Пристрій для вимірювання концентрації токсичних елементів

Реферат: Пристрій для вимірювання концентрації токсичних елементів складається із електрохімічної комірки, де розміщено вимірювальний та допоміжний електроди, аналого-цифрового перетворювача, цифро-аналогового перетворювача, набору каліброваних резисторів та мікропроцесора. Вихід мікропроцесора та вихід аналого-цифрового перетворювача через блок слідкування за потенціалом інверсії в реальному часі підключені до другого входу блока формування напруги розчинення. UA 87780 U (54) ПРИСТРІЙ ДЛЯ ВИМІРЮВАННЯ КОНЦЕНТРАЦІЇ ТОКСИЧНИХ ЕЛЕМЕНТІВ UA 87780 U UA 87780 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до вимірювальної техніки, а саме до електрохімічного аналізу, і може бути використана для створення апаратно-програмованих пристроїв для аналізу іонних розчинів у різних галузях науки і техніки, промисловості, екології, сільського господарства, а також для аналітичних досліджень багатокомпонентних розчинів у широкому діапазоні концентрацій. Використання імпульсних та інверсійних способів при вимірюванні концентрації токсичних елементів в іонних розчинах дозволяє збільшити чутливість вимірювання щонайменше на 2030 % (Галімова В.М., Карнаухов О.І., Суровцев І.В. Топохімічні електродні реакції в інверсійних методах аналізу /Аграрна наука і освіта, 2005. - Т. 6, № 1-2. С. 42-55; Татаринов А.Э., Суровцев И.В. Использование методов импульсной хронопотенциометрии при измерении концентрации тяжелых металлов // Вісник ВПІ. - Вінниця, Вінницький НТУ. - 2006. - № 6 (69). - С. 101-105). Такий підхід реалізовано у пристроях інверсійної вольтамперометрії (Патент РФ № 2408879. G01N 27/48. Способ инверсионной вольтамперометрии / Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Казанский государственный технический университет им. А.Н. Туполева /М.Р. Вяселев, Г.К. Будников, А.И. Галимов. Опубл. 10.01.2011). Недоліками цих пристроїв є необхідність вимірювання низьких значень струму (на рівні нано- та пікоампер) та наявність ємнісних струмів, для врахування яких значно ускладнюється конструкція пристосувань, однак наявна нестійкість вимірів, що виявляється у багаторазовому повторенні і контролі циклів осадження - розчинення на вимірювальному електроді, складності розрахунку фарадеївського заряду для оцінки концентрації компонентів розчину (Патент РФ № 2199734. G01N 27/48 / С.В. Соколков, П.Н. Загороднюк, А.Н. Карженков, А.В. Сырский. Способ электрохимического анализа. - Опубл. 27.02.2003). Найбільш близьким за хімічною суттю і досягнутим результатом до пропонованої корисної моделі є "Аналого-цифровий електрохімічний пристрій для вимірювання параметрів розчинів" (заявка на винахід № а 2012 06459 від 28.05.2012, І.В. Суровцев, В.А. Копілевич, В.М. Галімова, І.А. Мартинов, О.В. Бабак). Суть корисної моделі полягає в наступному: аналого-цифровий електрохімічний пристрій для вимірювання параметрів розчинів, що складається з електрохімічної комірки, де розміщено вимірювальний та допоміжний електроди, аналого-цифрового перетворювача (АЦП), цифроаналогового перетворювача (ЦАП), набору каліброваних резисторів та мікропроцесора і при цьому вихід вимірювального електроду з'єднаний через АЦП з першим входом мікропроцесора, перший вихід якого з'єднаний через ЦАП з першим входом набору каліброваних резисторів, другий вихід мікропроцесора підключений до другого входу набору каліброваних опорів, вихід якого з'єднаний з вимірювальним електродом, а другий вхід мікропроцесора з'єднаний через канал зв'язку з системою керування, третій вихід мікропроцесора через блок формування напруги розчинення (БФНР) з'єднаний з ЦАП. Згідно з методом імпульсної інверсійної хронопотенціометрії (далі ІІХП), реалізованому у приладі, вимірювання концентрації іонів важких металів здійснюється наступним чином: на вимірювальному електроді спочатку здійснюється електрохімічне концентрування іонів металу із розчину, а потім виконується вимірювання потенціалів інверсії в часі до потенціалу завершення при заданому опорі окислювального ланцюга, при заданому потенціалі напруги розчинення та з накладеними на сигнал постійними прямокутними імпульсами приросту потенціалу однієї полярності. Між імпульсами відбувається пряма інверсія - вимірювальний електрод розряджається на калібрований резистор окислювального ланцюга. Однак недоліком відомого приладу є те, що при виконанні вимірювання ряду хімічних елементів, які за електрохімічними властивостями явно слабкіші, ніж важкі метали та токсичні елементи (свинець, кадмій, цинк, мідь, олово, нікель, кобальт, ртуть, миш'як), а саме таких як, іони J (йоду), Be (берилію), NO3 (нітратів) та інших, виникає процес "зависання" вимірювання інверсії. Так, якщо для процесу інверсії за методом ІІХП задаються параметри імпульсів з позитивним приростом потенціалу, то для цих елементів інверсія відбувається дуже швидко і переваг використання методу ІІХП не відчувається; якщо задаються параметри імпульсів з негативним приростом потенціалу, то процес інверсії не закінчується (процес інверсії не доходить до заданого потенціалу завершення) і "зависає". Звичайний метод інверсійної хронопотенціометрії (ІХП) виконується ("не зависає"), але має недостатню чутливість і не може бути використаний для вимірювання концентрації цих елементів. Загальними ознаками прототипу та пропонованої корисної моделі є те, що пристрій для вимірювання концентрації токсичних елементів складається із електрохімічної комірки, де розміщено вимірювальний та допоміжний електроди, аналого-цифрового перетворювача (АЦП), цифро-аналогового перетворювача (ЦАП), набору каліброваних резисторів та мікропроцесора і при цьому вихід вимірювального електроду з'єднаний через АЦП з першим входом 1 UA 87780 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 мікропроцесора, перший вихід якого з'єднаний через ЦАП з першим входом набору каліброваних резисторів, другий вихід мікропроцесора підключений до другого входу набору каліброваних резисторів, вихід якого з'єднаний з вимірювальним електродом, а другий вхід мікропроцесора з'єднаний через канал зв'язку з системою керування, причому третій вихід мікропроцесора через перший вхід блока формування напруги розчинення (БФНР) з'єднаний з ЦАП. В основу корисної моделі поставлено задачу розробити пристрій для вимірювання мікроконцентрацій важких металів, токсичних елементів та іонів із слабкими електрохімічними 3 властивостями в розчині проби від 0,0001 до 5,0 мкг/см з позитивним та негативним потенціалом інверсії та скорочення часу вимірювання на 20-40 % порівняно з іншими методами інверсійної хронопотенціометрії. Поставлена задача вирішується тим, що у пристрої для вимірювання концентрації токсичних елементів, що складається із електрохімічної комірки, де розміщено вимірювальний та допоміжний електроди, аналого-цифрового перетворювача (АЦП), цифро-аналогового перетворювача (ЦАП), набору каліброваних резисторів та мікропроцесора і при цьому вихід вимірювального електроду з'єднаний через вихід АЦП з першим входом мікропроцесора, перший вихід якого з'єднаний через ЦАП з першим входом набору каліброваних резисторів, другий вихід мікропроцесора підключений до другого входу набору каліброваних резисторів, вихід якого з'єднаний з вимірювальним електродом, другий вхід мікропроцесора з'єднаний через канал зв'язку з системою керування, причому третій вихід мікропроцесора через перший вхід блока формування напруги розчинення (БФНР) з'єднаний з ЦАП, четвертий вихід мікропроцесора та вихід АЦП через блок слідкування за потенціалом інверсії в реальному часі (БСПІ) підключені до другого входу БФНР. На фіг. 1 та 2, відповідно, зображені блок-схема пристрою та часова діаграма його роботи. При цьому пристрій для вимірювання концентрації токсичних елементів складається з електрохімічної комірки 1, де розміщено вимірювальний 2 та допоміжний електроди 3, аналогоцифрового перетворювача (АЦП) 4, цифро-аналогового перетворювача (ЦАП) 6, набору каліброваних резисторів 5 та мікропроцесора 7; причому вихід вимірювального електрода 2 з'єднаний через АЦП 4 з першим входом мікропроцесора 7, перший вихід якого з'єднаний через ЦАП 6 з першим входом набору каліброваних резисторів 5, а другий вихід мікропроцесора 7 підключений до другого входу набору каліброваних резисторів 5, вихід якого з'єднаний з вимірювальним електродом 2. Одночасно другий вхід мікропроцесора 7 з'єднаний через канал зв'язку 8 з системою керування, а третій вихід мікропроцесора 7 через блок формування напруги розчинення (БФНР) 9 з'єднаний з ЦАП 6, причому четвертий вихід мікропроцесора 7 та вихід АЦП 4 через блок слідкування за потенціалом інверсії в реальному часі (БСПІ) 10 підключені до другого входу БФНР 9 і цим відрізняється від прототипу. За такої будови пристрою вимірювання новим методом диференціальної імпульсної хронопотенціометрії (ДІХП) концентрації важких металів, токсичних елементів та іонів із слабкими електрохімічними властивостями, з негативним і позитивним потенціалами інверсії, здійснюється шляхом електрохімічного концентрування на вимірювальному електроді іонів із розчину, а потім виконується вимірювання в часі потенціалів їх розчинення (інверсії) при заданому опорі окислювального ланцюга. Тривалість часу інверсії іонів елементу є прямо пропорційна його концентрації у розчині за постійних електрохімічних параметрах вимірювання. За цією корисною моделлю згідно з методом ДІХП в процесі інверсії на сигнал по черзі накладаються прямокутні імпульси: імпульс з позитивним приростом потенціалу, а потім імпульс з негативним приростом потенціалу, тобто виконується непряма інверсія, причому значення позитивного та негативного приросту потенціалу різні, але постійні протягом інверсії, що регулюється за допомогою блока слідкування за потенціалом інверсії в реальному часі (БСПІ). Це дає можливість не "зависати" процесу інверсії при вимірюванні концентрації іонів із слабкими електрохімічними властивостями, а з іншого боку, збільшити чутливість та зменшити час вимірювання концентрації інших іонів як з негативними так і позитивними потенціалами інверсії. Пристрій працює наступним чином (див. фіг. 1, 2). По каналу зв'язку 8 мікропроцесор 7 приймає з системи управління параметри вимірювання: Uk - потенціал концентрування; tk - час концентрування; Up - потенціал напруги розчинення; (+∆U1) - значення позитивного приросту потенціалу імпульсу; t1 - період часу позитивного імпульсу; (-∆U2) - значення негативного приросту потенціалу імпульсу; t2 - період часу негативного імпульсу; R - значення заданого опору окислювального ланцюга; U0 - потенціал закінчення вимірювання. 2 UA 87780 U 5 10 15 20 25 30 35 Перед початком вимірювання мікропроцесор 7 передає на блок слідкування за потенціалом інверсії в реальному часі (БСПІ) 10 цифрові значення параметрів позитивного імпульсу (+∆U 1), t1, негативного імпульсу (-∆U2), t2 та значення потенціалу закінчення вимірювання U0. Спочатку мікропроцесор 7 запускає режим концентрування. Для цього він подає на ЦАП 6 цифрове значення потенціалу концентрування Uk, його аналогове значення циклічно подається на вимірювальний електрод 2 впродовж періоду часу t k. Після закінчення часу tk мікропроцесор 7 передає на вхід набору каліброваних опорів 5 значення заданого опору окислювального ланцюга R та відключає ЦАП 6 - починається режим непрямої інверсії. На початку режиму інверсії мікропроцесор 7 передає на вхід БФНР 9 цифрове значення потенціалу напруги розчинення Up, при цьому включається БФНР 9, який циклічно під час всього режиму інверсії через ЦАП 6 передає короткочасні імпульси потенціалу напруги розчинення на вимірювальний електрод 2. Значення потенціалу інверсії Ui із електроду 2 через АЦП 4 послідовно надходить на вхід БСПІ 10 і на вхід мікропроцесора 7 та через канал зв'язку 8 передається в систему керування. Під час процесу інверсії у реальному часі БСПІ 10 аналізує поточні значення потенціалу інверсії Ui та підраховує середнє значення Ucp із 4 поточних значень Ui для зменшення впливу "шуму" АЦП 4. Після закінчення періоду часу t 2 (tk) БСПІ 10 добавляє до середнього значення Ucp значення ∆U1 та циклічно передає значення (Ucp+∆U1) через БФНР 9 та ЦАП 6 на вимірювальний електрод 2 впродовж періоду часу t1. Після закінчення періоду часу t1 БСПІ 10 віднімає від середнього значення Ucp значення ∆U2 та циклічно передає значення (Ucp-∆U2) через БФНР 9 та ЦАП 6 на вимірювальний електрод 2 впродовж періоду часу t 2. БСПІ 10 повторює зчитування потенціалів інверсії із АЦП 4 та виконання імпульсів доти, поки поточне значення потенціалу інверсії Ui не стане більше, ніж потенціал закінчення вимірювання U0. Часова діаграма, зображена на фіг. 2, ілюструє роботу основних блоків пристрою, зображених на фіг. 1 (на графіку вихідних потенціалів U блока 7, 9, 6 - діаграма періодичних короткочасних значень напруги розчинення Up; на графіку вихідних потенціалів U блока 5, 10, 9, 6 - діаграма імпульсів (Ucp+∆Ui) та (Ucp-∆U2); на графіку вихідних потенціалів U блока 4 узагальнені значення сигналу інверсії Ui. З описаного вище випливає, що запропонований пристрій може бути реалізовано за допомогою існуючих на даний час технічних засобів для вимірювання рідких проб на вміст іонів в широкому діапазоні концентрацій, характерних для природних біогеохімічних об'єктів. Позитивний ефект від використання запропонованого пристрою досягається за рахунок можливості визначення мікроконцентрацій іонів із слабкими електрохімічними властивостями, а також важких металів та токсичних елементів з негативним і позитивним потенціалами інверсії в 3 рідких пробах у необхідних для практики діапазонах (від 0,0001 до 5,0 мкг/см ), збільшення чутливості та скорочення часу вимірювання на 20-40 % порівняно з іншими методами інверсійної хронопотенціометрії. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 40 45 50 Пристрій для вимірювання концентрації токсичних елементів, що складається із електрохімічної комірки, де розміщено вимірювальний та допоміжний електроди, аналого-цифрового перетворювача, цифро-аналогового перетворювача, набору каліброваних резисторів та мікропроцесора, і при цьому вихід вимірювального електроду з'єднаний через аналогоцифровий перетворювач з першим входом мікропроцесора, перший вихід якого з'єднаний через цифро-аналоговий перетворювач з першим входом набору каліброваних резисторів, другий вихід мікропроцесора підключений до другого входу набору каліброваних резисторів, вихід якого з'єднаний з вимірювальним електродом, а другий вхід мікропроцесора з'єднаний через канал зв'язку з системою керування, причому третій вихід мікропроцесора через перший вхід блока формування напруги розчинення з'єднаний з цифро-аналоговим перетворювачем, який відрізняється тим, що четвертий вихід мікропроцесора та вихід аналого-цифрового перетворювача через блок слідкування за потенціалом інверсії в реальному часі підключені до другого входу блока формування напруги розчинення. 3 UA 87780 U Комп’ютерна верстка С. Чулій Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4