Спосіб надлишкового вимірювання концентрації речовин

Спосіб надлишкового вимірювання концентрації речовин, при якому формують потік монохроматичного випромінювання заданої потужності та довжини хвилі, заповнюють камеру порівняння складаної кювети розчином з нормованою за значенням концентрацією С1 досліджуваної речови 2 (19) 1 3 80037 та елементами оптичного тракту; Bск - показник забруднення скла робочої камери кювети; l1 та l2 - товщини робочої камери та камери порівняння, ' відповідно; Sн - крутість перетворення монохро 4 é Ф × e -[k 1 ×CX +k 2 ×(1-CX )] ×l 1 -[k 1×C2 +k 2 ×(1-C 2 )] ×l 2 -Bon -Bск + Ф ù t ú lnê 0 ê Ф × e -[k 1 ×C X +k 2 ×(1-CX )]×l1 -[ k1 ×C1 +k 2 ×(1-C 1 )]×l 2 -Bon -Bск + Ф ú U - U ë 0 t û 4 = 3 é Ф × e -[ k1 ×C2 +k 2 ×(1-C 2 )]×l 2 -Bon -Bск + Ф ù U2 - U1 0 tú lnê ê Ф × e -[k 1 ×C1 +k 2 ×(1-C1 )] ×l 2 -Bon -Bск + Ф ú t û ë 0 , матичного випромінювання у напругу; U1n - напруга, що отримана в результаті перетворення потужності послабленого потоку монохроматичного випромінювання, а концентрацію досліджуваної речовини визначають у відповідності з рівнянням надлишкових вимірювань в неявній формі де U1 , U2 , U3 , U4 - напруги, що отримані в результаті перетворень потужності потоку монохроматичного випромінювання, яке пройшло через складану кювету з зазначеними концентраціями розчинів; СX - концентрація досліджуваної речо 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 вимірювання концентрації речовин [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 нена 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. У відомому способі вимірювання концентрації також має місце недостатня точність вимірювання та обмеженість діапазону значень концентрацій, що обумовлені нестабільністю та нелінійністю функції перетворення (ФП) чутливого елемента фотоприймача і невизначеністю значення потужності темнового потоку для конкретного типу фотоприймача. Відомий спосіб 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%. Відомий також спосіб надлишкового вимірювання концентрації речовин [Декларац. патент №66644 А України МПК: G01N21/85, G01J3/00. Бюл. №5, 2004р.] в якому формують монохроматичне випромінювання заданої потужності та довжини хвилі, заповнюють в певній послідовності складану кювету, яка містить робочу камеру і камеру порівняння, досліджуваним технологічним розчином з невідомою концентрацією та розчинами з нормованою за значенням концентрацією, пропускають через складану кювету потік монохроматичного випромінювання, перетворюють потужність потоку монохроматичного випромінювання, що пройшло через розчини, у відповідні дійсні значення електричних напруг, вимірюють та запам'ятовують їх значення, а значення концент де с - коефіцієнт пропорційності. У відомому способі має місце недостатня точність вимірювання та обмеженість діапазону значень концентрацій. Це обумовлено нестабільністю та нелінійністю функції перетворення (ФП) чутливого елемента фотоприймача і невизначеністю значення потужності темнового потоку для конкретного типу 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 вимірювання концентрації речовин [патент Российской Федерации №2037808 МПК: G01N21/01 Бюл. №17, 1995г.], в якому формують потік монохроматичного випромінювання заданої потужності, пропускають його спочатку через складану кювету, робоча камера якої запов вини; Фt - потужність темнового потоку, яка визначена згідно з вищезазначеним рівнянням величин. 5 80037 рації визначають згідно з заданим рівнянням надлишкових вимірювань де С1 та С2 - нормовані за значенням концентрації розчинів порівняння; U1, U2, U3, U4 - напруги, що отримані в результаті перетворень потужностей монохроматичного випромінювання, яке пройшло через складану кювету з зазначеними концентраціями розчинів; U5 - напруга, що отримана в результаті перетворення потужності 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 надлишкового вимірювання концентрації речовин, в якому шляхом зміни умов виконання операцій та обробки результатів проміжних вимірювань за новим рівнянням надлишкових вимірювань забезпечилось би розширення діапазону значень концентрацій і підвищення точності вимірювання при використанні всього діапазону вхідних сигналів фотоприймача при логарифмічній функції перетворення потужності монохроматичного випромінювання у напругу, що визначається рівнянням величин де Ux - напруга, що отримана в результаті перетворення потужності монохроматичного випромінювання; Фt - потужність темнового потоку; DU' зміщення функції перетворення з урахуванням похибки від нестабільності положення функції перетворення; Sн' - крутість перетворення потужності монохроматичного випромінювання у вихідн у наkT пругу, причому S'н = 0 , де k - стала Больцмана q (k = 1.380662×10-23Дж×К-1); Т0 - температура нагріву фотоприймача (Т0 » 293К); q - елементарний електричний заряд (q = 1.6021892×10-19 Кл). Поставлена задача вирішується тим, що в способі надлишкового вимірювання концентрації речовин, при якому формують потік монохроматичного випромінювання заданої потужності та довжини хвилі, заповнюють камеру порівняння складаної кювети розчином з нормованою за значенням концентрацією С 1 досліджуваної речовини, пропускають через складану кювету потік Ф0 монохроматичного випромінювання, перетворюють потужність вихідного потоку в напругу U1 протягом заданого інтервалу часу Dt, вимірюють її, отримане значення напруги U1 запам'ятовують, заповнюють камеру порівняння розчином з нормованою за значенням концентрацією С 2 досліджу 6 ваної речовини, пропускають через складану кювету з зазначеним розчином потік Ф0 монохроматичного випромінювання, перетворюють потужність вихідного потоку в напругу U2 протягом заданого інтервалу часу Dt, вимірюють її, запам'ятовують отримане значення напруги U2, заповнюють робочу камеру складаної кювети розчином з концентрацією С х, пропускають через складану кювету з те хнологічними розчинами С х та С2 потік Ф0 монохроматичного випромінювання, перетворюють потужність вихідного потоку в напругу U3 протягом заданого інтервалу часу Dt, вимірюють її, запам'ятовують отримане значення напруги U3, знову заповнюють камеру порівняння складаної кювети розчином з нормованою за значенням концентрацією С 1 досліджуваної речовини, пропускають через складану кювету з те хнологічними розчинами С х та С1 потік Ф0 монохроматичного випромінювання та перетворюють потужність вихідного потоку в напругу U4, вимірюють її, запам'ятовують отримане значення напруги U4 і визначають концентрацію речовини у відповідності із заданим рівнянням надлишкових вимірювань, перед заповненням камери порівняння складаної кювети технологічним розчином з концентрацією С2, яка перевищує концентрацію С 1 на величину DС0, значення якої {АС0} = 2×{АС} = {С2}-{С1}, причому ({АС} >(3...5){σ}, де σ - середньоквадратичне відхилення значень похибки n результатів вимірювань за надійною імовірністю Р=0,95), послаблюють потужність потоку Ф0 монохроматичного випромінювання в kn рази, пропускають його через складану кювету, камера порівняння якої заповнена розчином з концентрацією С 1, перетворюють потужність вихідного потоку в напругу U1n протягом заданого інтервалу часу Dt, після вимірювання та запам'ятовування отриманого значення напруги U1n визначають потужність Ф1 темнового потоку згідно з рівнянням величин в неявній формі де kn - коефіцієнт послаблення потоку Ф0 мо0 нохроматичного випромінювання, причому kn = 1 ; k1 та k2 - коефіцієнти поглинання досліджуваної речовини та розчинника, відповідно; С1, С2 - концентрація розчинів порівняння; Воn - показник оптичного 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; S'н - крутість перетворення монохроматичного випромінювання у напругу; U1n - напруга, що отримана в результаті перетворення потужності послабленого потоку монохроматичного випромінювання, а концентрацію досліджуваної речовини визначають у відповідності з рівнянням надлишкових вимірювань в неявній формі 7 80037 де U1, U2, U3, U4 - напруги, що отримані в результаті перетворень потужності потоку монохроматичного випромінювання, яке пройшло через складану кювету з зазначеними концентраціями розчинів; Сх - концентрація досліджуваної речовини; Фt - потужність темнового потоку, яка визначена згідно вищезазначеного рівняння величин. На рис. приведена структурна схема пристрою для вимірювання концентрації досліджуваної газоподібної або рідинної речовини у технологічних середовищах, де 1 - джерело монохроматичного випромінювання, 2 - напівпрозора пластинка, 3 та 4 - фокусуючі лінзи, 5 - складана кювета, 6 - робоча камера (для досліджуваного розчину), 7 - камера порівняння (для розчину з нормованою за значенням концентрацією), 8 -приймач оптичного випромінювання з передпідсилювачем, 9 - інтегруючий підсилювач, 10 - цифровий мілівольтметр. Причому вздовж оптичної вісі розташовані послідовно з'єднані між собою джерело 1 монохроматичного випромінювання, напівпрозоре дзеркало 2, фокусуючі лінзи 3 та 4, складана кювета 5 з робочою камерою 6 для досліджуваного розчину та камерою порівняння 7 для розчину з нормованою концентрацією і приймач 8 оптичного випромінювання з передпідсилювачем, вихід якого через інтегруючий підсилювач 9 з'єднаний зі входом цифрового мілівольтметра 10. Суть запропонованого способу полягає в наступному. Формують потік монохроматичного випромінювання заданої потужності Ф0 та довжини хвилі l. Заповнюють камеру порівняння технологічним розчином з нормованою за значенням концентрацією С1 досліджуваної речовини. Пропускають через складану кювету з цим розчином потік Ф0 монохроматичного випромінювання. Перетворюють потужність вихідного потоку протягом заданого інтервалу часу Dt в дійсне значення напруги де Фt - потужність темнового потоку; k1 та k2 коефіцієнти поглинання, відповідно, досліджуваної речовини та технологічного розчинника; Воn показник оптичного послаблення, що вноситься стінками кювети та елементами оптичного тракту; Вск - показник забруднення скла робочої камери кювети; l1 та І 2 - товщини робочої камери та камери порівняння, відповідно; S'н - крутість перетворення монохроматичного випромінювання у напругу, причому { S'н } = {Sн}(1 + gн), де gн ={DS}/{Sн) відносне відхилення параметра від номінального значення під дією дестабілізуючих факторів; DU’ зміщення функції перетворення з урахуванням похибки від дрейфу н уля підсилювача, причому {DU'}= {DU}+ {D aд}, де D aд - адитивна похибка. 8 Вимірюють та запам'ятовують отримане значення вихідної напруги U1 (1). Після вимірювання та запам'ятовування отриманого значення напруги U1, послаблюють потужність потоку Ф0 монохроматичного випромінювання в kn рази. Пропускають його через складану кювету, камера порівняння якої заповнена розчином з концентрацією С 1. Перетворюють потужність вихідного потоку в напругу U1n протягом заданого інтервалу часу Δt в дійсне значення напруги де kn - коефіцієнт послаблення потоку Ф0 мо0 нохроматичного випромінювання, причому kn = 1 . Напругу U1n (2) вимірюють, а отримане значення запам'ятовують. Після вимірювання та запам'ятовування отриманого значення напруги U1n визначають потужність Фt темнового потоку згідно з рівнянням величин Після визначення потужності Фt темнового потоку заповнюють камеру порівняння розчином з нормованою за значенням концентрацією С 2 досліджуваної речовини. Причому, значення концентрації С2 перевищує значення концентрації С 1 на величину DС0, значення якої {DС0} = 2×{DС} = {С2}{С1}. Значення приросту DС вибирається таким, що могло бути визначено з необхідною точністю за шкалою вимірювального приладу, тобто де σ - середньоквадратичне відхилення похибки n результатів вимірювань з імовірністю Р=0,95. Пропускають через складану кювету з цим розчином потік Ф0 монохроматичного випромінювання. Перетворюють потужність вихідного потоку протягом заданого інтервалу часу Dt в дійсне значення напруги Вимірюють та запам'ятовують отримане значення вихідної напруги U2 (4). Після вимірювання та запам'ятовування отриманого значення напруги U2 заповнюють робочу камеру технологічним розчином з невідомою концентрацією Сх досліджуваної речовини. Пропускають потік Ф0 монохроматичного випромінювання через складану кювету з технологічними розчинами С х та С2. Перетворюють потужність вихідного потоку випромінювання протягом заданого інтервалу часу Dt в дійсне значення напруги Напругу U3 (5) вимірюють, а отримане значення запам'ятовують. 9 80037 Знову заповнюють камеру порівняння розчином з нормованою за значенням концентрацією С 1 досліджуваної речовини. Пропускають потік Ф0 монохроматичного випромінювання через складану кювету з технологічними розчинами С х та С1. Перетворюють потужність вихідного потоку протягом заданого інтервалу часу Dt в дійсне значення напруги Вимірюють та запам'ятовують отримане значення напруги U4 (6). Вибір однакового за значенням інтервалу часу Dt обумовлено необхідністю забезпечення рівноточностних вимірювань напруг U1 , U1n , U2 , U3 та U4. Після проведення зазначених операцій вимірювання, визначають концентрацію досліджуваної речовини у відповідності з рівнянням надлишкових вимірювань де U1, U2, U3, U4 - напруги, що отримані в результаті перетворень потужності потоку монохроматичного випромінювання, яке пройшло через складану кювету з зазначеними концентраціями розчинів. Встановлено, що результат вимірювання концентрації речовин не залежить від потужності потоку Ф0 монохроматичного випромінювання, темнового потоку Фt, показника Воn оптичного послаблення, що вноситься стінками кювети та елементами оптичного тракту, показника Вск забруднення скла робочої камери кювети, від нормованих за значенням концентрацій С 1 тa С2 розчинів порівняння, коефіцієнтів поглинання k1 та k2 досліджуваної речовини та розчинника, відповідно, а також від лінійних розмірів l1 та l2 та їх відхилень від номінальних значень. Вплив зазначених параметрів та коефіцієнтів на похибку вимірювання виключається шляхом обробки проміжних вимірювань згідно рівнянню величин (7). Таким чином, запропонований спосіб надлишкового вимірювання концентрації речовин забезпечує підвищення точності вимірювання в широкому діапазоні значень концентрацій. Визначення значення потужності темнового потоку фотоприймача та використання цього значення при визначенні концентрації речовин забезпечує можливість використання запропонованого способу у випадках заміни одного фотоприймача іншим того ж типу. Тобто, те хнологічна розбіжність параметрів фотоприймача, при якій має місце змі' на параметрів Sн та Φt , не впливає на точність визначення концентрації речовин. Розглянемо суть запропонованого способу на прикладі роботи пристрою для вимірювання концентрації речовини (див. Фіг.) Цикл вимірювання складається з п'я ти тактів вимірювання та такту обчислення. 10 Вмикають живлення установки. В результаті на відліковому пристрої цифрового мілівольтметра 10 висвітлюються нулі. Джерело 1 монохроматичного випромінювання генерує випромінювання заданої потужності Ф0 та довжини хвилі l. В першому такті вимірювання заповнюють камеру порівняння 7 складаної кювети 5 розчином з нормованою за значенням концентрацією С 1 досліджуваної речовини. Пропускають через складану кювету 5 з розчином потік Ф0 монохроматичного випромінювання від джерела 1. Перетворюють потужність вихідного потоку за допомогою фотоприймача 8 в електричну напругу. Вимірюють напругу U1 (1) на виході інтегруючого підсилювача 9 за допомогою цифрового мілівольтметра 10. Отримане значення N1 ({N1} = {S} {U1}, де S - крутість перетворення напруги в цифровий код) запам'ятовують. В другому такті вимірювання послаблюють потужність потоку Ф0 монохроматичного випромінювання в kn рази шляхом введення в зону проходження потоку напівпрозорої пластинки 2 (положення 2 на рис.). Пропускають ослаблений потік через складану кювету 5, камера порівняння 7 якої заповнена розчином з концентрацією С 1. Перетворюють потужність вихідного потоку за допомогою фотоприймача 8 в електричну напругу. Вимірюють напругу U1n (2) на виході інтегруючого підсилювача 9 за допомогою цифрового мілівольтметра 10. Отримане значення Ν 1n {{Ν1n} = {S} {U1n}) запам'я товують. В третьому такті вимірювання зливають розчин, що знаходився у камері порівняння 7 складаної кювети 5 і заповнюють її розчином з нормованою за значенням концентрацією С2 досліджуваної речовини. Пропускають через складану кювету 5 з розчином потік Ф0 монохроматичного випромінювання від джерела 1. Перетворюють потужність вихідного потоку за допомогою фотоприймача 8 в електричну напругу. Аналогічним чином, вимірюють і запам'ятовують отримане значення N2 ({N2} = {S} {U2}) напруги U2 (4) на ви ході інтегруючого підсилювача 9. В четвертому такті вимірювання заповнюють робочу камеру 6 складаної кювети 5 технологічним розчином з невідомою концентрацією С х досліджуваної речовини. За допомогою цифрового мілівольтметра 10 вимірюють напругу U3 (5) на виході інтегруючого підсилювача 9. Отримане значення N3 ({N3} = {S} {U3}) запам'ятовують. В п'ятому такті вимірювання зливають розчин, що знаходився у камері порівняння 7, заповнюють камеру порівняння розчином з концентрацією С 1 досліджуваної речовини. Як і в попередніх тактах вимірюють і запам'ятовують отримане значення N4 ({N4} = {S} {U4}) напруги U4 (6) на виході інтегруючого підсилювача 9. Визначають потужність Фt темнового потоку за результатами проміжних вимірювань згідно з рівнянням числових значень яке відповідає рівнянню величин (3). 11 80037 12 З врахуванням отриманого значення Фt визначають концентрацію досліджуваної речовини за результатами проміжних вимірювань у відповідності з рівнянням числових значень яке відповідає рівнянню надлишкових вимірювань (7). Не складно переконатися, що, дійсно, за допомогою запропонованих рівнянь надлишкових вимірювань забезпечується одержання позитивного ефекту. Для цього в рівняння (7) необхідно підставити вирази (2),(4)-(6) та значення Фt, що визначається з виразу (3). Таким чином, зміна умов виконання операцій, а також використання нових рівнянь надлишкових вимірювань дає можливість підвищити точність і розширити діапазон вимірювання концентрації при логарифмічній функції перетворення потужності монохроматичного випромінювання у напругу. Зокрема, підвищення точності вимірювання концентрації досягнуто за рахунок автоматичного виключення впливу на результат вимірювання абсолютних значень параметрів нелінійної функції перетворення фотоприймача та їх відхилень від номінальних значень. Таким чином, запропонований спосіб забезпечує вирішення зазначеної технічної задачі. Комп’ютерна в ерстка Л. Купенко 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