Senzori și dispozitive de măsurare pentru determinarea compoziției și proprietăților substanțelor

Principala caracteristică a clasificării dispozitivelor de control și a echipamentelor de automatizare este rolul acestora în sistemele automate de reglare și control în ceea ce privește fluxul de informații.

Sarcinile mijloacelor tehnice de automatizare în general sunt:

• obținerea de informații primare;

• transformarea ei;

• transmiterea acestuia;

• prelucrarea și compararea informațiilor primite cu programul;

• formarea informațiilor de comandă (control);

• transmiterea de informații de comandă (control);

• folosind informații de comandă pentru a controla procesul.

Senzori pentru proprietățile și compoziția substanțelor joacă un rol principal în sistemul de control automat, ele servesc la obținerea de informații primare și determină în mare măsură calitatea întregului sistem de control automat.

Să stabilim câteva concepte de bază.Ce este măsurarea, proprietățile, compoziția mediului? Proprietățile mediului sunt determinate de valorile numerice ale uneia sau mai multor mărimi fizice sau fizico-chimice care pot fi măsurate.

Măsurarea este un proces de dezvăluire printr-un experiment a raportului cantitativ dintre o anumită mărime fizică sau fizico-chimică care caracterizează proprietățile mediului de testare și cantitatea corespunzătoare a mediului de referință. Un experiment este înțeles ca un proces obiectiv de impact activ asupra mediului testat, produs cu ajutorul mijloacelor materiale în condiții fixe.

Compoziția mediului, de ex. conținutul calitativ și cantitativ al componentelor sale constitutive, poate fi determinată din dependența sa cunoscută de proprietățile fizice sau fizico-chimice ale mediului și de mărimile care le caracterizează, supuse măsurării.

De regulă, proprietățile și compoziția mediului sunt determinate indirect. Măsurând diferite mărimi fizice sau fizico-chimice care caracterizează proprietățile mediului și cunoscând relația matematică dintre aceste mărimi, pe de o parte, și compoziția mediului, pe de altă parte, putem estima compoziția acestuia la o valoare mai mare sau mai mare. grad mai mic de precizie.

Cu alte cuvinte, pentru a alege sau a construi un dispozitiv de măsurare, de exemplu, pentru a determina compoziția completă a unui mediu multicomponent, este necesar, în primul rând, să se stabilească ce mărimi fizice sau fizico-chimice caracterizează proprietățile acestui mediu și, în al doilea rând, pentru a găsi dependențe de formă

ki = f (C1, C2, … Cm),

unde ki — concentrația fiecărei componente a mediului, C1, C2, ... Cm — mărimi fizice sau fizico-chimice care caracterizează proprietățile mediului.

În consecință, dispozitivul utilizat pentru controlul compoziției mediului poate fi calibrat în unități de concentrație a unei anumite componente sau proprietăți ale mediului, dacă există o relație neechivocă între acestea în anumite limite.

NSDispozitive pentru controlul automat al proprietăților fizice și fizico-chimice și al compoziției substanțelor sunt dispozitive care măsoară cantități fizice sau fizico-chimice separate care determină fără ambiguitate proprietățile mediului sau compoziția sa calitativă sau cantitativă.

Cu toate acestea, experiența arată că pentru implementarea reglării sau controlului automat al unui proces tehnologic suficient de studiat, nu este necesară în niciun moment să avem informații complete despre compoziția produselor intermediare și finale și asupra concentrației unora dintre componentele acestora. Astfel de informații sunt de obicei necesare la crearea, învățarea și stăpânirea proceselor.

Când au fost elaborate reglementările tehnologice optime, s-au stabilit relații neechivoce între cursul procesului și cantitățile fizice și fizico-chimice măsurabile care caracterizează proprietățile și compoziția produselor, atunci procesul poate fi realizat, calibrarea scalei dispozitivului direct în acele cantități pe care le măsoară, de exemplu, în unități de temperatură, curent electric, capacitate etc., sau în unități ale proprietății specificate a mediului, de exemplu, culoare, turbiditate, conductivitate electrică, vâscozitate, constantă dielectrică, etc.n.

Principalele metode de măsurare a cantităților fizice și fizico-chimice care determină proprietățile și compoziția mediului sunt discutate mai jos.

Nomenclatura de produse existentă, stabilită istoric, include următoarele grupuri principale de dispozitive:

• analizoare de gaze,

• concentratoare lichide,

• densimetre,

• viscozimetre,

• higrometre,

• spectrometre de masă,

• cromatografii,

• pH-metre,

• solinometre,

• contoare de zahăr etc.

Aceste grupe, la randul lor, sunt subdivizate in functie de metodele de masurare sau in functie de substantele analizate. Convenționalitatea extremă a unei astfel de clasificări și posibilitatea de a atribui dispozitive identice structural unor grupuri diferite fac dificilă studierea, selectarea și compararea dispozitivelor.

Dispozitivele de măsurare directă le includ pe cele care determină proprietățile fizice sau fizico-chimice și compoziția substanței testate direct. În schimb, în ​​cazul dispozitivelor combinate, proba substanței de testat este expusă unor influențe care îi modifică semnificativ compoziția chimică sau starea de agregare.

În ambele cazuri, este posibilă pregătirea preliminară a probei în ceea ce privește temperatura, presiunea și alți parametri. Pe lângă aceste două clase principale de dispozitive, există și acelea în care pot fi efectuate atât măsurarea directă, cât și măsurarea combinată.

Instrumente de măsurare directă

În aparatele de măsurare directă, proprietățile fizice și fizico-chimice ale mediului sunt determinate prin măsurarea următoarelor mărimi: mecanică, termodinamică, electrochimică, electrică și magnetică și în final ondulatorie.

La valori mecanice în primul rând se determină densitatea și greutatea specifică a mediului cu ajutorul instrumentelor bazate pe metode de măsurare plutitoare, gravitaționale, hidrostatice și dinamice.Aceasta include și determinarea vâscozității mediului, măsurată cu diferite viscozimetre: capilară, rotativă, pe baza metodelor cu bile care căde și altele.

Din mărimi termodinamice efectul termic al reacției, măsurat cu dispozitive termochimice, coeficientul de conductivitate termică, care se măsoară cu dispozitive termoconductoare, temperatura de aprindere a produselor petroliere, presiunea vaporilor etc. au găsit aplicație.

Dezvoltare extinsă pentru măsurarea compoziției și proprietăților amestecurilor lichide, precum și a unor gaze rezultate dispozitive electrochimice… Ele includ mai presus de toate conductometre și potențiometredispozitive concepute pentru determinarea concentrației de săruri, acizi și baze prin schimbare conductivitate electrică deciziilor. Acestea sunt așa-numitele concentratoare conductometrice sau conductometre de contact și fără contact.

Găsit foarte larg distribuit pH-metre — dispozitive pentru determinarea acidității mediului prin potențialul electrodului.

Se determină deplasarea potențialului electrodului datorită polarizării în analizoare de gaz galvanice şi depolarizante, servind la controlul conținutului de oxigen și alte gaze, a căror prezență determină depolarizarea electrozilor.

Este una dintre cele mai promițătoare metoda de măsurare polarografică, care constă în determinarea simultană a potențialelor de eliberare a diverșilor ioni pe electrod și a densității de curent limită.

Măsurarea concentrației de umiditate în gaze se realizează cu ajutorul metoda coulometrică, unde este definit viteza de electroliză a apeiadsorbit din gaz printr-o peliculă sensibilă la umiditate.

Dispozitive bazate pe pentru măsurarea mărimilor electrice și magnetice.

Ionizarea gazelor cu măsurarea simultană a conductibilității lor electrice, este utilizat pentru măsurarea concentrațiilor scăzute. Ionizarea poate fi termică sau sub influența diferitelor radiații, în special a izotopilor radioactivi.

Ionizarea termică este utilizată pe scară largă în detectoarele cu ionizare în flacără ale cromatografelor… Ionizarea gazelor de către razele alfa și beta este utilizată pe scară largă în detectoare cromatografice (așa-numitele detectoare „argon”), precum și în analizoare de gaze cu ionizare alfa și betape baza diferenței secțiunilor transversale de ionizare ale diferitelor gaze.

Gazul de testare din aceste instrumente trece printr-o cameră de ionizare alfa sau beta. În acest caz, se măsoară curentul de ionizare din cameră, care caracterizează conținutul componentei. Determinarea constantei dielectrice a unui mediu este utilizată pentru a măsura conținutul de umiditate și alte substanțe prin intermediul diferitelor tipuri contoare capacitive de umiditate și contoare dielectrice.

Constanta dielectrică se folosește o peliculă absorbantă spălată de un curent de gaz, care caracterizează concentrația vaporilor de apă în aceasta higrometre dielometrice.

Sensibilitatea magnetică specifică face posibilă măsurarea concentrației de gaze paramagnetice, în principal oxigen, cu ajutorul analizoare de gaze termomagnetice, magnetoefuzie și magnetomecanice.

În sfârșit, sarcina specifică a particulelor, care împreună cu masa lor este principala caracteristică a unei substanțe, este determinată de spectrometre de masă cu timp de zbor, analizoare de masă de înaltă frecvență și magnetice.

Măsurarea mărimilor de undă — una dintre cele mai promițătoare direcții în construcția instrumentelor, bazată pe utilizarea efectului interacțiunii mediului testat cu diferite tipuri de radiații. Deci, intensitatea absorbției din mediu vibratii ultrasonice face posibilă estimarea vâscozității și densității mediului.

Măsurarea vitezei de propagare a ultrasunetelor într-un mediu oferă o idee despre concentrația componentelor individuale sau gradul de polimerizare a latexurilor și a altor substanțe polimerice. Aproape întreaga scară a oscilațiilor electromagnetice, de la frecvențe radio la raze X și radiații gamma, este utilizată în senzori pentru proprietățile și compoziția substanțelor.

Acestea includ cele mai sensibile instrumente analitice care măsoară intensitatea absorbției energiei din oscilațiile electromagnetice în intervalele de lungimi de undă scurte, centimetrii și milimetrice, pe baza rezonanței magnetice electromagnetice și nucleare.

Cele mai utilizate sunt dispozitivele care folosesc interacțiunea mediului cu energia luminoasă. în părțile infraroșu, vizibil și ultraviolet ale spectrului… Se măsoară atât emisia integrală și absorbția luminii, cât și intensitatea liniilor și benzilor caracteristice ale spectrelor de emisie și absorbție ale substanțelor.

Se folosesc dispozitive bazate pe efect optic-acustic, care funcționează în regiunea infraroșie a spectrului, adecvate pentru măsurarea concentrației de gaze și vapori poliatomici.

Indicele de refracție al luminii în mediu folosit pentru determinarea compoziţiei mediilor lichide şi gazoase prin refractometre și interferometre.

Măsurarea intensității de rotație a planului de polarizare a luminii prin soluții de substanțe optic active este utilizată pentru determinarea concentrației acestora prin polarimetre.

Metodele de măsurare a densității și compoziției diferitelor medii, bazate pe diferitele aplicații ale interacțiunii razelor X și a radiațiilor radioactive cu mediul, au fost dezvoltate pe scară largă.

Dispozitive combinate

Într-o serie de cazuri, combinarea determinării directe a proprietăților fizice și fizico-chimice ale mediului cu diverse operații auxiliare premergătoare măsurării poate extinde semnificativ posibilitățile de măsurare, crește selectivitatea, sensibilitatea și acuratețea metodelor simple. Numim astfel de dispozitive combinate.

Operațiunile auxiliare includ în primul rând absorbția unui gaz dintr-un lichid, condensarea vaporilor și evaporarea lichiduluipermițând utilizarea metodelor de măsurare a concentrației de lichide în analiza gazelor, precum conductometrie, potențiometrie, fotocolorimetrie etc.și invers, să măsoare concentrația lichidelor folosite metode de analiză a gazelor: conductometrie termică, spectrometrie de masă etc.

Una dintre cele mai comune metode de sorbție este cromatografia, care este o metodă de măsurare combinată în care determinarea proprietăților fizice ale mediului de testare este precedată de procesul de separare cromatografică a acestuia în componentele sale constitutive. Acest lucru simplifică procesul de măsurare și extinde dramatic limitele posibilităților metodelor de măsurare directă.

Capacitatea de a măsura compoziția totală a amestecurilor organice complexe și sensibilitatea ridicată a dispozitivelor au condus la dezvoltarea rapidă a acestei direcții în instrumentele analitice în ultimii ani.

O aplicație practică a fost găsită în industrie cromatografii de gazeconstând din două părți principale: o coloană cromatografică concepută pentru a separa amestecul de testat și un detector utilizat pentru măsurarea concentrației componentelor separate ale amestecului. Există o mare varietate de modele pentru cromatografele de gaze, atât în ​​ceea ce privește regimul termic al coloanei de separare, cât și principiul de funcționare al detectorului.

În cromatografele în mod izotermic, temperatura termostatului coloanei este menținută constantă în timpul ciclului de analiză; în cromatografele cu programare de temperatură, aceasta din urmă se modifică în timp după un program prestabilit; în cromatografele în modul termodinamic, în timpul ciclului de analiză, temperatura diferitelor părți ale coloanei se modifică pe lungimea acesteia.

În principiu, se poate folosi un detector cromatografic orice dispozitiv pentru determinarea proprietăților fizice și fizico-chimice ale unei substanțe date. Designul său este chiar mai simplu decât cel al altor instrumente analitice, deoarece trebuie măsurate concentrațiile componentelor deja separate ale amestecului.

În prezent utilizat pe scară largă detectoare bazate pe măsurarea densității gazului, conductibilității termice (așa-numitele „catarometre”), efectul termic al arderii produselor („termochimice”), conductivitatea electrică a flăcării în care intră amestecul de testat („ionizare cu flacără”), conductivitatea electrică a flăcării gaz ionizat de radiații radioactive („ionizare -argon”) și altele.

Fiind foarte universală, metoda cromatografică dă cel mai mare efect la măsurarea concentrației de impurități în amestecuri complexe de hidrocarburi cu un punct de fierbere de până la 400 - 500 ° C.

Procesele chimice care aduc mediul la parametri care pot fi măsurați în moduri simple pot fi utilizate cu aproape toate metodele de măsurare directă. Absorbția selectivă a componentelor individuale ale unui amestec de gaze de către un lichid face posibilă măsurarea concentrației substanțelor de testat prin măsurarea volumului amestecului înainte și după absorbție. Funcționarea analizoarelor volumetrice de gaze se bazează pe acest principiu.

Diferit reacții de culoare, precedând măsurarea efectului interacțiunii cu substanța emisiei de lumină.

Aceasta include un grup mare de așa-numitele fotocolorimetre în bandă, în care măsurarea concentrației componentelor gazoase se realizează prin măsurarea gradului de întunecare a unei benzi pe care a fost aplicată anterior o substanță care dă o reacție de culoare cu substanța de testat. Această metodă este utilizată pe scară largă pentru măsurarea microconcentrațiilor, în special a concentrațiilor periculoase de gaze toxice în aerul spațiilor industriale.

Se folosesc și reacții de culoare în fotocolorimetre lichide pentru a le crește sensibilitatea, pentru a măsura concentrația componentelor incolore în lichide etc.

Este promițător măsurarea intensității luminiscenței lichidelorcauzate de reactii chimice. Una dintre cele mai comune metode chimice analitice este titrare... Metoda de titrare constă în măsurarea cantităților fizice și fizico-chimice inerente unui mediu lichid care este expus unor factori chimici sau fizici externi.

În momentul trecerii modificărilor cantitative la cele calitative (punctul final de titrare), se înregistrează cantitatea consumată de substanță sau electricitate corespunzătoare concentrației componentei măsurate. Practic, este o metodă ciclică, dar există diferite versiuni ale acesteia, până la continuă. Cele mai utilizate ca indicatori ai punctului final al titrarii sunt senzori potențiometrici (pH-metric) și fotocolorimetrici.

Arutyunov OS Senzori pentru compoziția și proprietățile materiei