Sensorer og måleapparater for å bestemme sammensetningen og egenskapene til stoffer

Hovedtrekket i klassifiseringen av kontrollenheter og automatiseringsutstyr er deres rolle i automatiske regulerings- og kontrollsystemer når det gjelder informasjonsflyt.

Oppgavene til tekniske automatiseringsmidler generelt er:

• innhenting av primærinformasjon;

• hennes transformasjon;

• dens overføring;

• behandling og sammenligning av den mottatte informasjonen med programmet;

• dannelse av kommando (kontroll) informasjon;

• overføring av kommando (kontroll) informasjon;

• bruke kommandoinformasjon for å kontrollere prosessen.

Sensorer for egenskaper og sammensetning av stoffer spiller en ledende rolle i det automatiske kontrollsystemet, tjener de til å innhente primærinformasjon og bestemmer i stor grad kvaliteten på hele det automatiske kontrollsystemet.

La oss etablere noen grunnleggende konsepter.Hva er måling, egenskaper, sammensetning av medium? Egenskapene til miljøet bestemmes av de numeriske verdiene til en eller flere fysiske eller fysisk-kjemiske størrelser som kan måles.

Måling er en prosess for å avsløre gjennom et eksperiment det kvantitative forholdet mellom en viss fysisk eller fysisk-kjemisk mengde som karakteriserer egenskapene til testmediet og den tilsvarende mengden av referansemediet. Et eksperiment forstås som en objektiv prosess med aktiv påvirkning på det testede miljøet, produsert ved hjelp av materielle midler under faste forhold.

Sammensetningen av miljøet, d.v.s. det kvalitative og kvantitative innholdet i dets bestanddeler, kan bestemmes ut fra dens kjente avhengighet av de fysiske eller fysisk-kjemiske egenskapene til miljøet og av mengdene som karakteriserer dem, underlagt måling.

Som regel bestemmes mediets egenskaper og sammensetning indirekte. Ved å måle ulike fysiske eller fysisk-kjemiske størrelser som karakteriserer miljøets egenskaper, og kjenne til det matematiske forholdet mellom disse mengdene på den ene siden og miljøets sammensetning på den andre, kan vi estimere dets sammensetning til en større eller mindre grad av nøyaktighet.

Med andre ord, for å velge eller bygge en måleanordning, for eksempel for å bestemme den fullstendige sammensetningen av et multikomponentmedium, er det først nødvendig å fastslå hvilke fysiske eller fysisk-kjemiske mengder som karakteriserer egenskapene til dette mediet og, for det andre å finne formavhengigheter

ki = f (C1, C2, … Cm),

hvor ki — konsentrasjon av hver komponent i miljøet, C1, C2, ... Cm — fysiske eller fysisk-kjemiske størrelser som karakteriserer miljøegenskapene.

Følgelig kan enheten som brukes til å kontrollere sammensetningen av mediet kalibreres i enheter av konsentrasjonen av en bestemt komponent eller egenskaper til mediet, hvis det er et entydig forhold mellom dem innenfor noen grenser.

NSEnheter for automatisk kontroll av stoffers fysiske og fysisk-kjemiske egenskaper og sammensetning er enheter som måler separate fysiske eller fysisk-kjemiske mengder som entydig bestemmer egenskapene til miljøet eller dets kvalitative eller kvantitative sammensetning.

Erfaring viser imidlertid at for implementering av automatisk regulering eller kontroll av en tilstrekkelig studert teknologisk prosess, er det ikke nødvendig å ha fullstendig informasjon om sammensetningen av mellom- og sluttprodukter og om konsentrasjonen av noen av komponentene deres til enhver tid. Slik informasjon er vanligvis nødvendig når man skal lage, lære og mestre prosesser.

Når de optimale teknologiske forskriftene er utviklet, det er etablert entydige forhold mellom prosessens forløp og de målbare fysiske og fysisk-kjemiske størrelsene som karakteriserer produktenes egenskaper og sammensetning, så kan prosessen gjennomføres, kalibrering av enhetsvekt direkte i de mengdene han måler, for eksempel i enheter av temperatur, elektrisk strøm, kapasitans, etc., eller i enheter av den spesifiserte egenskapen til mediet, for eksempel farge, turbiditet, elektrisk ledningsevne, viskositet, dielektrisk konstant, etc. n.

Hovedmetodene for å måle fysiske og fysisk-kjemiske mengder som bestemmer miljøets egenskaper og sammensetning er diskutert nedenfor.

Den eksisterende historisk etablerte produktnomenklaturen inkluderer følgende hovedgrupper av enheter:

• gassanalysatorer,

• flytende konsentratorer,

• tetthetsmålere,

• viskosimeter,

• hygrometre,

• massespektrometre,

• kromatografer,

• pH-målere,

• solinometre,

• sukkermålere etc.

Disse gruppene er igjen delt inn i henhold til målemetodene eller i henhold til de analyserte stoffene. Den ekstreme konvensjonaliteten til en slik klassifisering og muligheten for å tildele strukturelt identiske enheter til forskjellige grupper gjør det vanskelig å studere, velge og sammenligne enheter.

Direkte måleutstyr inkluderer de som bestemmer de fysiske eller fysisk-kjemiske egenskapene og sammensetningen til det direkte testede stoffet. I motsetning til dette, i kombinerte enheter, blir prøven av teststoffet utsatt for påvirkninger som vesentlig endrer dens kjemiske sammensetning eller aggregeringstilstand.

I begge tilfeller er foreløpig forberedelse av prøven mulig når det gjelder temperatur, trykk og noen andre parametere. I tillegg til disse to hovedklassene av enheter, er det også de der både direkte og kombinert måling kan utføres.

Direkte måleinstrumenter

I direkte måleenheter bestemmes de fysiske og fysisk-kjemiske egenskapene til mediet ved å måle følgende mengder: mekanisk, termodynamisk, elektrokjemisk, elektrisk og magnetisk, og til slutt bølge.

Til mekaniske verdier først og fremst bestemmes mediets tetthet og egenvekt ved hjelp av instrumenter basert på flyte-, gravitasjons-, hydrostatiske og dynamiske målemetoder.Dette inkluderer også å bestemme viskositeten til mediet, målt med forskjellige viskosimeter: kapillær, roterende, basert på metodene med fallende kule og andre.

Fra termodynamiske mengder varmeeffekten av reaksjonen, målt med termokjemiske enheter, koeffisienten for termisk ledningsevne, som måles med termoledende enheter, antennelsestemperaturen til petroleumsprodukter, damptrykket, etc. har funnet søknaden.

Omfattende utvikling for å måle sammensetningen og egenskapene til flytende blandinger samt enkelte resulterende gasser elektrokjemiske enheter… De inkluderer fremfor alt konduktometre og potensiometreenheter designet for å bestemme konsentrasjonen av salter, syrer og baser ved å endre elektrisk Strømføringsevne beslutninger. Disse er de såkalte konduktometriske konsentratorer eller kontakt- og ikke-kontakt konduktometre.

Funnet veldig vidt distribuert pH-målere — innretninger for å bestemme surheten til mediet ved potensialet til elektroden.

Elektrodepotensialforskyvningen på grunn av polarisering bestemmes i galvaniske og depolariserende gassanalysatorer, tjener til å kontrollere innholdet av oksygen og andre gasser, hvis tilstedeværelse forårsaker depolarisering av elektrodene.

Det er en av de mest lovende polarografisk målemetode, som består i samtidig bestemmelse av frigjøringspotensialene til forskjellige ioner på elektroden og den begrensende strømtettheten.

Målingen av fuktkonsentrasjon i gasser oppnås ved hjelp av kulometrisk metode, hvor er definert hastigheten på elektrolyse av vannadsorbert fra gassen gjennom en fuktighetsfølsom film.

Enheter basert på for måling av elektriske og magnetiske størrelser.

Gass ionisering med samtidig måling av deres elektriske ledningsevne, brukes til å måle lave konsentrasjoner. Ionisering kan være termisk eller under påvirkning av forskjellige strålinger, spesielt radioaktive isotoper.

Termisk ionisering er mye brukt i flammeioniseringsdetektorer av kromatografer… Ionisering av gasser med alfa- og betastråler er mye brukt i kromatografiske detektorer (såkalte "argon"-detektorer), samt i alfa- og beta-ioniseringsgassanalysatorerbasert på forskjellen i ioniseringstverrsnitt av forskjellige gasser.

Testgassen i disse instrumentene passerer gjennom et alfa- eller beta-ioniseringskammer. I dette tilfellet måles ioniseringsstrømmen i kammeret, noe som karakteriserer innholdet i komponenten. Bestemmelse av dielektrisitetskonstanten til et medium brukes til å måle innholdet av fuktighet og andre stoffer ved hjelp av ulike typer kapasitive fuktmålere og dielektriske målere.

Den dielektriske konstanten Det brukes en sorbentfilm vasket av en gasstrøm, som karakteriserer konsentrasjonen av vanndamp i den dieometriske hygrometre.

Den spesifikke magnetiske sensitiviteten gjør det mulig å måle konsentrasjonen av paramagnetiske gasser, hovedsakelig oksygen, ved hjelp av termomagnetiske, magnetoefusjons- og magnetomekaniske gassanalysatorer.

Til slutt bestemmes den spesifikke ladningen til partikler, som sammen med deres masse er hovedkarakteristikken til et stoff, av time-of-flight massespektrometre, høyfrekvente og magnetiske masseanalysatorer.

Måling av bølgemengder — en av de mest lovende retningene innen instrumentbygging, basert på bruken av effekten av samspillet mellom det testede miljøet og ulike typer stråling. Så, intensiteten av absorpsjon fra miljøet ultralydsvibrasjoner gjør det mulig å estimere viskositeten og tettheten til mediet.

Måling av forplantningshastigheten til ultralyd i et medium gir en ide om konsentrasjonen av individuelle komponenter eller graden av polymerisering av latekser og andre polymere stoffer. Nesten hele skalaen av elektromagnetiske oscillasjoner, fra radiofrekvenser til røntgen og gammastråling, brukes i sensorer for stoffers egenskaper og sammensetning.

De inkluderer de mest følsomme analytiske instrumentene som måler intensiteten av absorpsjon av energi fra elektromagnetiske oscillasjoner i kortbølgelengde, centimeter og millimeter, basert på elektromagnetisk og kjernemagnetisk resonans.

De mest brukte er enheter som bruker samspillet mellom miljøet og lysenergi. i de infrarøde, synlige og ultrafiolette delene av spekteret… Både den integrerte emisjonen og absorpsjonen av lys og intensiteten til de karakteristiske linjene og båndene i emisjons- og absorpsjonsspektrene til stoffer måles.

Det brukes enheter basert på den optisk-akustiske effekten, som opererer i det infrarøde området av spekteret, egnet for å måle konsentrasjonen av polyatomiske gasser og damper.

Brytningsindeks for lys i mediet brukes til å bestemme sammensetningen av flytende og gassformige medier ved refraktometre og interferometre.

Målingen av rotasjonsintensiteten til lyspolarisasjonsplanet ved oppløsninger av optisk aktive stoffer brukes til å bestemme konsentrasjonen ved hjelp av polarimetre.

Metoder for å måle tettheten og sammensetningen av ulike medier, basert på de ulike anvendelsene av interaksjonen mellom røntgen og radioaktiv stråling med mediet, har blitt mye utviklet.

Kombinerte enheter

I en rekke tilfeller kan kombinasjonen av direkte bestemmelse av de fysiske og fysisk-kjemiske egenskapene til miljøet med ulike hjelpeoperasjoner forut for målingen utvide målemulighetene betydelig, øke selektiviteten, sensitiviteten og nøyaktigheten til enkle metoder. Vi kaller slike enheter kombinert.

Hjelpevirksomhet omfatter primært absorpsjon av en gass fra en væske, dampkondensasjon og væskefordampningtillater bruk av metoder for å måle konsentrasjonen av væsker i analyse av gasser, som f.eks konduktometri, potensiometri, fotokolorimetri, etc.og omvendt, for å måle konsentrasjonen av væskene som brukes metoder for gassanalyse: termisk konduktometri, massespektrometri, etc.

En av de vanligste sorpsjonsmetodene er kromatografi, som er en kombinert målemetode der bestemmelsen av de fysiske egenskapene til testmediet innledes med prosessen med dets kromatografiske separasjon i dets bestanddeler. Dette forenkler måleprosessen og utvider dramatisk grensene for mulighetene for direkte målemetoder.

Evnen til å måle den totale sammensetningen av komplekse organiske blandinger og den høye følsomheten til enhetene har ført til den raske utviklingen av denne retningen i analytiske instrumenter de siste årene.

En praktisk anvendelse er funnet i industrien gasskromatograferbestående av to hoveddeler: en kromatografisk kolonne designet for å separere testblandingen og en detektor som brukes til å måle konsentrasjonen av de separerte komponentene i blandingen. Det er et bredt utvalg av design for gasskromatografer, både når det gjelder det termiske regimet til separasjonskolonnen og prinsippet for drift av detektoren.

I isotermisk modus-kromatografer holdes temperaturen på kolonnetermostaten konstant under analysesyklusen; i kromatografer med temperaturprogrammering endres sistnevnte over tid i henhold til et forhåndsbestemt program; i termodynamisk moduskromatografer, under analysesyklusen, endres temperaturen til forskjellige deler av kolonnen langs dens lengde.

I prinsippet kan en kromatografisk detektor brukes enhver enhet for å bestemme de fysiske og fysisk-kjemiske egenskapene til et gitt stoff. Designet er enda enklere enn andre analytiske instrumenter, siden konsentrasjonene av de allerede separerte komponentene i blandingen må måles.

For tiden mye brukt detektorer basert på måling av gasstetthet, termisk ledningsevne (de såkalte "katarometrene"), den termiske effekten av forbrenningen av produktene ("termokjemisk"), den elektriske ledningsevnen til flammen som testblandingen kommer inn i ("flammeionisering"), den elektriske ledningsevnen til gass ​​ionisert av radioaktiv stråling ("ionisering -argon") og andre.

Siden den er veldig universell, gir den kromatografiske metoden størst effekt når man måler konsentrasjonen av urenheter i komplekse hydrokarbonblandinger med et kokepunkt på opptil 400 - 500 ° C.

Kjemiske prosesser som bringer mediet til parametere som kan måles på enkle måter kan brukes med nesten alle direkte målemetoder. Den selektive absorpsjonen av individuelle komponenter i en gassblanding av en væske gjør det mulig å måle konsentrasjonen av teststoffene ved å måle volumet av blandingen før og etter absorpsjon. Driften av volummanometriske gassanalysatorer er basert på dette prinsippet.

Annerledes fargereaksjoner, før måling av effekten av interaksjonen med stoffet i lysutslippet.

Dette inkluderer en stor gruppe av såkalte stripe fotofargemålere, hvor måling av konsentrasjonen av gasskomponenter utføres ved å måle mørkningsgraden til en strimmel som tidligere har blitt påført et stoff som gir en fargereaksjon med teststoffet. Denne metoden er mye brukt for å måle mikrokonsentrasjoner, spesielt farlige konsentrasjoner av giftige gasser i luften i industrilokaler.

Fargereaksjoner brukes også i flytende fotokolorimetre for å øke deres følsomhet, for å måle konsentrasjonen av fargeløse komponenter i væsker, etc.

Det er lovende måling av luminescensintensiteten til væskerforårsaket av kjemiske reaksjoner. En av de vanligste analytiske kjemiske metodene er titrering... Titreringsmetoden består i å måle fysiske og fysisk-kjemiske mengder som ligger i et flytende medium som er utsatt for ytre kjemiske eller fysiske faktorer.

I overgangsøyeblikket av kvantitative endringer til kvalitative (sluttpunktet for titrering), registreres den forbrukte mengden stoff eller elektrisitet som tilsvarer konsentrasjonen av den målte komponenten. I utgangspunktet er det en syklisk metode, men det finnes forskjellige versjoner av den, opp til kontinuerlig. De mest brukte som indikatorer på endepunktet for titreringen er potensiometriske (pH-metriske) og fotokolorimetriske sensorer.

Arutyunov OS Sensorer for sammensetning og egenskaper av materie