Устройство для дискретных разбавлений растворов

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДИСКРЕТНЫХ РАЗБАВЛЕНИЙ РАСТВОРОВ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт механики металлополимерных систем имени В.А.Белого Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Гольдаде Виктор Антонович Шаламов Игорь Викторович Шумилов Олег Валентинович Саидов Вячеслав Дусманович Сементовская Елена Аркадьевна Пинчук Леонид Семенович Цветкова Елена Александровна(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт механики металлополимерных систем имени В.А.Белого Национальной академии наук Беларуси(57) 1. Устройство для дискретного разбавления раствора, содержащее емкость для исследуемой жидкости, узел дискретной подачи исследуемой жидкости с запорным приспособлением на выходе и сообщающуюся с ним электролитическую ячейку, включающую корпус в виде закрытого сосуда, два электрода, входной патрубок и сливной патрубок с краном, отличающееся тем, что узел дискретной подачи исследуемой жидкости и электролитическая ячейка совмещены и выполнены в виде полого цилиндра из диэлектрического материала, с которым сопряжен поршень, снабженный штоком, содержащим, по 11381 1 2008.12.30 меньшей мере, один сквозной канал с торцами полого цилиндра герметично соединены две крышки с отверстиями для штока, входного и выходного патрубков, причем в, по меньшей мере, одном сквозном канале полого поршня, а также во входном и выходном патрубках установлены клапаны одностороннего действия электроды расположены заподлицо с внутренними стенками полого цилиндра у его выходного конца сливной патрубок соединен со входным патрубком, а через него - с емкостью для исследуемой жидкости, поршень и шток установлены с возможностью осевого перемещения. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что содержит ограничитель хода поршня. 3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что ось, по меньшей мере, одного сквозного канала расположена под углом к оси штока. Изобретение относится к области кондуктометрических методов анализа и может быть использовано в устройствах для определения состава и свойств жидкостей методом последовательного разбавления. Известно кондуктометрическое устройство для дискретных разбавлений, входящее в состав технологического блока анализатора состава жидких сред, содержащее сосуд для растворителя, сообщающуюся с ним через клапан электролитическую ячейку с входным и выходным патрубками и клапаном на конце последнего, узел дискретной подачи растворителя в электролитическую ячейку 1. Узел подачи включает дозаторы, второй сосуд для растворителя, электромагнитные клапаны. Разбавление исследуемой жидкости происходит в электролитической ячейке при подаче в нее дозированных количеств жидкостей и растворителя, определяемых ограниченными размерами ячейки, количеством и размерами дозаторов. Поэтому известное устройство позволяет получить ограниченное число разбавлений (фактически одно разбавление) с ограниченным количеством постоянных разбавления (не более 2-х). Указанные особенности устройства препятствуют получению большого количества разбавлений,ограничивают количество изменений постоянной разбавления. Заложенный в устройстве принцип дозированной подачи в ячейку жидкости и растворителя не позволяет совершенствовать устройство в указанном техническом направлении, поскольку неограниченное увеличение числа дозаторов и магистралей приведет к технической нецелесообразности устройства из-за усложнения конструкции. Осаждение дисперсных частиц или веществ из исследуемой жидкости в ячейке на электродах и магистралях может существенно влиять на точность и достоверность измерений вследствие неконтролируемых изменений концентрации. Известно кондуктометрическое устройство для дискретных разбавлений, входящее в состав установки для кондуктометрического титрования и содержащее сосуд для растворителя (титранта), сообщающуюся с ним посредством крана электролитическую ячейку,включающую корпус и электрод, узел дискретной подачи растворителя 2. При этом узел дискретной подачи растворителя выполнен в виде полуавтоматической микробюретки. Конструктивные особенности известного устройства не позволяют в силу ряда причин добиться повышения точности измерений, повысить их производительность, снизить трудоемкость, совершенствовать функциональные возможности. Известна измерительная ячейка дискретного действия, выполненная в виде сосуда,содержащего входной и выходной патрубки, снабженные краном 1. Ячейка содержит также второй входной патрубок и подключена через входные патрубки и магистрали к дозаторам исследуемой жидкости и растворителя. Ячейка входит в состав технологического блока автоматического анализатора концентрации, который содержит также сосуды для растворителя, клапаны, дозаторы магистрали и т.п. Несмотря на сложную конструкцию в ячейке и в технологическом блоке отсутствуют средства для точной количественной оценки степени разбавления. Наличие в конструкции технологического блока дозаторов и другие особенности конструкции обусловливают подачу в ячейку строго заданного коли 2 11381 1 2008.12.30 чества исследуемой жидкости и растворителя, а значит, обеспечивают только однократное разбавление анализируемой пробы жидкости. Известна проточная кондуктометрическая ячейка, содержащая цилиндрический корпус в виде незамкнутой изогнутой трубки, электроды, входной и выходной патрубки 3. Разомкнутый характер изогнутой трубки является препятствием для получения с помощью указанной ячейки дискретных разбавлений исследуемой жидкости. Известна проточная кондуктометрическая ячейка, представляющая собой замкнутую трубку с входным и выходным патрубками и содержащая элементы для измерения электропроводности 4. Последние расположены снаружи ячейки и выполнены в виде обмоток трансформаторов. Входной и выходной патрубки расположены так, что точки пересечения их осей с поверхностью трубки находятся в одном поперечном сечении трубки и смещены относительно друг друга по окружности сечения, а концы патрубков направлены в противоположные стороны от этого сечения. Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату является проточная кондуктометрическая ячейка с дискретным разбавлением 5, содержащая замкнутую трубку со встроенным в нее входным и выходным патрубками и измерительные элементы, свободный конец выходного патрубка направлен противоположно, а входного по направлению обхода контура трубки, содержащей трубчатую насадку и второй выходной патрубок с установленным в нем клапаном, при этом трубчатая насадка размещена в замкнутой трубке с зазором относительно ее стенок, один конец трубчатой насадки соединен с входным патрубком, а второй смещен по направлению обхода контура от пересекающего трубку конца первого выходного патрубка, а измерительные элементы выполнены в виде электродов и установлены в трубке между трубчатой насадкой и вторым выходным патрубком по направлению обхода контура. Замкнутая трубка выполнена в виде изогнутой трубки с сечением большим, чем у патрубков, и соединенной с концами возвратной трубки, расположенной между входным и первым выходным патрубками, в изогнутой трубке установлена перегородка с соплообразным отверстием, трубчатая насадка снабжена конусообразным наконечником, установленным у соплообразного отверстия перегородки, а электроды расположены в возвратной трубке. Недостатки прототипа. 1. Постоянная разбавления определяется соотношением проходных сечений возвратной трубки и рабочих патрубков, то есть фактически для каждой величины постоянной разбавления необходимо иметь отдельный конструктивный вариант ячейки. 2. Постоянная разбавления фиксирована для каждого отдельного случая и не может быть изменена в ходе измерений без размыкания замкнутой системы циркуляции и, соответственно, нарушения цельности образца. Это сказывается на оперативности и чистоте эксперимента при изучении уникальных жидкостей, например биологических жидкостей человека. 3. На измерительных электродах, расположенных в труднодоступном месте, при изучении полимерсодержащих жидкостей, например буровых растворов, образуется трудноудаляемая эластичная пленка, которая влияет на точность измерений. Задачи, на решение которых направлено изобретение автоматическое получение разбавленных проб исследуемой жидкости с заданными постоянными разбавления с одновременной автоматизацией измерения электропроводности проб и идентификацией числа разбавлений изменение постоянной разбавления при непрерывности процесса измерения, что позволяет повысить точность измерения при достижении малых концентраций раствора за счет уменьшения постоянной разбавления в области малых концентраций. Это важно при изучении уникальных или дефицитных образцов. Поставленные задачи решаются путем повышения и достоверности измерений электропроводности, и оценки параметра разбавления (концентрации) за счет лучшей смешивае 3 11381 1 2008.12.30 мости жидкости и растворителя после каждого цикла разбавления и обеспечения возможности автоматизации оценки концентрации по числу циклов разбавления и автоматизации приготовления проб, промывки и калибровки устройства без его разборки расширения функциональных возможностей за счет практически неограниченного числа разбавлений в широком диапазоне постоянных разбавления. Сущность изобретения состоит в том, что в устройстве для дискретного разбавления раствора, содержащем емкость для исследуемой жидкости, узел дискретной подачи исследуемой жидкости с запорным приспособлением на выходе и сообщающуюся с ним электролитическую ячейку, включающую корпус в виде закрытого сосуда, два электрода,входной патрубок и сливной патрубок с краном, узел дискретной подачи исследуемой жидкости и электролитическая ячейка совмещены и выполнены в виде полого цилиндра из диэлектрического материала. С цилиндром сопряжен поршень, снабженный штоком и содержащий, по меньшей мере, один сквозной канал с торцами полого цилиндра герметично соединены две крышки с отверстиями для штока, входного и выходного патрубков,причем, по меньшей мере, в одном сквозном канале полого поршня, а также во входном и выходном патрубках установлены клапаны одностороннего действия электроды выполнены заподлицо с внутренними стенками полого цилиндра у его выходного конца сливной патрубок соединен с входным патрубком, а через него - с емкостью для исследуемой жидкости, поршень и шток установлены с возможностью осевого перемещения. Кроме того, устройство содержит ограничитель хода штока, чем достигается дополнительный результат повышения точности выставления заданного значения постоянной разбавления,а расположение осей сквозных каналов под углом к образующей поршня дополнительно повышает точность измерений за счет усиления турбулизации жидкости и усреднения концентрации состава после каждого цикла измерения. На фигуре схематически изображено предлагаемое устройство. Заявляемое устройство содержит емкость 1, соединенную магистралью с электролитической ячейкой 2. Электролитическая ячейка 2 выполнена в виде закрытого герметизированного сосуда, содержащего цилиндрический корпус 3 из диэлектрического материала с герметично закрывающимися плоскими крышками 4, расположенными по торцам цилиндра 3 и снабженными отверстиями (позициями не отмечены), входного 5 и выходного 6 патрубков, герметично соединенных с отверстиями крышек 4, причем входной патрубок 5 соединен со сливным патрубком 7, снабженным краном 8, а оба они через магистраль - с емкостью 1. Внутри цилиндрического корпуса 3 расположен сопряженный с ним поршень 9 со штоком 10, свободный конец которого через отверстие в крышке выходит наружу, где может сообщаться с приводом возвратно-поступательного перемещения (на фигуре не показан), привод обеспечивает возвратно-поступательное перемещение штока 10 и поршня 9 вдоль оси полого цилиндра 3. В поршне 9 выполнены наклонные к оси поршня сквозные каналы 11, в которых установлены клапаны 12 одностороннего действия, например гидродинамические клапаны. В патрубках 5 и 6 размещены соответственно клапаны 13 и 14 одностороннего действия. У выходного торца цилиндрического корпуса 3 размещены электроды 15, выполненные в описываемом варианте заподлицо с поверхностью цилиндрического корпуса 3 и подсоединяемые к измерительному блоку (на фигуре не показан). Для герметизации внутренней полости ячейки между крышкой и штоком 10 установлено уплотнение 16. Ограничитель 17 хода штока (в виде зажимной гайки или штифта в отверстии штока) установлен с возможностью перемещения на штоке 10 и служит для установки постоянных разбавления. Поршень 9 электрически изолирован от электродов 15, для чего выполнен, например, из диэлектрика. Емкость 1 и электролитическая ячейка 2 устанавливаются вертикально, причем емкость 1 - выше выходной крышки 4 ячейки 2. Устройство работает следующим образом. Шток 10 с поршнем 9 вдвигают в цилиндр 3 на заданную глубину, устанавливая тем самым поршень 9 в положение, обеспечивающее требуемую постоянную разбавления, фиксируют это положение ограничителем хода 17. Заливают в емкость 1 исследуемую жидкость, кран 8 при этом закрыт. Под действием 4 11381 1 2008.12.30 гидростатического давления столба жидкости открываются клапаны 13 и 12, и жидкость заполняет внутренний объем ячейки и через открытый клапан 14 проникает в выходной патрубок 6. Открывают кран 8 и сливают остаток исследуемой жидкости из емкости 1,при этом часть жидкости вытекает и из электролитической ячейки 2, вследствие чего ее уровень в выходном патрубке 6 снижается до минимума. За счет течения и гидростатического давления жидкости клапан 13 закрывается. С помощью электродов 15 и измерительного блока измеряют электропроводность исследуемой жидкости. После этого в емкость 1 заливают растворитель (разбавитель), предварительно закрыв кран 8, и перемещают шток 10 и поршень 9 вертикально вверх. При этом клапаны 14 и 13 открываются, а клапаны 12 закрываются, поршень 9 вытесняет из верхней полости ячейки 2 объем исследуемой жидкости через клапан 14 и выходной патрубок 6. Давление в нижней части ячейки 2 уменьшается и из входного патрубка 5 в нижнюю полость ячейки поступает растворитель,смешивающийся с исследуемой жидкостью. После вытеснения исследуемой жидкости из верхней полости ячейки и заполнения нижней поршень 9 с помощью штока 10 перемещают вниз до первоначального положения, ограниченного ограничителем хода 17. При этом клапаны 13 и 14 закрываются, а клапаны 12 открываются и исследуемая жидкость вместе с растворителем проникает по каналам 11 в поршне из нижней полости ячейки 2 в верхнюю. Выполнение каналов 11 наклонными (под разными углами) при движении поршня 9 турбулизирует потоки жидкости и растворителя, обеспечивая их интенсивное смешивание. После возвращения поршня 9 в первоначальное положение производят измерение электропроводности разбавленного раствора. На этом завершается первый цикл разбавления. Затем снова перемещают поршень 9 вверх, клапаны 12 закрываются, а клапаны 13 и 14 открываются, при этом поршень вытесняет раствор из верхней полости, а в нижнюю через патрубок 5 и клапан 13 поступает новая порция растворителя, при движении поршня 9 в обратном направлении клапаны 13 и 14 закрываются, клапаны 12 открываются и растворитель с исследуемой жидкостью поступает из нижней полости через каналы 11 в верхнюю. При остановке поршня 9 ограничителем хода 17 измеряют электропроводность раствора. Тем самым завершается второй цикл разбавления. Аналогично можно получить третий и последующие циклы разбавления, измеряя каждый раз значения электропроводности. Величина постоянной разбавления задается и регулируется ограничителем 17 по длине штока 10, т.е. положением поршня 9 в цилиндре 3. Так, например, если первоначально поршень 9 установлен так, что делит ячейку на верхнюю и нижнюю полости равного объема (среднее положение поршня в цилиндре),и если исследуемая жидкость имеет концентрацию С 0 определяемого компонента,то после первого цикла разбавления концентрация компонента в пробе составит 1 1 После второго цикла 200 и т.д.,2 2 Число разбавлений однозначно определяется по числу возвратно-поступательных перемещений поршня, что позволяет при необходимости легко автоматизировать процесс измерения степени разбавления или концентрации раствора. При этом число разбавлений фактически ограничено лишь объемом емкости 1, а при периодическом добавлении в нее растворителя не ограничено, т.е. определяется целесообразностью решаемых задач. 11381 1 2008.12.30 При возвратно-поступательных перемещениях поршня при каждом цикле разбавления происходит смешивание исследуемой, затем разбавленной исследуемой жидкости с растворителем первоначально в нижней полости ячейки, а затем в верхней, чем обеспечивается однородность получаемого раствора, а значит, и высокая воспроизводимость результатов измерений электропроводности после каждого цикла. Двигаясь вверх и вниз, поршень зачищает электроды, так как они выполнены заподлицо с внутренней поверхностью цилиндра 3,тем самым способствуя воспроизводимости результатов измерений электропроводности. Изменяя заданное положение поршня в цилиндре (например, ограничителем хода поршня),можно изменять не только постоянную разбавления, но и частично подбирать требуемую чувствительность измерений, поскольку каждый цикл измерения производится при заданном постоянном объеме разбавляемой жидкости и неизменном положении элементов ячейки. Число сквозных каналов 11 в поршне предопределяется свойствами разбавляемой жидкости, растворителя (разбавителя), а также постоянной разбавления. При работе с коллоидными или дисперсными жидкостями число каналов может быть увеличено до 4-8 и более. Таким образом, преимуществами заявляемого устройства являются возможность осуществлять калибровку электропроводности без разборки ячейки ,используя для этого стандартный разбавитель, а также промывку ячейки промывочной жидкостью, причем данные процессы осуществляют путем заливки в емкость соответст вующей жидкости аналогично процессу разбавления при возвратно -поступательном перемещении поршня, а для слива жидкости из ячейки 2 ограничитель хода 17 устанавливают в положение, обеспечивающее перемещение поршня до входного патрубка 5, кран 8 при этом открывают обеспечение возможности высокоточных и достоверных измерений электропроводности и степени разбавления, так как лучше смешивается жидкость и растворитель очищение электродов от загрязнений для каждого цикла измерений, что позволяет исключить ошибки оператора в процессе измерения снижение трудоемкости измерений, так как устройство позволяет автоматизировать процесс приготовления проб растворов, позволяет отсчитывать параметр разбавления по числу циклов разбавления, упрощает процессы промывки и калибровки устройства расширение функциональных возможностей прибора, так как устройство позволяет изменять постоянную разбавления и иметь требуемое количество разбавлений повышение производительности измерений за счет фактического сведения внешних процессов работы устройства к заливке жидкостей и возвратно-поступательному перемещению поршня, т.е. за счет упрощений его функционирования. Заявляемое устройство использовано в приборе для измерения состава и свойств буровых растворов. Источники информации 1. А.с. СССР 1229666. МПК 01 27/02, 1986. 2. Худякова Т.А., Корешков А.П. Кондуктометрический метод анализа. - М. Высшая школа, 1975. - С. 135-136. 3. А.с. СССР 1416902, МПК 401 27/02, 15.08.1988. 4. А.с. СССР 1357815, МПК 401 27/02, 07.12.1987. 5. Патент РБ 7001, МПК 701 27/06,01 27/07, 01 27/22, 2002 (прототип). Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.