Устройство и способ анализа текучей среды - RU2125267C1

Чертежи

Описание

Изобретение относится к устройствам для анализа текучей среды, в особенности жидкости.

Анализаторы текучей среды могут быть использованы для управления химическими и биологическими процессами, такими как очистка сточных вод. Например, требуется снижение концентрации питательных солей, таких как нитраты, в стоках сооружений по очистке сточных вод. Необходимо надлежащее управление биологическими процессами на этих сооружениях. Следовательно, полезно иметь возможность замера концентрации ионов различного вида в сточных водах, которая наряду с другими параметрами влияет на биологические процессы или дает о них информацию.

Многие патенты имеют целью анализ текучих сред, главным образом жидкостей, на присутствие различных составляющих. Способы замеров принципиально могут быть разделены на три группы:
(1) Способы, в которых отбор пробы осуществляют дискретно, фильтруют ее и подвергают анализу;
(2) Способы с постоянным подключением, в которых пробу постоянно откачивают из основного объема участвующей в технологическом процессе жидкости, фильтруют и затем через правильные промежутки времени подвергают анализу;
(3) Способы, осуществляемые непосредственно на месте. Устройство для взятия пробы и анализа полностью или частично погружено в анализируемую среду; или пробу берут непосредственно, а анализ осуществляют настолько неотрывно от процесса, что промежуток времени между взятием пробы и проведением анализа достаточно мал, что обеспечивает возможность надежного управления процессом в реальном масштабе времени.

Система анализа, используемая для управления процессом, должна давать возможность пользователю предпринимать незамедлительные меры предосторожности, например, против внезапного повышения содержания нитратов в текучей среде при обработке сточных вод. Однако, анализ с использованием способов первой группы в основном осуществляется в лаборатории, что неизбежно увеличивает промежуток времени между взятием пробы и проведением анализа.

Более того, поскольку пробы воды зачастую подвергают спектрофотометрическому анализу, перемещение на большие расстояния может повлечь за собой дополнительные проблемы, так как продолжающаяся биологическая активность во взятых пробах способствует уменьшению их репрезентативности. Даже при быстрой доставке проб от устройства взятия пробы до лаборатории надежность результатов анализа снижена из-за проблем, связанных с помутнением проб.

Способы второй группы наряду с использованием электродов для отбора ионов и анализом разделенного потока включают проведение замеров с использованием ультрафиолетового излучения.

Так называемый анализ со струйным впрыском относится к способам как второй, так и первой групп.

Использование для анализа качества воды ультрафиолетовой спектрофотометрии не дало хороших результатов из-за интерференции от взвешенных в пробах твердых и органических частиц. Известны попытки усовершенствования применимости способа с использованием ультрафиолетового излучения посредством так называемой мультиволновой абсорбциометрии, нацеленной на подавление фонового сигнала и одновременное вычисление концентрации определенных абсорбирующих компонентов, которые существенно изменяют типичную форму спектра (Томас и др. , Фрезениус Дж. Анал. Кем. 338, 234-237 и 238-240 (1990)). Недостаток использования этого способа применительно к определению содержания нитратов в природной воде и сточных водах заключается в том, что он требует сверхтонкой фильтрации проб. Подобный принцип используется в промышленном масштабе фирмой Д-р Ланге, ГмбХ, ФРГ.

Способ анализа разделенного потока, впервые описанный в патентах США N 2797149 и 2879141, основан на принципе отделения друг от друга предназначенных для анализа проб посредством воздуха. Усовершенствованный вариант этой технологии, включающий использование системы обработки текучей среды, описан в патенте США N 4853336. Эта система особенно пригодна для смешивания жидких проб с предварительно разделенными обрабатывающими жидкостями, такими как химические реактивы или разбавители, в анализаторах с непрерывным потоком. Система обеспечивает с задержкой и при постоянном подключении возможность смешивания различных компонентов смеси для производства анализа, как, например, смешивания проб с реактивами и разбавителями, а также смешивания и взаимодействия этих компонентов в одном канале.

Основной принцип анализа со струйным впрыском в общих чертах описан в патентах США N 4022575 и 4224033. Отмеренную порцию пробы вводят в несущий поток текущей жидкости, при этом порция пробы образует четко определенную зону, объем и форма которой должны быть точно воспроизводимы. Зона внутри несущего потока, занимаемая пробой, проходит через анализатор и подвергается детектированию в соответствующем отсеке. При анализе со струйным впрыском проба может быть введена непосредственно в требуемом количестве, для чего может быть использован клапан или система магнитных клапанов, описанная в патенте США N 4177677.

При проведении анализов со струйным впрыском необходимо, чтобы объемы проб отмерялись с высокой точностью. На решение этой проблемы наделена опубликованная заявка 107631 на европейский патент, в которой описана малоразмерная система микроканалов для анализа потока, встроенная в монолитную конструкцию. Один участок канала выполнен с возможностью переключения между проходами для потока, что позволяет дозировать объем пробы путем размещения ее в переключаемом участке канала, включенном в поток, из которого берется проба, а затем включения этого участка в анализируемый поток для обработки порции пробы при периодическом процессе.

Недостатки, присущие как способу анализа разделенного потока, так и способу анализа со струйным впрыском, состоят в использовании химических реактивов для образования состава, который может быть подвергнут детектированию, вследствие чего время для появления отклика при использовании этих способов обычно больше, чем в тех случаях, когда перед проведением замеров не используют химического воздействия. Кроме того, используемые реактивы зачастую являются ядовитыми или имеют другие аспекты оказания неблагоприятного влияния на окружающую среду, а следовательно, желательно избегать их применения.

В основном же главный недостаток вышеупомянутых способов второй группы заключается в задержке времени для появления отклика, обусловленной, во первых, использованием насосов из-за удаленности процесса от используемого оборудования, и во-вторых, из-за сверхтонкой фильтрации.

Примером устройства, относящегося к третьей группе, является полярографическая ячейка или так называемый элемент Кларка для непосредственного замера процентного содержания какого-либо вещества в смеси. Эта ячейка описана в патенте США N 2913386 и содержит корпус в форме трубы, имеющий закрытую мембраной полость, в которой в некотором заданном пространственном расположении закреплены анод и катод. Полость заполнена электролитом. В пространстве между электродами образован "мост", по которому перемещаются ионы в процессе протекания химических реакций в электролите. В ходе реакции электролит расходуется и нуждается в частой замене. Камера способна определять наличие, например, кислорода, SO₂ или CO₂ в жидкостях, газах или твердых веществах.

Другим примером анализатора, принадлежащего к третьей группе, является так называемый фотометр с автоматической накачкой, разработанный компанией МЕ Меерестекник-Электроник ГмбХ (см. документ ФРГ C1 3822788). Это устройство выполнено специально для установки в воде и отбора проб, их анализа и хранения результатов замеров непосредственно на месте установки. Такое устройство способно за относительно короткие промежутки времени (10 - 30 мин) выявлять изменение концентрации заданных веществ, таких, например, как аммоний, нитраты, фосфаты, силикаты, сульфиды и тяжелые металлы. Главной частью этого анализатора является поршневой насос, используемый также в качестве ячейки для проведения реакции и кюветы и всасывающий как пробу, так и реактивы. Жидкость проходит через распределительный клапан, который открывает и закрывает различные каналы для жидкостей и определяет последовательность этапов формирования смеси. После каждого анализа смесь пробы и реактива удаляют из устройства.

Фотометрический анализатор с автоматической накачкой основан на впуске пробы в систему, но не имеет фильтровального узла, способного задерживать бактерии; следовательно, в этом случае имеется риск роста бактерий внутри анализатора, которые в свою очередь могут быть причиной биологической активности, изменяющей концентрацию анализируемого вещества по сравнению с его концентрацией за пределами анализатора. Проба должна быть отмерена очень точно, что представляется затруднительным при упомянутом совмещении функций насоса, ячейки для проведения реакции и кюветы. Сравнительно большой расход реактива на один анализ в совокупности с высокой частотой цикла (10 - 30 мин) обусловливает необходимость замены реактива примерно один раз в неделю. Некоторые из используемых реактивов могут быть токсичными, а удаление смеси пробы и реактива после каждого замера может оказывать неблагоприятное воздействие как на состояние окружающей среды, так и на правильность последующих замеров.

Данное изобретение относится к устройству типа диализатора. Оно содержит герметический корпус с отверстием, закрытым мембраной, имеющей первую и вторую главные поверхности и выполненной с возможностью перемещения ионов и молекул между этими поверхностями, из которых первая при работе находится в контакте с анализируемой средой, и средства, ограничивающие канал в корпусе, состыкованные с мембраной с образованием по меньшей мере одного канала для потока, ограниченного этими средствами и второй главной поверхностью мембраны.

Такое устройство известно из документа Австрии 355546, в котором представлен стерилизуемый диализатор, предназначенный для использования в бродильных резервуарах, химических реакторах и т.п. Диализатор включает головку, закрытую диализирующей мембраной. Головку крепят к отверстию в стенке резервуара или реактора. По питательному и сливному трубопроводам диализатора вдоль задней стороны мембраны подают подходящий буферный раствор, а с передней стороной мембраны контактирует жидкость в резервуаре или реакторе. Присутствующие в жидкости диализируемые вещества диализируют через мембрану в буферный раствор и поступают по сливному трубопроводу в расположенное снаружи анализирующее устройство или систему.

Согласно п. 1 формулы изобретения весь функциональный узел анализатора заключен в герметичном корпусе диализатора. Таким образом, данное изобретение предлагает автономный узел, включающий резервуар для несущей текучей среды и насос для генерации потока несущей текучей среды в канале с тем, чтобы обеспечить возможность перемещения ионов и молекул сквозь мембрану между средой и несущей текучей средой. В результате поток несущей текучей среды превращается в поток пробы текучей среды. В корпусе заключено детектирующее устройство для выявления присутствия анализируемого вещества в пробе текучей среды и выработки соответствующего детектирующего сигнала. Вниз по течению от детектирующего устройства расположен сточный резервуар для сбора потока пробы текучей среды.

Следует отметить, что в описании данного изобретения термин "проба текучей среды" относится к текучей среде, полученной в результате процесса диализации. Пробу текучей среды получают посредством обмена ионов и молекул через мембрану, происходящего между текучей средой, которая должна быть проанализирована, и несущей текучей средой, которая в результате этого обмена превращается в пробу текучей среды. Таким образом, это понятие несколько отличается от общепринятого в химии термина "проба", означающего просто порцию текучей среды, предназначенную для анализа.

Данное изобретение устраняет или сводит к минимуму недостатки известных технических решений. Так, использование процесса диализации уменьшает до минимума риск внутреннего загрязнения, а также риск загрязнения окружающей среды. Все текучие среды, потребляемые и вырабатываемые при анализе, содержатся и остаются в резервуарах внутри корпуса. Отсутствует удаление загрязняющих частиц и организмов, которые могли бы исказить замеры или вызвать засорение. Нет необходимости использования химикатов для очистки системы.

Предлагаемое устройство очень быстро реагирует на изменение состава анализируемой среды, поскольку анализатор расположен внутри корпуса диализатора, т.е. очень близко от места, где происходит взятие пробы посредством диализации. Устройство может быть целиком погружено в анализируемую жидкость. Детектирование осуществляется на месте с выработкой по его результатам детектирующего сигнала. Сигнал может быть записан внутри корпуса с возможностью в дальнейшем доступа к нему, например, для контроля или передачи из корпуса на некоторое расстояние для записи или дальнейшей обработки, например для управления процессом.

Предлагаемое устройство практически исключает нерабочий промежуток времени между замерами и уменьшает до минимума задержу времени между "взятием пробы" на мембране и "замером" на детекторе; единственная существующая задержка обусловлена временем, необходимым для прохождения ионов и молекул анализируемого вещества по проточной системе до детектирующего устройства, где будет произведено детектирование.

Благодаря тому, что некоторые ионы и молекулы, как известно, могут быть выявлены без добавления химикатов, их можно детектировать непосредственно с помощью соответствующих детектирующих средств, а следовательно, необходимость обработки потока пробы по существу отсутствует.

Как указано в п. 2 формулы изобретения, предпочтительным является использование там, где это возможно, детектирующего устройства, основанного на оптическом измерении. Если ионы и молекулы анализируемого вещества поглощают свет в ультрафиолетовом диапазоне длин волн, детектирующие средства могут быть основаны на принципе поглощения ультрафиолетового излучения.

Как предложено в п. 3 формулы изобретения, детектирующее устройство может быть основано на принципе электрохимического взаимодействия между ионами и молекулами в потоке пробы текучей среды жидкости; например, в систему может быть встроено устройство, равноценное элементу Кларка.

Благодаря использованию неразрушающего способа выявления ионов и молекул, включенных в поток пробы текучей среды, один и тот же поток пробы текучей среды может быть подвергнут двум и более замерам, как это предложено в п.п. 4 и 5 формулы изобретения.

Вариант выполнения по п. 6 формулы изобретения обладает особенными преимуществами при использовании при управлении процессом. Возможность надежного выявления продукта реакции в любой момент на протяжении длительного времени позволяет осуществлять самое непосредственное управление процессом. Время от времени может требоваться калибровка, но интервал времени между калибровками может быть больше одного часа. Нерабочее время между замерами уменьшается до минимума, а замеры концентрации контролируемого вещества детектируются с минимальной задержкой. Кроме того, частота детектирования или "отбора проб" может быть приведена в соответствии со скоростью изменения концентрации анализируемого вещества.

В этом состоит отличие от порционных способов, таких как анализ разделенного потока и анализ со струйным впрыском, в которых детектируемые вещества поступают в детектирующий прибор порциями, отделенными одна от другой либо воздухом, либо фрагментами несущей жидкости, не содержащей детектируемых веществ. В известных способах выходной сигнал или результат замера, поступающий от детектирующего прибора, имеет форму пиковых импульсов или фаз замера, которые формируются при прохождении зон с детектируемыми веществами через детектирующий прибор и которые разделены впадинами или фазами нерабочего времени, когда через детектирующий прибор проходит воздушный промежуток или незагруженная зона несущей текучей среды. Детектирование должно быть синхронизировано с прохождением детектируемых веществ, поэтому ограничения по времени неизбежны. При использовании же способа и устройства согласно п. 6 формулы изобретения пики и впадины или фазы замера и фазы нерабочего времени по существу отсутствуют, а поток анализируемого вещества в детектирующем устройстве не разделен, поэтому детектирование может быть произведено в любой момент на протяжении длительных интервалов времени.

Другими словами, частота повторения замеров в принципе может быть увеличена произвольно, при этом единственное присущее данному способу ограничение обусловлено скорее работой детектирующего прибора, нежели проточной системы для отбора пробы. Например, детектирующее устройство может содержать аналого-цифровой преобразователь, имеющий ограниченную частоту повторения.

С другой стороны, указанные интервалы времени могут быть очень продолжительными и сопоставительными с интервалами времени, на протяжении которых происходят существенные изменения концентрации анализируемого вещества в ходе крупномасштабных химических или биологических процессов, или по меньшей мере иметь тот же порядок, т.е. от нескольких минут до нескольких часов. Другими словами, продолжительность этих интервалов может соответствовать типичным временным константам измерения концентрации контролируемого или замеряемого анализируемого вещества. Таким образом, контроль и замер наиболее существенных изменений концентрации анализируемого вещества может носить непрерывный характер.

При использовании предлагаемого устройства нерабочее время между замерами практически исключено, а задержка времени между "взятием пробы" на мембране и "замером" в детекторе практически сведена к минимуму, при этом единственная задержка, с которой приходится сталкиваться, обусловлена временем, необходимым для прохождения по проточной системе ионов и молекул анализируемого вещества прежде, чем они будут выявлены.

Средний объемный расход в проточном канале при работе предпочтительно составляет менее 100 мл/мин, как предложено в п. 7 формулы изобретения. Это позволяет уменьшить расход носителя.

На практике целесообразно иметь резервуар для отработанных материалов, объем которого обеспечивает возможность непрерывной работы по меньшей мере в течение 30 дней; таким образом, замена резервуара с отходами потребуется примерно один раз в месяц и может соответствующим образом планироваться.

Предлагаемое устройство особенно хорошо пригодно для анализа загрязненной воды на водоочистных сооружениях, а также природных водных потоков. Кроме того, оно годится для замеров и контроля процессов, связанных с другими текучими средами (брожение, производство бумаги и т.п.). Однако использование предлагаемого изобретения ни в коей мере не ограничивается этими частными вариантами применения. Анализу могут быть подвергнута любая текучая среда, не только жидкость, но и газ.

Было установлено, что использование предлагаемого устройства обеспечивает уменьшение времени получения результатов анализа (время отклика) по сравнению с известными устройствами. Время отклика предлагаемой системы соответствует времени, необходимому для прохождения ионов или молекул из анализируемой среды через мембрану и далее по проточной системе в детектор. Возможна работа устройства непосредственно в среде, и в этом случае путь, проходимый анализируемым веществом, чрезвычайно короток. Например, устройство может с частичным погружением плавать на поверхности сточной воды в бассейне-отстойнике. Время отклика может составлять одну минуту и менее.

Как указано выше, установлено, что предлагаемое устройство может быть выполнено с возможностью автономной работы в течение целого месяца и более без обслуживания. Резервуары под несущую и сточную текучие среды имеют достаточные размеры для того, чтобы вместить соответствующие количества расходуемой и производимой текучей среды за весь период непрерывной работы, который может длиться месяц и более. Это стало возможным благодаря небольшому расходу, который в процессах с использованием жидкости может быть в пределах 0,1 - 5 литров в месяц, включая расход несущей и вспомогательных текучих сред, таких как чистящие средства и стандартные калибровочные вещества. Правильно подобранная мембрана может хорошо противостоять проникновению или внедрению загрязняющих частиц и организмов и, следовательно, иметь сравнительно продолжительный срок службы.

Использование предлагаемого устройства, выполненного в соответствии с п. 9 формулы изобретения, позволяет значительно уменьшить размер будущих сооружений по очистке сточных вод вследствие быстрого отклика устройства на изменение условий, определяющих протекающие в них биологические процессы. Корректирующее воздействие в ответ на любые изменения может быть осуществлено своевременно, благодаря чему повышается общая эффективность биологических процессов и таким образом уменьшаются размеры будущих сооружений или увеличивается производительность очистки существующих. Одновременно могут быть уменьшены количество и стоимость химических реактивов, используемых при очистке воды.

Отличительные особенности данного изобретения явствуют из нижеследующего подробного описания, содержащего ссылки на предлагаемые чертежи, на которых фиг. 1 изображает схему предлагаемой проточной системы; фиг. 2a изображает вид сверху части ячейки для отбора пробы, используемой в системе, показанной на фиг. 1; фиг. 2b изображает поперечный разрез ячейки для отбора пробы, включающий часть, показанную на фиг. 2a; фиг. 3 показывает вид с пространственным разнесением элементов, изображающий общее расположение предлагаемого автономного погружаемого устройства для проведения анализов сточной воды непосредственно на месте его установки.

На фиг. 1 показаны основные составные части предлагаемой системы для анализа, например, содержания нитратов в воде. Система содержит следующие основные компоненты: резервуары 1, 5 и 6 для различных жидкостей 11, 15 и 16, используемых или получаемых при работе системы; насосы 2 и 7, управляемые управляющей схемой 70 по проводам 71 и используемые для прокачки этих жидкостей через анализирующую систему по каналам 52 и 56, ячейка 3 для отбора проб с проточным каналом 21 и мембраной 20, при работе находящаяся в контакте с анализируемой средой 28 для выработки пробы жидкости, и детектирующее устройство 12, соединенное с управляющей схемой 70. Результат детектирования передается на управляющую схему 70 для индикации или передачи через дистанционную сигнальную шину 72.

В соответствии с фиг. 1 резервуар 1 содержит дименерализованную воду 11 лабораторной очистки, которая служит в качестве несущей жидкости. Для этого, впрочем, может быть использована и иная жидкость. При некоторых замерах определенные ионы вследствие интерференции могут искажать замеры. Например, ионы хлора могут вносить искажения при замере содержания нитратов посредством электрода, отбирающего ионы, из-за того, что ионы хлора регистрируются как ионы нитратов. Эти проблемы замеров могут быть устранены посредством подбора несущего раствора, химический состав которого позволял бы ему связывать создающие помехи ионы с образованием не создающей помех структуры, не оказывающей влияние на замеры.

По каналу 52 насос 2 закачивает несущую жидкость в ячейку 3, в которой вырабатывается проба. В ячейке 3 несущая жидкость направляется по проточному каналу 21 вдоль задней стороны мембраны 20. Проточный канал ограничен задней стороной или, иначе говоря, второй главной поверхностью мембраны 20 и посредством подходящего механического устройства (не показано) прижат к мембране. Как показано на чертеже, передняя сторона или иначе говоря, первая главная поверхность мембраны 20 находится в непосредственном контакте с анализируемой средой, т.е. со сточной водой 28.

Мембрана 20 сделана из материала, позволяющего ионам и молекулам осуществлять перемещение через нее. Это обуславливает возможность перемещения ионов и молекул, в том числе ионов нитратов, из сточной воды 28 через мембрану в поток несущей жидкости 11. В результате несущая жидкость по мере ее протекания по каналу 21 насыщается ионами и молекулами из сточной воды, преобразуется в пробу жидкости, покидает ячейку 3 и поступает по каналу 54 в детектор. Конечно, значение слова "проба" в данном случае отличается от общепринятого, поскольку проба жидкости в данной проточной системе является по физической сути не пробой сточной воды, а скорее образом, отражающим ее состав и сформированным посредством специфического механизма перемещения через мембрану 20, в качестве которого может быть использована диффузия.

Как схематично показано на чертеже, канал 55 проходит через детектирующее устройство 12. Это может быть оптический прибор, предпочтительно аналитический прибор, использующий ультрафиолетовое излучение, а в данном конкретном примере для детектирования может быть использовано свойство поглощения нитратами света в ультрафиолетовом диапазоне. Однако в качестве детектирующего устройства может быть использовано устройство, работающее в инфракрасном или ближнем диапазонах, либо электромеханический детектор, либо какой-то другой прибор.

Благодаря тому, что замер состава потока пробы текучей среды осуществляется неразрушающим способом (без добавления химических реактивов в поток пробы), можно сделать несколько замеров одной и той же пробы. Это может быть сделано посредством размещения по меньшей мере одного детектора в дополнение к детектору 12 (на чертежах не показаны). В одном из возможных вариантов выполнения изобретения можно избежать использования сточного резервуара путем сбрасывания после замера потока пробы в сточную воду 28 при условии, что в несущем потоке не используются вещества, представляющие угрозу для процесса.

Проточная система ниже по течению от ячейки 3 для отбора пробы в любое время может быть прокалибрована посредством использования специальных эталонных жидкостей 15, подаваемых насосом 7 из резервуара 5 по каналу 56 в детектор 12. Насос 2 на время работы насоса 7 останавливают, чтобы подать поток эталонной жидкости в канал 55 взамен потока пробы жидкости, поступающей по каналу 54 из ячейки 3. Другими словами, в процессе калибровки устройство работает так же, как описано выше, в связи с потоком пробы. Таким образом, калибровку всего детектирующего устройства осуществляют посредством соотнесения замеренной при калибровке спектральной поглощательной способности с известной концентрацией эталонной жидкости 15.

Аналогично могут быть рассчитаны передаточные характеристики мембраны 20 при калибровке устройства перед его работой путем ввода мембраны 20 в контакт не со сточной водой 28, а со стандартным раствором известной концентрации, эксплуатации системы в том же режиме, что при замере сточной воды, и соотнесении измеренной спектральной поглощательной способности с известной концентрацией стандартного раствора.

Насосы 2 и 7 являются объемными насосами. Подходящий насос описан в патенте США N 2896469; надлежащее управление работой насосов может быть обеспечено посредством шагового электродвигателя, управляемого соответствующей управляющей схемой.

Проточная система при необходимости может быть очищена путем ее промывки чистящим раствором, не показанным на чертежах, осуществляемой тем же самым образом, что и операция калибровки. И калибровка, и промывка проточной системы могут быть выполнены без удаления устройства с места проведения анализа.

На фиг. 2b показан поперечный разрез ячейки 3 для выработки пробы. Узел имеет ограничивающие канал средства или опорный элемент 22, соединенный с мембраной 20. Опорный элемент 22 в целом выполнен в форме диска с извилистой канавкой 25 (см. фиг. 2a) на поверхности 26, прилегающей к мембране 20. Канавка 25 опорного элемента 22, при работе остающегося плотно пригнанным к мембране 20, образует при взаимодействии его с мембраной проточный канал 21, имеющий фиксированные форму и размеры и ограниченный задней стороной мембраны.

Поверхность 26 опорного элемента 22, на которой сформировано углубление, имеет форму полусферы, если не принимать во внимание канавку 25. Мембрана 20 изготовлена из листового материала, и при установке ее натягивают на полусферическую поверхность опорного элемента 2. Натяжение гарантирует, что мембрана не будет отставать от элемента 22 под давлением, возникающим в проточном канале 21 при прокачке через него несущей жидкости.

Если такое отставание все же имеет место, то различные участки извилистого проточного канала 21 могут быть закорочены между собой из-за образования неконтролируемых проточных каналов между мембраной и опорным элементом. Это повлечет за собой затруднения при калибровке, поскольку время пребывания в контакте с мембраной 20 порции жидкости, протекающей по неконтролируемым каналам, будет отличаться от времени пребывания в контакте порции жидкости, проходящей по всему проточному каналу 21. В результате неконтролируемый поток располагает меньшим временем для загрузки анализируемым веществом, нежели "обычный" поток, и это естественно приводит к изменениям при калибровке в ячейке 3. Выпуклая форма опорного элемента 22 и натянутая мембрана 20 препятствуют этому.

Проточный канал 21 выполняют такой формы, чтобы обеспечить покрытие мембраной 20 поверхности довольно большой площади в сопоставлении с объемом канала. Например, канавка может быть полукруглой формы шириной около 1 мм и максимальной глубиной 0,13 мм, в результате отношение площади поверхности мембраны к общему объему канала составит около 11/мм. В зависимости от упругости мембраны и, исходя из геометрических соображений канавки, могут быть и более мелкими.

Материал мембраны выбирают из таких материалов, строение которых обеспечивает возможность перемещения через мембрану по существу только ионов и молекул. Это может быть обеспечено при использовании мембраны, изготовленной из непроницаемого материала и подвергнутой перфорации посредством облучения (среди прочих такие мембраны поставляются на рынок под товарным знаком Nuclepore), благодаря которому в мембране происходит формирование очень узких каналов. Известны и другие подходящие полупроницаемые мембраны, используемые в области диализации и осмоса.

К материалам, подходящим для изготовления мембран, относятся ацетат целлюлозы, тефлон, восстановленный ацетат целлюлозы, поликарбонат и сложный полиэфир. Для этого могут быть также использованы керамические материалы наподобие Al₂O₃.

Мембрана может быть покрыта проницаемой защитной сеткой, расположенной так, чтобы быть в контакте с анализируемой средой, т.е. на передней стороне или на первой главной поверхности 27 мембраны. Например, в качестве подходящей защиты может быть использован слой волокнистого материала, такого как фильтровальная бумага. Такое покрытие может предотвратить истирание и другие нежелательные эффекты, вызванные вспучиванием мембраны в воде.

Толщина мембраны предпочтительно составляет 5 - 250 мкм, в особенности около 25 мкм. Предпочтительный размер пор мембраны - 0,01 - 0,45 мкм, в особенности 0,025 мкм. Такие узкие поры препятствуют проходу из наружной проточной системы грязевых частиц, бактерий, грибковых спор и возможно даже больших органических молекул, предотвращая тем самым продолжение биологической активности в анализирующей системе. Целесообразно подобрать материал мембраны таким образом, чтобы предотвратить переход из анализируемой среды частиц, размер которых на порядок и более превышает размер ионов и молекул анализируемого вещества.

Опорный элемент 22 снабжен сквозными отверстиями 52 и 24, которые соединяют проточный канал 21 с другими частями проточной системы. Отверстие 52 ведет к насосу 2 для подачи несущей жидкости 11, а отверстие 24 ведет к каналу 54.

Детектирующее устройство установлено в непосредственной близости от задней стороны канала 54, что обеспечивает возможность производства мгновенного замера.

Фиг. 3 иллюстрирует один из многих возможных способов компоновки предлагаемого устройства. В верхней части на фиг. 3 непосредственно под крышкой 12 для примера показаны резервуары 1, 5 и 6 для жидкости, расположенные в отсеке 43 таким образом, чтобы никакая утечка из резервуаров не могла нарушить работу устройства или тем более нанести ущерб остальной системе. Управляющая схема 70, служащая для управления системой и приема/передачи входных и выходных сигналов через дистанционную шину 72, расположена под отсеком для реактивов. Насосы и детектор расположены под управляющей схемой 70; диализационная ячейка 3 для отбора пробы прикреплена к днищу общего корпуса 45, на котором держатся все остальные части и который может быть герметически закрыт крышкой 42.

Подвод энергии и всех коммуникаций (входных и выходных) к системе осуществляется через шину 72. Считываемый детектором выходной сигнал от системы, отражающий, например, содержание нитратов в сточной воде, может быть оценен в вынесенном управляющем узле (не показан), присоединенном к дистанционной шине 72, для управления водоочистительным сооружением в соответствии с сигналами анализирующей системы. Если содержание нитратов слишком высоко, необходимые действия по его снижению могут быть предприняты тотчас же. Аналогичным образом можно с помощью шины 72 передавать системе входной сигнал, например сигнал на начало калибровки.

Реферат

Устройство для анализа текучей среды содержит герметичный корпус с отверстием, закрытым мембраной, имеющей первую и вторую главные поверхности и выполненной с возможностью перемещения ионов и молекул между этими поверхностями. Первая главная поверхность находится при работе в контакте с текучей средой. К мембране прилегают средства для образования по меньшей мере одного проточного канала, ограниченного второй главной поверхностью мембраны и средствами для образования канала. В корпусе установлены резервуар для размещения несущей текучей среды, насос для создания потока несущей текучей среды в проточном канале для перемещения ионов и молекул через мембрану между анализируемой средой и несущей текучей средой и превращения потока несущей текучей среды в поток пробы текучей среды. Устройство имеет по меньшей мере одно детектирующее устройство, связанное с потоком пробы текучей среды для выявления анализируемого вещества в пробе текущей среды и выработки соответствующего детектирующего сигнала, и по меньшей мере один сточный резервуар, расположенный за детектирующим устройством для приема потока пробы текучей среды. Способ предусматривает измерение содержания питательных солей в отрабатываемой воде на сооружениях по очистке сточных вод в реальном масштабе времени с помощью предлагаемого устройства. Изобретение обеспечивает уменьшение времени получения результатов анализа сточных вод. Время отклика устройства может составлять одну минуту и менее. 2с. и 7 з.п. ф-лы, 3 ил.

Формула