Senzory a meracie prístroje na zisťovanie zloženia a vlastností látok

Hlavným znakom klasifikácie riadiacich zariadení a automatizačných zariadení je ich úloha v automatických regulačných a riadiacich systémoch z hľadiska toku informácií.

Úlohy technických prostriedkov automatizácie vo všeobecnosti sú:

• získavanie primárnych informácií;

• jej premena;

• jeho prenos;

• spracovanie a porovnanie prijatých informácií s programom;

• tvorba príkazových (riadiacich) informácií;

• prenos príkazových (riadiacich) informácií;

• používanie príkazových informácií na riadenie procesu.

Senzory vlastností a zloženia látok zohrávajú vedúcu úlohu v systéme automatického riadenia, slúžia na získavanie primárnych informácií a do značnej miery určujú kvalitu celého systému automatického riadenia.

Stanovme si základné pojmy.Čo je meranie, vlastnosti, zloženie média? Vlastnosti prostredia sú určené číselnými hodnotami jednej alebo viacerých fyzikálnych alebo fyzikálno-chemických veličín, ktoré je možné merať.

Meranie je proces, ktorým sa prostredníctvom experimentu odhaľuje kvantitatívny pomer určitej fyzikálnej alebo fyzikálno-chemickej veličiny charakterizujúcej vlastnosti testovacieho média a zodpovedajúceho množstva referenčného média. Experiment je chápaný ako objektívny proces aktívneho vplyvu na testované prostredie, vyrobený pomocou materiálnych prostriedkov za pevne stanovených podmienok.

Zloženie prostredia, t.j. kvalitatívny a kvantitatívny obsah jeho zložiek, možno určiť z jeho známej závislosti od fyzikálnych alebo fyzikálno-chemických vlastností prostredia a od veličín, ktoré ich charakterizujú, s výhradou merania.

Vlastnosti a zloženie média sa spravidla určujú nepriamo. Meraním rôznych fyzikálnych alebo fyzikálno-chemických veličín charakterizujúcich vlastnosti prostredia a poznaním matematického vzťahu medzi týmito veličinami na jednej strane a zložením prostredia na strane druhej vieme odhadnúť jeho zloženie na väčšie resp. menší stupeň presnosti.

Inými slovami, na výber alebo zostavenie meracieho zariadenia, napríklad na určenie úplného zloženia viaczložkového média, je potrebné najprv zistiť, aké fyzikálne alebo fyzikálno-chemické veličiny charakterizujú vlastnosti tohto média a po druhé, nájsť tvarové závislosti

ki = f (C1, C2, … Cm),

kde ki — koncentrácia každej zložky prostredia, C1, C2, ... Cm — fyzikálne alebo fyzikálno-chemické veličiny charakterizujúce vlastnosti prostredia.

V súlade s tým môže byť zariadenie používané na kontrolu zloženia média kalibrované v jednotkách koncentrácie určitej zložky alebo vlastností média, ak medzi nimi existuje jednoznačný vzťah v rámci určitých limitov.

NZariadenia na automatickú kontrolu fyzikálnych a fyzikálno-chemických vlastností a zloženia látok sú zariadenia, ktoré merajú samostatné fyzikálne alebo fyzikálno-chemické veličiny, ktoré jednoznačne určujú vlastnosti prostredia alebo jeho kvalitatívne alebo kvantitatívne zloženie.

Prax však ukazuje, že pre realizáciu automatickej regulácie alebo riadenia dostatočne preštudovaného technologického procesu nie je potrebné mať v každom okamihu úplné informácie o zložení medziproduktov a finálnych produktov a o koncentrácii niektorých ich zložiek. Takéto informácie sa zvyčajne vyžadujú pri vytváraní, učení a zvládaní procesov.

Po vypracovaní optimálnych technologických predpisov, stanovení jednoznačných vzťahov medzi priebehom procesu a merateľnými fyzikálnymi a fyzikálno-chemickými veličinami charakterizujúcimi vlastnosti a zloženie produktov je možné proces realizovať, kalibrácia prístrojovej váhy priamo v tých veličinách, ktoré meria napríklad v jednotkách teploty, elektrického prúdu, kapacity a pod., alebo v jednotkách špecifikovanej vlastnosti média, napríklad farba, zákal, elektrická vodivosť, viskozita, dielektrická konštanta, atď. n.

Hlavné metódy merania fyzikálnych a fyzikálno-chemických veličín, ktoré určujú vlastnosti a zloženie prostredia, sú popísané nižšie.

Existujúca historicky zavedená nomenklatúra produktov zahŕňa tieto hlavné skupiny zariadení:

• analyzátory plynu,

• kvapalné koncentrátory,

• hustomery,

• viskozimetre,

• vlhkomery,

• hmotnostné spektrometre,

• chromatografy,

• pH metre,

• solinometre,

• merače cukru atď.

Tieto skupiny sú zase rozdelené podľa metód merania alebo podľa analyzovaných látok. Extrémna konvenčnosť takejto klasifikácie a možnosť priradenia konštrukčne identických zariadení do rôznych skupín sťažujú štúdium, výber a porovnávanie zariadení.

Zariadenia na priame meranie zahŕňajú tie, ktoré určujú fyzikálne alebo fyzikálno-chemické vlastnosti a zloženie priamo testovanej látky. Naproti tomu v kombinovaných zariadeniach je vzorka testovanej látky vystavená vplyvom, ktoré výrazne menia jej chemické zloženie alebo stav agregácie.

V oboch prípadoch je možná predbežná príprava vzorky z hľadiska teploty, tlaku a niektorých ďalších parametrov. Okrem týchto dvoch hlavných tried zariadení existujú aj také, v ktorých je možné vykonávať priame aj kombinované meranie.

Prístroje na priame meranie

V zariadeniach na priame meranie sa fyzikálne a fyzikálno-chemické vlastnosti média zisťujú meraním nasledujúcich veličín: mechanické, termodynamické, elektrochemické, elektrické a magnetické a nakoniec vlnenie.

K mechanickým hodnotám v prvom rade sa hustota a merná hmotnosť média zisťujú pomocou prístrojov založených na metódach plavákového, gravitačného, ​​hydrostatického a dynamického merania.Patrí sem aj stanovenie viskozity média, meraná rôznymi viskozimetrami: kapilárnym, rotačným, na základe metódy padajúcej gule a inými.

Z termodynamických veličín tepelný účinok reakcie, meraný termochemickými prístrojmi, súčiniteľ tepelnej vodivosti, ktorý sa meria termovodivými prístrojmi, teplota vznietenia ropných produktov, tlak pár atď. našli uplatnenie.

Rozsiahly vývoj na meranie zloženia a vlastností kvapalných zmesí ako aj niektorých výsledných plynov elektrochemické zariadenia… Zahŕňajú predovšetkým konduktometre a potenciometreprístroje určené na stanovenie koncentrácie solí, kyselín a zásad zmenou elektrická vodivosť rozhodnutia. Ide o tzv konduktometrické koncentrátory alebo kontaktné a bezkontaktné konduktometre.

Nájdené veľmi široko distribuované pH metre — zariadenia na stanovenie kyslosti média potenciálom elektródy.

Určí sa posun elektródového potenciálu v dôsledku polarizácie v galvanických a depolarizačných analyzátoroch plynov, slúžiace na kontrolu obsahu kyslíka a iných plynov, ktorých prítomnosť spôsobuje depolarizáciu elektród.

Je jedným z najsľubnejších polarografická metóda merania, ktorá spočíva v súčasnom stanovení uvoľňovacích potenciálov rôznych iónov na elektróde a limitnej prúdovej hustoty.

Meranie koncentrácie vlhkosti v plynoch sa dosahuje pomocou coulometrická metóda, kde je definované rýchlosť elektrolýzy vodyadsorbovaný z plynu cez film citlivý na vlhkosť.

Zariadenia založené na na meranie elektrických a magnetických veličín.

Ionizácia plynu so súčasným meraním ich elektrickej vodivosti, sa používa na meranie nízkych koncentrácií. Ionizácia môže byť tepelná alebo pod vplyvom rôznych žiarení, najmä rádioaktívnych izotopov.

Tepelná ionizácia je široko používaná v plameňových ionizačných detektoroch chromatografov… Ionizácia plynov lúčmi alfa a beta je široko používaná v chromatografických detektoroch (tzv. „argónové“ detektory), ako aj v analyzátoroch alfa a beta ionizačných plynovna základe rozdielu v ionizačných prierezoch rôznych plynov.

Testovací plyn v týchto prístrojoch prechádza cez alfa alebo beta ionizačnú komoru. V tomto prípade sa meria ionizačný prúd v komore, ktorý charakterizuje obsah zložky. Stanovenie dielektrickej konštanty média sa používa na meranie obsahu vlhkosti a iných látok pomocou rôznych typov kapacitné vlhkomery a dielektrické merače.

Dielektrická konštanta používa sa sorbentový film umývaný prúdom plynu, charakterizujúci koncentráciu vodnej pary v ňom dielmetrické vlhkomery.

Špecifická magnetická citlivosť umožňuje merať koncentráciu paramagnetických plynov, najmä kyslíka, pomocou termomagnetické, magnetoefúzne a magnetomechanické analyzátory plynov.

Nakoniec, špecifický náboj častíc, ktorý je spolu s ich hmotnosťou hlavnou charakteristikou látky, je určený hmotnostné spektrometre s časom letu, vysokofrekvenčné a magnetické hmotnostné analyzátory.

Meranie vlnových veličín — jeden z najsľubnejších smerov v konštrukcii prístrojov, založený na využití efektu interakcie testovaného prostredia s rôznymi druhmi žiarenia. Takže intenzita absorpcie z prostredia ultrazvukové vibrácie umožňuje odhadnúť viskozitu a hustotu média.

Meranie rýchlosti šírenia ultrazvuku v médiu dáva predstavu o koncentrácii jednotlivých zložiek alebo stupni polymerizácie latexov a iných polymérnych látok. V senzoroch na vlastnosti a zloženie látok sa využíva takmer celá škála elektromagnetických kmitov, od rádiových frekvencií až po röntgenové a gama žiarenie.

Zahŕňajú najcitlivejšie analytické prístroje, ktoré merajú intenzitu absorpcie energie z elektromagnetických kmitov v rozsahu krátkych vlnových dĺžok, centimetrov a milimetrov na základe elektromagnetickej a nukleárnej magnetickej rezonancie.

Najpoužívanejšie sú zariadenia, ktoré využívajú interakciu prostredia so svetelnou energiou. v infračervenej, viditeľnej a ultrafialovej časti spektra… Meria sa integrálna emisia a absorpcia svetla, ako aj intenzita charakteristických čiar a pásiem emisného a absorpčného spektra látok.

Používajú sa prístroje založené na opticko-akustickom efekte, pracujúce v infračervenej oblasti spektra, vhodné na meranie koncentrácie viacatómových plynov a pár.

Index lomu svetla v médiu používa sa na určenie zloženia kvapalných a plynných médií pomocou refraktometre a interferometre.

Meranie intenzity rotácie roviny polarizácie svetla roztokmi opticky aktívnych látok slúži na určenie ich koncentrácie pomocou polarimetre.

Metódy merania hustoty a zloženia rôznych médií, založené na rôznych aplikáciách interakcie röntgenového a rádioaktívneho žiarenia s prostredím, boli široko vyvinuté.

Kombinované zariadenia

Kombinácia priameho stanovenia fyzikálnych a fyzikálno-chemických vlastností prostredia s rôznymi pomocnými operáciami predchádzajúcimi meraniu môže v rade prípadov výrazne rozšíriť možnosti merania, zvýšiť selektivitu, citlivosť a presnosť jednoduchých metód. Takéto zariadenia nazývame kombinované.

Doplnkové operácie zahŕňajú predovšetkým absorpcia plynu z kvapaliny, kondenzácia pár a odparovanie kvapalinyumožňujúce využitie metód merania koncentrácie kvapalín pri rozbore plynov, ako napr konduktometria, potenciometria, fotokolorimetria atď.a naopak na meranie koncentrácie použitých kvapalín metódy na analýzu plynov: tepelná konduktometria, hmotnostná spektrometria atď.

Jednou z najbežnejších metód sorpcie je chromatografia, čo je kombinovaná metóda merania, pri ktorej určovaniu fyzikálnych vlastností testovacieho média predchádza proces jeho chromatografickej separácie na jednotlivé zložky. To zjednodušuje proces merania a dramaticky rozširuje hranice možností metód priameho merania.

Schopnosť merať celkové zloženie zložitých organických zmesí a vysoká citlivosť prístrojov viedli v posledných rokoch k rýchlemu rozvoju tohto smeru v analytických prístrojoch.

Praktické uplatnenie sa našlo v priemysle plynové chromatografypozostáva z dvoch hlavných častí: chromatografickej kolóny určenej na separáciu testovanej zmesi a detektora používaného na meranie koncentrácie separovaných zložiek zmesi. Existuje široká škála prevedení plynových chromatografov, a to ako z hľadiska tepelného režimu separačnej kolóny, tak z hľadiska princípu činnosti detektora.

V chromatografoch s izotermickým režimom sa teplota stĺpcového termostatu počas cyklu analýzy udržiava konštantná; v chromatografoch s programovaním teploty sa teplota mení v čase podľa vopred určeného programu; v chromatografoch s termodynamickým režimom sa počas cyklu analýzy teplota rôznych častí kolóny mení pozdĺž jej dĺžky.

V zásade je možné použiť chromatografický detektor akékoľvek zariadenie na zisťovanie fyzikálnych a fyzikálno-chemických vlastností danej látky. Jeho konštrukcia je ešte jednoduchšia ako pri iných analytických prístrojoch, pretože sa musia merať koncentrácie už oddelených zložiek zmesi.

V súčasnosti široko používaný detektory založené na meraní hustoty plynu, tepelnej vodivosti (takzvané "katarometre"), tepelný účinok spaľovania produktov ("termochemický"), elektrická vodivosť plameňa, do ktorého sa skúšobná zmes dostane ("plameňová ionizácia"), elektrická vodivosť plyn ionizovaný rádioaktívnym žiarením ("ionizácia -argón") a iné.

Chromatografická metóda, ktorá je veľmi univerzálna, poskytuje najväčší účinok pri meraní koncentrácie nečistôt v komplexných uhľovodíkových zmesiach s bodom varu do 400 - 500 ° C.

Chemické procesy, ktoré privádzajú médium k parametrom, ktoré možno merať jednoduchými spôsobmi, možno použiť takmer so všetkými metódami priameho merania. Selektívna absorpcia jednotlivých zložiek plynnej zmesi kvapalinou umožňuje merať koncentráciu testovaných látok meraním objemu zmesi pred a po absorpcii. Na tomto princípe je založená činnosť objemovo-manometrických analyzátorov plynov.

Rôzne farebné reakcie, pred meraním účinku interakcie s látkou emisie svetla.

Patrí sem veľká skupina tzv pásové fotokolorimetre, v ktorom sa meranie koncentrácie zložiek plynu vykonáva meraním stupňa stmavnutia prúžku, na ktorý bola predtým nanesená látka, ktorá dáva farebnú reakciu s testovanou látkou. Táto metóda sa široko používa na meranie mikrokoncentrácií, najmä nebezpečných koncentrácií toxických plynov vo vzduchu priemyselných priestorov.

Používajú sa aj farebné reakcie v kvapalných fotokolorimetroch na zvýšenie ich citlivosti, na meranie koncentrácie bezfarebných zložiek v kvapalinách a pod.

Je to sľubné meranie intenzity luminiscencie kvapalínspôsobené chemickými reakciami. Jednou z najbežnejších analytických chemických metód je titrácia... Titračná metóda spočíva v meraní fyzikálnych a fyzikálno-chemických veličín obsiahnutých v kvapalnom médiu, ktoré je vystavené vonkajším chemickým alebo fyzikálnym faktorom.

V momente prechodu kvantitatívnych zmien na kvalitatívne (koncový bod titrácie) sa zaznamená spotrebované množstvo látky alebo elektriny zodpovedajúce koncentrácii meranej zložky. V podstate ide o cyklickú metódu, no existujú jej rôzne verzie, až po kontinuálne. Ako indikátory konečného bodu titrácie sa najčastejšie používajú potenciometrické (pH-metrické) a fotokolorimetrické snímače.

Arutyunov OS Senzory na zloženie a vlastnosti hmoty