способ и устройство для определения концентрации ионов водорода
Классы МПК: | G01N27/416 системы |
Автор(ы): | Гвездев И.К., Герасимов Б.И., Калинин В.Ф., Глинкин Е.И. |
Патентообладатель(и): | Тамбовский государственный технический университет |
Приоритеты: |
подача заявки:
1999-04-07 публикация патента:
20.05.2001 |
Изобретение относится к измерительной технике, к измерению концентрации ионов водорода (pH). Предложен способ определения концентрации ионов водорода за счет измерения электродами с высоким внутренним сопротивлением электрических параметров среды по установившемуся потенциалу измеряемого сигнала, соответствующего физико-химическому составу среды. Сигнал регистрируют по интервалу времени от начала измерения до достижения порогового значения в каждом цикле. При этом измеряемый сигнал формируют из динамической разности потенциалов между измерительным и сравнительным электродами измерительной ячейки за счет накопления ионов на измерительном электроде. Начало цикла организуют после обнуления измеряемого сигнала в момент достижения его амплитуды порогового значения в конце предыдущего цикла. Устройство по способу состоит из измерительной ячейки, усилителя и вычислителя, аналого-цифрового преобразователя и коммутатора, связывающего выход измерительной ячейки со входом усилителя. Выход усилителя через аналого-цифровой преобразователь по шине данных соединен с вычислителем, выполненным на базе персонального компьютера, который по шине управления соединен с управляющим входом коммутатора. В результате повышается оперативность измерений и расширяется диапазон контроля при заданных метрологических характеристиках. 2 с.п. ф-лы, 1 табл., 4 ил.
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4
Формула изобретения
1. Способ определения концентрации ионов водорода за счет измерения электродами с высоким внутренним сопротивлением электрических параметров среды по установившемуся потенциалу измеряемого сигнала, соответствующего физико-химическому составу среды, который регистрируют по интервалу времени от начала измерения до достижения порогового значения в каждом цикле, отличающийся тем, что 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. 2. Устройство для определения концентрации ионов водорода, состоящее из измерительной ячейки, усилителя и вычислителя, отличающееся тем, что 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.Описание изобретения к патенту
Изобретения относятся к измерительной технике, в частности к измерению концентрации ионов водорода (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. Недостатками этого способа и устройства являются низкая точность измерений и сложность изготовления ИПТ. 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. Недостатком этих решений является низкая точность измерения величины pH, вызванная ошибкой минимальной дискреты инерционного сигнала 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. Недостатками прототипа являются низкая точность измерений, вызванная параметрическим дрейфом измерительного электрода, инерционность измерительного электрода и узкий диапазон измерений, связанный с фиксированным пороговым значением. Технической задачей способа и устройства являются повышение оперативности и расширение диапазона контроля при заданных метрологических характеристиках. 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. 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. Сущность предлагаемого способа заключается в следующем (см. фиг. 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
![способ и устройство для определения концентрации ионов водорода, патент № 2167416](/images/patents/304/2167132/964.gif)
![способ и устройство для определения концентрации ионов водорода, патент № 2167416](/images/patents/304/2167132/964.gif)
E = EpH
![способ и устройство для определения концентрации ионов водорода, патент № 2167416](/images/patents/304/2167007/183.gif)
![способ и устройство для определения концентрации ионов водорода, патент № 2167416](/images/patents/304/2167132/964.gif)
где: E - текущая ЭДС измерительной ячейки; EpH - максимальное значение ЭДС, соответствующее определяемому значению pH;
![способ и устройство для определения концентрации ионов водорода, патент № 2167416](/images/patents/304/2167132/964.gif)
Eo= EpH
![способ и устройство для определения концентрации ионов водорода, патент № 2167416](/images/patents/304/2167007/183.gif)
![способ и устройство для определения концентрации ионов водорода, патент № 2167416](/images/patents/304/2167132/964.gif)
отсюда интервал времени для определения установившегося потенциала измеряемого сигнала:
![способ и устройство для определения концентрации ионов водорода, патент № 2167416](/images/patents/304/2167416/2167416-2t.gif)
Постоянная времени T определяется предварительно на образцовом (или принятом за образцовый) растворе:
![способ и устройство для определения концентрации ионов водорода, патент № 2167416](/images/patents/304/2167416/2167416-3t.gif)
Известно, что код N = Fo
![способ и устройство для определения концентрации ионов водорода, патент № 2167416](/images/patents/304/2167007/183.gif)
![способ и устройство для определения концентрации ионов водорода, патент № 2167416](/images/patents/304/2167132/964.gif)
![способ и устройство для определения концентрации ионов водорода, патент № 2167416](/images/patents/304/2167007/183.gif)
![способ и устройство для определения концентрации ионов водорода, патент № 2167416](/images/patents/304/2167416/2167416-4t.gif)
отсюда потенциал установившегося режима насыщения:
![способ и устройство для определения концентрации ионов водорода, патент № 2167416](/images/patents/304/2167416/2167416-5t.gif)
По установившемуся потенциалу EpH определяют искомую величину pH исследуемого раствора:
![способ и устройство для определения концентрации ионов водорода, патент № 2167416](/images/patents/304/2167416/2167416-6t.gif)
где: pHи и Eи - координаты изопотенциальной точки электродной системы; S0 - чувствительность электродной системы при 0oC;
![способ и устройство для определения концентрации ионов водорода, патент № 2167416](/images/patents/304/2167007/945.gif)
![способ и устройство для определения концентрации ионов водорода, патент № 2167416](/images/patents/304/2167132/964.gif)
![способ и устройство для определения концентрации ионов водорода, патент № 2167416](/images/patents/304/2167132/964.gif)
![способ и устройство для определения концентрации ионов водорода, патент № 2167416](/images/patents/304/2167416/2167416-7t.gif)
![способ и устройство для определения концентрации ионов водорода, патент № 2167416](/images/patents/304/2167132/964.gif)
Время
![способ и устройство для определения концентрации ионов водорода, патент № 2167416](/images/patents/304/2167132/964.gif)
![способ и устройство для определения концентрации ионов водорода, патент № 2167416](/images/patents/304/2167007/183.gif)
![способ и устройство для определения концентрации ионов водорода, патент № 2167416](/images/patents/304/2167132/964.gif)
![способ и устройство для определения концентрации ионов водорода, патент № 2167416](/images/patents/304/2167132/964.gif)
![способ и устройство для определения концентрации ионов водорода, патент № 2167416](/images/patents/304/2167007/183.gif)
![способ и устройство для определения концентрации ионов водорода, патент № 2167416](/images/patents/304/2167132/964.gif)
Для предлагаемого способа время эксперимента
![способ и устройство для определения концентрации ионов водорода, патент № 2167416](/images/patents/304/2167132/964.gif)
![способ и устройство для определения концентрации ионов водорода, патент № 2167416](/images/patents/304/2167132/964.gif)
![способ и устройство для определения концентрации ионов водорода, патент № 2167416](/images/patents/304/2167132/964.gif)
![способ и устройство для определения концентрации ионов водорода, патент № 2167416](/images/patents/304/2167132/964.gif)
![способ и устройство для определения концентрации ионов водорода, патент № 2167416](/images/patents/304/2167007/183.gif)
![способ и устройство для определения концентрации ионов водорода, патент № 2167416](/images/patents/304/2167005/916.gif)
![способ и устройство для определения концентрации ионов водорода, патент № 2167416](/images/patents/304/2167132/964.gif)
![способ и устройство для определения концентрации ионов водорода, патент № 2167416](/images/patents/304/2167132/964.gif)
![способ и устройство для определения концентрации ионов водорода, патент № 2167416](/images/patents/304/2167132/964.gif)
![способ и устройство для определения концентрации ионов водорода, патент № 2167416](/images/patents/304/2167007/183.gif)
Пусть
![способ и устройство для определения концентрации ионов водорода, патент № 2167416](/images/patents/304/2167132/964.gif)
![способ и устройство для определения концентрации ионов водорода, патент № 2167416](/images/patents/304/2167416/2167416-8t.gif)
Следовательно, быстродействие предлагаемого способа на порядок выше, чем у прототипа. 2. По расширению динамического диапазона контроля при заданной точности измерения. Точность измерения временного интервала есть отношение абсолютной погрешности
![способ и устройство для определения концентрации ионов водорода, патент № 2167416](/images/patents/304/2167005/916.gif)
![способ и устройство для определения концентрации ионов водорода, патент № 2167416](/images/patents/304/2167416/2167416-9t.gif)
Выразим
![способ и устройство для определения концентрации ионов водорода, патент № 2167416](/images/patents/304/2167005/916.gif)
![способ и устройство для определения концентрации ионов водорода, патент № 2167416](/images/patents/304/2167416/2167416-10t.gif)
тогда погрешности измерения для предлагаемого
![способ и устройство для определения концентрации ионов водорода, патент № 2167416](/images/patents/304/2167151/949.gif)
![способ и устройство для определения концентрации ионов водорода, патент № 2167416](/images/patents/304/2167151/949.gif)
![способ и устройство для определения концентрации ионов водорода, патент № 2167416](/images/patents/304/2167416/2167416-11t.gif)
где i=1,2.
![способ и устройство для определения концентрации ионов водорода, патент № 2167416](/images/patents/304/2167416/2167416-12t.gif)
![способ и устройство для определения концентрации ионов водорода, патент № 2167416](/images/patents/304/2167416/2167416-13t.gif)
![способ и устройство для определения концентрации ионов водорода, патент № 2167416](/images/patents/304/2167416/2167416-14t.gif)
Принимая для упрощения рассуждений, что
![способ и устройство для определения концентрации ионов водорода, патент № 2167416](/images/patents/304/2167416/2167416-15t.gif)
![способ и устройство для определения концентрации ионов водорода, патент № 2167416](/images/patents/304/2167416/2167416-16t.gif)
где
![способ и устройство для определения концентрации ионов водорода, патент № 2167416](/images/patents/304/2167416/2167416-17t.gif)
![способ и устройство для определения концентрации ионов водорода, патент № 2167416](/images/patents/304/2167007/183.gif)
![способ и устройство для определения концентрации ионов водорода, патент № 2167416](/images/patents/304/2167416/2167416-18t.gif)
![способ и устройство для определения концентрации ионов водорода, патент № 2167416](/images/patents/304/2167007/183.gif)
![способ и устройство для определения концентрации ионов водорода, патент № 2167416](/images/patents/304/2167416/2167416-19t.gif)
![способ и устройство для определения концентрации ионов водорода, патент № 2167416](/images/patents/304/2167416/2167416-20t.gif)
![способ и устройство для определения концентрации ионов водорода, патент № 2167416](/images/patents/304/2167416/2167416-21t.gif)
Отсюда критерий эффективности:
![способ и устройство для определения концентрации ионов водорода, патент № 2167416](/images/patents/304/2167416/2167416-22t.gif)
Следовательно, предлагаемый способ при фиксированной точности позволяет расширить диапазон измерений в n раз. б) При условии фиксированного диапазона
![способ и устройство для определения концентрации ионов водорода, патент № 2167416](/images/patents/304/2167416/2167416-23t.gif)
![способ и устройство для определения концентрации ионов водорода, патент № 2167416](/images/patents/304/2167416/2167416-24t.gif)
![способ и устройство для определения концентрации ионов водорода, патент № 2167416](/images/patents/304/2167151/949.gif)
![способ и устройство для определения концентрации ионов водорода, патент № 2167416](/images/patents/304/2167416/2167416-25t.gif)
отсюда критерий эффективности:
![способ и устройство для определения концентрации ионов водорода, патент № 2167416](/images/patents/304/2167416/2167416-26t.gif)
Следовательно, предлагаемый способ при фиксированном диапазоне позволяет повысить точность измерений в n раз. Реализация предлагаемого способа осуществлена в микропроцессорном pH-метре, построенном на базе персонального компьютера "Сириус" и милливольт-pH-метра 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. 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.