RU1793363C - Устройство дл определени концентрации растворенного вещества - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к анализу жидкостей и может быть использовано дл  контрол  концентрации вещества, растворенного в различных жидкост х, например непол рных полимеров в морской воде. Цель изобретени  - повышение точности измерений за счет компенсации погрешностей, вносимых воздействием внешних факторов. Устройство имеет эталонный и измерительный каналы. Погрешности измерени  компенсируютс  подбором материалов конструктивных элементов каналов по коэффициентам линейного расширени  и мо- дулю Юнга. Эталонный канал герметично отделен от исследуемой среды плоскогофрированным сильфоном. Устройство имеет возможности измен ть положение отражател  (длину каналов) в зависимости от условий измерени . 1 ил.;

Description

с/

С

Изобретение относитс  к анализу жид- й с помощью акустических колебаний может быть использовано дл  контрол  веществ, растворенных в 1чных жидкост х, например непол р- полимеров в морской воде.

кости

и

концентрации

раз л

ных

Известно устройство дл  определени  концзнтрации растворенного вещества, содержащее эталонный и измерительный каналы , измерительный канал выполнен прот эчным дл  исследуемого раствора, эталонный канал погружен в исследуемый раствор и герметично отделен от него подвижным элементом цилиндрической форг. ы и заполнен эталонной средой, воспринимающей давление в исследуемом расг творе через подвижный элемент.

Недостатками этого устройства  вл ютс  необходимость измер ть температуру и давление исследуемого раствора, необходимость использовани  при вычислении концентрации Сложных эмпирических зависимостей , невозможность измерений с за-, данной точностью при наличии в измер емой среде дисперсной фазы, забивающей поры мембран, больша  чувствительность к фоновым загр знени м растворител  или раствор емого вещества, существенное изменение чувствительности в различных по химическому составу рабочих и эталонных средах, что ограничивает

х|. ЧЭ OJ

GJ О

со

применение устройства в системах автоматического управлени  и контрол , быстрое отравление чувствительного элемента измерител  даже следами некоторых веществ.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению  вл етс  устройство определени  концентрации растворенного вещества, содержащее погруженные в контролируемую среду измерительный и эталонный акустические каналы, каждый из которых ограничен отражателем и электроакустическим преобразователем, эталонный канал заключен в сильфон, расположенный между электроакустическим преобразователем и отражателем, и герметично отделен от контролируемой среды , электронный блок генерации и измерени .

Недостатками известного устройства  вл ютс  низка  точность, обусловленна  отсутствием термобарокомпенсации акустических баз опорного и измерительного каналов и применением электроакустических преобразователей, работающих в разных режимах: в опорном канале в режиме обратимого электроакустического преобразовател , в измерительном - один в режиме излучени , а другой - в режиме приема, что обуславливает разные величины паразитных задержек в электронных цеп х устройств , при этом электронный блок устройства суммирует паразитные задержки , так как электроакустические кольца сое- динены последовательно; отсутствие возможности мен ть величины акустических баз обоих каналов в зависимости от скоростей звука в контролируемых и эталонных средах, что существенно ограничивает область применени  устройства; также отсутствие возможности использовани  в качестве среды сравнени  используемых в момент измерени  компонентов контролируемых жидкостей, например, тех частей растворов, которые используютс  в качестве растворител , что создает трудности при изготовлении эталонных сред; в устройстве не уравниваютс  давление жидкостей в обо- . их каналах, так как сильфон опорного канала жестко закреплен и не имеет хода вдоль своей оси, поэтому он уравнивает только температуры жидкостей, при этом термо- компенсирующий сильфон, соедин ющий внутренние полости обоих каналов, не охватывает весь объем термостатируемой жидкости , при этом обмен контролируемой жидкости, протекающей через измерительный канал, осуществл етс  с намного меньшей скоростью, чем вне устройства, что приводит к погрешности измерений, величина которой пр мо пропорциональна скорости потока контролируемой жидкости, так как при изменении температуры контролируемой жидкости вне измерительного канала баланс температуры вне и внутри

измерительного канала наступает с задержкой по времени, что вызывает увеличение погрешности устройства.

Цель изобретени  - повышение точности за счет компенсации погрешностей,

вносимых воздействием температуры и гидростатического давлени .

Это достигаетс  тем, что в известное устройство введены первое основание, установленное параллельно ему с возможностыо перемещени  второе основание, на торцах которого установлены отражатели, и фиксирующа  перемещаема  опора, электроакустические преобразователи установлены на первом основании на

противоположных его концах соосно второму основанию, сильфон выполнен плоскогофрированным , эталонный канал заполнен растворителем, который поступает в основной трубопровод, а материалы первого и

второго основани  выбраны из соотношени  «1 EI 0.2 Еа,где«1 иаг -температурные коэффициенты линейного расширени ; AI и Еа - модули Юнга материалов первого и второго оснований соответственно.

Предлагаемое устройство изображено на чертеже, где показан его продольный . разрез.

Устройство состоит из первого обратимого электроакустического преобразовател  1, прилегающего к внутренней поверхности первого протектора 2, ограничивающего с одной стороны акустическую базу 3 эталонного канала, плоскогофрированный сильфон 4 из теплопроводного материала , образующий герметичный объем эталонного канала, ограниченный с торцов первым протектором 2 и торцом второго основани  6 с отражател ми 5 и 9, соединенного фиксирующей опорой 7 с первым основанием 8, на котором закреплен с одной стороны первый протектор 2. Рабочий объем измерительного канала ограничен вторым торцом отражател  9 с одной стороны, а с другой - вторым протектором 10, згкрепленным на другом конце первого основани  8, К внутренней поверхности протектора 10 прилегает второй обратимый электроакустический преобразователь 11. Первый и второй обратимые электроакустические

преобразователи 1 и 11 размещены в герметичных корпусах 12 и 13 и электрически соединены с электронным блоком 14, размещенным в герметичном корпусе 15.

Устройство работает следующим образом .

Эталонный канал заполн етс  растбо- риделем, используемым дл  приготовлени  исследуемого раствора, в который погружено1 устройство.

Первый обратимый электроакустический преобразователь 1 излучает под воз- де йствием электрического импульса, генерируемого эталонным блоком 14, ульт- ра|звуковой зондирующий импульс, проходит термобарокомпенсированную акустическую базу 3 эталонного канала, за- пблненного растворителем, отражаетс  торцом 5 основани  6 и возвращаетс , пройд  через акустически прозрачный протектор 2, на обратимый электроакустический преобразователь 1, вырабатывающий псд воздействием ультразвукового зондирующего импульса электрический сигнал, угравл ющий запуском возбуждающего п( рвый обратимый электроакустический преобразователь 1 - образуетс  электроакустическое кольцо, частота следовани  импульсов которого зависит от параметров состо ни  измер емой жидкости-темпера- туэы, давлени , концентрации растворенных веществ. В этом случае врем  одного

Ц1/

кла Т составл ет

T-T3+lL,c,

где Т3 - паразитные задержки в электрон- нс м блоке и протекторе;

L - величина акустической базы, м;

с - скорость звука в жидкости, м/с.

Компенсаци  погрешностей, вносимых бездействием температуры и гидростатического давлени , основана на обеспечении посто нства длины акустической базы L за ет равных температурных и барических иращений длин компенсационных плеч, в

сч nf

о; но из которых входит акустическа  база, а направление удлинени  этих плеч проти- вс положно друг другу, как показано на фиг. 1.Рабочее рассто ние между торцами протекторов 2 и 10 равно Н, длина цилиндрического основани  6 - h. В частном случае, когда цилиндрический отражатель 6 разме- щ;н так, что акустические базы эталонного и рабочего каналов равны, то длина акустической базы L равна разности (Н - h):2, если фиксирующа  опора 7 размещена на пер- вам основании 8 симметрично протекторам 2 и 10 и второму основанию 6. В общем случае

Н НА + НВ; h ПА + hB; LA НА - НА;

LB Нв - he.

Относительно оси перемещаемой фиксирующей опоры 7 температурное приращение частей первого основани  8 - НА и Нв будет

АНд Нд-ои At; ДНв - Нв ai At;

температурное приращение частей Ид и he второго основани  6 будет

ДЬд пд а-1 At; Дпв пв аг At,

откуда следует, что дл  услови  посто нства длины акустических баз и об зательно условие ALA 0; необходимо таким образом размещать перемещаемую фиксирующую опору 7, чтобы выполн лось условие компенсации приращений длин оснований

20

AHA-AhA 0; АНв-Дпв 0;

5

0

5

0

5 0 5

5,м.

откуда

-А Ц-$)+,%

При измерении концентрации растворенного вещества за вл емым устройством необходимым условием его точных измерений  вл етс  равенство таких параметров состо ни  исследуемой жидкости и эталонной , как температура и давление. Дл  уменьшени  времени выравнивани  температур в эталонном и рабочем объемах необходимо максимально увеличить площадь контакта раствора с растворителем через теплопроводный элемент, сохранив при этом способность к уравнению давлений. Этим услови м соответствует сильфон с плоскогофрированными гофрами. Давление передаетс  плоскими участками гофра.

При необходимости динамического способа формировани  среды эталонного канала он выполн етс  проточным дл  растворител , в котором раствор етс  контролируемое вещество.

Врем  выхода измерител  на заданную точность измерений лимитируетс  наибольшей длительностью уравнивани  одного из вторичных параметров жидкостей эталона и исследуемого раствора - температуры и давлени , Врем  выравнивани  давлений мало и не учитываетс  из-за малого вклада во врем  выхода измерител  на заданную точность. Врем  выравнивани  температур  вл етс  лимитирующим дл  определени  быстродействи  измерител .

В устройстве дл  определени  концентрации растворенного вещества известны неизменные рассто ни : между протекторами 2 и 10, равное Н; между торцами второго основани  б, равное h. В этом случае Н h - LA + LB. Так как величину акустической базы 3 эталонного канала LA невозможно измер ть из-за наличи  сильфона 4, после установки необходимого соотношени  частот циркул ции импульсов в электроакустических синхрокольцах эталонного и рабочего каналов измер ют величину акустической базы LB рабочего канала. Далее определ ют место размещени  перемещаемой фиксирующей опоры 7, соедин ющей основани , вычисл   величину пв по установленной формуле - известны величины Н, h, LB, о. и ai , Например, при отсутствии термокомпенсации, при типовой величине акустической базы LB рабочего канала, равной 0,02 м: материале первого основани  8 - стали нержавеющей 12X18Н10Т, у которой температурный коэффициент линейного расширени  а 16,1 1/град. погрешность , вносима  дестабилизирующим воздействием температуры с градиентом At 40° С, при удлинении акустической базы 3 на 2 AL, учитыва  путь ультразвукового зондирующего импульса туда и обратно , скорости звука в исследуемом растворе. 1500 м/с, частота следовани  ультразвуковых импульсов в электроакустическом кольце при отсутствии температурного

градиента

Л t 0 составит Р

2 L

37500 Гц, при воздействии температурного градиента A t 40° С на акустическую

базу 3- F- 2(и°д -37475.9 Гц.

ЛР Р- Р1 24,14Гц.

При необходимой точности определени  скорости звука с, равной 0,1 м/с 2,5 Гц, погрешность, вносима  воздействием A t, составит A F/2,5 9,6 м/с, что неприемлемо , так как на примере определени  концентрации бензола в CaHsOH, дл  которого зависимость скорости звука от концентрации в линейном приближении равна К с -6 + 7,74, где К-концентрации бензола в CaHsOH; с - скорость звука в растворе; точность измерени  концентрации при с 0,1 м/с даст величину А К 6 10:4 моль/л, а погрешность определени  скорости звука с А с 9 м/с даст величину А К, равную 5,4 моль/л, что в 90 раз превышает допустимый уровень поФормула изобретени  Устройство дл  определени  концентраций растворенного вещества, содержащее погруженные в контролируемую среду измерительный и эталонный акустические

грешности. Введение термокомпенсации приводит к уменьшению погрешности измерений . При величинах длины первого основа- ни  8 из титанового сплава с Щ 8,8 1 /град Н 0,08 м, длине второго основани  6 из нержавеющей стали с «2 16,1 -10 1/град h 0,04 м, при величине LB 0,02 м, величина пв, вычисленна  по формуле, составит Ьв - 0,02 м, разность температурных приращений Нв и Ьв составит 1,2 10 м. Длина акустической базы LB изменитс  на эту величину, что даст прирост частоты Fi1 с1500

-б

2(LB+ALi)

2(0,02 + 1,2- )

37497,8 Гц, a A Fi1 F - Fi1 37500 - 37497,8 2,25 Гц. Так как прирост частоты циркул ции ультразвуковых импульсов составл ет 2,8 Гц на прирост скорости звука на 0,1 м/с, a A Fi1 2,25 Гц, то термокомпенсаци  акустических баз эталонного и рабочего каналов позвол ет проводить измерени  с заданной точностью. Барокомпенсаци  акустических баз LA и

LB осуществл етс  одновременно с термокомпенсацией при отношени х температурных коэффициентов линейного расширени  а и модулей Юнга Е материалов стойки 8 и отражател  6, равных а EI 0.2 EI .

Использование предлагаемого изобретени  позвол ет упростить процесс измерений концентраций растворенного вещества за счет исключени  необходимости учитывать текущие значени  температуры и давлени , следить за посто нством состава растворител , вычисл ть величины скорости распространени  скоростей звука, использу  только разности выходных сигналов эталонного и рабочего каналов измерителей скорости звука в растворе и растворителе , при упрощении конструкции и уменьшении габаритов измерител , использовать измеритель в системах контрол  и управлени , когда при номинальных параметрах состо ни  контролируемых сред выходной сигнал измерител  должен быть посто нной величины и не зависеть от исходных величин скорости звука в контролируемых средах, а также при разных

исходных величинах температуры, давлени , начальной концентрации и качества растворител .

каналы, каждый из которых ограничен отражателем и электроакустическим преобразователем , эталонный канал заключен в сильфон, расположенный между электроакустическим преобразователем и.отражателём и герметично отделен от контролируемой среды, электронный блок генерации и накренил, отличающеес  тем, что, с цеЬью повышени  точности измерений за счет компенсации погрешностей, вносимых воздействием внешних факторов, в него введены первое основание, установленное параллельно ему с возможностью переме- и  второе основание, на торцах котороще гоу пер

ггановлены отражатели, и фиксирующа  смещаема  опора, электроакустические

преобразователи установлена на первом

/- 0

основании на противоположных его концах соосно с вторым основанием, сильфон выполнен плоскогофрированным, эталонный канал заполнен растворителем, который поступает в основной трубопровод, а материалы первого и второго оснований выбраны из соотношени  а E.I 05 Ј2 ., где а йог- температурные коэффициенты линейного расширени , a EI и Е2 - модули Юнга материалов первого и второго оснований , соответственно.