Спосіб визначення концентрації речовин

Спосіб визначення концентрації речовин, при якому формують потік монохроматичного випромінювання заданої інтенсивності та довжини хвилі, перекривають проходження потоку монохроматичного випромінювання через незаповнені камери складаної кювети, яка містить робочу камеру і камеру порівняння, і перетворюють інтенсивність темнового потоку у напругу U1 протягом заданого 2 3 Винахід відноситься до спектрофотометрії, зокрема, до вимірювання концентрації речовин та матеріалів за поглинанням монохроматичного випромінювання і може бути використаний для визначення концентрації газоподібних та рідинних речовин у те хнологічних середовищах з підвищеною точністю та у широкому діапазоні значень концентрації. Відомий спосіб визначення концентрації [Баркан М.Я., Каралис В.Н. Двухканальный ультрафиолетовый фотометр. Приборы и техника эксперимента, №5, 1977. - с.166-167], який полягає в тому, що монохроматичне випромінювання розділяють на два потоки, один з яких пропускають через досліджувану речовину, а др угий пропускають через послаблювач, перетворюють вихідні потоки у напруги Up і Uon, а про концентрацію досліджуваної речовини судять згідно з рівнянням вимірювання Uвих=U pK=cUp/Uon (1) де с - коефіцієнт пропорційності. У відомому способі має місце недостатня точність вимірювання та обмеженість діапазону значень концентрацій. Це обумовлено нестабільністю функції перетворення (ФП) чутливого елемента фотоприймача, що приводить до появи адитивної та мультиплікативної складових систематичної похибки. Крім того, відомий спосіб не виключає похибки, обумовленої поглинанням випромінювання стінками кювети та елементами оптичного тракту. Обмеженість діапазону вимірювання обумовлена вибором робочої точки тільки на лінійній ділянці характеристики фотоприймача. У противному випадку виникають похибки від нелінійності. Відомий спосіб визначення концентрації [патент Российской Федерации №2037808 МПК: G01N21/01 Бюл. №17, 1995г.], в якому формують потік монохроматичного випромінювання заданої інтенсивності, пропускають його спочатку через складану кювету, робоча камера якої заповнена досліджуваною речовиною, а потім через камеру порівняння, яка заповнена речовиною з нормованою за значенням концентрацією С 0, перетворюють вихідні потоки у напруги з подальшим логарифмуванням та визначенням концентрації по апріорі визначеному рівнянню вимірювання. Відомий спосіб визначення концентрації потребує логарифмування вихідного сигналу фотоприймача. Реалізація операції логарифмування за допомогою аналогових логарифматорів не виключає адитивної похибки вимірювання і не може бути здійснена з високою точністю. Крім того, для аналогових логарифматорів присутні похибка апроксимації логарифмічної функції, дрейф нуля та нестабільність інших параметрів логарифматора. Відомий спосіб також не виключає похибки, обумовленої поглинанням випромінювання стінками, кювети та елементами оптичного тракту. Аналіз відомого способу показав, що зміщення характеристики логарифматора на 1мкВ призводить до обмеження діапазону вимірювання до 20%. 77858 4 Відомий також спосіб визначення концентрації [Декларац. патент №66644 А України МПК: G01N21/85, G01J3/00. Бюл. №5, 2004р.] в якому формують монохроматичне випромінювання заданої інтенсивності та довжини хвилі, заповнюють в певній послідовності складану кювету, яка містить робочу камеру і камеру порівняння, досліджуваним технологічним розчином та розчинами порівняння, пропускають через ці розчини монохроматичне випромінювання, перетворюють інтенсивності монохроматичного випромінювання, що пройшло через розчини, у відповідні дійсні значення електричних напруг, запам'ятовують їх значення, а значення концентрації визначають згідно з заданим рівнянням надлишкових вимірювань (U - U5 )(U2 - U5 ) In 1 (U3 - U5 )(U4 - U5 ) (2) Сx = (C2 - C1) × U - U5 n2In 1 U2 - U5 де С1 та С2 - нормовані за значенням концентрації розчинів порівняння; U1, U2, U3 , U4 - напруги, що отримані в результаті перетворень інтенсивностей монохроматичного випромінювання, яке пройшло через складану кювету з зазначеними концентраціями розчинів; U5 - напруга, що отримана в результаті перетворення інтенсивності темнового потоку; коефіцієнт пропорційності n2=2. Відомий спосіб виключає похибки, обумовлені поглинанням випромінювання стінками кювети та елементами оптичного тракту, але має обмежений діапазон вимірювання, що обумовлений апроксимацією нелінійної функції перетворення вимірювального каналу тільки лінійною функцією. В основу винаходу покладена задача створення такого способу визначення концентрації, в якому шляхом зміни умов приготування нормованих за значенням розчинів та обробки результатів проміжних вимірювань за новим рівнянням надлишкових вимірювань забезпечилось би розширення діапазону значень концентрацій і підвищення точності вимірювання при апроксимації логарифмічної функції перетворення інтенсивності монохроматичного випромінювання у напругу кубічною функцією виду U=I3x×S н'+I x×Sл'+DU', де U - напруга, що отримана в результаті перетворення інтенсивності монохроматичного випромінювання; Sн' та Sл' - крутості перетворення монохроматичного випромінювання у напругу лінійної та кубічної складових функції перетворення вимірювального каналу, відповідно; DU' зміщення функції перетворення з урахуванням похибки від нестабільності положення функції перетворення. Поставлена задача вирішується тим, що в способі визначення концентрації речовини, при якому формують потік монохроматичного випромінювання заданої інтенсивності та довжини хвилі, перекривають проходження потоку монохроматичного випромінювання через незаповнені 5 77858 6 камери складаної кювети, яка містить робочу технологічних середовища х, де 1 - джерело мокамеру і камеру порівняння, і перетворюють інтенохроматичного випромінювання, 2 та 3 - фокунсивність темнового потоку у напругу U1 протягом суючі лінзи, 4 - складана кювета, 5 - робоча камера (для досліджуваного розчину), 6 - камера заданого інтервалу часу Dt, вимірюють та запапорівняння (для розчину з нормованою за знам'ятовують отримане значення напруги U1, започенням концентрацією), 7 - приймач оптичного внюють камеру порівняння складаної кювети розвипромінювання з передпідсилювачем, 8 - інтегчином з нормованою за значенням концентрацією С1 досліджуваної речовини, проруючий підсилювач, 9 - цифровий мілівольтметр. Причому вздовж оптичної осі розташовані посліпускають через складану кювету потік монохродовно з'єднані між собою джерело 1 монохромаматичного випромінювання та перетворюють тичного випромінювання, фокусуючі лінзи 2 та 3, його інтенсивність у напругу U2, після вимірюванскладана кювета 4 з робочою камерою 5 для доня та запам'ятовування отриманого значення напруги U2 заповнюють камеру порівняння розсліджуваного розчину та камерою порівняння 6 для розчину з нормованою концентрацією і причином з нормованою за значенням концентраціймач 7 оптичного випромінювання з передпідсиєю Сі досліджуваної речовини, пропускають челювачем, вихід якого через інтегруючий підсилюрез складану кювету з зазначеним розчином потік вач 8 з'єднаний зі входом цифрового монохроматичного випромінювання, перетворюють його інтенсивність в напругу U3 протягом замілівольтметра 9. Суть запропонованого способу полягає в наданого інтервалу часу Dt, після вимірювання та ступному. Формують монохроматичне випромізапам'ятовування отриманого значення напруги нювання заданої інтенсивності І0 та довжини хвиU3 заповнюють робочу камеру складаної кювети лі l. Перекривають проходження потоку розчином з концентрацією С х, пропускають через монохроматичного випромінювання через незаскладану кювету з те хнологічними розчинами Сх повнені камери складаної кювети. Перетворюють та С2 потік монохроматичного випромінювання, інтенсивність темнового потоку протягом заданоперетворюють його інтенсивність в напругу U4 го інтервалу часу Δt в дійсне значення напруги протягом заданого інтервалу часу Δt, після виміU1=ΔU' (3) рювання та запам'ятовування отриманого знаде ΔU' - зміщення функції перетворення з чення напруги U4 знову заповнюють камеру поріурахуванням похибки від нестабільності половняння складаної кювети розчином з нормованою ження функції перетворення, причому за значенням концентрацією С 1 досліджуваної {ΔU'}={ΔU}+{Δад}, де Δад - адитивна похибка. речовини, пропускають через складану кювету з Вимірюють та запам'ятовують отримане знатехнологічними розчинами С х та С1 потік моночення вихідної напруги U1. хроматичного випромінювання та перетворюють Заповнюють камеру порівняння технологічйого інтенсивність у напругу U5, вимірюють та ним розчином з нормованою за значенням конзапам'ятовують отримане значення напруги U5 з центрацією С1 досліджуваної речовини. Пропусподальшим визначенням концентрації у відповідкають через складану кювету з цим розчином ності із заданим рівнянням надлишкових вимірюпотік монохроматичного випромінювання. Перевань, розчини з нормованими за значенням контворюють його інтенсивність протягом заданого центраціями С 1 та С2 готують такими, щоб інтервалу часу Δt в дійсне значення напруги напіврізниця їх значень дорівнювала DС, тобто ({С2}-{С1})/2={DС}, ({DС}³(3...5){σ}, де σ - серед(4) ньоквадратичне відхилення значень похибки η результатів вимірювань за надійною імовірністю Р-0,95), при цьому концентрацію досліджуваної де k1, та k2 - коефіцієнти поглинання, відповіречовини визначають у відповідності з рівнянням дно, досліджуваної речовини та технологічного надлишкових вимірювань в неявній формі розчинника; Воп - оптичне послаблення, що вноситься стінками кювети та елементами оптичного тракту; Вск - показник забруднення скла робочої камери кювети; l1 та l2 - товщини робочої камери та камери порівняння, відповідно; Sн' - крутість перетворення монохроматичного випромінювання у напругу кубічної складової функції перетворення вимірювального каналу; Sл' - крутість переде U1 - напруга, що отримана в результаті творення монохроматичного випромінювання у перетворення інтенсивності темнового потоку; U2, напругу лінійної складової функції перетворення U3, U4, U5 - напруги, що отримані в результаті вимірювального каналу, причому перетворень інтенсивностей монохроматичного {Sн'}={Sн}(1+gн) та {Sл'}={Sл}(1+gл), де випромінювання, яке пройшло через складану gл={DS}/{Sн} та gл={DS}/{Sл} - відносні похибки чуткювету з зазначеними концентраціями розчинів; ливості від зміни нахилу характеристики фотоk1 та k2 - коефіцієнти поглинання досліджуваної електричного перетворення під дією дестабілізуречовини та розчинника, відповідно; l1 та l2 - товючих факторів; ΔU' - зміщення функції 1 щини робочої камери та камери порівняння, відперетворення з урахуванням похибки від нестаповідно. більності положення функції перетворення, приНа кресленні приведена структурна схема чому {ΔU'}={ΔU}+{Δad}, де Аад - адитивна похибка. пристрою для вимірювання концентрації досліПісля вимірювання та запам'ятовування джуваної газоподібної або рідинної речовини у отриманого значення напруги U2 заповнюють 7 77858 камеру порівняння тим самим розчином, але з нормованою за значенням концентрацією С 2 досліджуваної речовини. Причому, значення концентрації С2 відрізняється від попереднього значення концентрації С1 на значення приросту 2·ΔС, тобто ({С2}-{С1})/2={ΔС}. Значення приросту ΔС вибирається таким, що могло бути визначено з необхідною точністю за шкалою вимірювального приладу, тобто (5) {ΔC}³(3...5){σ} де σ - середньоквадратичне відхилення похибки n результатів вимірювань з імовірністю Р=0,95. Пропускають через складану кювету з цим розчином потік монохроматичного випромінювання. Перетворюють його інтенсивність протягом заданого інтервалу часу Δt в дійсне значення напруги (6) Після вимірювання та запам'ятовування отриманого значення напруги U3 заповнюють робочу камеру технологічним розчином з невідомою концентрацією Сх досліджуваної речовини. Пропускають потік монохроматичного випромінювання через складану кювету з досліджуваним середовищем. Перетворюють ослаблений за інтенсивністю потік випромінювання протягом заданого інтервалу часу Δt в дійсне значення напруги (7) Після вимірювання та запам'ятовування отриманого значення напруги U4 знову заповнюють камеру порівняння розчином з нормованою за значенням концентрацією С 1 досліджуваної речовини. Пропускають потік монохроматичного випромінювання через складану кювету з розчинами. Перетворюють його інтенсивність протягом заданого інтервалу часу Δt в дійсне значення напруги (8) Вимірюють та запам'ятовують отримане значення напруги U5. Вибір однакового за значенням інтервалу часу Δt обумовлено необхідністю забезпечення рівноточностних вимірювань напруг U1, U2, U3 , U4 та U5. Після проведення зазначених операцій вимірювання, визначають концентрацію досліджуваної речовини у відповідності з рівнянням надлишкових вимірювань (9) 8 Розглянемо суть запропонованого способу на прикладі роботи пристрою для вимірювання концентрації речовини (див. рисунок). Вмикають живлення установки. В результаті на відліковому пристрої цифрового мілівольтметра 9 висвітлюються нулі. Джерело 1 монохроматичного випромінювання генерує випромінювання заданої інтенсивності І0 та до вжини хвилі l. В першому такті вимірювання перекривають проходження потоку монохроматичного випромінювання від джерела 1 через незаповнені камери складаної кювети і протягом часу Δt перетворюють інтенсивність темнового потоку за допомогою фотоприймача 7 в електричну напругу. Вимірюють напругу U1 , на виході інтегр уючого підсилювача 8 за допомогою цифрового мілівольтметра 9. Отримане значення N1({N1}={S}{U1}, де S - крутість перетворення напруги в цифровий код) запам'ятовують. В другому такті вимірювання заповнюють камеру порівняння 6 складаної кювети 4 розчином з нормованою за значенням концентрацією С 1 досліджуваної речовини. Пропускають через складану кювету 4 з розчином потік монохроматичного випромінювання від джерела 1. Перетворюють інтенсивність вихідного потоку за допомогою фотоприймача 7 в електричну напругу. Вимірюють цифровим мілівольтметром 9 напругу U2 на виході інтегруючо го підсилювача 8. Отримане значення N2({N2}={S}{U2}) запам'ятовують. В третьому такті вимірювання зливають розчин, що знаходився у камері порівняння 6, і заповнюють її тим самим розчином, але з нормованою за розміром концентрацією С 2 досліджуваної речовини. Аналогічним чином, як і в першому такті, вимірюють і запам'ятовують отримане значення N3({N3}={S}{U3}) напруги U3 на ви ході інтегруючого підсилювача 8. В четвертому такті заповнюють робочу камеру 5 складаної кювети 4 технологічним розчином з невідомою концентрацією С х досліджуваної речовини. За допомогою цифрового мілівольтметра 9 вимірюють напругу U4 на виході інтегруючого підсилювача 8. Отримане значення N4({N4}={S}{U4}) запам'ятовують. В п'ятому такті зливають розчин, що знаходився у камері порівняння 6, заповнюють камеру порівняння розчином з концентрацією С 1 досліджуваної речовини. Як і в попередніх тактах вимірюють і запам'ятовують отримане значення N5({N5}={S}{U5}) напруги U5 на виході інтегр уючого підсилювача 8. Концентрацію досліджуваної речовини визначають за результатами проміжних вимірювань у відповідності з рівнянням числових значень , яке відповідає рівнянню надлишкових вимірювань (9). Не складно переконатися, що, дійсно, за допомогою запропонованих рівнянь надлишкових 9 77858 10 вимірювань забезпечується одержання позитивдосягнуто за рахунок автоматичного виключення ного ефекту. Для цього в рівняння (9) необхідно впливу на результат вимірювання абсолютних підставити вирази (3)-(4), (6)-(8) (див. додаток). значень нелінійної функції перетворення фотоТаким чином, зміна умов приготування норприймача та їх відхилень від номінальних знамованих за значенням розчинів, а також викорисчень. Апроксимація функції перетворення фототання нового рівняння надлишкових вимірювань приймача кубічною функцією забезпечує дали можливість підвищити точність і розширити розширення діапазону вимірювання в 3 - 5 разів. діапазон вимірювання концентрації при апроксиТаким чином, запропонований спосіб забезмації логарифмічної функції перетворення фотопечує вирішення зазначеної технічної задачі. приймача кубічною функцією. Зокрема, підвиДодаток щення точності вимірювання концентрації Умова приготування розчинів з нормованими за значенням концентраціями {C2}-{C1})/2={DC} означає, що розчини з нормованими за значеннями концентраціями С 1 та С2 відрізняються від деякої нормованої за значенням концентрації C0 на значення DC, тобто {C1}={C0}-{DC}, а {C2}={C0}+{DC}. Тоді 11 77858 12 Показано, що ліва частина рівняння дорівнює правій частині. Таким чином, можна зробити висновок, що Сх=Сх. Комп’ютерна в ерстка Т. Чепелев а Підписне Тираж 26 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601