CC BY
46
УДК 681.586:543.55 ББК 32.965
И. В. Свинцов, В. Я. Свинцов
НОВЫЙ ЭЛЕКТРОМЕТРИЧЕСКИЙ МЕТОД АНАЛИЗА ДЛЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
I. V. Svintsov, V. Ya. Svintsov
A NEW ELECTROMETRIC METHOD OF ANALYSIS FOR ENVIRONMENTAL MONITORING OF THE ENVIRONMENT
Разработан новый метод определения концентрации веществ, основанный на использовании зависимости фазовых изменений электрического поля первичного преобразователя от электрофизических характеристик анализируемого вещества. Для практической реализации метода разработан измерительный преобразователь, в котором используется мостовая измерительная схема с повышенной фазовой чувствительностью; получены аналитические выражения, устанавливающие зависимость величины фазового сдвига от параметров схемы, функционально связанных с электрофизическими характеристиками вещества, которые являются функцией от физической природы вещества и концентрации контролируемого компонента. В результате аналитических исследований установлено, что при соответствующих параметрах первичного преобразователя измерительной схемы чувствительность по фазовому сдвигу можно сделать неограниченно большой.
Ключевые слова: фазовый метод, фазовый сдвиг, концентрация, мониторинг окружающей среды, первичный преобразователь, измерительная схема.
A new method for determining the concentration of substances, based on the use of phase change depending on electric field of sensing device on the electro-physical characteristics of the analyzed substance has been developed. For the practical implementation of the method there has been developed the transmitter, based on the use of the bridge measuring circuit with improved phase sensitivity; there has been also obtained the analytical expressions that establish the dependence of the phase shift on the circuit parameters functionally related to the electro-physical characteristics of the substance, which are a function of the physical nature of the substance and the concentration of the controlled component. As a result of analytical studies it is found that under the relevant parameters of the primary transmitter of measuring circuit sensitivity of the phase shift can be infinitely high.
Key words: phase method, phase shift, concentration, environmental monitoring, sensing device, the measuring circuit.
Лаборатории экологического контроля окружающей среды в настоящее время оснащены приборами, основанными на различных методах определения концентрации контролируемых веществ. Однако, несмотря на определенные достоинства, практическое использование большинства приборов ограничено по тем или иным причинам. Так, использование некоторых приборов возможно только в специализированных дорогостоящих лабораториях (стереоэлектрон-ные и поляризационные микроскопы, рентгеновские и дифракционные спектрометры, приборы радиоактивационного анализа, лазерная техника и т. д.) при наличии подготовленных операторов высокой квалификации. Использование приборов, основанных на радиометрических методах, в лабораториях контроля загрязнений окружающей среды ограничено также из-за того, что для их реализации требуется специальное оборудование и соблюдение множества требований безопасности.
В связи с вышеизложенным, а также ввиду того, что при экологическом контроле чаще всего проводят серийные анализы, лаборатории контроля окружающей среды в ряде случаев отдают предпочтение более простым контрольно-измерительным устройствам, которые сравнительно дешевы, отличаются высоким быстродействием и могут быть использованы в системах автоматического контроля. К их числу следует отнести в первую очередь широко используемые для определения концентрации различных веществ электрические анализаторы, основанные на аналоговых кондуктометрических и диэлектрометрических методах анализа веществ [1-4].
Аналоговые методы характеризуются тем, что электрическая величина (напряжение или ток), возникающая в измерительном элементе - кондуктометрической или диэлектрометриче-
ской ячейке с веществом, в результате преобразований, происходящих под действием электрического поля, на выходе измерительного устройства превращается в ту же электрическую величину (ток, напряжение), пропорциональную величине исследуемого параметра в ячейке.
Однако, несмотря на высокий уровень совершенства аналоговых электрических анализаторов состава веществ, при экологическом контроле окружающей среды они имеют ограниченное применение из-за недостатков, наиболее существенными из которых являются:
— недостаточно высокая чувствительность измерительных схем аналоговых кондукто-метрических анализаторов;
— большие погрешности результатов анализа из-за несовершенства измерительных ячеек первичных преобразователей;
— необходимость операции тарировки приборов при помощи веществ с известными электрофизическими характеристикам;
— необходимость оснащения анализатора аналогоцифровыми преобразователями, преобразующими выходное напряжение (ток) в цифровую форму для совмещения измерительной схемы анализатора с ЭВМ.
Анализ теории и технических средств анализа концентрации веществ показал, что устранение отмеченных выше недостатков на основе дальнейшего совершенствования аналоговых электрических методов анализа невозможно в силу того, что в своем развитии они достигли некоторого высшего уровня - «потолка». Последнее означает, что для решения проблемы экологического контроля на основе электрических методов необходима новая теоретическая база, отличающяся от теории аналоговых электрических методов, которые основаны на зависимости амплитуды напряжения (тока) существующих электрических анализаторов концентрации от электрофизических параметров измерительной ячейки с веществом.
Проработка возможных путей решения проблемы привела к идее использования электрического метода и устройства экспресс-анализа, базирующейся на использовании в качестве информативного параметра фазы, которая (как величина амплитуды напряжения или тока, она также может служить в качестве информационного параметра) функционально связана с электрофизическими свойствами вещества. Фаза характеризует состояние электрических колебаний электрического тока в измерительной цепи в соответствующий момент времени и может быть определена как аргумент гармонической косинусоидальной или синусоидальной функции / [1]:
/ = (ю + ф).
При прохождении электрического тока через анализируемое вещество в измерительной ячейке происходит изменение как аргумента, так и модуля А первичных электрических колебаний, степень изменений которых зависит от электрофизических свойств компонентов вещества и их концентрации. Более употребительным в радиотехнике является понятие фазового сдвига или угла сдвига фаз гармонических электрических сигналов, которым мы и будем в дальнейшем оперировать.
Выбор нами фазового сдвига для использования в качестве показателя концентрации объекта анализа неслучаен и определяется преимуществами измерения фазовых сдвигов по сравнению с амплитудными измерениями: высокой чувствительностью фазовых измерений, устойчивостью к внешним электроимпульсным воздействиям, возможностью реализации в измерительных устройствах, основанных на цифровой измерительной технике [1].
Анализ известных методов измерения фазовых сдвигов показал, что применительно к электрическим методам определения концентрации веществ перспективна электронная фазо-метрия сигналов от измерительной ячейки с промежуточным преобразованием фазового сдвига во временной интервал. Возможность реализации фазового метода анализа на этой основе позволит в конечном итоге изготовить цифровой измерительный прибор, отвечающий современному направлению и уровню развития аналитического приборостроения.
Из анализа зависимости величины фазового сдвига от изменения электрических параметров объектов контроля различными измерительными схемами установлено, что наибольший эффект в реализации фазового метода анализа в приборном оформлении можно обеспечить на базе мостовой измерительной схемы с повышенной фазовой чувствительностью.
В результате расчета разработанной нами измерительной схемы получены аналитические выражения, устанавливающие зависимость ее выходных параметров (фазового сдвига ф и напряжения ивых) от электрофизических характеристик измерительной ячейки:
ф = агС^2
(—)2 + ( я2
2 , Хс \2
—2
)2 -1
Цвых = Ш/А
вх'^ М?
где АМ - модуль передаточного числа четырехполюсника:
I АМ \- 2_
к—)2+()2
—2
—2
і]2+)2
Я2
Я
(^ -1)2 + (^с)
С \2
Я
(1)
(2)
(3)
где Я, Хс - соответственно активное и реактивное сопротивление электрической модели ячейки с анализируемым веществом; Я2 - подстроечное сопротивление измерительной схемы.
Соотношения (1)-(3) являются искомыми функциональными зависимостями выходных параметров разработанной нами измерительной схемы от электрофизических характеристик кондуктометрической ячейки с анализируемым веществом и могут быть использованы в качестве величин, характеризующих свойства вещества: электрофизические свойства компонентов вещества и их концентрацию.
На рис. 1 представлена фазовая характеристика разработанной нами измерительной схемы при различных значениях отношений а = Хс/Я2.
Рис. 1. Фазовая характеристика неравновесного моста переменного тока
Из рис. 1 следует, что чувствительность измерительной схемы может регулироваться в заданном диапазоне и при а ® 0 принимать бесконечно большое значение.
Сопротивление Я, фигурирующее в полученных выше уравнениях, определяется известным соотношением
Я = рШ,
где р - удельное электрическое сопротивление вещества; Ь, Б - межэлектродное расстояние и площадь поверхности электродов ячейки.
Реактивное сопротивление
Хс = 1/юС,
где С = е0еБ/Ь - электрическая емкость кондуктометрической ячейки, зависящая от геометрических параметров ячейки и диэлектрических свойств вещества - е (е0 - диэлектрическая постоянная).
Оценивая потенциальные возможности фазометрического метода анализа, необходимо подчеркнуть, что, кроме фазового сдвига, возможно использование в качестве информационного параметра и другой выходной величины - выходного напряжения разработанной нами измерительной схемы, которое при соответствующих параметрах измерительной схемы также является функцией от электрофизических характеристик анализируемого вещества:
Я
|)вых 1= — = ЯСЮ .
Х с
Таким образом, определив величину ЯСю , можно определить также тангенс угла потерь и добротность, под которой понимается величина, обратная тангенсу угла потерь.
Возможность с помощью фазометрического метода одновременного измерения нескольких электрических характеристик (фазы и выходного напряжения), с учетом использования частотных зависимостей этих характеристик, позволяет разрабатывать методы анализа веществ, относящихся к классу многокомпонентных систем.
Для подтверждения декларированных ранее преимуществ разработанного нами фазового метода определения концентрации веществ был проведен сравнительный анализ такой важнейшей характеристики электронной измерительной схемы прибора, как чувствительность. В качестве расчетных использованы полученные нами аналитические выражения, устанавливающие величину чувствительности для измерительных схем, основанных на аналоговом сигнале (чувствительность по напряжению), и разрабатываемого нами фазового метода.
Для расчета чувствительности мостовой измерительной схемы по напряжению мы использовали выражение
=у) / , (4)
где У) = )вых - напряжение, снимаемое с измерительной диагонали мостовой схемы.
Подставив выражения для У) и У£ в (4), получим уравнение для расчета чувствительности по напряжению (в безразмерных единицах: процент изменения амплитуды напряжения на процент активного сопротивления ячейки), которое имеет следующий вид:
Бы
1 1
2 ^/(Т+Р)-+02
где а — —с, Р — - соответственно безразмерные активные и реактивные составляющие
Я2 Я2
комплексного сопротивления кондуктометрической ячейки с веществом.
Для расчета фазовой чувствительности по активной составляющей комплексного сопротивления кондуктометрической ячейки использовалось выражение
‘ф = — • (5)
ф Эр ^
Подставив в уравнение (5) соответствующее выражение производной <—, получим конечное выражение для расчета фазовой чувствительности по активной составляющей комплексного сопротивления кондуктометрической ячейки:
8 ар
‘ф(Р) ='
р (а2 +Р2 -1 ) + 4а
Представляет интерес и оценка фазовой чувствительности по реактивной составляющей комплексного сопротивления кондуктометрической ячейки с веществом. Для этого мы продифференцировали ф по а и получили выражение для фазовой чувствительности по реактивной составляющей комплексного сопротивления кондуктометрической ячейки, которое в безразмерной форме будет иметь следующий вид:
_ 4 а2 -р2 +1
ф(а) р (а2 +р2 -1)2 + 4а2'
Результаты аналитического расчета величины чувствительности по напряжению (процент изменения выходного напряжения на процент изменения сопротивления измерительной ячейки) и по фазе (процент изменения фазового сдвига на процент изменения сопротивления измерительной ячейки) приведены в таблице.
Результаты аналитического расчета величины чувствительности
Безразмерная активная составляющая я, комплексного сопротивления а=— Х2 Чувствительность по напряжению, 5и Чувствительность по фазовому сдвигу
Активная составляющая 5—^ Реактивная составляющая 5ф(а)
0 0,25 ¥ 0,35
10-2 0,25 63,70 0,32
10-1 0,25 6,37 0,32
1 0,22 0,51 0,25
10 0,05 2,45 ■ 10-3 0,01
102 4,5 ■ 10-3 0,00 0,25
¥ 0,00 0,00 0,00
Как следует из данных таблицы, чувствительность по напряжению имеет ограничение по верхнему пределу и весьма невысока по сравнению с фазовой чувствительностью. Из данных таблицы также следует, что чувствительность по напряжению не может быть увеличена ни за счёт величины напряжения, питающего измерительную схему, ни за счёт электрических характеристик её элементов (активного или реактивного сопротивления измерительной схемы).
В отличие от этого чувствительность по фазовому сдвигу можно сделать неограниченно большой, например, путем изменения величины реактивного сопротивления, которое в этом случае может быть введено искусственно в измерительную схему или изменено любым другим путем, в частности рациональным конструированием кондуктометрической ячейки.
Для практической реализации фазового метода экологического контроля нами была разработана блок-схема фазового анализатора, в основу которой был положен метод преобразования фазового сдвига в интервал времени (рис. 2).
В состав первичного преобразователя 1, кроме мостовой схемы 5, входит задающий генератор 6, вырабатывающий напряжение питания мостовой схемы частотой 10 кГц, и предварительный усилитель 7.
Напряжение, снимаемое с выходной диагонали мостовой схемы, усиливается предварительным усилителем 7 и поступает на блок 2, в состав которого входит фазовращатель 8 и компаратор 9. Фазовращатель 8 предназначен для предварительного приведения к нулю фазового сдвига при настройке прибора к работе.
Синусоидальное напряжение, снимаемое с измерительной диагонали мостовой измерительной схемы, после предварительного усилителя и фазовращателя поступает на нуль-компаратор 9, являющийся усилителем-ограничителем с бесконечно большим коэффициентом усиления. Компаратор, работая как усилитель-ограничитель с бесконечно большим коэффициентом усиления, преобразует выходное напряжение в меандровую последовательность прямоугольных сигналов. При этом фронты и спады прямоугольных импульсов будут соответствовать во времени переходам через нуль синусоидального напряжения, вырабатываемого мостовой измерительной схемой.
Рис. 2. Блок-схема фазового анализатора несанкционированного подключения:
1 - блок первичного преобразователя; 2 - блок преобразования синусоидальных импульсов в прямоугольные; 3 - блок преобразования фазового сдвига во временной интервал; 4 - блок индикации;
5 - мостовая схема; 6 - задающий генератор; 7 - предусилитель; 8 - фазовращатель;
9 - нуль-компаратор; 10 - дифференциатор; 11 - односторонние ограничители;
12 - триггер; 13 - фазовый детектор
Меандровая последовательность прямоугольных импульсов поступает на вход блока 3, который состоит из двух дифференциаторов 10, двух односторонних ограничителей 11, триггера 12 и фазового детектора 13, работающего параллельно с триггером 12.
Дифференциатором 10 осуществляется формирование коротких импульсов порядка десятков-сотен наносекунд, вырабатываемых в момент перехода синусоидального напряжения через нуль, причем импульс положительной полярности соответствует фронту прямоугольного импульса, поступающего с нуль-компаратора, а отрицательный - его спаду.
Посредством ограничителей уровня 11 производится селекция из совокупности разнополярных импульсов одной полярности, и при этом фазовый сдвиг между синусоидальными напряжениями опорного и измерительного каналов будет равен нулю в случае Я = Я2 (что соответствует нулевой концентрации контролируемого компонента). В случае изменения концентрации анализируемого компонента в объекте контроля произойдет изменение сопротивления Я, что приведет к сдвигу фаз. Появляющийся фазовый сдвиг между напряжениями опорного и измерительного каналов обусловливает и сдвиг во времени друг относительно друга коротких импульсов, вырабатываемых дифференциаторами 10.
Сигналы, вырабатываемые ограничителями 11, управляют работой триггера 12 с раздельным запуском. В случае одновременного прихода импульсов, фазовый сдвиг между напряжениями в опорном и измерительном каналах равен нулю (настройка измерительной схемы -согласование электрических характеристик подстроечного сопротивления с электрическими характеристиками ячейки с веществом при нулевой концентрации контролируемого компонента), выходное напряжение с триггера 12 остается неизменным. В случае наличия фазового сдвига между напряжениями опорного и измерительного каналов (концентрация контролируемого компонента изменится и станет отличной от нуля) триггер 12 формирует прямоугольный импульс, дли-
тельность которого равна временному сдвигу между импульсами, поступающими с ограничителей 11. При этом в численном отношении этот сдвиг равен временному сдвигу синусоидальных напряжений, действующих на входах компараторов 9, и пропорционален фазовому сдвигу.
Разработанная нами измерительная схема обладает высокой разрешающей способностью и может быть использована для непрерывного отслеживания изменения экологической обстановки, обусловленной изменением концентрации контролируемого параметра среды обитания.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Галахова О. Г. Основы фазометрии. - Л.: Энергия 1976. - 256 с.
2. Новый кондуктометрический фазовый метод анализа концентрации веществ / Корпусов О. В., Свинцов И. В., Липчанский А. С., Свинцов В. Я. // Партнеры и конкуренты. - 2005. - № 6. - С. 36-37.
3. Свинцов И. В., Свинцов В. Я. Теоретические основы диэлектрометрического фазового метода анализа концентрации веществ // Мир измерений. - 2007. - № 6. - С. 35-39.
4. Хоменко Т. В., Ерёменко О. О. Автоматизированные системы поискового конструирования: системный анализ и развитие системной парадигмы // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер.: Управление, вычислительная техника и информатика. - 2010. - № 1. - С. 136-142.
Статья поступила в редакцию 27.06.2012
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Свинцов Иван Владимирович - ООО «Астраханская телекоммуникационная компания «Реал», отдел технической поддержки; канд. техн. наук; старший инженер-администратор; ivan_svintsov@gmail.com.
Svintsov Ivan Vladimirovich - Limited Liability Company "Astrakhan Telecommunication Company "Real", Department of Technical Support; Candidate of Technical Sciences; Senior Engineer-Administrator; ivan_svintsov@gmail.com.
Свинцов Владимир Яковлевич - Астраханский инженерно-строительный институт; д-р техн. наук, профессор; профессор кафедры «Теплогенерирующие установки»; vladimir_svintsov@mail.ru.
Svintsov Vladimir Yakovlevich - Astrakhan Engineer-Building Institute; Doctor of Technical Sciences, Professor; Professor of the Department "Heat-generating Equipment"; vladimir_svintsov@mail.ru.
