Спосіб визначення концентрації речовини

Спосіб визначення концентрації речовини, за яким формують монохроматичне ультрафіолетове випромінювання заданої інтенсивності та довжини хвилі, заповнюють камеру порівняння складаної кювети розчином з нормованою за розміром концентрацією C1 досліджуваної речовини, а робочу камеру - технологічним розчином з невідомою концентрацією C x , пропускають через складану кювету монохроматичне ультрафіолетове випромінювання та перетворюють його інтенсивність у відповідне дійсне значення електричної напруги, вимірюють та запам'ятовують отримане значення з подальшим визначенням концентрації у відповідності із заданим рівнянням надлишкових вимірювань, який відрізняється тим, що перед заповненням робочої камери складаної кювети технологічним розчином з концентрацією C x пропускають через складану кювету, камера порівняння якої заповнена розчином з концентрацією C1 , монохроматичне ультрафіолетове випромінювання, перетворюють його інтенсивність у електричну напругу U1 протягом заданого інтервалу 2 (19) 1 3 66644 4 стей монохроматичного ультрафіолетового виU5 - електрична напруга, що отримана в резульпромінювання, яке пройшло через складану кюветаті перетворення інтенсивності темпового потоку, ту з зазначеними концентраціями розчинів; n2 2 коефіцієнт пропорційності. Винахід відноситься до спектрофотометрії, зокрема, до вимірювання концентрації речовин та матеріалів за поглинанням ультрафіолетового випромінювання і може бути використаний для визначення концентрації речовин у технологічних розчинах 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 ультрафіолетове випромінювання розділяють на два потоки, один з яких пропускають через досліджувану речовину, а другий пропускають через послаблювач, перетворюють вихідні потоки у напруги Up і Uon, а про концентрацію досліджуваної речовини судять згідно з рівнянням вимірювання Uвих=UpK=cUp/Uon де с- коефіцієнт пропорційності. Недоліком цього способу є недостатня точність вимірювання та обмеженість діапазону значень концентрацій. Дані недоліки обумовлені 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 ультрафіолетового випромінювання стінками кювети та елементами оптичного тракту. Відомий спосіб визначення концентрації, що описаний в [а. с. Российской Федерации №2012868 G01N21/61 Бюл. №9, 1994г.], який полягає в тому, що формують монохроматичне ультрафіолетове випромінювання заданої інтенсивності та довжини хвилі, заповнюють в певній послідовності складану кювету, яка містить робочу камеру і камеру порівняння заданих розмірів, досліджуваним технологічним розчином та розчином порівняння, пропускають через ці розчини монохроматичне ультрафіолетове випромінювання, перетворюють інтенсивності монохроматичного ультрафіолетового випромінювання, що пройшло через розчини, за допомогою фотоелектричного перетворювача у відповідні дійсні значення електричних напруг, запам'ятовують їх значення, а значення концентрації визначають згідно з заданим рівнянням надлишкових вимірювань. Недоліком цього способу також є недостатня точність вимірювання, обумовлена нестабільністю параметрів функції перетворення ультрафіолетового випромінювання у дійсні значення напруги. Крім того, відомий спосіб не виключає похибки, обумовленої поглинанням ультрафіолетового випромінювання стінками кювети та елементами оптичного тракту. Відомий також спосіб визначення концентрації [а. с. СССР №1807356 G01N21/85 Бюл. №13, 1993г.], в якому формують монохроматичне ультрафіолетове випромінювання, пропускають його через складану кювету, робоча камера якої заповнена досліджуваною речовиною, а камера порівняння - водою або іншим розчинником в якому відсутня досліджувана речовина, вимірюють довжину хвилі монохроматичного випромінювання до отримання мінімального значення електричної напруги U1, заповнюють камеру порівняння розчином порівняння з концентрацією, яка дозволяє змінити електричну напругу на величину, що перевищує чутливість приймача випромінювання, вимірюють відповідну електричну напругу U2, знову заповнюють камеру порівняння розчином порівняння та вимірюють довжину хвилі монохроматичного випромінювання до значення, при якому значення електричної напруги кратне порогу чутливості приймача випромінювання, вимірюють відповідну електричну напругу U3 а концентрацію визначають у відповідності за аналітичним співвідношенням де Q - концентрація досліджуваної речовини; Q - концентрація речовини порівняння; ( ) - показник частотної дисперсії коефіцієнту поглинання речовини порівняння, який визначається в процесі калібрування; l1 та l2 - товщини робочої камери та камери порівняння, відповідно. Відомий спосіб виключає похибку, обумовлену поглинанням ультрафіолетового випромінювання стінками кювети та елементами оптичного тракту. Однак, відомому способу притаманні наступні недоліки. Відомий спосіб не забезпечує високу точність формування різних довжин хвиль та визначення показника частотної дисперсії коефіцієнту поглинання. Відомий спосіб потребує використання складаної кювети з відомими лінійними розмірами. Вплив зовнішніх факторів навколишнього середовища (наприклад, температури) призводить до зміни лінійних розмірів l1 та l2 складаної кювети. Згідно з рівнянням вимірювання (1), зміна лінійних розмірів приводить до додаткових похибок вимірювання концентрації Cx. Недоліком відомого способу визначення концентрації є також необхідність логарифмування вихідного сигналу фотоприймача. Реалізація операції логарифмування за допомогою аналогових логарифматорів не може бути здійснена з великою точністю. Ще одним недоліком відомого способу є необхідність високоточного визначення показника частотної 5 66644 6 дисперсії коефіцієнту поглинання. Це також призапам'ятовування отриманого значення зливають водить до зростання мультиплікативної складової технологічні розчини з складаної кювети, виклюпохибки вимірювання концентрації Cx. чають проходження монохроматичного ультрафіВ основу винаходу покладена задача створенолетового випромінювання через незаповнені каня такого способу визначення концентрації, в якомери складаної кювети і перетворюють му шляхом зміни умов виконання операцій, забезінтенсивність темнового потоку у напругу U5 протяпечилось би підвищення точності вимірювання при гом заданого інтервалу часу t, вимірюють та занестабільній функції перетворення інтенсивності пам'ятовують отримане значення, а концентрацію ультрафіолетового випромінювання у напругу. досліджуваної речовини визначають у відповідноПоставлена задача вирішується тим, що в сті з рівнянням надлишкових вимірювань способі визначення концентрації речовини, при якому формують монохроматичне ультрафіолетове випромінювання заданої інтенсивності та довжини хвилі, заповнюють камеру порівняння складаної кювети розчином з нормованою за розміром концентрацією С1 досліджуваної речовини, а робочу камеру - технологічним розчином з невідомою концентрацією Cx, пропускають через склададе С1 та C2 - нормовані за розміром концентну кювету монохроматичне ультрафіолетове рації розчинів порівняння; коефіцієнт пропорційновипромінювання та перетворюють його інтенсивсті n2=2. ність у відповідне дійсне значення електричної На Фіг. приведена структурна схема пристрою напруги, вимірюють та запам'ятовують отримане для вимірювання концентрації досліджуваної резначення з подальшим визначенням концентрації човини у технологічних розчинах у діапазоні ульту відповідності із заданим рівнянням надлишкових рафіолетових довжин хвиль, де 1 - джерело моновимірювань, перед заповненням робочої камери хроматичного випромінювання, 2 та 3 - фокусуючі складаної кювети технологічним розчином з конлінзи ультрафіолетового випромінювання, 4 центрацією Cx, пропускають через складану кювескладана кювета, 5 - робоча камера для досліджуту, камера порівняння якої заповнена розчином з ваного розчину, 6 - камера порівняння для розчину концентрацією C1, монохроматичне ультрафіолез нормованою концентрацією, 7 - приймач оптичтове випромінювання, перетворюють його інтенного випромінювання з передпідсилювачем, 8 сивність в напругу (U1 протягом заданого інтерваквадратор, 9 - керований інтегратор, 10 - узгоджулу часу t, після вимірювання та запам'ятовування ючий підсилювач, 11 - цифровий мілівольтметр. отриманого значення заповнюють камеру порівПричому вздовж оптичної вісі розташовані посліняння розчином з нормованою за розміром концедовно з'єднані між собою джерело 1 монохромантрацією C2 досліджуваної речовини тичного випромінювання, фокусуючі лінзи 2 та З ({C2}={C1}+{ C}, де { С}>3{ }, - середньоквадраультрафіолетового випромінювання, складана тичне відхилення значень похибки я результатів кювета 4 з робочою камерою 5 для досліджувановимірювань за надійною імовірністю Р=0,95), прого розчину та камерою порівняння 6 для розчину з пускають через складану кювету з зазначеним нормованою концентрацією і приймач 7 оптичного розчином монохроматичне ультрафіолетове вивипромінювання з передпідсилювачем, вихід якого промінювання, перетворюють його інтенсивність в через квадратор 8, керований інтегратор 9, узгонапругу U2 протягом заданого інтервалу часу t, джуючий підсилювач 10 з'єднаний зі входом цифвимірюють та запам'ятовують отримане значення, рового мілівольтметра 11. заповнюють робочу камеру технологічним розчиСуть запропонованого способу полягає в наном з концентрацією Cx, пропускають через скластупному. Формують монохроматичне ультрафіодану кювету з зазначеними розчинами монохролетове випромінювання заданої інтенсивності I0 та матичне ультрафіолетове випромінювання, довжини хвилі . Заповнюють камеру порівняння перетворюють його інтенсивність в напругу U3 технологічним розчином з нормованою за розміпротягом заданого інтервалу часу t, вимірюють та ром концентрацією Су досліджуваної речовини. запам'ятовують отримане значення, заповнюють Пропускають через складану кювету з цим розчикамеру порівняння розчином з концентрацією C1, ном монохроматичне ультрафіолетове випроміздійснюють перетворення інтенсивності монохронювання. Перетворюють його інтенсивність протяматичного ультрафіолетового випромінювання, гом заданого інтервалу часу А; в дійсне значення яке пройшло через технологічні розчини з конценнапруги траціями С1 та Cx, в напругу U4 також протягом заданого інтервалу часу t, після вимірювання та де t1 - час вимірювання ({ t1} = {t1}-{t0} = { t}); u1(t) - напруга, яка отримана в результаті перетворення інтенсивності ультрафіолетового випромінювання, що пройшло через складану кювету з розчином концентрації C1; k1 та k2 коефіцієнти поглинання, відповідно, досліджуваної речовини та технологічного розчину; Bon - оптичне послаблення, що вноситься стінками кювети та елементами 7 66644 8 оптичного тракту; Bcn - показник забруднення скла центрації C2 відрізняється від попереднього знаробочої камери кювети; l1 та l2- товщини робочої чення C1 на значення С. Останнє вибирається камери та камери порівняння, відповідно; S’л - крутаким, що могло бути визначено з необхідною точтизна перетворення ультрафіолетового випроміністю за шкалою вимірювального приладу, тобто нювання у напругу, причому {S’л}={Sл}(1+ л), де л={ S}/{Sл} - відносна похибка чутливості від зміни нахилу характеристики фотоелектричного перетворення під дією дестабілізуючих факторів; U’ де - середньоквадратичний відхил похибки я зміщення функції перетворення з урахуванням результатів вимірювань за надійною імовірністю похибки від нестабільності положення функції пеР=0,95. ретворення, причому { U’}={ U}+{ ад}, де ад Пропускають через складану кювету з цим роадитивна похибка. зчином монохроматичне ультрафіолетове випроПісля вимірювання та запам'ятовування отримінювання. Перетворюють його інтенсивність проманого значення U1, заповнюють камеру порівнянтягом заданого інтервалу часу t в дійсне ня тим самим розчином, але з нормованою за розначення напруги зміром концентрацією C2({С2}={С1}+{ С}) досліджуваної речовини. Причому, значення кон де t2 - час вимірювання ({ t2}={tз}-{t2}={ t}); u2 (t) - напруга, яка отримана в результаті перетворення інтенсивності ультрафіолетового випромінювання, що пройшло через складану кювету з розчином концентрації С2. Після вимірювання та запам'ятовування отриманого значення U2 заповнюють робочу камеру технологічним розчином з невідомою концентрацією Cx досліджуваної речовини. Пропускають монохроматичне ультрафіолетове випромінювання через складану кювету з розчинами. Перетворюють його інтенсивність протягом заданого інтервалу часу t; в дійсне значення напруги де t3 - час вимірювання ({ t3}={t5}-{t6}={ t}); u4(t) - напруга, яка отримана в результаті перетворення інтенсивності ультрафіолетового випромінювання, що пройшло через складану кювету з розчинами концентрацій C1 та Cx. Після вимірювання та запам'ятовування отриманого значення U4 заповнюють камеру порівнян ня розчином з концентрацією Q досліджуваної речовини. Пропускають монохроматичне ультрафіолетове випромінювання через складану кювету з розчинами. Перетворюють його інтенсивність протягом заданого інтервалу часу t в дійсне значення напруги де t4 - час вимірювання ({ t4}={t7}-{t6}={ t}); u4(t) - напруга, яка отримана в результаті перетворення інтенсивності ультрафіолетового випромінювання, що пройшло через складану кювету з розчинами концентрацій C1 та Cx. Після вимірювання та запам'ятовування отриманого значення U4 зливають технологічні розчини зі складаної кювети. Виключають проходження монохроматичного ультрафіолетового випромінювання через незаповнені камери складаної кювети. Перетворюють інтенсивність темнового потоку протягом заданого інтервалу часу t в дійсне значення напруги u5(t) - напруга, яка отримана в результаті перетворення інтенсивності ультрафіолетового випромінювання, що пройшло через незаповнені камери складаної кювети. Вимірюють та запам'ятовують отримане значення вихідної напруги U5. Вибір однакового за значенням інтервалу часу t ( t1= t2= t3= t4= t5= t) обумовлено необхідністю забезпечення рівноточностних вимірювань напруг (U1, U2, U3, U4, U5). Визначають концентрацію досліджуваної речовини у відповідності з рівнянням надлишкових вимірювань де t5 - час вимірювання ({ t5}={t9}-{t8}={ t}); 9 66644 10 мілівольтметром 11 отримане значення N3 ({N3}={S}{U3}, напруги U3 на виході узгоджую чого підсилювача 10. В четвертому такті зливають розчин, що знаходився у камері порівняння 6, заповнюють камеру Розглянемо суть запропонованого способу на порівняння розчином з концентрацією С1 досліприкладі роботи пристрою вимірювання концентджуваної речовини. Як і в попередніх тактах вимірації (див. Фіг.). рюють і запам'ятовують цифровим мілівольтметВмикають живлення установки. В результаті ром 11 отримане значення N4 ({N4}={S}{U4}, на відліковому пристрої цифрового мілівольтметра напруги U4 на виході узгоджуючого підсилювача 11 висвітлюються нулі. Джерело 1 монохроматич10. ного випромінювання генерує ультрафіолетове В п'ятому такті зливають технологічні розчини випромінювання заданої інтенсивності I0 та довзі складаної кювети 4. Виключають проходження жини хвилі . монохроматичного ультрафіолетового випромінюВ першому такті вимірювання заповнюють кавання джерела 1 через незаповнені камери скламеру порівняння 6 складаної кювети 4 розчином з даної кювети і протягом часу t перетворюють нормованою за розміром концентрацією С1 досліінтенсивність темнового потоку за допомогою фоджуваної речовини. Пропускають через складану топриймача 7 в електричну напругу. Також вимікювету з розчином монохроматичне ультрафіолерюють і запам'ятовують цифровим мілівольтметтове випромінювання джерела 1. Перетворюють ром 11 отримане значення N5 ({N5}={S}{U5}, його інтенсивність за допомогою фотоприймача 7 напруги U5 на виході узгоджуючого підсилювача в електричну напругу u1 (t). Отримують середній 10. квадрат вихідної напруги фотоприймача 7 за доВизначають концентрацію досліджуваної репомогою квадратора 8. Інтегрують вихідну напругу човини у відповідності з рівнянням числових знаінтегратором 9 протягом заданого інтервалу часу чень t. Це може бути здійснено шляхом ввімкнення інтегратора в заданий момент часу та вимкнення його через інтервал часу t. Вимірюють і запам'ятовують цифровим мілівольтметром 11 отримане значення N1 ({N1}={S}{U1}, де S - крутість перетворення напруги в цифровий код) напруги U1, на виході узгоджуючого підсилювача 10. В другому такті вимірювання зливають розчин, що знаходився у камері порівняння б, заповнюють яке відповідає рівнянню надлишкових виїї тим самим розчином, але з нормованою за розмірювань (8). міром концентрацією C2 досліджуваної речовини. Покажемо, що, дійсно, за допомогою запропоАналогічним чином, як і в першому такті, вимірюнованих рівнянь надлишкових вимірювань забезють і запам'ятовують цифровим мілівольтметром печується одержання позитивного ефекту. Для 11 отримане значення N2 ({N2}={S}{U2}, напруги U2, цього в рівняння (8) підставимо вирази (2), (4)-(7). на виході узгоджуючого підсилювача 10. Тоді: В третьому такті заповнюють робочу камеру 5 складаної кювети 4 технологічним розчином з невідомою концентрацією Cx досліджуваної речовини. Знову вимірюють і запам'ятовують цифровим 11 Таким чином, введення нової сукупності та послідовності операцій вимірювання різних за розміром концентрацій і використання нового рівняння надлишкових вимірювань дало можливість підвищити точність вимірювання концентрації речовин у технологічних розчинах, зменшити час вимірювання за рахунок мінімізації кількості операцій та оптимізації порядку їх виконання. На відміну від прототипу, запропонований спосіб не потребує: використання керованого (двохвильового) джерела ультрафіолетового випромінювання; визначення з високою точністю 66644 12 показника частотної дисперсії коефіцієнту поглинання; використання складаної кювети з відомими лінійними розмірами; логарифмування електричного сигналу фотоприймача. Завдяки використанню нового рівняння надлишкових вимірювань у запропонованому способі виконання операції логарифмування здійснюється чисельними методами, що забезпечує додаткове підвищення точності визначення концентрації. Таким чином, запропонований спосіб забезпечує вирішення зазначеної технічної задачі. 13 Комп’ютерна верстка О.Воробєй 66644 Підписне 14 Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601