Sensorer och mätanordningar för bestämning av ämnens sammansättning och egenskaper

Huvuddraget i klassificeringen av styrenheter och automationsutrustning är deras roll i automatiska reglering och kontrollsystem när det gäller informationsflöde.

Uppgifterna för tekniska medel för automatisering i allmänhet är:

• erhållande av primär information;

• hennes förvandling;

• dess överföring;

• bearbetning och jämförelse av den mottagna informationen med programmet;

• bildande av kommando (kontroll) information;

• överföring av kommando (kontroll) information;

• använda kommandoinformation för att styra processen.

Sensorer för egenskaper och sammansättning av ämnen spelar en ledande roll i det automatiska styrsystemet, de tjänar till att erhålla primär information och bestämmer till stor del kvaliteten på hela det automatiska styrsystemet.

Låt oss fastställa några grundläggande begrepp.Vad är mått, egenskaper, sammansättning av medium? Miljöns egenskaper bestäms av de numeriska värdena för en eller flera fysikalisk eller fysikalisk-kemiska storheter som kan mätas.

Mätning är en process för att genom ett experiment avslöja det kvantitativa förhållandet mellan en viss fysikalisk eller fysikalisk-kemisk storhet som kännetecknar testmediets egenskaper och motsvarande mängd av referensmediet. Ett experiment förstås som en objektiv process av aktiv påverkan på den testade miljön, producerad med hjälp av materiella medel under fasta förhållanden.

Miljöns sammansättning, d.v.s. det kvalitativa och kvantitativa innehållet i dess beståndsdelar, kan bestämmas utifrån dess kända beroende av miljöns fysikalisk eller fysikalisk-kemiska egenskaper och av de kvantiteter som kännetecknar dem, med förbehåll för mätning.

Som regel bestäms mediets egenskaper och sammansättning indirekt. Genom att mäta olika fysikalisk- eller fysikalisk-kemiska storheter som kännetecknar miljöns egenskaper, och känna till det matematiska sambandet mellan dessa storheter å ena sidan och miljöns sammansättning å andra sidan, kan vi uppskatta dess sammansättning till en större resp. mindre grad av noggrannhet.

Med andra ord, för att välja eller bygga en mätanordning, till exempel för att bestämma den fullständiga sammansättningen av ett multikomponentmedium, är det först nödvändigt att fastställa vilka fysikaliska eller fysikalisk-kemiska storheter som kännetecknar egenskaperna hos detta medium och, för det andra att hitta formberoenden

ki = f (C1, C2, … Cm),

där ki — koncentration av varje komponent i miljön, C1, C2, ... Cm — fysikaliska eller fysikalisk-kemiska storheter som kännetecknar miljöns egenskaper.

Följaktligen kan anordningen som används för att styra mediets sammansättning kalibreras i enheter av koncentrationen av en viss komponent eller egenskaper hos mediet, om det finns ett entydigt samband mellan dem inom vissa gränser.

NSDevices för automatisk styrning av ämnens fysikaliska och fysikalisk-kemiska egenskaper och sammansättning är anordningar som mäter separata fysikalisk eller fysikalisk-kemiska storheter som entydigt bestämmer miljöns egenskaper eller dess kvalitativa eller kvantitativa sammansättning.

Erfarenheten visar dock att för implementering av automatisk reglering eller kontroll av en tillräckligt studerad teknisk process, är det inte nödvändigt att ha fullständig information om sammansättningen av mellanprodukter och slutprodukter och om koncentrationen av några av deras komponenter när som helst. Sådan information krävs vanligtvis när man skapar, lär sig och bemästrar processer.

När de optimala tekniska reglerna har utvecklats, entydiga samband mellan processens förlopp och de mätbara fysikalisk och fysikalisk-kemiska storheter som kännetecknar produkternas egenskaper och sammansättning har fastställts, då kan processen genomföras, kalibrering av enhetsvåg direkt i de kvantiteter som han mäter, till exempel i enheter av temperatur, elektrisk ström, kapacitans, etc., eller i enheter av den specificerade egenskapen hos mediet, till exempel färg, grumlighet, elektrisk ledningsförmåga, viskositet, dielektricitetskonstant, etc. n.

De huvudsakliga metoderna för att mäta fysikalisk och fysikalisk-kemiska storheter som bestämmer miljöns egenskaper och sammansättning diskuteras nedan.

Den befintliga historiskt etablerade produktnomenklaturen inkluderar följande huvudgrupper av enheter:

• gasanalysatorer,

• vätskekoncentratorer,

• densitetsmätare,

• viskosimeter,

• hygrometrar,

• masspektrometrar,

• kromatografer,

• pH-mätare,

• solinometrar,

• sockermätare mm.

Dessa grupper är i sin tur indelade enligt mätmetoderna eller enligt de analyserade ämnena. Den extrema konventionella en sådan klassificering och möjligheten att tilldela strukturellt identiska enheter till olika grupper gör det svårt att studera, välja och jämföra enheter.

Instrument för direktmätning inkluderar sådana som bestämmer de fysikaliska eller fysikalisk-kemiska egenskaperna och sammansättningen av det direkt testade ämnet. Däremot utsätts provet av testämnet i kombinerade anordningar för påverkan som väsentligt förändrar dess kemiska sammansättning eller dess aggregationstillstånd.

I båda fallen är preliminär beredning av provet i termer av temperatur, tryck och några andra parametrar möjlig. Utöver dessa två huvudklasser av enheter finns det även sådana där både direkt och kombinerad mätning kan utföras.

Instrument för direktmätning

I direktmätanordningar bestäms mediets fysikalisk-kemiska egenskaper genom att mäta följande storheter: mekaniska, termodynamiska, elektrokemiska, elektriska och magnetiska, och slutligen våg.

Till mekaniska värden Först och främst bestäms mediets densitet och densitet med hjälp av instrument baserade på flyt-, gravitations-, hydrostatiska och dynamiska mätmetoder.Detta inkluderar också bestämning av mediets viskositet, mätt med olika viskosimeter: kapillär, roterande, baserat på metoderna för fallande kulor och andra.

Från termodynamiska storheter reaktionens värmeeffekt, mätt med termokemiska anordningar, värmeledningskoefficienten, som mäts med termoledande anordningar, antändningstemperaturen för petroleumprodukter, ångtrycket etc. har hittat applikationen.

Omfattande utveckling för att mäta sammansättningen och egenskaperna hos flytande blandningar samt vissa resulterande gaser elektrokemiska anordningar… De inkluderar framför allt konduktometrar och potentiometraranordningar utformade för att bestämma koncentrationen av salter, syror och baser genom att byta elektrisk konduktivitet beslut. Dessa är de så kallade konduktometriska koncentratorer eller kontakt- och beröringsfria konduktometrar.

Finns mycket spridd pH-mätare — Anordningar för bestämning av mediets surhet genom elektrodens potential.

Elektrodpotentialförskjutningen på grund av polarisation bestäms i galvaniska och depolariserande gasanalysatorer, tjänar till att kontrollera innehållet av syre och andra gaser, vars närvaro orsakar depolarisering av elektroderna.

Det är en av de mest lovande polarografisk mätmetod, som består i den samtidiga bestämningen av frisättningspotentialerna för olika joner på elektroden och den begränsande strömtätheten.

Mätningen av fuktkoncentration i gaser uppnås med hjälp av coulometrisk metod, där definieras elektrolyshastighet av vattenadsorberas från gasen genom en fuktkänslig film.

Enheter baserade på för mätning av elektriska och magnetiska storheter.

Gasjonisering med samtidig mätning av deras elektriska ledningsförmåga, används för att mäta låga koncentrationer. Jonisering kan vara termisk eller under påverkan av olika strålningar, särskilt radioaktiva isotoper.

Termisk jonisering används ofta i flamjoniseringsdetektorer av kromatografer… jonisering av gaser med alfa- och betastrålar används i stor utsträckning i kromatografiska detektorer (så kallade "argon"-detektorer), samt i alfa- och betajoniseringsgasanalysatorerbaserat på skillnaden i joniseringstvärsnitt av olika gaser.

Testgasen i dessa instrument passerar genom en alfa- eller betajoniseringskammare. I detta fall mäts joniseringsströmmen i kammaren, vilket kännetecknar innehållet i komponenten. Att bestämma dielektricitetskonstanten för ett medium används för att mäta halten av fukt och andra ämnen med hjälp av olika typer kapacitiva fuktmätare och dielektriska mätare.

Dielektricitetskonstanten en sorbentfilm tvättad av en gasström används, vilket kännetecknar koncentrationen av vattenånga i den dieometriska hygrometrar.

Den specifika magnetiska känsligheten gör det möjligt att mäta koncentrationen av paramagnetiska gaser, främst syre, med hjälp av termomagnetiska, magnetoeffusions- och magnetomekaniska gasanalysatorer.

Slutligen bestäms den specifika laddningen av partiklar, som tillsammans med deras massa är den huvudsakliga egenskapen hos ett ämne, av flygtidsmasspektrometrar, högfrekventa och magnetiska massanalysatorer.

Mätning av vågmängder — en av de mest lovande inriktningarna inom instrumentkonstruktion, baserad på användningen av effekten av den testade miljöns interaktion med olika typer av strålning. Så, intensiteten av absorption från miljön ultraljudsvibrationer gör det möjligt att uppskatta mediets viskositet och densitet.

Att mäta utbredningshastigheten för ultraljud i ett medium ger en uppfattning om koncentrationen av enskilda komponenter eller graden av polymerisation av latex och andra polymera ämnen. Nästan hela skalan av elektromagnetiska svängningar, från radiofrekvenser till röntgenstrålning och gammastrålning, används i sensorer för ämnens egenskaper och sammansättning.

De inkluderar de känsligaste analytiska instrumenten som mäter intensiteten av absorption av energi från elektromagnetiska svängningar i kortvågslängd, centimeter och millimeter, baserat på elektromagnetisk och kärnmagnetisk resonans.

De mest använda är enheter som använder miljöns interaktion med ljusenergi. i de infraröda, synliga och ultravioletta delarna av spektrumet… Både den integrerade emissionen och absorptionen av ljus och intensiteten hos de karakteristiska linjerna och banden för ämnens emissions- och absorptionsspektra mäts.

Enheter baserade på den optisk-akustiska effekten används, som arbetar i det infraröda området av spektrumet, lämpliga för att mäta koncentrationen av polyatomiska gaser och ångor.

Brytningsindex för ljus i mediet används för att bestämma sammansättningen av flytande och gasformiga medier genom refraktometrar och interferometrar.

Mätningen av rotationsintensiteten i ljusets polarisationsplan med lösningar av optiskt aktiva ämnen används för att bestämma deras koncentration genom polarimetrar.

Metoder för att mäta densiteten och sammansättningen av olika medier, baserade på de olika tillämpningarna av interaktionen mellan röntgen och radioaktiv strålning med mediet, har utvecklats i stor utsträckning.

Kombinerade enheter

I ett antal fall kan kombinationen av direkt bestämning av omgivningens fysiska och fysikalisk-kemiska egenskaper med olika hjälpoperationer som föregår mätningen avsevärt utöka mätmöjligheterna, öka selektiviteten, känsligheten och noggrannheten hos enkla metoder. Vi kallar sådana enheter kombinerade.

Sidoverksamheten omfattar i första hand absorption av en gas från en vätska, ångkondensering och vätskeavdunstningtillåter användning av metoder för att mäta koncentrationen av vätskor vid analys av gaser, som t.ex konduktometri, potentiometri, fotokolorimetri, etc.och vice versa, för att mäta koncentrationen av de använda vätskorna metoder för gasanalys: termisk konduktometri, masspektrometri, etc.

En av de vanligaste sorptionsmetoderna är kromatografi, vilket är en kombinerad mätmetod där bestämningen av testmediets fysikaliska egenskaper föregås av processen för dess kromatografiska separation i dess beståndsdelar. Detta förenklar mätprocessen och vidgar dramatiskt gränserna för möjligheterna för direkta mätmetoder.

Möjligheten att mäta den totala sammansättningen av komplexa organiska blandningar och den höga känsligheten hos enheterna har lett till den snabba utvecklingen av denna riktning i analytiska instrument under de senaste åren.

En praktisk tillämpning har hittats inom industrin gaskromatograferbestående av två huvuddelar: en kromatografikolonn utformad för att separera testblandningen och en detektor som används för att mäta koncentrationen av de separerade komponenterna i blandningen. Det finns en mängd olika konstruktioner för gaskromatografer, både när det gäller den termiska regimen för separationskolonnen och principen för detektorns drift.

I isotermiska kromatografier hålls temperaturen på kolonntermostaten konstant under analyscykeln; i kromatografer med temperaturprogrammering ändras den senare över tiden enligt ett förutbestämt program; i termodynamiska kromatografer, under analyscykeln, ändras temperaturen i olika delar av kolonnen längs dess längd.

I princip kan en kromatografisk detektor användas varje anordning för att bestämma de fysikaliska och fysikalisk-kemiska egenskaperna hos ett visst ämne. Dess design är till och med enklare än för andra analysinstrument, eftersom koncentrationerna av de redan separerade komponenterna i blandningen måste mätas.

För närvarande mycket använd detektorer baserade på mätning av gasdensitet, värmeledningsförmåga (de så kallade "katarometrarna"), den termiska effekten av förbränningen av produkterna ("termokemisk"), den elektriska ledningsförmågan hos lågan i vilken testblandningen kommer in ("flamjonisering"), den elektriska ledningsförmågan hos gas joniserad av radioaktiv strålning ("jonisering -argon") och andra.

Eftersom den är mycket universell, ger den kromatografiska metoden den största effekten när man mäter koncentrationen av föroreningar i komplexa kolväteblandningar med en kokpunkt på upp till 400 - 500 ° C.

Kemiska processer som för mediet till parametrar som kan mätas på enkla sätt kan användas med nästan alla direkta mätmetoder. Den selektiva absorptionen av enskilda komponenter i en gasblandning av en vätska gör det möjligt att mäta koncentrationen av testämnena genom att mäta blandningens volym före och efter absorption. Driften av volymmanometriska gasanalysatorer är baserad på denna princip.

Annorlunda färgreaktioner, före mätningen av effekten av interaktionen med substansen i ljusemissionen.

Hit hör en stor grupp sk remsa fotokolorimetrar, där mätningen av koncentrationen av gaskomponenter utförs genom att mäta graden av mörkning av en remsa på vilken ett ämne som ger en färgreaktion med testämnet tidigare har applicerats. Denna metod används i stor utsträckning för att mäta mikrokoncentrationer, särskilt farliga koncentrationer av giftiga gaser i luften i industrilokaler.

Färgreaktioner används också i flytande fotokolorimetrar för att öka deras känslighet, för att mäta koncentrationen av färglösa komponenter i vätskor, etc.

Det är lovande mätning av luminescensintensiteten hos vätskororsakas av kemiska reaktioner. En av de vanligaste analytiska kemiska metoderna är titrering... Titreringsmetoden består i att mäta fysikaliska och fysikalisk-kemiska mängder som finns i ett flytande medium som utsätts för yttre kemiska eller fysikaliska faktorer.

Vid övergångsögonblicket av kvantitativa förändringar till kvalitativa (titreringens slutpunkt) registreras den förbrukade mängden ämne eller elektricitet som motsvarar koncentrationen av den uppmätta komponenten. I grund och botten är det en cyklisk metod, men det finns olika versioner av den, upp till kontinuerlig. De mest använda som indikatorer på slutpunkten för titreringen är potentiometriska (pH-metriska) och fotokolorimetriska sensorer.

Arutyunov OS Sensorer för materiens sammansättning och egenskaper