Sensorer og måleapparater til bestemmelse af stoffers sammensætning og egenskaber

Hovedtræk ved klassificeringen af ​​kontrolenheder og automationsudstyr er deres rolle i automatiske regulerings- og kontrolsystemer med hensyn til informationsflow.

Opgaverne for tekniske automatiseringsmidler er generelt:

• indhentning af primær information;

• hendes forvandling;

• dets transmission;

• behandling og sammenligning af de modtagne oplysninger med programmet;

• dannelse af kommando (kontrol) information;

• transmission af kommando (kontrol) information;

• bruge kommandoinformation til at styre processen.

Sensorer for egenskaber og sammensætning af stoffer spiller en ledende rolle i det automatiske kontrolsystem, tjener de til at indhente primær information og bestemmer i høj grad kvaliteten af ​​hele det automatiske kontrolsystem.

Lad os etablere nogle grundlæggende begreber.Hvad er måling, egenskaber, sammensætning af medium? Miljøets egenskaber er bestemt af de numeriske værdier af en eller flere fysiske eller fysisk-kemiske størrelser, der kan måles.

Måling er en proces til gennem et eksperiment at afsløre det kvantitative forhold mellem en bestemt fysisk eller fysisk-kemisk størrelse, der karakteriserer testmediets egenskaber og den tilsvarende mængde af referencemediet. Et eksperiment forstås som en objektiv proces med aktiv påvirkning af det testede miljø, fremstillet ved hjælp af materielle midler under faste forhold.

Miljøets sammensætning, dvs. det kvalitative og kvantitative indhold af dets bestanddele, kan bestemmes ud fra dens kendte afhængighed af miljøets fysiske eller fysisk-kemiske egenskaber og af de mængder, der karakteriserer dem, med forbehold for måling.

Som regel bestemmes mediets egenskaber og sammensætning indirekte. Ved at måle forskellige fysiske eller fysisk-kemiske størrelser, der kendetegner miljøets egenskaber, og kende det matematiske forhold mellem disse størrelser på den ene side og miljøets sammensætning på den anden side, kan vi estimere dets sammensætning til en større hhv. mindre grad af nøjagtighed.

Med andre ord, for at vælge eller bygge en måleanordning, for eksempel for at bestemme den fuldstændige sammensætning af et multikomponentmedium, er det først nødvendigt at fastslå, hvilke fysiske eller fysisk-kemiske størrelser der karakteriserer dette mediums egenskaber og, for det andet at finde formafhængigheder

ki = f (C1, C2, … Cm),

hvor ki — koncentration af hver komponent i miljøet, C1, C2, ... Cm — fysiske eller fysisk-kemiske størrelser, der karakteriserer miljøets egenskaber.

Følgelig kan den anordning, der anvendes til at styre sammensætningen af ​​mediet, kalibreres i enheder af koncentrationen af ​​en bestemt komponent eller egenskaber af mediet, hvis der er et utvetydigt forhold mellem dem inden for nogle grænser.

NSEnheder til automatisk kontrol af stoffers fysiske og fysisk-kemiske egenskaber og sammensætning er anordninger, der måler separate fysiske eller fysisk-kemiske mængder, som entydigt bestemmer miljøets egenskaber eller dets kvalitative eller kvantitative sammensætning.

Erfaringen viser dog, at for implementering af automatisk regulering eller kontrol af en tilstrækkeligt undersøgt teknologisk proces er det ikke nødvendigt at have fuldstændige oplysninger om sammensætningen af ​​mellem- og slutprodukter og om koncentrationen af ​​nogle af deres komponenter på noget tidspunkt. Sådan information er normalt påkrævet, når man skaber, lærer og mestrer processer.

Når de optimale teknologiske forskrifter er udviklet, entydige sammenhænge mellem processens forløb og de målbare fysiske og fysisk-kemiske størrelser, der karakteriserer produkternes egenskaber og sammensætning, så kan processen gennemføres, kalibrering af enhedsvægt direkte i de mængder, som han måler, for eksempel i temperaturenheder, elektrisk strøm, kapacitans osv., eller i enheder af mediets specificerede egenskab, for eksempel farve, turbiditet, elektrisk ledningsevne, viskositet, dielektrisk konstant, osv. n.

De vigtigste metoder til måling af fysiske og fysisk-kemiske størrelser, der bestemmer miljøets egenskaber og sammensætning, diskuteres nedenfor.

Den eksisterende historisk etablerede produktnomenklatur omfatter følgende hovedgrupper af enheder:

• gasanalysatorer,

• flydende koncentratorer,

• tæthedsmålere,

• viskosimeter,

• hygrometre,

• massespektrometre,

• kromatografer,

• pH-målere,

• solinometre,

• sukkermålere mm.

Disse grupper er igen underopdelt efter målemetoderne eller efter de analyserede stoffer. Den ekstreme konventionalitet af en sådan klassifikation og muligheden for at tildele strukturelt identiske enheder til forskellige grupper gør det vanskeligt at studere, vælge og sammenligne enheder.

Direkte måleudstyr omfatter dem, der bestemmer de fysiske eller fysisk-kemiske egenskaber og sammensætningen af ​​det direkte testede stof. I modsætning hertil er prøven af ​​teststoffet i kombineret udstyr udsat for påvirkninger, der væsentligt ændrer dets kemiske sammensætning eller dets aggregeringstilstand.

I begge tilfælde er foreløbig forberedelse af prøven med hensyn til temperatur, tryk og nogle andre parametre mulig. Ud over disse to hovedklasser af enheder er der også dem, hvor både direkte og kombineret måling kan udføres.

Direkte måleinstrumenter

I direkte måleapparater bestemmes mediets fysiske og fysisk-kemiske egenskaber ved at måle følgende størrelser: mekanisk, termodynamisk, elektrokemisk, elektrisk og magnetisk og endelig bølge.

Til mekaniske værdier først og fremmest bestemmes mediets massefylde og massefylde ved hjælp af instrumenter baseret på flyde-, gravitations-, hydrostatiske og dynamiske målemetoder.Dette inkluderer også bestemmelse af mediets viskositet, målt med forskellige viskosimeter: kapillær, roterende, baseret på metoderne med faldende kugle og andre.

Fra termodynamiske mængder reaktionens varmeeffekt, målt med termokemiske apparater, varmeledningskoefficienten, som måles med termoledende anordninger, antændelsestemperaturen for petroleumsprodukter, damptrykket mv. har fundet applikation.

Omfattende udvikling til at måle sammensætningen og egenskaberne af flydende blandinger samt nogle resulterende gasser elektrokemiske anordninger… De omfatter frem for alt konduktometre og potentiometreenheder designet til at bestemme koncentrationen af ​​salte, syrer og baser ved at ændre elektrisk ledningsevne beslutninger. Disse er de såkaldte konduktometriske koncentratorer eller kontakt- og berøringsfri konduktometre.

Findes meget udbredt pH-målere — anordninger til bestemmelse af mediets surhedsgrad ved elektrodens potentiale.

Elektrodepotentialeforskydningen på grund af polarisering bestemmes i galvaniske og depolariserende gasanalysatorer, tjener til at kontrollere indholdet af oxygen og andre gasser, hvis tilstedeværelse forårsager depolarisering af elektroderne.

Det er en af ​​de mest lovende polarografisk målemetode, som består i den samtidige bestemmelse af frigivelsespotentialerne for forskellige ioner på elektroden og den begrænsende strømtæthed.

Målingen af ​​fugtkoncentration i gasser opnås vha coulometrisk metode, hvor er defineret hastigheden for elektrolyse af vandadsorberes fra gassen gennem en fugtfølsom film.

Enheder baseret på til måling af elektriske og magnetiske størrelser.

Gas ionisering med samtidig måling af deres elektriske ledningsevne, bruges til at måle lave koncentrationer. Ionisering kan være termisk eller under påvirkning af forskellige strålinger, især radioaktive isotoper.

Termisk ionisering er meget udbredt i flammeioniseringsdetektorer af kromatografer… Ionisering af gasser med alfa- og beta-stråler er meget udbredt i kromatografiske detektorer (såkaldte "argon"-detektorer), samt i alfa- og beta-ioniseringsgasanalysatorerbaseret på forskellen i ioniseringstværsnittene af forskellige gasser.

Testgassen i disse instrumenter passerer gennem et alfa- eller beta-ioniseringskammer. I dette tilfælde måles ioniseringsstrømmen i kammeret, hvilket karakteriserer indholdet af komponenten. Bestemmelse af dielektricitetskonstanten for et medium bruges til at måle indholdet af fugt og andre stoffer ved hjælp af forskellige typer kapacitive fugtmålere og dielektriske målere.

Den dielektriske konstant der anvendes en sorbentfilm vasket af en gasstrøm, der karakteriserer koncentrationen af ​​vanddamp i den dieometriske hygrometre.

Den specifikke magnetiske følsomhed gør det muligt at måle koncentrationen af ​​paramagnetiske gasser, primært ilt, vha termomagnetiske, magnetoeffusion og magnetomekaniske gasanalysatorer.

Endelig bestemmes den specifikke ladning af partikler, som sammen med deres masse er hovedkarakteristikken for et stof, vha. time-of-flight massespektrometre, højfrekvente og magnetiske masseanalysatorer.

Måling af bølgemængder — en af ​​de mest lovende retninger inden for instrumentbygning, baseret på brugen af ​​virkningen af ​​samspillet mellem det testede miljø og forskellige typer stråling. Så intensiteten af ​​absorption fra miljøet ultralydsvibrationer gør det muligt at estimere mediets viskositet og densitet.

Måling af udbredelseshastigheden af ​​ultralyd i et medium giver en idé om koncentrationen af ​​individuelle komponenter eller graden af ​​polymerisation af latexer og andre polymere stoffer. Næsten hele skalaen af ​​elektromagnetiske svingninger, fra radiofrekvenser til røntgenstråler og gammastråling, bruges i sensorer til stoffers egenskaber og sammensætning.

De omfatter de mest følsomme analytiske instrumenter, der måler intensiteten af ​​absorption af energi fra elektromagnetiske svingninger i kortbølgelængde, centimeter og millimeter, baseret på elektromagnetisk og nuklear magnetisk resonans.

De mest udbredte er enheder, der bruger miljøets interaktion med lysenergi. i de infrarøde, synlige og ultraviolette dele af spektret… Både den integrerede emission og absorption af lys og intensiteten af ​​de karakteristiske linjer og bånd i stoffernes emissions- og absorptionsspektre måles.

Enheder baseret på den optisk-akustiske effekt anvendes, der opererer i det infrarøde område af spektret, egnet til at måle koncentrationen af ​​polyatomiske gasser og dampe.

Brydningsindeks for lys i mediet bruges til at bestemme sammensætningen af ​​flydende og gasformige medier ved refraktometre og interferometre.

Målingen af ​​rotationsintensiteten af ​​lysets polariseringsplan med opløsninger af optisk aktive stoffer bruges til at bestemme deres koncentration vha. polarimetre.

Metoder til at måle tætheden og sammensætningen af ​​forskellige medier, baseret på de forskellige anvendelser af interaktionen mellem røntgen og radioaktiv stråling med mediet, er blevet bredt udviklet.

Kombinerede enheder

I en række tilfælde kan kombinationen af ​​direkte bestemmelse af miljøets fysiske og fysisk-kemiske egenskaber med forskellige hjælpeoperationer forud for målingen udvide målemulighederne betydeligt, øge selektiviteten, følsomheden og nøjagtigheden af ​​simple metoder. Vi kalder sådanne enheder kombineret.

Bidrift omfatter primært absorption af en gas fra en væske, dampkondensering og væskefordampningmuliggør anvendelse af metoder til måling af koncentrationen af ​​væsker ved analyse af gasser, som f.eks konduktometri, potentiometri, fotokolorimetri osv.og omvendt for at måle koncentrationen af ​​de anvendte væsker metoder til gasanalyse: termisk konduktometri, massespektrometri mv.

En af de mest almindelige sorptionsmetoder er kromatografi, som er en kombineret målemetode, hvor bestemmelsen af ​​testmediets fysiske egenskaber forudgås af processen med dets kromatografiske adskillelse i dets bestanddele. Dette forenkler måleprocessen og udvider dramatisk grænserne for mulighederne for direkte målemetoder.

Evnen til at måle den samlede sammensætning af komplekse organiske blandinger og den høje følsomhed af enhederne har ført til den hurtige udvikling af denne retning i analytiske instrumenter i de senere år.

En praktisk anvendelse er fundet i industrien gaskromatograferbestående af to hoveddele: en kromatografisk søjle designet til at adskille testblandingen og en detektor, der bruges til at måle koncentrationen af ​​de adskilte bestanddele af blandingen. Der er en bred vifte af designs til gaskromatografer, både med hensyn til det termiske regime af separationskolonnen og princippet om drift af detektoren.

I isotermiske kromatografer holdes temperaturen på kolonnetermostaten konstant under analysecyklussen; i kromatografer med temperaturprogrammering ændres sidstnævnte over tid i henhold til et forudbestemt program; i termodynamiske kromatografer under analysecyklussen ændres temperaturen i forskellige dele af søjlen langs dens længde.

I princippet kan en kromatografisk detektor anvendes enhver anordning til bestemmelse af et givet stofs fysiske og fysisk-kemiske egenskaber. Dens design er endnu enklere end andre analytiske instrumenter, da koncentrationerne af de allerede adskilte komponenter i blandingen skal måles.

I øjeblikket meget brugt detektorer baseret på måling af gasdensitet, termisk ledningsevne (de såkaldte "katarometre"), den termiske effekt af forbrændingen af ​​produkterne ("termokemisk"), den elektriske ledningsevne af flammen, som testblandingen kommer ind i ("flammeionisering"), den elektriske ledningsevne af gas ioniseret af radioaktiv stråling ("ionisering -argon") og andre.

Da den er meget universel, giver den kromatografiske metode den største effekt ved måling af koncentrationen af ​​urenheder i komplekse kulbrinteblandinger med et kogepunkt på op til 400 - 500 ° C.

Kemiske processer, der bringer mediet til parametre, der kan måles på enkle måder, kan bruges med næsten alle direkte målemetoder. Den selektive absorption af individuelle komponenter i en gasblanding af en væske gør det muligt at måle koncentrationen af ​​teststofferne ved at måle volumenet af blandingen før og efter absorption. Driften af ​​volumen-manometriske gasanalysatorer er baseret på dette princip.

Forskellige farvereaktionerforud for måling af virkningen af ​​vekselvirkningen med stoffet i lysemissionen.

Dette omfatter en stor gruppe af såkaldte strip fotokolorimetre, hvor målingen af ​​koncentrationen af ​​gaskomponenter udføres ved at måle mørkfarvningsgraden af ​​en strimmel, hvorpå der tidligere er påført et stof, som giver en farvereaktion med teststoffet. Denne metode bruges i vid udstrækning til at måle mikrokoncentrationer, især farlige koncentrationer af giftige gasser i luften i industrilokaler.

Farvereaktioner bruges også i flydende fotokolorimetre at øge deres følsomhed, at måle koncentrationen af ​​farveløse komponenter i væsker osv.

Det er lovende måling af væskers luminescensintensitetforårsaget af kemiske reaktioner. En af de mest almindelige analytiske kemiske metoder er titrering... Titreringsmetoden består i at måle fysiske og fysisk-kemiske mængder, der ligger i et flydende medium, der er udsat for eksterne kemiske eller fysiske faktorer.

På tidspunktet for overgangen af ​​kvantitative ændringer til kvalitative (titreringens slutpunkt) registreres den forbrugte mængde stof eller elektricitet svarende til koncentrationen af ​​den målte komponent. Grundlæggende er det en cyklisk metode, men der er forskellige versioner af den, op til kontinuerlig. De mest udbredte som indikatorer for slutpunktet for titreringen er potentiometriske (pH-metriske) og fotokolorimetriske sensorer.

Arutyunov OS Sensorer til stoffets sammensætning og egenskaber