RU2690081C1

RU2690081C1 - Measuring cell

Info

Publication number: RU2690081C1
Application number: RU2018131624A
Authority: RU
Inventors: Станислав Викторович Киет
Priority date: 2018-09-03
Filing date: 2018-09-03
Publication date: 2019-05-30

Abstract

FIELD: measuring equipment.SUBSTANCE: invention relates to measurement equipment and is intended for analytical control of physical and chemical properties of water, including high degree of purification, and aqueous solutions in systems of control of technological processes at power plants, in analytical laboratories and other industries. Measuring cell consists of three flow-through chambers in series connected by channels, in which temperature sensor and electrodes, alkaline reagent source, wherein the first flow chamber is equipped with an inlet nozzle, and the third flow chamber is equipped with a nozzle for draining the sample, further comprises an alkalification unit, in which the alkalizing reagent source is made in the form of a cylindrical container equipped with a sealed cylinder-conic cover, under which a gas-permeable membrane is installed, forming with the cover inner surface a saturation chamber with alkalizing reagent vapors, channel supplying the controlled medium to the saturation chamber is made tangentially in the lower part of the cylindrical wall of the cover, and the channel which discharges the controlled medium is made vertically in the upper conical part of the cover, wherein output channel of first flow chamber is connected to inlet of two-way flow switch, first output of which is connected to channel supplying controlled medium to chamber of saturation of alkalization unit, channel, which removes controlled medium from saturation chamber of alkalization unit, and second outlet of two-way flow switch are connected to input of second flow chamber.EFFECT: design of a portable small-sized reliable device for measuring chemical-physical parameters of a sample with an extended range of measurements, which provides reduced inertia, high accuracy and stability of measurements.4 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области измерительной техники и предназначено для аналитического контроля физико-химических свойств воды, в том числе и высокой степени очистки, и водных растворов в системах контроля технологических процессов на электростанциях, в аналитических лабораториях и других производствах.The invention relates to the field of measurement technology and is intended for analytical control of the physicochemical properties of water, including a high degree of purification, and aqueous solutions in process control systems at power plants, in analytical laboratories and other industries.

Известно устройство для определения активности ионов натрия (СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ АКТИВНОСТИ ИОНОВ НАТРИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ, патент на изобретение РФ №2326376, МПК G01N 27/416, 2008 г.). Устройство для определения активности ионов натрия, содержит смесительную камеру, соединенную одним входом с источником контролируемой среды, а другим - с источником подщелачивающего реагента, первую проточную ячейку с установленными в ней индикаторным и опорным электродами, электрически связанными с блоком обработки сигналов, снабжено второй проточной ячейкой с установленным в ней датчиком электропроводности, измерительным блоком и вспомогательным электродом, причем вспомогательный электрод установлен в первой проточной ячейке и электрически связан с входом блока обработки сигналов, вторая проточная ячейка сообщена своим входом с выходом смесительной камеры, а выходом - со входом первой проточной ячейки, причем датчик электропроводности подключен ко входу измерительного блока, выход которого связан с входом блока обработки сигналов, а опорный электрод выполнен в виде рН-электрода. Устройство снабжено датчиком температуры, установленным в первой проточной ячейке и связанным с блоком обработки сигнала.A device is known for determining the activity of sodium ions (METHOD FOR DETERMINING THE ACTIVITY OF SODIUM IONS AND A DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION, patent for invention of the Russian Federation No. 2336376, IPC G01N 27/416, 2008). A device for determining the activity of sodium ions, contains a mixing chamber connected by one input with a source of controlled medium, and the other with a source of alkalizing reagent, the first flow cell with indicator and reference electrodes installed in it, electrically connected to the signal processing unit, is equipped with a second flow cell with an electrical conductivity sensor, a measuring unit and an auxiliary electrode installed in it, the auxiliary electrode being installed in the first flow cell and Electrically connected to the input of the signal processing unit, the second flow cell is connected with its input to the output of the mixing chamber, and the output to the input of the first flow cell, the conductivity sensor connected to the input of the measuring unit whose output is connected to the input of the signal processing unit, and the reference electrode in the form of a pH electrode. The device is equipped with a temperature sensor installed in the first flow cell and connected to the signal processing unit.

Недостатком указанного устройства является большая инерционность и низкий КПД, а так же большие габариты устройства, ограничивающие возможность его транспортировки.The disadvantage of this device is a large inertia and low efficiency, as well as large dimensions of the device, limiting the possibility of its transportation.

Известна ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ ЯЧЕЙКА АНАЛИЗАТОРА НАТРИЯ (Патент на изобретение РФ №2326373, МПК G01N 27/27, 2008 г.), принятая за прототип, содержащая три последовательно соединенные проточные камеры. В первой камере по потоку среды установлен датчик температуры, во второй - индикаторный электрод, а в третьей - опорный электрод. Первая камера имеет два входных канала, сообщающих ее с источниками контролируемой среды и подщелачивающего реагента. Камера разделена горизонтальной перегородкой с центральным отверстием на две части, в верхней из которых установлен датчик температуры и выполнены входные каналы. В нижней части камеры установлен датчик электропроводности. Входной канал, сообщенный со средой, расположен вблизи верхнего уровня заполнения жидкостью верхней части камеры, при этом ось указанного канала ориентирована тангенциально относительно стенки камеры. Выходное сечение второго входного канала расположено над горизонтальной перегородкой ниже выходного сечения первого входного канала.The measuring cell of the SODIUM ANALYZER (Patent for the invention of the Russian Federation No. 2336373, IPC G01N 27/27, 2008), adopted for the prototype, containing three series-connected flow chambers, is known. A temperature sensor is installed in the first chamber along the flow of the medium, the indicator electrode in the second, and the reference electrode in the third. The first chamber has two input channels that communicate it with sources of the controlled medium and alkalizing reagent. The chamber is divided by a horizontal partition with a central hole into two parts, at the top of which there is a temperature sensor and input channels. At the bottom of the camera is installed conductivity sensor. The inlet channel communicated with the medium is located near the upper level of filling the upper part of the chamber with liquid, while the axis of the indicated channel is oriented tangentially relative to the chamber wall. The output section of the second input channel is located above the horizontal partition below the output section of the first input channel.

Недостатком указанной ячейки являются ограниченный, только возможностью измерения активности ионов натрия, спектр измеряемых показателей качества пробы, а также сложность конструкции, обусловленная наличием кондуктометрического датчика. Кондуктометр подает сигнал на блок управления подщелачиванием, в свою очередь управляющий дозирующим насосом реагента и нагревательным элементом. Такая сложная система нуждается в дополнительной электронике, навыках обслуживающего персонала и периодической настройке.The disadvantage of this cell is limited, only the ability to measure the activity of sodium ions, the range of measured indicators of sample quality, as well as the complexity of the design, due to the presence of conductometric sensor. The conductivity meter sends a signal to the alkalization control unit, in turn, controlling the metering pump of the reagent and the heating element. Such a complex system needs additional electronics, maintenance staff skills, and periodic tuning.

Техническим результатом является создание портативного малогабаритного надежного устройства для измерения химико-физических параметров пробы с расширенным спектром измерений, простого и удобного в использовании, обеспечивающего снижение инерционности, повышение точности и стабильности измерений.The technical result is the creation of a portable small-sized reliable device for measuring the chemical and physical parameters of the sample with an expanded range of measurements, simple and easy to use, reducing the inertia, increasing the accuracy and stability of measurements.

Технический результат достигается тем, что измерительная ячейка, состоящая из трех последовательно соединенных каналами проточных камер, в которых установлены датчик температуры и электроды, источник подщелачивающего реагента, при этом первая проточная камера снабжена входным штуцером, а третья проточная камера снабжена штуцером для слива пробы, дополнительно содержит блок подщелачивания, в котором источник подщелачивающего реагента выполнен в виде цилиндрической емкости, снабженной герметичной крышкой цилиндроконической формы, под которой установлена газопроницаемая мембрана образующая с внутренней поверхностью крышки камеру насыщения парами подщелачивающего реагента, канал подводящий контролируемую среду в камеру насыщения выполнен тангенциально в нижней части цилиндрической стенки крышки, а канал отводящий контролируемую среду выполнен вертикально в верхней конической части крышки, при этом выходной канал первой проточной камеры соединен с входом двухходового переключателя потока, первый выход которого соединен с каналом подводящим контролируемую среду в камеру насыщения блока подщелачивания, канал отводящий контролируемую среду из камеры насыщения блока подщелачивания и второй выход двухходового переключателя потока соединены с входом второй проточной камеры. В первой проточной камере установлен или датчик растворенного кислорода, или датчик растворенного водорода, и/или датчик температуры. Во второй проточной камере установлен ионоселективный электрод. В третьей проточной камере установлен опорный электрод или комбинированный рН-электрод.The technical result is achieved by the fact that a measuring cell consisting of three flow channels connected in series with channels, in which a temperature sensor and electrodes are installed, an alkalizing reagent source, the first flow chamber equipped with an inlet fitting, and the third flow chamber equipped with a sample discharge nozzle, additionally contains an alkalization unit, in which the source of alkalizing reagent is made in the form of a cylindrical container, equipped with a cylinder-conical hermetic cap, p A gas-permeable membrane is installed which forms an alkalizing reagent vapor chamber with the inner surface of the lid, the channel supplies the controlled medium to the saturation chamber tangentially in the lower part of the cylindrical cover wall, and the channel of the controlled medium is vertical in the upper conical part of the lid, while the flow chamber is connected to the input of a two-way flow switch, the first output of which is connected to a channel under the controlled medium Blowing into the chamber of saturation of the alkalizing unit, the channel diverting the controlled medium from the saturation chamber of the alkalizing unit and the second output of the two-way flow switch are connected to the input of the second flow chamber. In the first flow chamber, there is either a dissolved oxygen sensor, or a dissolved hydrogen sensor, and / or a temperature sensor. In the second flow chamber installed ion-selective electrode. A reference electrode or a combined pH electrode is installed in the third flow chamber.

Сущность изобретения поясняется чертежами.The invention is illustrated by drawings.

На фиг. 1 приведена схема измерительной ячейки.FIG. 1 shows a diagram of the measuring cell.

На фиг. 2 приведен блок подщелачивания измерительной ячейки.FIG. 2 shows the alkalization unit of the measuring cell.

Измерительная ячейка содержит три последовательно соединенные проточные камеры. Первая проточная камера 1 соединена с источником контролируемой среды посредством входного штуцера 2, снабженного вентилем 3 для регулирования расхода пробы. Первая проточная камера 1 соединена с двухходовым переключателем потока 4. Вторая проточная камера 5 соединена каналом с третьей проточная камерой 6, снабженной штуцером для слива пробы 7. Измерительная ячейка дополнительно содержит блок подщелачивания 8, в котором источник подщелачивающего реагента выполнен в виде цилиндрической емкости 9 для реагента 10. Емкость 9 выполнена из химически стойкого материала (стекло, оргстекло, фторопласт и т.п.) цилиндрической формы и снабжена герметичной крышкой 11 цилиндроконической формы. Использование химически стойких материалов повышают износостойкость к агрессивным средам. Под крышкой 11 установлена газопроницаемая мембрана 12 образующая с внутренней поверхностью крышки 11 камеру насыщения 13 парами подщелачивающего реагента. Камера насыщения 13 имеет подводящий 14 и отводящий 15 контролируемую среду каналы. Подводящий контролируемую среду канал 14 выполнен тангенциально в нижней части цилиндрической стенки крышки 11, а отводящий контролируемую среду канал 15 выполнен вертикально в верхней конической части крышки 11. Высоту цилиндрической стенки крышки И выбирают минимально возможной из условия размещения подводящего контролируемую среду канала 14, не более 10 мм. Угол раствора конической части крышки 11 выбирают более 90°. Малый объем камеры насыщения 13 парами подщелачивающего реагента (не более 15 мл) обеспечивает существенное снижение инерционности по сравнению с известными устройствами. Емкость 9 имеет заправочное отверстие 16, снабженное герметичной пробкой 17. Выходной канал первой проточной камеры 1 соединен с входом двухходового переключателя потока 4, первый выход которого соединен с каналом подводящим 14 контролируемую среду в камеру насыщения 13 блока подщелачивания 8, канал отводящий 15 контролируемую среду из камеры насыщения 13 блока подщелачивания 8 и второй выход двухходового переключателя потока 4 соединены с входом второй проточной камеры 5. В первой проточной камере 1 установлен или датчик растворенного кислорода, или датчик растворенного водорода, и/или датчик температуры. На чертеже на фиг.1 приведена схема ячейки с датчиком растворенного кислорода 18. Во второй проточной камере установлен ионоселективный электрод 19 (Na-селективный электрод). В третьей проточной камере установлен опорный электрод или комбинированный рН-электрод. На чертеже на фиг. 1 приведена схема ячейки с опорным электродом 20. Датчики и электроды выполнены с возможностью подключения к измерительному преобразователю.The measuring cell contains three series-connected flow chambers. The first flow chamber 1 is connected to a source of controlled medium by means of an inlet fitting 2 equipped with a valve 3 for controlling the sample flow. The first flow chamber 1 is connected to a two-way flow switch 4. The second flow chamber 5 is connected by a channel to a third flow chamber 6 equipped with a nozzle for draining the sample 7. The measuring cell further comprises an alkalinizing unit 8, in which the source of alkalizing agent is designed as a cylindrical tank 9 for reagent 10. Capacity 9 is made of a chemically resistant material (glass, plexiglas, fluoroplastic, etc.) of a cylindrical shape and provided with a sealed cover of a cylindrical conical shape. The use of chemically resistant materials increase wear resistance to aggressive media. Under the cover 11, a gas-permeable membrane 12 is formed, which forms with the inner surface of the cover 11 a saturation chamber with 13 pairs of alkalizing reagent. The saturation chamber 13 has inlet 14 and outlet channels 15 in a controlled environment. The input controlled medium channel 14 is made tangentially in the lower part of the cylindrical wall of the cover 11, and the controlled medium discharge channel 15 is made vertically in the upper conical part of the cover 11. The height of the cylindrical wall of the cover And select the minimum possible from the condition of placing the controlled medium channel 14, not more mm The angle of the solution of the conical part of the cover 11 choose more than 90 °. The small volume of the saturation chamber with 13 pairs of alkalizing reagent (not more than 15 ml) provides a significant reduction in inertia compared to known devices. The tank 9 has a filling hole 16, equipped with a sealed plug 17. The output channel of the first flow chamber 1 is connected to the input of a two-way flow switch 4, the first output of which is connected to the inlet channel 14 controlled medium into the saturation chamber 13 of the alkalinization unit 8, the outlet channel 15 controlled medium from the saturation chamber 13 of the alkalization unit 8 and the second output of the two-way flow switch 4 are connected to the inlet of the second flow chamber 5. A dissolved oxygen sensor is installed in the first flow chamber 1 a, or a dissolved hydrogen sensor, and / or a temperature sensor. In the drawing in figure 1 shows a diagram of the cell with the sensor of dissolved oxygen 18. In the second flow chamber installed ion-selective electrode 19 (Na-selective electrode). A reference electrode or a combined pH electrode is installed in the third flow chamber. In the drawing of FIG. 1 shows a diagram of a cell with a reference electrode 20. Sensors and electrodes are designed to be connected to a measuring transducer.

Измерительная ячейка работает следующим образом.The measuring cell operates as follows.

Ячейка является отдельным переносным изделием, которое в условиях энергетического производства функционирует при ее подключении через входной штуцер 2 к пробоотборной линии и подключении датчиков и электродов к измерительному преобразователю. Предварительно емкость 9 заполняют через заправочное отверстие 16, например шприцем, подщелачивающим реагентом и плотно закрывают пробку 17. Уровень подщелачивающего реагента 10 должен быть ниже газопроницаемой мембраны 12. В качестве подщелачивающего реагента выбирают аммиак 25% или диизопропиламин или другие летучие амины.The cell is a separate portable product, which in the conditions of energy production operates when it is connected through the inlet nozzle 2 to the sampling line and the sensors and electrodes are connected to the measuring transducer. The container 9 is preliminarily filled through the filling opening 16, for example with a syringe, alkalizing agent and tightly closing the plug 17. The level of alkalizing agent 10 must be below the gas-permeable membrane 12. Ammonia 25% or diisopropylamine or other volatile amines are chosen as alkalizing agent.

Затем гибкой ПВХ трубкой соединяют входной штуцер 2 с точкой ручного отбора пробы. Организуют слив пробы из штуцера для слива пробы 7. Подают пробу на входной штуцер 2 и регулируйте ее расход вентилем 3 до достижения стабильных 3-6 капель в секунду (30-50 мл/мин) на штуцере для слива пробы 7. Проба поступает в первую проточную камеру 1 на установленный в ней датчик растворенного кислорода 18 (фиг. 1), позволяющий измерить массовою концентрацию растворенного кислорода. Если в первой проточной камере 1 установлен датчик растворенного водорода или датчик температуры, либо датчики растворенного кислорода или растворенного водорода совмещенные с датчиком температуры получаю результаты измерений массовой концентрации растворенного кислорода или растворенного водорода и температуры. Затем проба поступает на двухходовой кран 4. Двухходовой кран 4 в первом положении направляет поток пробы во вторую проточную камеру 5. В первом положении двухходового крана 4 (ручка направлена вправо) поток направлен напрямую во вторую проточную камеру 5 на ионоселективный электрод 19 (Na-селективный электрод), затем в третью проточную камеру 6 на комбинированный опорный электрод 20 (фиг. 1) или комбинированный рН-электрод. В описанном режиме работы ячейки получаю результаты измерений рН и осуществляют калибровку канала рН по растворам. Затем проточные камеры ячейки промывают и переключают двухходовой кран 4 во второе положение. Во втором положении двухходового крана 4 поток пробы направлен через блок подщелачивания 8 - режим измерения концентрации ионов натрия и калибровки канала рХ по растворам. Во втором положении двухходового крана 4 проба поступает тангенциально в камеру насыщения 13 блока подщелачивания 8, закручивая поток. В камере насыщения 13 происходит насыщение потока пробы парами подщелачивающего реагента. Пары подщелачивающего реагента диффундируют из емкости 9 через газопроницаемую мембрану 12 и увеличивают рН пробы до уровня рН>11 (подтверждено экспериментально). Применение газопроницаемой мембраны 12 снижает расход реагента, обеспечивает возможность использования истощенного реагента с сохранением эффективности работы устройства. Поток подщелаченной пробы выходит через отводящий контролируемую среду канал 15 в крышке 11. Затем поток поступает во вторую проточную камеру 5 на ионоселективный электрод 19 (Na-селективный электрод), затем в третью проточную камеру 6 на опорный электрод 20 (фиг. 1) или комбинированный рН-электрод. Уровень подщелачивания контролируется с помощью рН-электрода. Данные с датчиков и электродов поступают на измерительный преобразователь. Проба от начала и до конца своего пути находится в герметичном канале ячейки, что предотвращает ее окисление газами СОх. Суммарно гидравлический тракт ячейки имеет пренебрежительно малый объем, что сводит к минимуму инерционность системы. Скорость заполнения всей измерительной ячейки менее 2 секунд при расходе пробы 5 л/ч. Скорость отмывки измерительной ячейки от нескольких тысяч мкг/л до нулевых концентраций натрия менее 2-х минут.Then the flexible PVC tube connects the inlet fitting 2 with the point of manual sampling. Organize draining of the sample from the sample to drain the sample 7. Serve a sample at the inlet nozzle 2 and adjust its flow rate valve 3 to achieve a stable 3-6 drops per second (30-50 ml / min) at the nozzle for draining the sample 7. The sample enters the first flow chamber 1 on the dissolved oxygen sensor 18 installed in it (Fig. 1), allowing to measure the mass concentration of dissolved oxygen. If a dissolved hydrogen sensor or a temperature sensor is installed in the first flow chamber 1, or dissolved oxygen or dissolved hydrogen sensors combined with a temperature sensor, I get the results of measurements of the mass concentration of dissolved oxygen or dissolved hydrogen and temperature. Then the sample enters the two-way valve 4. The two-way valve 4 in the first position directs the sample flow to the second flow chamber 5. In the first position of the two-way valve 4 (the handle is directed to the right) the flow is directed directly to the second flow chamber 5 to the ion-selective electrode 19 (Na-selective electrode), then into the third flow chamber 6 to the combined reference electrode 20 (Fig. 1) or the combined pH electrode. In the described operation mode of the cell, I get pH measurement results and calibrate the pH channel using solutions. Then the flow cells of the cell are washed and the two-way valve 4 is switched to the second position. In the second position of the two-way valve 4, the sample flow is directed through the alkalizing unit 8 — the mode of measuring the concentration of sodium ions and calibrating the pX channel for solutions. In the second position of the two-way valve 4, the sample enters tangentially into the saturation chamber 13 of the alkalinization unit 8, turning the flow. In the saturation chamber 13, the sample stream is saturated with an alkalizing reagent vapor. Alkalizing reagent vapors diffuse from the tank 9 through the gas-permeable membrane 12 and increase the pH of the sample to a pH of> 11 (confirmed experimentally). The use of a gas-permeable membrane 12 reduces the consumption of reagent, provides the ability to use depleted reagent while maintaining the efficiency of the device. The flow of the alkalized sample leaves through the outlet controlled medium channel 15 in the lid 11. Then the flow enters the second flow chamber 5 at the ion-selective electrode 19 (Na-selective electrode), then into the third flow chamber 6 at the reference electrode 20 (Fig. 1) or the combined pH electrode. The alkalization level is monitored using a pH electrode. Data from sensors and electrodes is fed to the measuring transducer. The sample from the beginning to the end of its path is located in the hermetic channel of the cell, which prevents its oxidation by COx gases. The total hydraulic path of the cell has a negligible amount, which minimizes the inertia of the system. The filling rate of the entire measuring cell is less than 2 seconds with a sample flow rate of 5 l / h. The washing rate of the measuring cell from several thousand µg / l to zero sodium concentrations of less than 2 minutes.

Таким образом, измерительная ячейка позволяет осуществлять измерения водородного показателя (рН), окислительно-восстановительного потенциала (ОВП), массовой концентрации ионов натрия, растворенного кислорода, растворенного водорода и температуры в чистой и сверхчистой водах в точках ручного отбора пробы. Заявляемая ячейка позволяет одновременного измерять четыре химико-физических параметра пробы. В заявляемой ячейке обеспечена возможность калибровки рН-электрода без изъятия его из ячейки, а так же возможность измерения активности ионов водорода рН до или после измерения концентрации ионов натрия.Thus, the measuring cell allows measurements of pH (pH), redox potential (ORP), mass concentration of sodium ions, dissolved oxygen, dissolved hydrogen and temperature in pure and ultrapure waters at the points of manual sampling. The inventive cell allows simultaneous measurement of four chemical and physical parameters of the sample. In the inventive cell, it is possible to calibrate the pH electrode without removing it from the cell, as well as the ability to measure the activity of hydrogen ions pH before or after measuring the concentration of sodium ions.

Claims

1. A measuring cell consisting of three flow channels connected in series with channels in which a temperature sensor and electrodes are installed, an alkalizing reagent source, the first flow chamber equipped with an inlet fitting, and the third flow chamber equipped with a sample discharge nozzle, characterized in that it contains alkalinization unit, in which the source of alkalizing reagent is made in the form of a cylindrical container, equipped with a cylinder-conical hermetic cap, under which a gas permeation is installed The membrane forming the saturation chamber of alkalizing reagent with the inner surface of the lid, the channel supplying the controlled medium to the saturation chamber is made tangentially in the lower part of the cylindrical cover wall, and the channel discharging the controlled medium is made vertically in the upper conical part of the cover, while the output the channel of the first flow chamber is connected to the input of a two-way flow switch, the first output of which is connected to the channel supplying the controlled medium to the chamber of saturation of the unit under elachivaniya, the channel outlet controlled environment of chamber saturation alkalizing unit and a second two-way flow switch output connected to an input of the second flow chamber.

2. Measuring cell according to claim 1, characterized in that either a dissolved oxygen sensor, or a dissolved hydrogen sensor, and / or a temperature sensor is installed in the first flow chamber.

3. Measuring cell according to claim 1, characterized in that an ion-selective electrode is installed in the second flow chamber.

4. Measuring cell according to claim 1, characterized in that a reference electrode or a combined pH electrode is installed in the third flow chamber.