Оптоэлектронный измеритель концентрации ионов в жидких средах

Оптоэлектронный измеритель концентрации ионов в жидких средах

Реферат

 

Оптоэлектронный измеритель концентрации ионов в жидких средах, содержащий U-образный световод с измерительной частью, на которой отсутствует защитная оболочка, фотоприемник, источник излучения, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения, на измерительную часть световода нанесен слой, содержащий цветовой индикатор анализируемых ионов, причем наружная поверхность указанного слоя покрыта слоем вещества, проницаемого для анализируемых ионов и непроницаемого для индикаторного вещества.

Изобретение относится к устройствам для измерения концентрации ионов в жидкой среде и может быть использовано для определения параметров растворов в технологических процессах, в экологических, биохимических системах. Известно устройство для измерения концентрации растворов, основанное на изменении коэффициента преломления или поглощения света, проходящего через контролируемую среду [1]. Оно содержит прямой отрезок световода, помещенного в объем с контролируемым раствором, источник света и фотоприемник, расположенные по обоим концам световода. Известное устройство малочувствительно, так как большинство ионов имеет низкий коэффициент экстинкции (много меньше 10² л/моль см), а коэффициент преломления зависит от суммарной концентрации ионов в растворе, в связи с чем известное устройство неселективно и не может быть использовано для прецизионного контроля. Наиболее близким по технической сущности к данному изобретению является оптико-электронный измеритель концентрации ионов в жидких средах, содержащий U-образный световод с измерительной частью, на которой отсутствует защитная оболочка, фотоприемник, источник излучения [2]. Основной недостаток данного устройства - невозможность измерения концентрации слабопоглощающих свет веществ, в особенности ионов, из-за влияния посторонних неанализируемых ионов. Целью изобретения является повышение точности измерения. Указанная цель достигается тем, что на измерительную часть световода нанесен слой, содержащий цветовой индикатор анализируемых ионов, причем наружная поверхность указанного слоя покрыта слоем вещества, проницаемого для анализируемых ионов и непроницаемого для индикаторного вещества. На фиг. 1 схематично изображена конструкция оптоэлектронного измерителя концентрации ионов; на фиг.2 - зависимость выходного сигнала измерителя от концентрации водородных ионов (pH). Измеритель содержит источник света 1, установленный на одном из концов U-образного световода 2, на другом конце которого установлен фотоприемник 3 с измерительным устройством 4. Световод 2 имеет соединительные части 5, покрытые защитной оптической оболочкой 6, и измерительную часть 7, покрытую слоем 8, содержащим индикаторное вещество, изменяющее свой цвет при попадании на него анализируемого иона. На слой 8 нанесен слой вещества 9, непроницаемого для индикаторного вещества и проницаемого для анализируемого иона. Для лучшего соединения слоя 8 с измерительной частью 7 световода последняя покрывается оптически прозрачным адгезионным слоем полимера (на фиг.1 не показан), толщина которого меньше длины волны диагностирующего излучения. В одном из вариантов исполнения оптоэлектронного измерителя концентрации ионов, в частности ионов водорода (pH), адгезионный слой выполнен из полистирола, гидрофильный слой 8 - из сульфированного полистирола,а в качестве цветового индикатора он содержит тимолфталеин, слой 9 выполнен из гидратцеллюлозы. В процессе работы оптоэлектронного измерителя цветовой индикатор в слое 8 изменяет интенсивность своей окраски в определенном диапазоне pH анализируемого раствора 10, зависящего от индикатора, природы матрицы слоев 8 и 9. Интенсивность окраски измеряется оптической схемой считывания относительно опорного сигнала. Сигнал на выходе схемы регистрации пропорционален pH измеряемой среды в диапазоне изменения окраски индикатора. На фиг.2 приведена зависимость выходного сигнала S оптоэлектронного измерителя от изменения pH в рабочем диапазоне чувствительного элемента. Чувствительность по pH легко достигает величины 20 - 50 мВ на ед. pH, что позволяет, учитывая малое внутреннее сопротивление фотодетектора (~1 кОм), легко регистрировать изменения pH на величину 0,001. Показания прибора практически не зависят от температуры, что позволяет избавиться от сложных схем температурной компенсации, необходимых, например, при работе прецизионных pH-метров. Адгезионный слой позволяет прочно укрепить на световоде чувствительный слой 8 и обеспечить оптический контакт. Толщина адгезионного слоя не должна превышать длину волны светового излучения, так как интенсивность излучения, выходящая за поверхность световода, имеющего постоянный коэффициент преломления по поперечному сечению, уменьшается в ~2,7 раза на расстояниях порядка длины волны. Стабильная работа измерителя обеспечивается слоем 9, проницаемым для анализируемых ионов и непроницаемым для индикаторного вещества 9. Слой 1 в основном определяет быстродействие измерителя. Для обеспечения быстродействия, равного 1 с, толщина слоя должна быть выбрана равной 70 - 100 мкм (коэффициент диффузии ионов водорода ~10^-5 см²/с). Использование изобретения позволяет повысить точность измерений концентрации ионов в жидких средах.

Формула изобретения

Оптоэлектронный измеритель концентрации ионов в жидких средах, содержащий U-образный световод с измерительной частью, на которой отсутствует защитная оболочка, фотоприемник, источник излучения, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения, на измерительную часть световода нанесен слой, содержащий цветовой индикатор анализируемых ионов, причем наружная поверхность указанного слоя покрыта слоем вещества, проницаемого для анализируемых ионов и непроницаемого для индикаторного вещества.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2