SU506332A3 - Электрохимический анализатор кислорода - Google Patents

Description

делит эту разность концентрации на врем , равное рассматриваемому цериоду, в результате получают величину потреблени  кислорода в единицу времени.

На фиг. 1 представлена крива  потреблени  кислорода культурой, выраженна  в миллиграммах на литр, в единицу времени, в часах. Эта крива , полученна  при помощи предложенного анализатора, показывает, что исследуема  культура содержит несколько видов микрооргаиизмов, смен ющих друг друга (ломана  лини ).

На фиг. 2 представлена крива  потреблени  кислорода культурой, в которую периодически добавл ют питательные вещества (распределение показано стрелками). Видно, что подкормка сопровождаетс  резким увеличением потреблени  кислорода и, таким образом, может быть легко обнаружена.

На фиг. 3 представлена пунктирна  крива  потреблени  кислорода культурой в зависимости от времени t и температуры Т°, выраженной по стоградусной щкале, изменеиие же температуры в зависимости от времени показано СЦЛОП1НОЙ линией. Сравнение кривых показывает , что потребление кислорода в зависимости от времени и температуры растет быстрее, чем от увеличени  только температуры (изменение температуры на 5° за 4 час увеличивает вдвое эндогенное дыхание, тогда как известно из теории, что такое увеличение соответствует увеличению температуры на 10°).

На фиг. 4 показан предложенный электрохимический анализатор, один из вариантов; на фиг. 5 и 6 - вид различных узлов анализатора в соответствии с фиг. 4, отиос щихс  к различным вариантам выполнени  устройства дл  насыщени  кислородом; на фиг. 7- график изменени  концентрации раствореиного кислорода (в миллиграммах на литр) в зависимости от времени (в секундах); на фиг. 8 - схематическое изобралсение второго варианта анализатора; на фиг. 9 - график изменени  концентрации кислорода, измеренной анализатором, изображенным на фиг. 8; на фиг. 10 - график, представл ющий огибающую изменени  концентрации растворенного кислорода в зависимости от времени, полученную с запоминающего устройства; па фиг. II - график, представл ющий огибающую изменени  концентрации растворенного кислорода в зависимости от времени, полученную на выходе усилител ; на фиг. 12 - анализатор, вариант; на фиг. 13 - камера переменного объема, частичный разрез; на фиг. 14 - график, полученный с помощью анализатора, показанного на фиг. 12, и представл ющий собой изменение концентрации растворенного кислорода в зависимости от времени; на фиг. 15 и 16- схематическое изображение узлов анализатора , изображенного на фиг. 12.

Нредложенный анализатор содержит измерительную камеру 1, заполн емую загр зненной жидкостью, котора  перемещиваетс  устройством 2. Это устройство может быть любо го типа, например магнитна  мешалка.

Дл  насыщени  пробы кислородом выше определенной дл  каждого случа  величины d2 предусмотрена восстановительна  система. Эта система (фиг. 4-8) состоит из емкости 3 дл  насыщени  анализируемой жидкости кислородом , установленного около дна емкости диффузора 4, к которому посто нно нагнетаетс  воздух или кислород по трубе 5. Емкость 3 соединена с измерительной камерой 1 трубопроводом 6, на котором смонтирован насос 7, приводимый в действие от двигател  8 через вал 9. Измерительна  камера 1 снабжена

колонкой 10, соедин ющейс  с емкостью 3 перепускной трубой 11, имеющей ввод в емкость несколько выще уровн  жидкости в ней.

Насос 7, обеспечивающий принудительную циркул цию жидкости от реактора к измерительной камере, может в случае необходимости заменить пробу, обедненную по содержанию кислорода, порцией жидкости из реактора с высоким, превышающим величину (/2, содержанием кислорода. Отработанна  проба воз вращаетс  в этом случае в реактор по перепускной трубе 11. Насос гможет также изолировать ;из мерительиую ка.меру и обогащенную пробу, содержащуюс  в ней.

В варианте, представленном на фиг. 5, восстаиоБительна  система остаетс  прежней, но емкость 3 расположена выще измерительной камеры 1, так что жидкость вытекает из нее под действием силы т жести. При этом система труб упрощаетс , она может быть снабжена затвором 12 дистанционного управлени , например вентилем.

Восстановительна  система (фиг. 6) может быть нредставлена воздушной или кислородной цепью 13, соединенной с измерительной

камерой 1, в которую помещена посто нна  проба, и снабженной затвором дистанционного действи .

Нри любом типе восстановительной системы достаточно следить за питанием двигател 

8 и величиной возбуждени  катушек затвора 12, чтобы проба была хорошо изолирована и в нее не мог поступать никакой другой кислород , кроме растворенного в жидкой среде. Во всех случа х контроль за пробой осуществл етс  посредством блока управлени  14.

Предложенный анализатор (см. фиг. 4) снабжен также измерительным преобразователем 15, соединенным с измерительным электродом 16 и с записывающим устройством 17.

Измерительиый электрод смонтирован на измерительной камере, погружен в пробу 2 и соединен с массой 18. Электрод позвол ет создать электрический ток, величина которого зависит от концентрации растворенного кислорода .

Измерительный преобразователь содержит механизм 19, который преобразует изменение тока на электроде 16 в пр молинейное перемещение d, пропорциональное концентрации

растворенного кислорода. Это перемещение

передаетс  механизмом 19 подвижной части записывающего устройства, перемещающейс  перпендикул рно направлению бумажной ленты, скорость движени  которой есть функци  времени.

Механизм 19 имеет деталь (не указанную на чертеже), котора  движетс  по оси записывающего устройства. Эта деталь св зана с двум  электрическими контактами 20 и 21, установленными па фиксированной части механизма и смещенными по фазе на упом нутой оси.

Контакт 20 соответствует максимальному порогу dz концентрации раствореппого кислорода , который должен быть достигнут и даже превзойден в пробе в начале каждого замера . Контакт 20 подключен проводниками 22 и 23 к линии 24 и к линии возбуждени  реле 25, которое вводит в действие контактор блока управлени  14 и остановки насоса 7.

Контакт 21 соответствует минимальному норогу dj концентрации растворенного кислорода , т. е. величине, с которой можно онредел ть расход кислорода. Дл  исключени  помех , могущих возникать вследствие нестабилизированных нереход щих  влений, происход щих в период между прекращением поступлени  кислорода и началом стабилизированного потреблени  кислорода, порог c/i устанавливают ниже порога dz.

Контакт 21 подключаетс  носредством проводников 22, 26 и 27 к выключающей системе датчика времени 28 дл  передачи команды на отсчет времени, затрачиваемого на измерение потреблени  необходимого количества кислорода . В данном случае использован электромеханический датчик времени. В любом случа ,е, по окончании отсчета времени, реле, вмонтированное в датчик 28 и соединенное проводниками 27 и 29 с лиргией 24, вызывает замыкание контактора блока 14 и остановку насоса 7.

Цикл работы анализатора состоит в том, что насос 7 регенерирует пробу и концентраци  растворенного кислорода возрастает до достижени  порога dz (точка а кривой 30, фиг. 2). На контакт 20 воздействует механическое устройство 19 измерительного нреобразовател  15, св занного с электродом 16, одновременно реле 25 останавливает насос 7. При изолированной пробе и наличии микроорганизмов , ноглощающих растворенный кислород, концентраци  последнего уменьшаетс . Когда она достигает порога di (точка «& кривой 30 фиг. 7), на контакт 21 воздействует механическое устройство 19, что вызывает выключение датчика времени 28. В конце цикла измерени  реле приводит в действие насос (точка «с кривой 30 фиг. 7), концентраци  раствореппого кислорода вновь увеличиваетс , и цикл повтор етс  при прохождении порога t/j. Таким образом достигаетс  ненрерывна  запись концентрации растворенного кислорода. И действительно, огибающа  31 кривой 30 (фиг. 7)  сно показывает изменение потреблени  кислорода в зависимости от времени в течение носледовательных непрерывных испытаннй .

Точна  величина С этого нотреблени  на

каждом отрезке времени зависит от разности Д между величиной порога di и величиной соответствующей точки абсциссы с на огибающей 31. Таким образом, необходимо выделить из записи дл  дальнейшего ее иснользовани  огибающую 31 и расшифровать ее.

Достаточно одного сигнализатора порога di или d2 при условии, что этот сигпализатор, посто нно след  за своевременным выключением датчика вре.мени, допускает небольшую

задержку при выключении насоса.

В то же врем  оба сигнализатора порогов di и dz, представл ющие собой либо контакты 20 и 21, либо другие эквивалентные приспособлени , могут быть переключаемы, так как

в некоторых случа х порог di должен быть выше порога Й2, в частности, когда потребление кислорода культурой происходит быстрее, чем растворение кислорода, поступающего вместе с жидкостью. И, наконец, записывающее устройство 17 может быть заменено любым подход щим индикатором, например счетчиком. Иногда вследствие небольшой ошибки огибаюп а  31 (фиг. 7) может быть не совсем точной. Действительно, при включении насоса 7 нельз  быть уверенным, что концентраци  растворенного кислорода немедленно перестает уменьшатьс . Наоборот, в большинстве случаев происходит небольшое запаздывание и вытекающа  отсюда ошибка не  вл етс  посто нной.

На фиг. 8 показан новый вариант анализатора , в котором измерительна  камера 1 соединена через насос 7 с регенерационной системой и снабжена мешалкой 2 н измерительньш электродом 16, соединенным с массой 18. В этом электрохимическом анализаторе примен етс  электронный преобразователь. Он включает в себ , кроме электрода 16, насоса 7 и записывающего устройства 17, усилительпреобразователь АС; два датчика DI и D2 порогов di и dz; датчик времени Те; блок логического унравлени  LC; запомипающее устройство М, усилитель-ограничитель AS. Вход усилител -преобразовател  АС соедипен проводннками 32 и 33 с измерительным электродом 16 и массой 18. Усилитель-нреобразователь предназначаетс  дл  трансформации электрического сигнала электрода до электрической величины, пропорциональной

концентрации растворенного кислорода. Выходы усилител -преобразовател  соединены проводником 34 со входом запоминающего устройства М и проводниками 35 с входами датчиков порогов DI и Do. Каждый датчик

действует отдельно.

По диаграмме работы датчика DI (фиг. 9) видно, что датчик DI находитс  в рабочем положении Т на отрезках be, cd кривой 30, а в нерабочем положении R - на отрезках de и fg

этой кривой. Короче говор , датчик DI переходит от положени  Т к R в том случае, когда концентраци  растворенного кислорода измен етс  от порога di в сторону увеличени , а от положени  R к положению Т он переходит при изменении порога в сторону уменьшени .

По диаграмме работы датчика D2 (фиг. 9) можно видеть, что датчик Ог находитс  в положении Т на отрезках be, dc и fg кривой 30 и что он находитс  в положении R на отрезке ef этой кривой. Иначе, датчик D2 переходит от положени  Т и R в том случае, когда концентраци  растворенного кислорода измен етс  от порога d в сторону увеличени . И, наоборот, он переходит от R к Т, когда порог начинает уменьшатьс .

В схему логического управлени  вход т следующие элементы: переключающа с  цепь 36, входы которой 37 и 38 св заны проводниками 39 и 40 с выходами датчиков DI и D2; логическа  цепь «И-ИЛИ 41, св занна  проводником 42 с первым выходом переключающейс  цепи 36 и проводником 43 с первым выходом датчика времени Те, вход которого соединен проводником 44 со вторым выходом переключающейс  цепи; ответвленна  цепь RC, вход которой св зан проводником 45 со вторым выходом датчика времени Те.

Цепь управлепи  насоса 8 соединена проводником 46 с выходом логической цепи «И- ИЛИ 41. Вход запоминающего устройства М соединен проводником 34 с выходом усилител -преобразовател  АС, вход управлепи  устройством соединен проводником 47 с выходом ответвленной цепи RC, а выход информации запомипающего устройства М подключаетс  проводником 48 к записывающему устройству 17.

В то врем  когда датчик времени Те включен па выходе переключающейс  цепи 36 и находитс  в таком состо нии в течение определенного времени, на диаграмме Те (фиг. 9) можно заметить, что его рабочее положение Т соответствует отрезку Ьс кривой 30, а положение R - отрезку cdefg.

При включении переключающейс  цепи 36, позвол ющей указать прохождение порогов (1 и в нужном направлении, на диаграмме PS (фиг. 9) рабочее положение Т этой цепи (которое должно показывать только переход к возрастанию порога 2) соответствует отрезкам аЬ и efg кривой 30, а положение, при котором начинаетс  понижение порога d, соответствует отрезку b с de кривой 30.

Зна , что насос 7 должен работать только на отрезке cde кривой 30, можно заметить, что логическа  цепь 41 подготовлена к выполнению команды. Действительно, цепь 41, будучи подключенной к переключающейс  цепи 36 и к временному датчику Те, может привести в действие насос в том случае, если эти цепи наход тс  в нерабочем положении. Диаграмма Р (фиг. 9), котора  дает представление об управлении насоса цепью 41,  сно показывает, что положение Т цепи 41 соответствует общим отрезкам положени  R диаграмм Те временного датчика и PS переключающейс  цепи 36, т. е. соответствует отрезку cde цепи.

Более того, поскольку управлепие запоми5 пающим устройством должно быть осуществлено по истечении замера времени, па диаграмме фиг. 9 можно заметить, что импульс i управлени  устройством М даетс  цепью RC тогда, когда временной датчик Те ( диаграмма Те) переходит от положени  Т к R, а не от R к Т, т. е. импульс i соответствует точке с кривой 30 - моменту, когда замер должен прекратитьс .

Когда запоминающее устройство М получает через проводник 34 данные из усилител преобразовател  АС об изменении концентрации растворенного кислорода, то оно «запоминает только данные, выщедщие в момент, когда импульс команды i подаетс  временным

20 датчиком Те через ответвленную цепь RC. В таком случае запоминающее устройство М между двум  имиульсами передает записывающему устройству 17 только носто пную величину концентрации растворенного кислорода, равную величине с. График последовательных циклов, полученный на записывающем устройстве, изображен на фиг. 10. Крива  49 соответствует изменению во времени концентрации растворенного кислорода на различных

0 стади х оныта.

Чтобы знать изменение во времени потреблени  кислорода прп различных опытах, первый вход усилител -ограничител  AS подсоедин етс  посредством проводника 48 к выходу информации запоминающего устройства М, второй вход св зываетс  проводником 50 с зажимом датчика DI. Выход усилител -ограничител  AS подключаетс  через проводник 51 к записывающему устройству 17.

0 Усилитель-ограничитель измен ет посто нное напр жение (соответствующее порогу di), выход щее из датчика DI, на переменное напр жение (крива  49), выход щее из запоминающего устройства М. В результате получаетс  напр жение, изображенное на фиг. 11 кривой 52, которое соответствует изменению во времени потреблени  кислорода от одного опыта к другому.

0 На фиг. 12-14 показан один из вариантов конструкции анализатора.

Анализатор снабжен емкостью 53, в которую помещают исследуемую жидкость и затем устройством 54 подают кислород. Емкость 53

5 аналогична емкости 43 и может представл ть собой бак дл  аэрации или иакислораживани  на станции биологической очистки.

Трубопровод 55 соединен концами с емкостью таким образом, что обеспечиваетс  за0 бор жидкости и возврат ее после анализа.

На трубопроводе последовательно смонтированы насос с посто нным расходом 56 и камера 57, объем которой периодически измен етс  во избежание утечки, веро тной при пуль5 сации жидкости. Измерительный электрод 16

установлен в расширении трубонровода в зоне измерени  58.

Камера 57 находитс  ниже насоса и устроена таким образом, что положение поперечных слоев жидкости в камере не мен етс  во врем  изменени  объема.

Камера 57 (фиг. 13) содержит гибкий патрубок 59 (предпочтительно из эластичного материала ). Диаметр патрубка в нерабочем положении примерно равен диаметру трубопровода 55, а длина патрубка больше его диаметра в рабочем положении. Места соединени  патрубка с трубопроводом водонепроницаемы. Патрубок заключен в водонепроницаемый кожух 60.

На кожухе находитс  трехходовой кран 61, позвол юш,ий соедин ть кожух с вакуумной камерой (не указанной на чертеже) дл  того, чтобы увеличивать объем патрубка 59 и заодно камеры 57, либо впускать атмосферный воздух, что приводит к уменьшению объема патрубка и камеры. Работа крана регулируетс .

К измерительному электроду 16 и массе 18 присоединен измерительный преобразователь 15 и записывающее устройство 17.

На фиг. 14 показана запись, произведенна  устройством 17. Запись представл ет собой извилистую линию 62, верхние точки 63 которой , указывающие ка максимальную концентрацию растворенного кислорода, соответствуют минимальному времени пребывани  жидкости в «амере (уменьшенный объем камеры 57), а впадииы 64 указывают на минимальную .концентрацию растворенного кислорода, что соответствует максимальному времени пребывани  жидкости, возросшему по отношению к предыдущему на At (увеличенный объем камеры). Таким образом, потребление кислорода определ етс  разностью концентраций растворенного кислорода в зоне измерени  58 и, следовательно, разностью ординат ДВУХ последовательных точек 63 и 64 кривой 62.

Кривые 65 и 66 (фиг. 14), показывающие изменение концентрации кислорода, раствооенного в жидкости, за отрезки времени t и , не совсем точно совпадают с количеством потребл емого кислорода, поскольку это изменение зависит также и от изменени  поступлени  кислорода в резервуар 53 или от изменени  количества растворимого кислорода в жидкости, поступающей в резервуар, и т. д. Следовательно, дл  того, чтобы получить точные результаты и узнать количество потребл емого кислорода, необходимо измер ть на конвой 62 разности ординат между точками 63 и 64 и переносить эти разности на другой график.

Измерительный преобразователь (фиг. 15) имеет два запоминающих устройства MI и М2, входы данных которых соединены проводниками 67 и 68 с выходом усилител -преобразовател  АС, соединенного проводниками 32 и 33 с измерительным электродом 16 и массой 18, Входы команд устройств Mj и MS подключены к цепи включени  двум  независимыми контактами 69 и 70. соединенными с датчиком объема камеры 57.

В приводимом на фиг. 13 типе камеры представл етс  горазно выгоднее приводить в действие контакты 69 и 70 известпым методом дл  того, чтобы периодически управл ть краном 61 кожуха 60. Этот кран может быть выполнен в виде телеуправл емого трехходового вентил , обмотка возбуждени  71 которого находитс  под контролем регулируемого датчика времени М. Этот датчик может быть электромеханическим. В таком случае он приводит в действие кулачок 72, сообщающийс  с контактом 73 цепи питани  74 обмотки 71. Этот кулачок приводит в действие вентиль, соедин   его с вакуумом дл  увеличени  объема патрубка 59 и камеры или с атмосферой дл  уменьшени  объема.

Датчик М приводит в действие также кулачки 75 и 76, снабженные выступающими пальцами, которые включают контакты 69 и 70. Пальцы смещены на 180° в том случае, если контакты 69 и 70 наход тс  в фазе. Следовательно, когда кожух 60 соедин етс  с атмосферой, контакт 60 закрываетс , а затем быстро открываетс , чтобы подать через электрическую цепь 77 сигнал команды запоминающему устройству MI, которое хранит величину, данную ему в этот момент усилителем - преобразователем АС, т. е. величину, соответствующую минимальной концентрации (крива  64) растворенного кислорода. Аналогичным образом, когда кожух 60 подключен к вакуумной камере, контакт 70 находитс  в закрытом состо нии, а затем быстро открываетс  дл  подачи через электрическую цепь 78 сигнала команды к запоминающему устройству Мг, которое хранит поданную в этот момент усилителемпреобразователем АС величину, соответствующую максимальной концентрации (крива  63) растворенного кислорода.

Выходы запоминающих устройств MI и Мо в таком случае подсоединены посредством проводников 79 ц 80 к входам ограничительной цепи CS, выход которой соединен через проводник 81 к записываюн1ему устройству 17 или к другому индикатору.

Таким образом происходит запись разности концентраций растворенного кислорода н легко измер етс  количество потребл емого кислопода .

Устройство, представленное на фиг. 16, позвол ет получить еще более точные резлльтаты . Запоминающие устройства MI и Мз расположены между усилителем-преобпазователем АС и ограничительной цепью CS. Их командные входы соединены проводниками 82 и 83 с отводной пепью CD, вход которой св зан проводником 84 с выходом усилител -преобразовател  АС. Эта отводна  цепь предназначена дл  вы влени  во временном отнощении зависимости концентрации пастворенного кислорода, выраженной кривой 62 на фиг. 14,

дл  сигнализации в случае изменени  этой зависимости , дл  различени  сигналов, указывающих на изменение концентрации растворенного кислорода после увеличени  (крива  63) от сигналов умеиьшени  (крива  63), от сигналов уменьшени  (крива  64) и, наконец, дл  выборочиой иодачи этих сигналов в запоминающие устройства MI и М2. Иначе говор , отводна  цепь CD имеет нулевой детектор и сигнальный дискримииатор и заставл ет более четко работать контакты 69 и 70 после получени  команды.

Электрохимический анализатор независимо от способа его использовани  может служить дл  определеии  с высокой точностью в нужвый момент и с небольшим опозданием (пор дка нескольких мипут) биоразлагаемого загр зпени  жидкости.

Он быть использован и дл  анализа сложных  влений, возникающих в процессе биоразложени  загр зненной среды, дл  Koirrрол  над биоразложением с внесением поправок на мешающие факторы.

Электрохимический анализатор, таким образом , может быть использован в качестве автоматического контролера на водоочистительных станци х (как бытовых, так и промышленных ). Он нрименим также и в лабораторных услови х дл  определени  степени загр зненности воды и вли ни  па пее городских, индустриальных и нрочих условий. Его можно использовать и в специальных лаборатори х, занимающихс  исследовани ми микроорганизмов , естественным биоразложением в почве, водными течени ми и т. д.

Claims (2)

1.Электрохимический аиализатор кислорода , раствореиного в жидкости, содержащий измерительную камеру с электродами, измерительный преобразователь с блоком управлени  и вторичным прибором, отличающийс  тем, что, с целью повышени  точности и увеличени  скорости аиализа, аиализатор снабжен емкостью дл  насышегш  анализируемой жидкости кислородом, соединеииой с измерительной камерой системой труб, причем иа трубопроводе, подающем жидкость от емкости к камере, установлен управл емый блоком управлени  измеритель расхода.

2.Анализатор по п. 1, отличаюшийс  тем, что измеритель расхода выполнен в виде последовательно установленных насоса посто нного расхода и камеры переменного объема.

ШО Т

JX

L

о 1

С, мг/л

700

I

50 О

W

Фиг-1

f Pvz.Z

Cj МГ//

t,

(+ 5

Л1

-23

)6

t.ceiii

ЗТ.

0,мг1л

di d.

(ригЛ 3S Фиг. в 37

-Ьсек

9иг. 10

t.ceif

- С/ /Г/;7

1/г. JJ

i

.

Jbd

Фиг. J5

r/

л

Фиг. J6