Проточная кондуктометрическая ячейка

2. Ячейка по п. 1, отличающаяся тем, что замкнутая трубка выполнена в виде изогнутой трубки с сечением большим, чем у патрубков, И соединенной с ее 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.Изобретение относится к технике измерений и комплексным исследованиям электрофизических свойств жидкостей и может быть использовано для определения состава и концентрации растворенных веществ и свойств жидкостей.Известны конструкции устройств для определения концентрации и некоторых других свойств жидкостей, в которых используют кондуктометрический метод 1, 2, электромагнитные и звуковые колебания 3, 4 и другие. Указанные изобретения направлены на повь 1 шение точности измерения в фиксированной жидкости или в ее потоке, но не предназначены для контроля жидкости с периодически (ступенчато) меняющейся концентрацией.Известна установка для кондуктометрического титрования, принцип работы которой основан на изучении электропроводности растворов различной концентрации путем порционного добавления растворителя и включающая электролитическую ячейку замкнутого типа с жестко закрепленными электродами, размещенными в корпусе, а также узлы для подачи растворителя из сосуда в ячейку 5.Ограниченность рабочего объема ячейки, приводящая к существованию предельного объема разбавления, невозможность без участия оператора осуществлять разбавление растворителем исследуемой жидкости и подготовку для повторных измерений препятствуют использованию известной ячейки в системах автоматизации технологического контроля состава и свойств жидкостей, ограничивая тем самым ее функциональные возможности и области применения.Известна измерительная ячейка дискретного действия, выполненная в виде сосуда,содержащего входной патрубок и выходной патрубок, снабженный краном 6. 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, что препятствует расширению ее функциональных возможностей. Наличие в конструкции технологического блока дозаторов и другие особенности конструкции обуславливают подачу в ячейку строго заданного количества 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 7. Разомкнутый характер изогнутой трубки является препятствием для получения с помощью указанной ячейки дискретных разбавлений исследуемой жидкости.Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату является проточная кондуктометрическая ячейка, представляющая собой замкнутую трубку с входным и выходным патрубками и содержащая элементы для измерения электропроводности 8. 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. Указанная ячейка обладает следующими недостатками1. Зона смешения разбавителя с исследуемой жидкостью совмещена с зоной разделения потока, что приводит К попаданию части разбавителя из зоны смешения в выходной патрубок. В результате появляется неравномерность и изменчивость степени разбавления от времени, что приводит К появлению погрешностей в измерении зависимости электропроводности от разбавления.2. При использовании жидкостей и/или разбавителей с высокой вязкостью доля разбавителя, отведенного в выходной патрубок, может значительно возрасти. При этом степень разбавления жидкости в ячейке резко уменьшается, и разбавление может вообще прекратиться. В итоге уже на первых циклах разбавления результаты измерений становятся недостоверными.3. При использовании жидкости, содержащей дисперсные частицы, замедление циркуляции раствора может привести к оседанию частиц и образованию неоднородности концентрации раствора.4. Недостаточная точность и достоверность получения раствора заданной концентрации (степени разбавления) ограничивают возможность применения ячейки в автоматизированных системах и устройствах.Заявляемая конструкция проточной ячейки решает задачу точного количественного разбавления исследуемой жидкости на последовательный дискретный ряд растворов при кондуктометрических измерениях.Технический результат заявляемого решения заключается в повышении точности и достоверности кондуктометрического анализа жидкостей за счет снижения погрешности совместных измерений электропроводности и степени разбавления жидкости и растворов, а также в расширении функциональных возможностей и области применения ячейки за счет стабильности многократного разбавления пробы исследуемой жидкости, приобретения функции автоматического приготовления растворов с заданной степенью разбавления при подаче в ячейку разбавителя.Достижение поставленной задачи и технического результата обеспечивается тем, что проточная кондуктомегрическая ячейка с дискретном разбавлением, 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, дополнительно содержит 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.Кроме того, замкнутая трубка выполнена в виде изогнутой трубки с сечением большим,чем у патрубков, и соединенной с ее 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. Такая конструкция образует инжектор и действует как водоструйный насос. Это позволяет получить дополнительный к вышеуказанному технический результат, заключающийся в возможности применения ячейки для кондуктометрического анализа высоковязких жидкостей и дисперсных жидких систем.На фигуре 1 схематически изображена предлагаемая проточная ячейка, на фигуре 2 вариант ячейки для вязких жидкостей фигура 3 иллюстрирует возможность использования ячейки в составе автоматического анализатора на фигуре 4 приведена зависимость электропроводности раствора от времени при дискретном разбавлении раствора.Проточная кондуктометрическая ячейка (см. фиг. 1) выполнена в виде замкнутой трубки 1 (тороида), образующей полость 2, входного 3, первого 4 и второго 5 выходныхпатрубков, электродов 6, трубчатой насадки 7, клапана 8, установленного на втором вь 1 ходном патрубке 5. Свободный конец входного патрубка 3 направлен против, а первого входного патрубка 4 - по направлению обхода контура замкнутой трубки 1 (указано стрелкой). Точки пересечения осей патрубков 3, 4 с осью тороида находятся в большом продольном сечении трубки 1 и смещены относительно друг друга по окружности. Второй выходной патрубок 5 подсоединен к тороиду на диаметрально противоположном конце. Трубчатая насадка 7 установлена внутри полости 2 с зазором относительно стенок замкнутой трубки 1, герметично соединена одним концом с входным патрубком 3, а свободнь 1 й конец насадки 7 смещен по направлению обхода контура от пересекающего трубку 1 конца первого выходного патрубка 4, что определяется длиной насадки 7.Электроды 6 установлены в полости 2 в одном сечении трубки 1 между трубчатой насадкой 7 и вторым выходным патрубком 5 (по направлению обхода контура). Замкнутая трубка 1, патрубки 3, 4, 5 насадка 7 изготовлены из диэлектрического материала, например кварцевого стекла. Перед работой ячейка устанавливается так, чтобы выходной патрубок 5 располагался ниже замкнутой трубки 1. Ячейка подсоединена тройником 9 (на фиг. 1 обозначен пунктиром), снабженным клапанами 10, 11 соответственно к магистрали с исследуемой жидкостью и через насос - к резервуару для разбавителя (см. фиг. 3). Электродь 1 6 подсоединены к измерительному блоку. Клапаны 8, 10, 11 выполнены как электромагнитные и подсоединены соответственно к первому, второму и третьему входам блока управления, обеспечивающего подачу команд.В варианте конструкции ячейки, изображенной на фигуре 2, она дополнительно содержит перегородку 12 с отверстием 13 в виде сопла и возвратную трубку 14, соединенную с концами изогнутой трубки 1. При этом изогнутая и возвратная трубки, соединяясь, образуют замкнутую полость 2. Второй вь 1 ходной патрубок 5 соединен с трубкой 1 в отводе вблизи трубчатой насадки 7, электроды 6 установлены в возвратной трубке 14, трубчатая насадка 7 снабжена коническим наконечником, установленным у отверстия 13. Для подготовки ячейки к работе ее устанавливают так, чтобы второй выходной патрубок 5 располагался выще, а первый 4 - ниже относительно горизонтали. Однотипные элементы на фигурах 1-3 обозначены одинаковыми позициями.Проточная кондуктометрическая ячейка работает следующим образом (см. фиг. 1 и фиг. 3), в первоначальном положении клапаны 8, 10, 11 закрыты (открытие-закрытие их осуществляется по команде с блока управления). Открывают клапан 10, исследуемая жидкость из магистрали через тройник 9, входной патрубок 3, трубчатую насадку 7 заполняет полость 2, вытесняя при этом воздух из нее через входной патрубок 4. По заполнению полости 2 (о чем свидетельствует вытекание жидкости из выходного патрубка 4) во входной патрубок 3 подают под давлением разбавитель. Для этого клапан 10 закрывают, клапан 11 открывают, а разбавитель нагнетают насосом из резервуара. Струя разбавителя, вытекающего из трубчатой насадки 7, во-первых, вытесняет жидкость по направлению струи, во-вторых, смещивается с жидкостью, образуя после вытеснения из зоны смещения разбавленный раствор, в-третьих,увлекает жидкость из кольцевого зазора, образованного насадкой 7 и стенками трубки 1, в зону смещения. При непрерывной подаче струи разбавителя происходит смещивание разбавителя с исследуемой жидкостью, поступающей из кольцевого зазора, и вытеснение жидкости образованным раствором из полости 2 в выходной патрубок 4 и в кольцевой зазор. По достижению раствором выходного патрубка 4 часть раствора сливается через патрубок 4, а часть вытесняется остатком жидкости в кольцевой зазор и далее в зону смещения, заверщая тем самым формирование в полости 2 трубки 1 раствора заданной концентрации. При продолжении непрерывной подачи струи разбавителя раствор из кольцевого зазора поступает в зону смещения, после вытеснения из которого формируется фронт нового раствора (с новой заданной концентрацией или степенью разбавления), который аналогично вышеизложенному вь 1 тесняет предыдущий и т.д. Таким образом, в полости ячейки из исходной исследуемой жидкости последовательно приготавливаются растворы заданной концентрации. Заданная концентра 4ция определяется преимущественно числом циклов разбавления И конструктивными параметрами ячейки.Пусть, например, поперечные сечения 51, 52, 53 соответственно входного 3, выходного 4 патрубков и кольцевого зазора равны между собой, т.е. 51 52 53 5, а поперечное сечение замкнутой трубки 1 равно 25. Пусть в момент времени о полость 2 заполнена жидкостью с концентрацией определяемого компонента Со. Поступивший из патрубка 3 разбавитель за зоной смешения приводит жидкость в равномерное движение со скоростью уо сопзг в полости 2 изогнутой трубки. В единицу времени по патрубку 3 в зону смешения поступает объем разбавителя /1/о 5, а по кольцевому зазору - объем жидкости У уо 5 с концентрацией Со.После перемешивания за зоной смешения образуется раствор концентрацииЭтот раствор вытесняет жидкость с концентрацией Со в силу неразрывности струи в область сечения, в которой расположен выходной патрубок 4, здесь происходит разделение потока с концентрацией Со/2 на две равные части, одна из которых уходит в слив, а другая через кольцевой зазор в момент времени ц подходит к свободному концу трубчатой насадки 7. Таким образом, при г ц ячейка будет заполнена раствором с концентрацией Со/2 и приведена вновь в исходное состояние для повторения цикла. Длительность цикла ц-ц, Ь/уо, где Ь - длина замкнутого циркуляционного контура (трубки 1). Через равные промежутки времени происходит разбавление раствора в одно и то же число раз,т.е. Сп (1/2)Со. Электродами 6 регистрируется при этом ступенчатое во времени изменение электропроводности раствора (фиг. 4). В общем случае, когда поперечные сечения патрубков и кольцевого зазора не равны между собой, имеемТаким образом, параметр разбавления является для ячейки постоянной известной величиной. Электроды 6 фиксируют как электропроводность жидкости, так и число циклов разбавления (по числу измерений при дискретном характере измерения или по числу зафиксированных ступенек при непрерывном измерении электропроводности). После проведения требуемого числа разбавлений (циклов) и измерения электропроводности растворов кран 11 закрывают и открывают клапан 8, что обеспечивает слив остаточного раствора через второй выходной патрубок 5 из полости 2 ячейки. После слива клапан 8 закрывают. Ячейка готова для приема новой пробы исследуемой жидкости. После этого слива направляют во входной патрубок 3 ячейки исследуемую жидкость, открыв для этого клапан 10. Повторяют процесс разбавления аналогично вышеизложенному. Полученные данные используют для определения неизвестной концентрации, свойств исследуемой жидкости, в частности структурообразования, контроля измерения концентрации и т.п.Наличие трубчатой насадки 7, образующей инжектор, и смещение ее свободного конца по направлению обхода контура от места пересечения с трубкой 1 выходного патрубка 4 обеспечивает формирование возвратно-кольцевого канала (зазора), разделяющего зону смешения и зону разделения потока жидкости (фиг. 2), благодаря этому ускоряется процесс циркуляции жидкости, по контуру замкнутой трубки, интенсифицируется процесс смешения, обеспечивается автоматическое получение более устойчивых циклов разбавления, точность воспроизведения которых более вь 1 сокая. Расположение электродов внутри замкнутой трубки позволяет регистрировать с высокой точностью параметр электропроводности и число разбавлений в условиях наличия неоднородных зон в полости 2 трубки 1. Введение второго выходного патрубка 5 и клапана 8 обеспечивает возможность повторного использования ячейки и изменения режимов ее работы.