SU1081429A1 - Устройство дл оптического определени микроколичеств веществ - Google Patents

Abstract

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПТИЧЕСКОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ МИКРОКОЛИЧЕСТВ ВЕЩЕСТВ, содержащее источник света, оптическую кювету, соединенные последователь но светоприемник и логарифмирующий . усилитель, подключенный к первому входу сумматора, с вторым входом которого соединен выход генератора линейно измен ющегос  напр жени ми блок индикации, о т л и ч а ю щ е ес   тем, что, с целью повышени  точности определени  микроколичеств веществ в исследуемом диапазоне, их концентрсщий и уменьшени  трудоемкости измерени , в него введены блок дифференцировани , дополнительный логарифмический ус илитель и блок формировани  сигнала этапов течени  реакции , включенный между выходом светоприемника или логарифмирующего усилител  и входом генератора линейно измен ющегос  напр жени , причем g блок дифференцировани  и дополнитель (Л ,ный логарифмирующий усилитель включены последовательно между выходом С сумматора и входом блока индикации.

Description

Изобретение относитс  к области технической физики, а именно. к ана литическому оборудованию, и предназ начено дл  определени  микроколичес в водных растворах по скорости ката лизируемых ими реакций. Известно устройство дл  контрол  протекани  химических реакций, состо щее из входного устройства дл  приема входного сигнала в виде исто ника света, светоприемника, усилите л  с логарифмической входной зависи мостью и блока регистрации данных 1 Недостатки этого устройства закл чаютс  в его сложности вследствие наличи  блока цифровой обработки ре зультатов измерени  и низкой точнос ти измерений содержани  элементов в диапазоне чувствительности метода, особенно в области малых концентраций , причем точность измерени  сиижаетс  вследствие суммировани  ошиб ки измерени  и ошибки преобразовани его результатов в цифровую форму. Наиболее близким к изобретению техническим решением  вл етс  устройство дл  оптического определени  микроколичеств веществ,содержащее источник света, оптическую кювету, соединенные последовательно светоприемник и логарифмирующий усилител подключенный к первому входу сумматора , с вторым входом которого соединен выход генератора линейно изме н ющегос  напр жени , и блок индика ции 2 . Недостатком устройства  вл етс  то, что при существенном повышении точности каждого единичного измерени  калибровочный график в диапазо не чувствительности метода остаетс  нелинейным, особенно в области малых концентраций элементов, что в целом снижает точность определени  микроколичеств элементов в исследуемом .диапазоне их концентраций, а также больша  трудоемкость измерений, так как остаетс  необходимость в графической и математической обработке результатов каждого измерени . Цель изобретени  - повышение точности определени  микроколичеств веществ в исследуемом диапазоне, их концентраций и уменьшение трудоемкос ти измерений. Поставленна  цель достигаетс  тем что в устройство дл  оптического определени  микроколичеств веществ, содержащее источник света, оптическую кювету, соединенные последователь11о светоприемник и логарифтиирующий усилитель, подключенный к первому входу сумматора, с вторым входом которого соединен выход генератора линейно измен ющегос  напр жени , и блок индикации, введены блок дифференцировани , дополнительный логарифмнческий усилитель и блок формировани  сигнала этапов течени  реакции , включенный между выходом светоприемника или логарифмирующего усилител  и.входом генератора линейно измен ющегос  напр жени , причем блок дифференцировани  и дополнительный логарифмирующий усилитель включены между выходом сумматора.и входом блока индикации. На фиг. 1 представлена блок-схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 - блок-схема блока формировани  сигнала этапов течени  реакции; на фиг. 3 - эпюры сигналов на выходах функциональных блоков на фиг. 1; на фиг. 4 - .эпюры напр жений , по сн ющие работу блока формировани  на фиг. 2; на фиг. 5 блоксхема варианта выполнени  блока фор-. мировани  сигнала этапов течени  реакции; на фиг. 6 - эпюры напр жений, по сн ющие его работу; на фиг. 7 калибровочные графики содержани  ванади  в растворе, полученные с использованием дополнительно введенных блоков и без них. Устройство дл  оптического определени  скорости химических реакций содержит источник 1 света, например, лампу накаливани  с соответствующими цеп ми ее питани , расположенную по ходу луча света оптическую кювету 2, в которую помещен исследуемый pacjTBOp 3 и светоприемник 4, к6то1иле все вместе составл ют оптический блок 5. Светоприемник 4 выполнен в виде светочувствительного элемента, например фотоэлемента, фотосопротивлени , фототранзистора и т.п.. В качестве оптического блока 5 может быть использован оптический тракт фотоэлектроколориметра,причем в состав светоприемника 4 входит также линейный усилитель посто нного тока, либо он может быть изготовлен отдельно , в этом случае светоприемник содержит преобразователь ток - напр жение . Электрический выход оптического блока 5 соединен с входом электронной части устройства, причем . с выходом светоприемника 4 соединен вход логарифмирующего усилител  6 и, в варианте исполнений, вход блока 7 формировани  сигнала этапов течени  реакции, выход которого соединен с уходом управлени  генератора линейно измен ющегос  напр жени  (ГЛИН) 8. Выход логарифмирующего усилител  6 соединен с первым входом сумматора 9, с вторым входом которого соединен выход ГЛИН 8, а к выходу сумматора 9 подключен вход блока 10 дифференцироваии  аналогового сигнала; К выходу блока 10 дифференцировани  подключен вход дополнительного логарифмирующего усили- «эл  11, с выходом которого соединен

вход блока 12 индикации, выполненного в виде измерител  напр жени .

Блок 7 формировани  сигнала этапов течени  реакции в одном иЗ вариантов исполнени  подключен к выходу логарифмирующего усилител  6. Такое подключение блока 7 формировани  обеспечивает большую разрешающую способность определени  отдельных этапов течени  реакции, так как амплитуда сигнала на выходе логарифмирующего усилител  б больше, чем на вы-. ходе светоприемника 4, однако вследствие меньшей крутизны изменени  сигнала с выхода логарифмирующегЬ усилител  б, чем с выхода светоприемника 4, происходит запаздывание определени  момента окончани  индукционного периода реакции.

Блок 7 форгдаровани  сигнала этапов течени  реакции состоит из соединенных параллельно своими входами схема 13 управлени  элементом 14 пам ти , состо щей из аналогового ключа , триггера, одновибраторов, первого входа компаратора 15, а также дифференциатора 16, подключенного к входу формировател  17, Выход схемы 13 пам ти соединен с вторым входом компаратора 15, а его выход,  вл ешшйс  первым выходом блока 7 формировани , соединенным с управл ющим входом ГЛИН 8, соединен с первым управл ющим входом схемы 13 управлени . Выход формировател  17,  вл ющийс  вторым (дополнительным) выходом блока 7 формировани  сигнала этапов течени  реакции, подключен к второму управл ющему входу схемы 13 управлени . Один из входов сумматора 18 соединен с выходом компенсатора 19, Второй выход блока 7 формировани  служит дл  индикации начала реакции и может быть подключен к входу Пуск внешнего частотомера-хронометра 20, а первый выход блока 7 формировани  индицирует конец индукционного периода реакции и может быть подключен к входу

Стоп частотомера-хронометра 20,

(21-60 - эпюры сигналов).

Устройство работает следующим образом ,

В исходном состо нии оптическа  кювета 2, помещенна  между источником 1 света и светоприемником 4, не содержит исследуемого раствора 3 При этом на выходе светоприемника 4 сохран етс  сигнал, амплитуда которого отличаетс  от сигнала при заполненной раствором 3 оптической кювете 2, преимущественно меньше последнего (соответственно участки t и t, кривых 21-25 на фиг, 3; кривых 51 на фиг. 4 и кривых 48 на фиг, Устанавливают выходной сиг нал ГЛИН 8, равным нулевому. Этот

сигнал с выхода светоприемника 4 поступает на вход логарифмирующего усилител  б и далее на первый вход аналогового сумматора 9, Так как этот сигнал при пустой оптической

кювете 2 не измен етс  во времени, а сигнал на выходе ГЛИН 8 также не измен етс  во времени в исходном состо нии, то на выходе блока 10 дифференцировани  сигнал отсутствует и, следовательно, отсутствует сигнал на выходе второго логарифмирующего усилител  11, Блок 12 индикации показывает нулевые значени , В таком состо нии устройство

сохран етс  до момента заполнени  оптической кюветы 2 исследуемым раствором 3, который  вл етс  смесью раствора анализируемого вещества с раствором реагентов, между которыми

протекает химическа  реакци , катализируема  исследуемым веществом. Эта реакци  характеризуетс  индукционным периодом (2) и периодом, когда протекание химической реакции

между реагентами сопровождаетс  изменением оптической плотности анализируемого раствора 3 во времени, Это изменение оптической плотности протекает по экспоненциальному закону и по такому же закону измен ет ,с  ВЫХОДНОЙ сигнал светоприемника 4

Kt

(1)

вых (X.O

где Ugj,,j - выходное напр жение светоприемника 4 в момент времени tj и„ - выходное напр жение топриемника в исходный период (индукционный период t) ; К - константа скорости реак- ции;

t 7 промежуток времени, При ЭТОМ константа К скорости реакции имеет конечное значение и при отсутствии в растворе 3 исследуемого вещества-катализатора, характеризу  скорость так называемой холостой реакции, имеющей минимальное значение по сравнению со скоростью реакции при наличии в растворе 3 исследуемого вещества (крива  21), Эта величина константы К скорости холостой реакций в известных методах сужает диапазон измер емых значений на калибровочном графике (ось,ординат дл  .кривой 61 на фиг,7) и, кроме того, увеличивает ошибку измерени  вследствие суммировани  значений константы К скорости холостой реакции со значени ми скорости анализируемых реакций (кривые 22-25).

После заполнени  оптической кюветы 2 раствором 3 происходит скачкообразное изменение интенсивности светого потока, поступакицего на св топриемник 4 и, соответственно, ска кообразное изменение амплитуды его выходного сигнала (кривые 21-25, 51 который поступает на вход блока 7 формировани  сигнала этапов течени  реакции, где скачкообразное изменение потенциала вьадел етс  дифференциатором 16 и преобразуетс  формиро вателем 17 в сигнал Начало реакции (крива  53). Этот сигнал пост пает на второй управл ющий вход схе NH 13 управлени , причем открываетс аналоговый ключ (крива  54), вход щий в состав схемы 13 управлени , пропускающий входной сигнал с выхода светоприемника 4 на элемент 14 пам ти в течение 0,1-1 с, В элементе 14 пам ти при этом происходит за поминание уровн  сигнала с выхода светоприемника в индукционный период исследуемой реакции (крива  56), ко торый в дальнейшем служит исходным значением дл  сравнени  при последующих изменени х входного сигнала блока 7 формировани  (крива  51, 55 Сигнал с выхода элемента 14 пам ти поступает на второй вход компаратора 15, на первый вход которого пост пает сигнал непосредственно с выхода светоприемника 4 (крива  55), Та как вследствие прохождени  через ан логовый ключ схемы 13 управлени  си нал с выхода светоприемника 4 ослаб л етс  на 0,1-0,5%, эта разница в уровн х сигналов на входах компаратора 15 (кривые 55, 56) поддерживает его в исходном состо нии. По окончании индукционного периода (±2. ) реакци  начинает протекать с изменением оптической плотности раствора 3 (tj)/ причем амплитуда сигнала на первом входе компаратора 15 начинает уменьшатьс  (крива  55).и, наконец , становитс  меньшей, чем амплитуда сигнала на втором входе компаратора 15 (крива  56), котора  остаетс  неизменной во времени, при этом на выходе компаратора 15 формируетс  сигнал Конец индукционного периода (крива  57), поступаклций на первый управл ющий вход схема 13 управлени , сбрасыва  ее в исходное состо ние, и одновременно на управл ющий вход ГЛИН 8. В случае значительной длительности индукционного периода (пор дка 1-5 мин), что имеет место при малых концентраци х анализируемого вещества, (кривые 21, 22), возрастает ошибка запоминани  аналогового сигнала. Поэтому,если в течение 1-60 с не поступил сигнал Конец индукционного периода на первый вход схемы 13 управлени , то в ней формируетс  импульс, открывающий аналоговый ключ, который пропус кает выходной сигнал с выхода свето приемника 4 к элементу 14 пам ти, восстанавлива  исходное значение этого сигнала (крива  56). В случае подключени  блока 7 формировани  к выходу логарифмирующего усилител  6 все процессы, происход щиз а нем, идентичны описанным с той разницей, что в качестве входного сигнала используют , выходной сигнал логарифмирующего усилител  6 (кривые 26-30, 52) . Логарифмирующий усилитель 6 преобразует выходной сигнал светоприемника 4 (кривые 21-25), измен ющийс  во времени -по экспоненциальной зависимости , в сигнал, измен ющийс  во времени по линейной зависимости (кривые 26-30) где и(,, - выходной сигнал логариф мирующего усилител  6; Ug - входной сигнал логарифмирующего усилител  6; а - коэффициент усилени  логарифмирующего усилител  6 . Сигнал с выхода логарифмирукицего усилител  6 (кривые 26-30) поступает на первый вход сумматора 9,на второй вход которого поступает линейно измен ющеес  напр жение (кривые 31-35) с выхода ГЛИН 8, который заг скаетс  сигналом Конец индукционного периода (крива  57) свыхода блока 7 формировани . Скорость нарастани  линейно измен ющегос  напр жени  по абсолютному значению соответствует скорости изменени  сигнала с выхода лoгapифмиpsющeгo усилител  6 при проведении холостой реакции (крива  26), устанавливаетс  при пробном проведении такой реакции и остаетс  неизменной при всех реакци х данной серии измерений (кривые 31-35), а пол рность противоположна пол рности сигнала на выходе логарифмирующего усилител  6 (кривые 26-30) . При этом выходной сигнал сумматора 9 представл ет собой разность скоро.сти протекани  исследуемой реакции (кривые 36-40), при отсутствии в растворе 3 анализируемого вещества сигнал на выходе сумматора 9 отсутствует, (крива  36), что расшир ёТг диапазон измерений. Сигнал с выхода сумматора 9 поступает на вход блока 10 дифференцировани , который преобразует скорость нарастани  сигнала с выхода сумматора 9 в пропорциональный ему выходной сигнал, не измен ющийс  во времени (кривые 41-45). Однако в св зи с существен (о нелинейной зависимостью между содержанием анализируемого вещества в растворе 3 и амплитудой

выходного сигнала блока 10 дифференцировани  этот сигнал поступает на вход дополнительного логарифмирующего усилител  11, который линеаризует эту зависимость (кривые 46-50). Выходной сигнал дополнительного логарифмирующего усилрЛел  11 поступает на вход блока 12 индикации, шкала которого линейна  и откалибрована в единицах содержани  исследуемого вещества. Таким образом, весь процесс определени  содержани  исследуемого вещества в растворе 3 сводитс  к наблюдению за значением амплитуды выходного сигнала дополнительного логарифмирующего усилител  11 после окончани  индукционного периода по шкале блока 12 индикации.

Возможно также определение содержани  анализируемого вещества в растворе 3 по времени индукционного периода , длительность которого обратно пропорциональна содержанию анализируемого вещества (периоды t, кривых 21-25) с помощью частотомера-хронометра 20, подключенного к выходам Начало реакции и Конец индукционного периода блока 7 формировани , что значительно сокращает врем  каждого измерени , так как исключаетс  необходимость в проведении всей реакции, длительность которой может достигать 10-30 мин. Однако в этом случае требуетс  построение калибровочного графика, который cyinecTBeHно нелинеен как в области малых коли .честв анализируемого вещества, так и в области больших его количеств, что снижает точность измерений и требует математических расчетов, повышающих трудоемкость измерений.

Выполнение блока 7 формировани  сигнала этапов течени  реакции возможно и в ином конструктивном варианте (фиг. 5). В этом случае в состав блока 7 формировани  входит компаратор 15, первый вход которого соединен с выходом логарифмирующего усилител  6, а второй вход - с выходом суюлатора 18. Первый вход сумматора 18 соединен параллельно входу логарифмирующего усилител  с выходом светоприемника 4, а второй его вход подключен к выходу компенсатора 19, представл кт(его собой регулируемый . источник напр жени  и схему сравнени , подключенную к выходам светоприемника 4 и логарифмир5пощего усилител  6. Работа блока 7 формирова-НИН , выполненного по описанной структурной схеме, основана на зависимости между входным и выходным сигналами логарифмирующего усилител , когда при некоторой амплитуде сигнала на входе логарифмирующего усилител  амплитуда сигнала на выходе будет

равна входному сигналу, а затем начнет отставать. При работе данного блока 7 формировани  предварительно устанавливают амплитуды сигналов на входах компаратора 15 с помощью компенсатора 19 такой величины, чтобы при заполнении оптической кюветы 2 раствором 3 в течение индукционного периода (2) амплитуда .выходного сигнала логарифмирующего усилител  6

0 на первом .ходе. компаратора 15 была на 0,1-2% меньше, чем на втором входе компаратора 15. По окончании индукционного периода выходной сигнал логарифмирующего усилител  б на на5 чальном этапе протекани  реакции сизменением оптической плотности раствора 3 измен етс  медленнее, чем его входной сигнал, и наступает момент, когда.амплитуда сигнала

Q на первом входе компаратора 15 пре . вышает амплитуду сигнала на его втором входе (кривые 59, 58 соответственно ) , что и фиксирует компаратор 15 как момент окончани  индукционно5 го периода (крива  60). Преимущества этого варианта выполнени  блока 7 формировани  заключаютс  в большей простоте конструкции, однако при работе требуетс  точна  настройка амплитуд сигналов на входах компаратора 15, что повышает-трудоемкость исследовани , а определение момента окончани  индукционного периода менее точно, чем при выполнении блока 7 по фиг. 2, вследствие чего снижает5 с  точность определени  содержани  исследуемого вещества по индукционному периоду реакции.

После окончани  измерени  устанавливают выходное напр жение на выхо0 де ГЛИН 8 в нулевое значение, после чего, устройство готово дл  проведени  очередного измерени .

Устройство было изготовлено в

5 виде макетного образца и использовано дл  определени  содержани  следовых кбличеств ванади  по его каталитическому действию на реакцию окислени  иодида броматом кали  в

0 промывных и сточных водах, причём

точность определени  ванади  в диапазоне мг/мл ванади  (без применени  активатора до значени  больше 10 мг/мл ванади ) повысилась в

5 1/5-2 раза; исключена необходимость в проведении графических построений по калибровочным графикам .и математических .рассчетов, что сокращает врем  обработки результатов измереQ ни  до минимума, практически, до регистрации значений содержани  вещества по шкале блока индикации, а сам анализ стал доступным лаборанту.без спецнгшьной подготовки.

16

56/A.f

Выл.

off   м « лвви

-

51

J NT

fS

u

16

IB

Фиг. 5

S9

S8

60

Фиг.6

53

5

Концентраци  анамзирдемого 8eu4ecin6a

Фиг. 1

Claims (1)

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПТИЧЕСКОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ МИКРОКОЛИЧЕСТВ ВЕЩЕСТВ, содержащее источник света, оптическую кювету, соединенные последователь- но светоприемник и логарифмирующий усилитель, подключенный к первому входу „сумматора, с вторым входом которого соединен выход генератора линейно изменяющегося напряжениями блок индикации, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что, с целью повышения точности определения микроколичеств веществ в исследуемом диапазоне, их концентраций и уменьшения трудоемкости измерения, в него введены блок дифференцирования, дополнительный логарифмический усилитель и блок формирования сигнала этапов течения реакции, включенный между выходом светоприемника или логарифмирующего усилителя й входом генератора линейно изменяющегося напряжения, причем блок дифференцирования и дополнитель,ный логарифмирующий усилитель включены последовательно между выходом сумматора и входом блока индикации.

   Фиг!