УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МАССОВОЙ ДОЛИ КОМПОНЕНТА В ЖИДКИХ МАТЕРИАЛАХ

Полезная модель относится к измерительной технике, а именно к устройству для определения массовой доли компонента в жидких материалах, и может быть использована для оперативного определения концентрации компонентов различных специальных жидких сред.
Известен измеритель параметров электрохимических объектов (патент RU 2204839 С2, опубликован 20.05.2003), содержащий электрохимическую измерительную ячейку с вспомогательным, рабочим и сравнения электродами, источники программно-изменяющегося и гармонического напряжений, соединенные через сумматор с первым входом дифференциального усилителя, подключенного своим потенциальным выходом к вспомогательному электроду, а вторым входом - к выходу первого повторителя напряжения, потенциальный вход которого соединен с электродом сравнения, блок фазочувствительных детекторов, содержащий первый и второй фазочувствительные детекторы, сигнальные входы которых объединены и являются сигнальным входом блока, а их выходы подключены соответственно к первому и второму отсчетным устройствам, опорный вход блока фазочувствительных детекторов соединен с опорным входом первого фазочувствительного детектора, измерительный преобразователь ток-напряжение, второй повторитель напряжения, три масштабных преобразователя, третий фазочувствительный детектор, квадратурный фазовращатель, модульный указатель, третье отсчетное устройство, формирователь уровня постоянной составляющей, делитель напряжения, два измерительных усилителя, два нуль-органа, операционный усилитель, четыре образцовых резистора и образцовый конденсатор, при этом рабочий электрод электрохимической ячейки по цепи вход измерительного преобразователя ток - напряжение и выход второго повторителя напряжения подключен к общей шине, опорный вход второго фазочувствительного детектора через квадратурный фазовращатель соединен с опорным входом первого фазочувствительного детектора, сигнальный вход блока фазочувствительных детекторов через первый измерительный усилитель соединен с выходом операционного усилителя с первым образцовым резистором в цепи его обратной связи, вход операционного усилителя соединен через второй образцовый резистор с выходом измерительного преобразователя ток - напряжение и входами первого масштабного преобразователя и формирователя уровня постоянной составляющей, а также с сигнальным входом третьего фазочувствительного детектора, через третий образцовый резистор - с выходом формирователя уровня постоянной составляющей и входом третьего отсчетного устройства, через образцовый конденсатор - с выходом второго масштабного преобразователя, вход управления которого соединен с выходом второго нуль-органа, и через четвертый образцовый резистор - с выходом третьего масштабного преобразователя, соединенного своим входом управления с выходом первого нуль-органа, выход источника гармонических напряжений соединен через делитель напряжения и второй измерительный усилитель с опорным входом блока фазочувствительных детекторов и непосредственно - с сигнальными входами второго и третьего масштабных преобразователей и опорным входом третьего фазочувствительного детектора, выход которого подключен к сигнальному входу модульного указателя, соединенного своим входом управления с выходом генератора тактовых импульсов и входом управления источника гармонических напряжений, первый управляющий выход модульного указателя соединен с первым входом управления первого масштабного преобразователя, а его второй управляющий выход - со вторым входом управления первого масштабного преобразователя и с входом управления генератора тактовых импульсов.
Известно устройство измерения проводимости и импеданса растворов электролитов и биологических жидкостей (патент RU 2753465 С1, опубликован 16.08.2021), содержащее два электрода с возможностью их помещения в емкость с раствором электролита или в биологическую жидкость, источник постоянного напряжения, измеритель тока и измеритель напряжения электродов, генератор переменного напряжения низкой и инфранизкой изменяемой частоты, генератор переменного напряжения высокой частоты, резистор измерительный, соединенные последовательно с измерителем тока, источником постоянного напряжения и с электродами, измерительный трансформатор переменного тока, подсоединенный первичной обмоткой к измерительному резистору, конденсатор, подсоединенный к выводам вторичной обмотки трансформатора, узкополосный высокочастотный предусилитель, соединенный входом со вторичной обмоткой трансформатора, синхронный детектор, соединенный измерительным входом с выходом узкополосного предусилителя, усилитель постоянного тока, подсоединенный входом к выходу синхронного детектора, двухкоординатный регистратор тока от времени, подсоединенный к выходу усилителя постоянного тока, фазовращатель с измерителем фазы напряжения, соединенный входом с выходом генератора высокой частоты, а выходом с управляющим входом синхронного детектора.
Недостатками вышеуказанных устройств является их аппаратурная сложность и большие массогабаритные характеристики.
Известно устройство измерения проводимости и импеданса растворов электролитов и биологических жидкостей, содержащее два электрода, между которыми размещается раствор электролита, емкость для раствора электролита, источник напряжения, измеритель тока и измеритель напряжения электродов [Антропов Л.И. Теоретическая электрохимия. / Учебник для студ. хим. и химикотехн. спец. вузов /. М., «Высш.школа», 1975. 568 с.; Фрумкин А.Н. Сб. Основные вопросы современной электрохимии. М.: Мир, 1965. С. 302-330; Делахей П. Двойной слой и кинетика электродных процессов. / Пер. с англ. под ред. акад. А.Н. Фрумкина. М.: Мир, 1967. 351 с.].
Недостатком известного устройства является сложность и низкая чувствительность измерений переменных токов с большими постоянными составляющими.
Вышеуказанное устройство является наиболее близким по техническому решению к заявляемому устройству и поэтому выбрано в качестве прототипа.
Технической задачей предлагаемой полезной модели является повышение чувствительности устройства измерения проводимости и импеданса растворов электролитов и биологических жидкостей и расширение его функциональных возможностей.
Технический результат достигается за счет того, что в устройство по прототипу дополнительно включена мера электрической емкости номинальным значением 100 нФ, не погружаемая в емкость для раствора электролита, подключенная в последовательную цепь между первым электродом и местом соединения измерителя напряжения и источником переменного напряжения.
Указанная совокупность существенных признаков устройства позволяет повысить точность и чувствительность определения массовой доли компонента в жидких материалах, за счет того, что результат измерений суммарного импеданса «раствор плюс мера электрической емкости» будет лежать в области, характеризующейся максимальной чувствительностью к изменению массовой доли компонента в жидких материалах.
На фигуре представлена схема устройства для определения массовой доли компонента в жидких материалах.
Устройство содержит первый электрод (1), второй электрод (2), которые помещаются в раствор электролита (3). Раствор электролита размещается в корпусе (4), из материала физико-химически пассивного к раствору электролита (3). К электродам (1) и (2) присоединен измеритель напряжения (5) и последовательная цепь, содержащая измеритель тока (6) и источник переменного напряжения (7).
Согласно техническому решению полезной модели, в устройство дополнительно включена мера электрической емкости номинальным значением 100 нФ (8), не погружаемая в емкость с раствором электролита (3), подключенную между электродом (1) и местом соединения измерителя напряжения (5) и источником переменного напряжения (7).
Устройство для определения массовой доли компонента в жидких материалах работает следующим образом.
В раствор электролита (3), залитого в корпус (4), погружаются два электрода из стали марки Х18Н1ОТ. Источник переменного напряжения (7) начинает выдавать фиксированное переменное напряжение индикаторной частоты. От протекающего тока в ветви электрической цепи, состоящей из электрода (2), раствора электролита (3), электрода (1) и меры электрической емкости номинальным значением 100 нФ (8), создается падение напряжения, измеряемое измерителем напряжения (5). Величина силы тока измеряется с помощью измерителя тока (6). Величина импеданса определяется по формуле Z=U/I, где U - падение напряжения в ветви, I - сила тока в последовательной цепи. Значение импеданса служит входным параметром в аппроксимирующее уравнение по определению массовой доли компонента в жидких материалах.
Изготовлен лабораторный образец (макет) устройства для определения массовой доли компонента в жидких материалах и проведены его исследования и испытания в лаборатории ФГБУ «ГНМЦ» Минобороны России, г. Мытищи. С помощью разработанного устройства исследованы в широком диапазоне концентраций общее загрязнение воды, водоспиртовые смеси, обводненность масла и топлив для дизельных и реактивных двигателей, а также соотношение концентраций смеси нефтепродуктов.
Тем самым подтверждена возможность использования предложенного технического решения полезной модели для определения массовой доли компонента в жидких материалах.