощью электрооптического модулят ора 2 усфициента поглощения искомого вещества танавливалась длина волны зондирующего определяют в процессе калибровки раствоДалее определим отношение разностных напряжений (15) и (16), т.е. 11 12987 излучения рэвнач Ал=- 240 нм, соответствую щая максимуму поглощения оптического из лучения искомым веществом. Соответствующее значение частоты зонди рующего излучения контролировалось с по мощью частотомера 12. На оыходе логарифмического преобразователя 9 было зафиксировано напряжение Ui- 16,9 В. Затем камера сравнения 7 заполнялась слабоконцентрировакным раствором вещества сравнения известной концентрации Со = 2,5мг/л = 2,5 • 1G~J r/n, На выходе логарифмирующего преобразователя 9 с помощью цифрового вольтметра 10 было зафиксировано напряжение ІІ2 = 16,4 В. В следующем такте измерения вновь заполняли камеру 7 кюветы 5 оадой. Перестройкой частоты генератора 11 изменяли длину волны излучения до значения \г~ 195 нм, меньшим At на ДА = 45 км = const. 12 С учетом Со. Сь, 1И, U2. Уз, \\ и І2 определялся показатель частотной дисперсии коэффициента поглощения промывочной воды согласно выражения (22) „16,9-15,3 8,5 2,5 0,108. Концентрация ПАВ в промывочной воде по-10 еле четвертого полоскания определялась по соотношению (20) 0,108 9,5 15 что соответстоовало допустимым значениям. Исследования показали, что погрешность определения концентрации ПАВ мзве20 стным способом в реальных условиях эксплуатации составляет (10—15)% за счет неизбежного загрязнения рабочей камеры кюветы. А погрешность измерения предложенным способом, проверенная аналитичеВ этом случае на выходе ло- 25 скими методами, не превысила (0,8-1)% гарифмирующею преобразователя 9 было даже при загрязненной кювете. зафиксировано напряженно из= 15,3 В, Упорядник Замовлення 4093 Техред М.Моргентал Коректор М. Керецман Тираж Підписне Державне патентне відомство України, 254655, ГСП, Шо-53, Львіоська пл.. 8 Відкрите акціонерне товариство "Патент", м. Ужгород, вул.ГагарІна, 101