АНАЛИТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИЙ РТУТИ И ТЕРМИЧЕСКОГО СПЕКТРА ЕЕ СОЕДИНЕНИЙ

АНАЛИТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИЙ РТУТИ И ТЕРМИЧЕСКОГО СНЕКТРА ЕЕ
СОЕДИНЕНИЙ
Полезная модель относится к области измерительной техники, работа которой основана на атомно-абсорбционном методе с модифицированной схемой нрямого эффекта Зеемана и возможностью непрерывного линейного и ступенчатого нагрева исследуемого образца, и используется для аналитических работ по определению ртути и ее соединений в объектах окружающей среды.
Аналитическое устройство для определения концентраций ртути и «термического спектра ее соединений содержит блок термической возгонки, оптико-аналитический блок, блок управления и индикации, аспирационное программируемое устройство. Блок термической возгонки снабжен термопарой регулировки температуры и малоинерционным нагревательным элементом, состоящим из тонкостенного кварцевого цилиндра, имеющего с внешней стороны однослойную плотную обмотку из нихромовой проволоки, и двух полых фторопластовых насадок, причем входная насадка содержит пробоподающее устройство из слабо сорбирующего ртуть материала, а выходная насадка содержит дополнительную термопару для измерения температуры возгонки образца и герметичный переходник к входному каналу оптико-аналитического блока, снабженного многоходовой аналитической кюветой с зачерненной внутренней поверхностью. Блок управления и индикации снабжен персональным компьютером (ЭВМ) и специальной гибкой программой для обработки цифрового сигнала, визуализации результатов измерения на экране монитора в графической форме и для управления через ее интерфейс работой других блоков в соответствии с заданными оператором температурными и временными параметрами.
Ш021144 91
v: -НШЙШ
. .   г о о .г I- i , «
мпк
Известно устройство АГП-01 1, предназначенное в первую очередь для определения валовых концентраций ртути в почвенном воздухе. Работа устройства основана на методе атомной абсорбции с реализацией двухлучевой схемы и использованием предварительного концентрирования ртути на золотом сорбенте.
Конструктивно все элементы устройства, кроме блока питания (аккумуляторная батарея имеет внешнее размещение), расположены в одном измерительном блоке, где помимо оптико-аналитической системы детектирования ртути с использованием предварительного концентрирования, находится насос для отбора пробы и пульт управления с цифровым табло индикации результатов. Начало измерения сопровождается включением насоса, который начинает отбирать заданный объем воздуха (пробы), при этом на золотом сорбенте происходит накопление ртути, затем происходит отжиг сорбента и накопленная на нем ртуть поступает в аналитическую кювету. Результат измерения отображается на цифровом табло.
Недостатком устройства АГП-01 является то, что оно не обеспечивает достаточную селективность при определении ртути, т.к. на золотой сорбент, кроме определяемого, сорбируются и другие вещества, что приводит к «проскоку ртути и является одной из причин быстрого износа сорбента. Также имеет место инертность прибора, когда, при определении сравнительно высоких концентраций, в результате неполной десорбции остаточные пары ртути оказывают влияние на результат последующих измерений. Конструкция устройства АГН-01 не предусматривает работы в комплексе с персональным компьютером (ЭВМ), визуализации аналитического процесса, записи результатов, режима определения «термического спектра соединений ртути. Моноблочная конструкция прибора не дает возможности его переориентации с целью решения других аналитических задач.
led /-/cf (gl
работы, конструкции и достигаемому результату является прибор РА-915 2. Конструктивно устройство РА-915 представляет собой базовый блок, объединяющий в себе оптико-аналитическую электронную систему анализа ртути и последующей обработки сигнала с системой управления и индикации результата измерения, автономный элемент питания и отдельную приставку термического разложения проб сложного состава, в том числе твердых. Использование только базового блока позволяет анализировать валовые концентрации ртути исключительно в воздушной среде. Предусмотрена возможность работы в комплексе с персональным компьютером (ЭВМ) с целью сохранения, дальнейшей обработки и интерпретации данных.
Недостатком РА-915 по сравнению с предлагаемой полезной моделью является полное отсутствие возможности ступенчатого и линейного программируемого нафева исследуемого образца, что соответственно исключает возможность получения «термического спектра соединений ртути, хотя, устройство дает возможность визуализации получаемых результатов измерения на экране монитора в графической форме при определении валовых содержаний ртути. Также недостатком устройства является его ориентация на проведение анализа в первую очередь газовых проб (воздушных) и в последнюю очередь твердых, т.к. работа с такими пробами требует обязательного использования специализированной приставки для термического разложения образца.
Настоящая полезная модель предназначена для определения валовых концентраций ртути в широком диапазоне с высокой экспрессностью и селективностью и для детектирования ее форм в зависимости от температуры возгонки («термического спектра) в твердых образцах как природного, так и антропогенного происхождения без стадии предварительного концентрирования на золотом сорбенте с визуализацией процесса в графической форме на экране монитора.
001 .5У
Указанные технические результаты достигаются за счет: - снабжения устройства блоком термической возгонки снабженным термопарой регулировки температуры и малоинерционным нагревательным элементом, состоящим из тонкостенного кварцевого цилиндра, имеющего с внешней стороны однослойную плотную обмотку из нихромовой проволоки, и две полые фторопластовые насадки, причем на входной насадке смонтировано пробоподающее устройство из слабо сорбирующего ртуть материала, а на выходной насадке смонтирована дополнительная термопара и герметичный переходник к входному каналу оптикоаналитического блока; - снабжения устройства дополнительной термопарой, смонтированной в непосредственной близости от вводимого пробоподающим устройством образца; - снабжения оптикоаналитического блока многоходовой аналитической кюветой (при этом сохраняется возможность применения одноходовой аналитической кюветы и кюветы с насыщенными парами ртути для проверки чувствительности устройства) с зачерненной внутренней поверхностью; - снабжения блока управления и индикации персональным компьютером (ЭВМ) и специальной гибкой программой для обработки цифрового сигнала, визуализации результатов измерения на экране монитора в графической форме, для управления через интерфейс программы работой других блоков в соответствии с заданными оператором температурными и временными параметрами.
Снабжение устройства блоком термической возгонки с термопарой регулировки температуры и малоинерционным нагревательным элементом, состоящим из тонкостенного кварцевого цилиндра, имеющего с внешней стороны однослойную плотную обмотку из нихромовой проволоки, позволяет проводить анализ твердых проб без существенной предварительной пробоподготовки путем атомизации содержащейся в образцах ртути при температуре 800°С в режиме определения валовых концентраций ртути, а также позволяет с минимальным запаздыванием
изменять температуру блока на заданное количество градусов при работе в режиме выделения «термического спектра.
Снабжениеустройствадополнительнойтермопарой,
смонтированной в непосредственной близости от вводимого пробоподающим устройством образца, позволяет учесть инертность его разогрева, точнее определить температуру его возгонки и сигнал именно этой термопары выводится на экран монитора при проведении анализа.
Снабжение устройства многоходовой зачерненной аналитической кюветой повышает чувствительность определения следовых количеств ртути.
Снабжение устройства персональным компьютером в качестве отдельного блока управления и индикации со специальной гибкой профаммой для управления работой многократно повышает эффективность использования модели, позволяет следить за ходом анализа, получать его результат в цифровой и графической форме на экране монитора, сохранять полученные данные.
Снабжение блока управления и индикации специальной гибкой программой позволяет строго регулировать работу блока термической возгонки, а именно - изменение температуры возгонки через заданное время, что особенно важно при работе в режиме выделения «термического спектра соединений ртути.
Полезная модель поясняется схемами, фиг. 1., фиг. 2.
Устройство содержит блок термической возгонки - 1, включаюш;ий термопару регулировки температуры (1а) и нагревательный элемент, состояший из тонкостенного кварцевого цилиндра (1Ь), имеющего с внешней стороны однослойную плотную обмотку (1с) из нихромовой проволоки и полые фторопластовые насадки, при этом на входной насадке (Id) смонтировано пробоподающее устройство (1е) из слабо сорбируюш;его ртуть материала, а на выходной насадке (Id2) смонтирована дополнительная термопара (If), располагающаяся внутри
цилиндра (1Ь) в непосредственной близости от пробоподающего устройства (1е) для измерения температуры возгонки образца, и герметичный переходник (Ig) к входному каналу (2а) зачерненной аналитической кюветы оптико-аналитического блока - 2, объединяющего в одном корпусе: высокочастотный генератор (2Ь) для возбуждения излучателя (2с), помещенного в постоянное магнитное поле, термостат (2d) для стабилизации работы излучателя, акустооптический модулятор (2е), поляризатор (2f), многоходовую зачерненную аналитическую кювету (2g), фотоэлектронный умножитель (2h) регистрирующий сигнал, систему обработки сигнала (21). Также в состав устройства входит блок управления и индикации - 3, представляющий собой персональный компьютер (ЭВМ), системный блок которого дополнительно содержит аналого-цифровой преобразователь (За) сигнала, регистрируемого блоком 2, цифровой аналоговый преобразователь (ЗЬ), специальную гибкую программу, записанную на твердом диске (3с), для обработки цифрового сигнала, выдачи результатов измерения и визуализации хода эксперимента в графической форме на мониторе (3d) и для контроля работы блоков 1, 2 и 4 в соответствии с заданными оператором параметрами через ее интерфейс. Блок 4, - аспирационное программируемое устройство герметично соединено с выходным каналом (2j) зачерненной аналитической кюветы оптико-аналитического блока 2 для обеспечения циркуляции газа-носителя через блок термической возгонки 1 и далее с парами ртути через зачерненную аналитическую кювету (2g).
Полезная модель работает следующим образом:
В блок термической возгонки (1), используя смонтированное на входной фторопластовой насадке (Id) тонкостенного кварцевого цилиндра (1Ь) пробоподающее устройство (1е) из слабо сорбирующего ртуть материала, оператор вводит навеску порошкообразной пробы. Одновременно с этим на клавиатуре блока управления и индикации (3) нажимается кнопка «Старт, запускающая специальную гибкую
о
программу с заранее устанавливаемыми параметрами: время эксперимента, температура блока 1, либо временной график изменения температуры, расхода газа-носителя в единицу времени. Временной диапазон от О до 3600 сек., рабочий температурный диапазон от О до 850°С, диапазон расхода газа-носителя от 0,1 до 0,6 л/мин.
При регулировке температуры блока 1 сигнал от регулирующей термопары (1а), установленной в непосредственном контакте с кварцевым цилиндром (1Ь) поступает на АЦП (ЗЬ) и сравнивается с предварительно заданной оператором температурой нагрева пробы и далее обрабатывается специальной гибкой программой, управляющей переключением температурных диапазонов, введенных в профамму в виде таблицы градуировки используемой регулирующей термопары, и формируется выходной корректирующий сигнал, приводящий в соответствие реальную температуру цилиндра (1Ь) с заданной оператором. Таким образом, профаммное регулирование температуры в блоке 1 в течение анализа происходит через заданное время на заданное количество фадусов. Сигнал от дополнительной термопары (If) смонтированной на выходной фторопластовой насадке (Id2) кварцевого цилиндра (1Ь) дает информацию о температуре нагрева введенной пробы и выводится на экран монитора (3d) блока 3.
Контролируемый рост температуры в блоке термической возгонки (1) вызывает атомизацию ртути и ее соединений в пробе, при этом газноситель, поступающий через входную фторопластовую насадку (Id), осуществляет постоянный перенос образующихся паров ртути от пробоподающего устройства (1е) смонтированного на входной фторопластовой насадке (Id) через герметичный переходник (Ig) на выходной насадке (Id2) к оптико-аналитическому блоку (2) и далее в многоходовую зачерненную аналитическую кювету (2g). При этом циркуляцию газа-носителя обеспечивает аспирационное профаммируемое устройство (4).
Возбуждение излучателя (2с) - спектральная безэлектродная ртутная лампа типа ВСБ-1, помещенного в постоянное магнитное поле, где величина индукции магнитного поля составляет 0,42 Тл, происходит с помощью высокочастотного генератора (2Ь) с частотой возбуждения 80 МГц. Для стабилизации работы спектральной лампы (2с) ее температура поддерживается с помощью термостата (2d) на уровне 42,0±0,4 С. Расщепленное на компоненты в магнитном поле монохроматическое излучение спектральной ртутной лампы (2с) проходит через акустооптический модулятор (2е) и далее обеспечивается оптическая модуляция на частоте 50 кГц. Затем излучение проходит через поляризатор (2f), образуя две находящиеся в противофазе компоненты, имеющие одинаковую амплитуду модуляции, и через многоходовую зачерненную аналитическую кювету (2g), используемую для многократного повышения чувствительности устройства. В аналитической кювете (2g) одна из поляризованных компонент излучения поглощается атомами определяемого элемента - ртути и мешающими частицами, другая компонента поглощается только мешающими частицами. После прохождения через аналитическую кювету (2g) сигнал поступает на фотоэлектронный умножитель (2h) - ФЭУ со специальной спектральной характеристикой, имеющей максимум чувствительности в области от 250 нм до 400 нм для выделения резонансной линии ртути с длинной волны 253,7 нм. Разность между возникающими сигналами от двух компонент пропорциональна концентрации определяемого элемента - ртути. Для учета и компенсации неселективной помехи цепь питания ФЭУ (2h) саморегулируется постоянным сигналом таким образом, чтобы поддерживать выходной сигнал на одном и том же уровне, не зависимо от наличия неселективного поглощения в аналитической кювете (2g). Далее аналоговый сигнал после системы обработки (21) поступает в блок управления и индикации (3), где преобразуется в цифровой сигнал с помощью АЦП (ЗЬ) - аналого-цифровой преобразователь типа LA 1250,
//-/ /
имеющий цифровые входы и выходы. Обработка цифрового сигнала и выдача результатов измерения осуществляется специальной гибкой программой, записанной на твердом диске (3с), рабочие параметры которой могут быть изменены через интерфейс под конкретные исследовательские задачи. С начала и до полного заверщения анализа на экране монитора (3d) отображается ход эксперимента в наглядной графической форме с автоматическим контролем по нескольким показателям и одновременной их индикацией. По оси абсцисс графического изображения откладывается время в секундах с автоматическим определением текущей температуры по сигналу дополнительной термопары (If), а по оси ординат содержание ртути в пробе. Также происходит автоматическое определение общего содержания ртути по интегральному показателю и амплитуде пиков кривой выхода паров ртути. После заверщения анализа по желанию оператора результаты измерения записываются в электронном виде и могут быть использованы для последующей обработки и интерпретации полученных данных в разных форматах.
Диапазон измерения содержаний ртути в порощкообразных твердых пробах составляет от  до  ррЬ (1 ррЬ  1мкг/кг или 1 часть на миллиард) при навеске образца от 30 до 50 мг.
Отличительным достоинством прибора следует считать синтез возможности непрерывного линейного и ступенчатого нагрева образца с автоматическим выводом результатов измерения на экран монитора в графической форме при любых рабочих настройках устройства. Паглядное представление хода эксперимента и его результатов в графической форме особенно важно при детектировании форм ртути в зависимости от температуры возгонки (детектирование «термического спектра) в твердых образцах как природного, так и антропогенного происхождения. При этом реализация блочной схемы устройства и возможность оперативного регулирования времени, температуры и расхода газаД /
носителя без долгой и/или принципиальной перенастройки устройства позволяет проводить определение кроме «термического спектра, что является принципиальным, еще и валовые концентрации ртути.
Таким образом, совокупность указанных существенных признаков обеспечивает анализ проб без значительной предварительной пробоподготовки; экспрессность и селективность при определении валовых концентраций ртути и детектировании ее форм в зависимости от температуры возгонки (детектирование «термического спектра) в твердых образцах как природного, так и антропогенного происхождения с автоматическим выводом результатов измерения на экран монитора в графической форме при любых рабочих настройках устройства; возможность оперативного регулирования времени, температуры и расхода газа-носителя без долгой и/или принципиальной перенастройки устройства.
Источники информации:
1.Анализатор газортутный переносной АГП-01. Техническое описание и инструкция по эксплуатации АХЖ 2.840.000 ТО. Министерство геологии СССР, 1984. С. 52.;
2.Патент РФ № 95116951/25 Пиролитический метод прямого определения ртути.
)лох А. А.;
Ковальская Н.В.; Колесов А.А.; Новокрещёнов А.П.;
„„ Й дааронов Ю.П. У А