RU2167416C2 - Method and device for determining hydrogen ion concentration - Google Patents
Method and device for determining hydrogen ion concentration Download PDFInfo
- Publication number
- RU2167416C2 RU2167416C2 RU99107791/28A RU99107791A RU2167416C2 RU 2167416 C2 RU2167416 C2 RU 2167416C2 RU 99107791/28 A RU99107791/28 A RU 99107791/28A RU 99107791 A RU99107791 A RU 99107791A RU 2167416 C2 RU2167416 C2 RU 2167416C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- measuring
- measuring cell
- measurement
- cycle
- amplifier
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретения относятся к измерительной технике, в частности к измерению концентрации ионов водорода (pH). The invention relates to measuring technique, in particular to measuring the concentration of hydrogen ions (pH).
Существует способ [см. а. с. N 1509719 (СССР), кл. G 01 N 27/30, 23.09.89] измерения pH, где в качестве первичного преобразователя (ПП) используется ионоселективный полевой транзистор (ИПТ). Он заключается в определении коэффициента передачи ИПТ от величины pH исследуемого раствора. При этом на затвор нанесен слой диэлектрика, через который происходит взаимодействие электрического поля внутри транзистора с электромагнитным полем анализируемых ионов водорода в растворе. Устройство, реализующее этот способ состоит из измерительной ячейки, соединенной с источником и отражателем тока, усилителя, соединенного с выходом измерительной ячейки, и регистрирующего устройства, подключенного к выходу усилителя. There is a method [see a. from. N 1509719 (USSR), cl. G 01 N 27/30, 09/23/89] pH measurement, where an ion-selective field effect transistor (IPT) is used as a primary converter (PP). It consists in determining the transmission coefficient of IPT from the pH of the test solution. In this case, a dielectric layer is applied to the gate, through which the electric field inside the transistor interacts with the electromagnetic field of the analyzed hydrogen ions in solution. A device implementing this method consists of a measuring cell connected to a current source and reflector, an amplifier connected to the output of the measuring cell, and a recording device connected to the output of the amplifier.
Недостатками этого способа и устройства являются низкая точность измерений и сложность изготовления ИПТ. The disadvantages of this method and device are the low accuracy of measurements and the complexity of manufacturing IPT.
Известен динамический способ [см. а. с. N 918839 (СССР), кл. G 01 N 27/56, 07.04.82] , заключающийся в измерении потенциала между электродами с высоким внутренним сопротивлением. Для этого определяют скорость и ускорение измерительного сигнала, поступающего с электродов, и полученные результаты используют для нахождения величины pH исследуемого раствора. Устройство, реализующее этот способ, включает последовательно соединенные измерительную ячейку, усилитель, вычислитель и регистрирующее устройство. The known dynamic method [see a. from. N 918839 (USSR), class G 01 N 27/56, 07.04.82], which consists in measuring the potential between electrodes with high internal resistance. To do this, determine the speed and acceleration of the measuring signal from the electrodes, and the results are used to find the pH of the test solution. A device that implements this method includes a series-connected measuring cell, amplifier, calculator, and recording device.
Недостатком этих решений является низкая точность измерения величины pH, вызванная ошибкой минимальной дискреты инерционного сигнала pH=f(t). The disadvantage of these solutions is the low accuracy of pH measurement caused by the error of the minimum discrete inertial signal pH = f (t).
За прототип принят способ [см. а.с. N 1599752 (СССР), кл. G 01 N 27/416, 15.10.90] , заключающийся в измерении потенциала между электродами с высоким внутренним сопротивлением. Для этого вход измерительной схемы запирают напряжением смещения и на него подают сумму линейно изменяющегося напряжения и измеряемого сигнала, а величину измеряемого сигнала определяют по интервалу времени от начала линейного изменения напряжения до достижения суммой напряжений значения отпирания схемы. Устройство, реализующее этот способ, включает измерительную ячейку, соединенную с входом усилителя, вычислитель, вход которого подключен к выходу усилителя, а выходы - к счетчику и генератору линейно изменяющегося напряжения, выходы генератора и источника смещения соединены со входом измерительной ячейки. For the prototype adopted the method [see A.S. N 1599752 (USSR), cl. G 01 N 27/416, 10.15.90], which consists in measuring the potential between electrodes with high internal resistance. To do this, the input of the measuring circuit is locked with a bias voltage and the sum of the linearly varying voltage and the measured signal is fed to it, and the measured signal is determined by the time interval from the beginning of the linear voltage change until the sum of the voltages reaches the unlocking value of the circuit. A device that implements this method includes a measuring cell connected to the input of the amplifier, a computer, the input of which is connected to the output of the amplifier, and the outputs to a counter and a ramp generator, the outputs of the generator and the bias source are connected to the input of the measuring cell.
Недостатками прототипа являются низкая точность измерений, вызванная параметрическим дрейфом измерительного электрода, инерционность измерительного электрода и узкий диапазон измерений, связанный с фиксированным пороговым значением. The disadvantages of the prototype are the low accuracy of the measurements caused by the parametric drift of the measuring electrode, the inertia of the measuring electrode and a narrow measurement range associated with a fixed threshold value.
Технической задачей способа и устройства являются повышение оперативности и расширение диапазона контроля при заданных метрологических характеристиках. The technical task of the method and device is to increase the efficiency and expansion of the control range for a given metrological characteristics.
Поставленная техническая задача достигается тем, что:
1. В способе определения концентрации ионов водорода за счет измерения электродами с высоким внутренним сопротивлением электрических параметров среды по установившемуся потенциалу измеряемого сигнала, соответствующему физико-химическому составу среды, который регистрируют по интервалу времени от начала измерения до достижения порогового значения в каждом цикле, в отличии от прототипа измеряемый сигнал формируют из динамической разности потенциалов между измерительным и сравнительным электродами измерительной ячейки за счет накопления ионов на измерительном электроде, а начало цикла организуют после обнуления измеряемого сигнала в момент достижения его амплитуды порогового значения в конце предыдущего цикла.The technical task is achieved in that:
1. In the method for determining the concentration of hydrogen ions by measuring electrodes with high internal resistance of the electrical parameters of the medium according to the steady-state potential of the measured signal corresponding to the physico-chemical composition of the medium, which is recorded over the time interval from the start of the measurement to the threshold value in each cycle, in contrast from the prototype, the measured signal is formed from the dynamic potential difference between the measuring and comparative electrodes of the measuring cell due to the accumulation ion flow at the measuring electrode, and the beginning of the cycle is organized after zeroing the measured signal at the moment when its amplitude reaches the threshold value at the end of the previous cycle.
2. В устройстве для определения концентрации ионов водорода, состоящем из измерительной ячейки, усилителя и вычислителя, в отличии от прототипа дополнительно введены аналого-цифровой преобразователь и коммутатор, связывающий выход измерительной ячейки со входом усилителя, выход которого через аналого-цифровой преобразователь по шине данных соединен с вычислителем, выполненным на базе персонального компьютера, который по шине управления соединен с управляющим входом коммутатора. 2. In the device for determining the concentration of hydrogen ions, consisting of a measuring cell, amplifier and calculator, in contrast to the prototype, an analog-to-digital converter and a switch are additionally introduced, connecting the output of the measuring cell to the amplifier input, the output of which is through an analog-to-digital converter via the data bus connected to a computer made on the basis of a personal computer, which is connected via a control bus to the control input of the switch.
Сущность предлагаемого способа заключается в следующем (см. фиг. 1). The essence of the proposed method is as follows (see Fig. 1).
Определение кислотности среды осуществляется измерительной ячейкой с высокоомными электродами по установившемуся потенциалу измеряемого сигнала. Измеряемый сигнал E определяют из динамической разности потенциалов между измерительным и сравнительным электродами измерительной ячейки за счет накопления ионов на измерительном электроде (фиг. 1а). Установившийся потенциал EpH регистрируют по интервалу времени τi в каждом цикле измерения от момента равенства измеряемого сигнала нулю до его достижения порогового значения (E0). Временной интервал τi (фиг. 1в) представляется в коде Ni (фиг. 1г), за счет подсчета в цикле измерения импульсов высокой частоты F0 (фиг. 1б). При этом начало нового цикла измерения организуют после обнуления измеряемого сигнала в момент достижения его амплитуды порогового значения (E= E0) в конце предыдущего цикла.Determination of the acidity of the medium is carried out by a measuring cell with high-resistance electrodes by the steady-state potential of the measured signal. The measured signal E is determined from the dynamic potential difference between the measuring and comparative electrodes of the measuring cell due to the accumulation of ions on the measuring electrode (Fig. 1A). The steady-state potential E pH is recorded by the time interval τ i in each measurement cycle from the moment the measured signal is equal to zero until it reaches the threshold value (E 0 ). The time interval τ i (Fig. 1c) is represented in the code N i (Fig. 1d), due to the counting in the measurement cycle of high-frequency pulses F 0 (Fig. 1b). At the same time, the beginning of a new measurement cycle is organized after zeroing the measured signal at the moment of reaching the amplitude of the threshold value (E = E 0 ) at the end of the previous cycle.
Накопление ионов (фиг. 1) в инерционных преобразователях концентрации ионов водорода изменяется по экспоненциальному закону:
E = EpH•(1-e-τ/T),
где: E - текущая ЭДС измерительной ячейки; EpH - максимальное значение ЭДС, соответствующее определяемому значению pH; τ - текущее время измерения; T - постоянная времени.The accumulation of ions (Fig. 1) in inertial converters of the concentration of hydrogen ions varies exponentially:
E = E pH • (1-e -τ / T ),
where: E is the current EMF of the measuring cell; E pH - the maximum value of the EMF corresponding to the determined pH value; τ is the current measurement time; T is the time constant.
Для предлагаемого способа (см. фиг. 1) с учетом варьируемого порогового значения E0 уравнение (1) примет вид:
Eo= EpH•(1-e-τ/T),
отсюда интервал времени для определения установившегося потенциала измеряемого сигнала:
Постоянная времени T определяется предварительно на образцовом (или принятом за образцовый) растворе:
Известно, что код N = Fo•τ, тогда, умножив правую и левую части уравнения (3) на F0 (с учетом что F0•T=Nmax), получим (см. фиг. 1 г):
отсюда потенциал установившегося режима насыщения:
По установившемуся потенциалу EpH определяют искомую величину pH исследуемого раствора:
где: pHи и Eи - координаты изопотенциальной точки электродной системы; S0 - чувствительность электродной системы при 0oC; α - температурный коэффициент чувствительности; t - температура исследуемого раствора.For the proposed method (see Fig. 1), taking into account the variable threshold value E 0, equation (1) takes the form:
E o = E pH • (1-e- τ / T ),
hence the time interval for determining the steady state potential of the measured signal:
The time constant T is preliminarily determined on a sample (or adopted as a model) solution:
It is known that the code is N = F o • τ, then, multiplying the right and left sides of equation (3) by F 0 (taking into account that F 0 • T = N max ), we obtain (see Fig. 1 g):
hence the potential of the steady state saturation:
The steady-state potential E pH determines the desired pH of the test solution:
where: pH and and E and are the coordinates of the isopotential point of the electrode system; S 0 - sensitivity of the electrode system at 0 o C; α is the temperature coefficient of sensitivity; t is the temperature of the test solution.
На фиг. 2. приведена структурная схема устройства для реализации предлагаемого способа. In FIG. 2. shows a structural diagram of a device for implementing the proposed method.
Структурная схема микропроцессорного pH-метра включает: измерительную ячейку 1, коммутатор 2, усилитель 3, аналого-цифровой преобразователь 4 (АЦП), персональный компьютер 5 (ПК). The structural diagram of a microprocessor pH meter includes: measuring
В качестве измерительной ячейки 1 используются стандартные высокоомные стеклянные pH электроды. As measuring
Коммутатор 2 выполняет роль аналогового ключа напряжений и служит для коммутации измерительной ячейки 1. Switch 2 acts as an analog voltage switch and serves to switch the
Усилитель 3 предназначен для усиления ЭДС, поступающей с измерительной ячейки 1 до нормированного уровня АЦП 4. The
АЦП 4 преобразует нормированный сигнал ячейки 1 в цифровой код для его дальнейшей обработки в микропроцессоре персонального компьютера 5. ADC 4 converts the normalized signal of
ПК 5 предназначен для измерения и преобразования ЭДС с измерительной ячейки 1 с последующим определением концентрации ионов водорода по заданному алгоритму. PC 5 is intended for measuring and converting EMF from measuring
Работа устройства заключается в следующем. The operation of the device is as follows.
Электроды ячейки 1 с высоким внутренним сопротивлением помещают в анализируемую жидкость. В исходном состоянии ячейка 1 обнулена, т.к. коммутатор 2 открыт и замыкает электроды ячейки на нулевой потенциал (E=0). Микропроцессор ПК 5 по шине управления закрывает коммутатор 2 и размыкает электроды с нулевого потенциала, вследствие чего в измерительной ячейке 1 возникает динамическая ЭДС (1)и запускается цикл измерения. Значение динамической ЭДС Ei с измерительной ячейки 1 через коммутатор 2, усилитель 3 и АЦП 4 преобразованное в цифровой код Ni по шине данных поступает в микропроцессор ПК 5. Временной интервалу τi цикла измерения (3) фиксируется в момент достижения динамической ЭДС, представленной кодом Ni порогового значения N0. После выполнения этого условия путем размыкания коммутатора 2 и обнуления измерительной ячейки 1 организуется начало нового цикла измерения. По измеренному интервалу τi и известному значению порога E0 в соответствии с формулой (4) микропроцессором ПК 5 определяется установившейся потенциал EpH. За действительное значение принимается среднее значение , полученное за n измерений интервалов τ, коды которых регистрируется в оперативной памяти микропроцессора ПК 5. С учетом полученного значения EpH по формуле (5) микропроцессор ПК 5 определяет искомую величину pH исследуемого раствора.The electrodes of
Докажем эффективность предлагаемых решений. Let us prove the effectiveness of the proposed solutions.
1. По быстродействию
Время τ одного эксперимента для способа-прототипа равно сумме времени (k•T) выхода на установившейся режим потенциала измерительного электрода и времени τu измерения стационарного потенциала EpH (фиг.3):
τ = k•T+τu.
Для предлагаемого способа время эксперимента τ1 и измерения τu равны τ1= τu, следовательно, основной составляющей времени для способа-прототипа является величина k•T:
Δτ = τ-τ1= k•T.
Пусть τ1= 1 с, коэффициент k=3, а T=3-30 c, тогда эффективность:
Следовательно, быстродействие предлагаемого способа на порядок выше, чем у прототипа.1. Speed
The time τ of one experiment for the prototype method is the sum of the time (k • T) of reaching the steady state potential of the measuring electrode and the time τ u of measuring the stationary potential E pH (Fig. 3):
τ = k • T + τ u .
For the proposed method, the experiment time τ 1 and measurements τ u equal τ 1 = τ u , therefore, the main component of time for the prototype method is the value of k • T:
Δτ = τ-τ 1 = k • T.
Let τ 1 = 1 s, coefficient k = 3, and T = 3-30 s, then efficiency:
Therefore, the performance of the proposed method is an order of magnitude higher than that of the prototype.
2. По расширению динамического диапазона контроля при заданной точности измерения. 2. To expand the dynamic range of control for a given measurement accuracy.
Точность измерения временного интервала есть отношение абсолютной погрешности ΔT к Tmin:
Выразим ΔT через диапазон D, разбитый на n-эталонов:
тогда погрешности измерения для предлагаемого ε1 и известного ε2 способов имеют вид:
где i=1,2.The accuracy of measuring the time interval is the ratio of the absolute error ΔT to T min :
Express ΔT through the range D, divided into n-standards:
then the measurement errors for the proposed ε 1 and known ε 2 methods have the form:
where i = 1,2.
определяется из математического описания предлагаемого способа и способа-прототипа (см. фиг.1 и 3) соответственно:
Принимая для упрощения рассуждений, что и E01=E02, находим соотношение между точностью и диапазонами:
где =n•E0 (n - фиксированный коэффициент),
=i•E0 (i - варьируемый коэффициент). is determined from the mathematical description of the proposed method and the prototype method (see figures 1 and 3), respectively:
Taking to simplify the argument that and E 01 = E 02 , we find the relationship between accuracy and ranges:
Where = n • E 0 (n is a fixed coefficient),
= i • E 0 (i is a variable coefficient).
а) При условии фиксированной погрешности с учетом диапазон D1 предлагаемого способа изменяется в пределе:
Отсюда критерий эффективности:
Следовательно, предлагаемый способ при фиксированной точности позволяет расширить диапазон измерений в n раз.a) subject to a fixed error taking into account the range D 1 of the proposed method varies in the limit:
Hence the performance criterion:
Therefore, the proposed method with fixed accuracy allows you to expand the measurement range n times.
б) При условии фиксированного диапазона с учетом погрешность ε1 предлагаемого способа изменяется в пределе:
отсюда критерий эффективности:
Следовательно, предлагаемый способ при фиксированном диапазоне позволяет повысить точность измерений в n раз.b) subject to a fixed range taking into account the error ε 1 of the proposed method varies in the limit:
hence the performance criterion:
Therefore, the proposed method with a fixed range allows to increase the measurement accuracy n times.
Реализация предлагаемого способа осуществлена в микропроцессорном pH-метре, построенном на базе персонального компьютера "Сириус" и милливольт-pH-метра pH-150. Implementation of the proposed method is carried out in a microprocessor pH meter, built on the basis of a personal computer "Sirius" and millivolt-pH meter pH-150.
Результаты экспериментов проведены на pH-титре (кислотность последнего менялась в ходе эксперимента pH 10, 9,6, 7,5) и представлены в табл.1 и на фиг. 4. Предварительно, для этого раствора был проведен эксперимент и получена постоянная времени T=9,7. По величинам T и F0=60 kHz найдено значение кода Nmax=582000. На фиг. 4 представлены три экспериментальные динамические кривые, для различных значений pH (эксперимент проводился при температуре окружающей среды 20oC). В таблице 1 приведены сопоставительные расчеты для установившегося значения потенциала по математической модели предлагаемого способа (аналитическая кривая) и реальных экспериментальных значений (экспериментальная кривая). Из таблицы видно, что предлагаемый способ и микропроцессорный pH-метр с достаточно высокой точностью позволяют определить искомую величину установившегося значения ЭДС EpH.The experimental results were carried out on a pH titer (the acidity of the latter changed during the experiment,
Таким образом, предлагаемый способ и микропроцессорный pH-метр в отличие от известных решений позволяют повысить быстродействие в 9 раз и расширить динамический диапазон контроля в n раз при фиксированной точности измерения или для заданного диапазона сократить в n раз погрешность измерения. Thus, the proposed method and microprocessor pH meter, in contrast to the known solutions, can increase the speed by 9 times and expand the dynamic range of control by n times with a fixed measurement accuracy or reduce the measurement error by a factor of n for a given range.
Claims (2)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU99107791/28A RU2167416C2 (en) | 1999-04-07 | 1999-04-07 | Method and device for determining hydrogen ion concentration |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU99107791/28A RU2167416C2 (en) | 1999-04-07 | 1999-04-07 | Method and device for determining hydrogen ion concentration |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU99107791A RU99107791A (en) | 2001-01-27 |
RU2167416C2 true RU2167416C2 (en) | 2001-05-20 |
Family
ID=20218583
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU99107791/28A RU2167416C2 (en) | 1999-04-07 | 1999-04-07 | Method and device for determining hydrogen ion concentration |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2167416C2 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2466385C1 (en) * | 2011-07-25 | 2012-11-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тамбовский государственный технический университет" ГОУ ВПО ТГТУ | Method of determining concentration of hydrogen ions |
CN101470094B (en) * | 2008-09-09 | 2012-12-05 | 中国科学院金属研究所 | Method for measuring pH value of high-temperature high-pressure water solution |
-
1999
- 1999-04-07 RU RU99107791/28A patent/RU2167416C2/en active
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Ж. "Приборы и системы управления". - М., № 3, 1996, с.31 - 33. Ж. Заводская лаборатория. - М., № 8, 1993, с.12 - 16. * |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN101470094B (en) * | 2008-09-09 | 2012-12-05 | 中国科学院金属研究所 | Method for measuring pH value of high-temperature high-pressure water solution |
RU2466385C1 (en) * | 2011-07-25 | 2012-11-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тамбовский государственный технический университет" ГОУ ВПО ТГТУ | Method of determining concentration of hydrogen ions |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US8063644B2 (en) | Impedance measurement of a pH electrode | |
ES2134193T3 (en) | INSTRUMENT AND BIOSENSOR METHOD. | |
MX148623A (en) | IMPROVEMENTS TO A DEVICE TO MEASURE PH IN A BLOOD SAMPLE | |
RU2167416C2 (en) | Method and device for determining hydrogen ion concentration | |
RU2564516C2 (en) | Capacitance measurement method and its application | |
Fischer et al. | Detection of NO by pulsed polarization of Pt I YSZ | |
EP2844990A1 (en) | Pulsed signal testing of biological fluid | |
Vasilevskyi et al. | Methods for Constructing High-precision Potentiometric Measuring Instruments of Ion Activity | |
TWI418783B (en) | A method for detecting the concentration of an analyte in a solution and an anesthetic sensor | |
KR101736651B1 (en) | Methods of using information from recovery pulses in electrochemical analyte measurements as well as devices, apparatuses and systems incorporating the same | |
RU2316761C1 (en) | Method and device for determining concentration of hydrogen ions | |
CN102735711B (en) | Method for measuring concentration of microscale substance to be measured in solution and anesthetic sensing wafer | |
RU2423689C2 (en) | Method and device for determining concentration of hydrogen ions | |
Scarlett | Capacitance-to-digital converter facilitates level sensing in diagnostic systems | |
RU2061232C1 (en) | Device for measuring humidity of leather materials | |
Nakamura et al. | Dielectric measurements of solutions of poly-γ-benzyl-L-glutamate using a pseudo-random noise dielectric spectrometer | |
RU2546713C1 (en) | Microcontroller measurement converter of capacitance and resistance into binary code | |
JP3096823B2 (en) | Solution concentration measurement method | |
SU934792A1 (en) | Method of measuring parameters of chock wave | |
SU978075A1 (en) | Automatic dielcometer | |
RU2212078C2 (en) | Procedure determining tension of flat zones of semiconductor in metal-dielectric-semiconductor structures | |
RU2105295C1 (en) | Method determining concentration of electrolyte and gear for its implementation | |
SU1661683A1 (en) | Method of determining electrical field intensity | |
RU2651638C1 (en) | Method of measuring the dielectric interface level, which is invariant to the dielectric permittivity value | |
SU1758586A1 (en) | Method and device for determination of electric resistivity of solid materials |