Anturit ja mittalaitteet aineiden koostumuksen ja ominaisuuksien määrittämiseen

Ohjauslaitteiden ja automaatiolaitteiden luokituksen pääpiirre on niiden rooli automaattisissa säätö- ja ohjausjärjestelmissä tiedonkulun kannalta.

Automaation teknisten välineiden tehtävät yleensä ovat:

• ensisijaisten tietojen hankkiminen;

• hänen muutoksensa;

• sen lähetys;

• vastaanotetun tiedon käsittely ja vertailu ohjelman kanssa;

• komento- (ohjaus)tietojen muodostaminen;

• komento- (ohjaus)tietojen siirto;

• komentotietojen avulla prosessin ohjaamiseen.

Aineiden ominaisuuksien ja koostumuksen anturit niillä on johtava rooli automaattisessa ohjausjärjestelmässä, ne tarjoavat ensisijaiset tiedot ja määrittävät suurelta osin koko automaattisen ohjausjärjestelmän laadun.

Perustetaan joitain peruskäsitteitä.Mikä on väliaineen mittaus, ominaisuudet, koostumus? Ympäristön ominaisuudet määräytyvät yhden tai useamman mitattavissa olevan fysikaalisen tai fysikaalis-kemiallisen suuren numeeristen arvojen perusteella.

Mittaus on prosessi, jossa kokeen avulla paljastetaan tietyn testiväliaineen ominaisuuksia kuvaavan fysikaalisen tai fysikaalis-kemiallisen suuren ja vastaavan vertailuväliaineen määrän määrällinen suhde. Kokeilu ymmärretään objektiivisena aktiivisena vaikutuksena testattavaan ympäristöön, joka on tuotettu aineellisten keinojen avulla kiinteissä olosuhteissa.

Ympäristön koostumus, ts. sen komponenttien laadullinen ja määrällinen sisältö, voidaan määrittää sen tunnetun riippuvuuden perusteella ympäristön fysikaalisista tai fysikaalis-kemiallisista ominaisuuksista ja niitä luonnehtivista suureista mittauksen alaisena.

Väliaineen ominaisuudet ja koostumus määräytyvät yleensä epäsuorasti. Mittaamalla erilaisia ​​ympäristön ominaisuuksia kuvaavia fysikaalisia tai fysikaalis-kemiallisia suureita ja tietämällä toisaalta näiden suureiden ja toisaalta ympäristön koostumuksen välinen matemaattinen suhde, voimme arvioida sen koostumuksen suuremmaksi tai suuremmaksi. pienempi tarkkuusaste.

Toisin sanoen mittauslaitteen valitsemiseksi tai rakentamiseksi, esimerkiksi monikomponenttiväliaineen täydellisen koostumuksen määrittämiseksi, on ensin selvitettävä, mitkä fysikaaliset tai fysikaalis-kemialliset suureet luonnehtivat tämän väliaineen ominaisuuksia ja toiseksi löytää muotoriippuvuuksia

ki = f (C1, C2, … Cm),

jossa ki — ympäristön kunkin komponentin pitoisuus, C1, C2, ... Cm — ympäristön ominaisuuksia kuvaavat fysikaaliset tai fysikaalis-kemialliset suureet.

Näin ollen väliaineen koostumuksen säätämiseen käytettävä laite voidaan kalibroida väliaineen tietyn komponentin tai ominaisuuksien pitoisuuden yksiköissä, jos niiden välillä on yksiselitteinen suhde joissakin rajoissa.

NSD-laitteet aineiden fysikaalisten ja fysikaalis-kemiallisten ominaisuuksien ja koostumuksen automaattiseen säätöön ovat laitteita, jotka mittaavat erillisiä fysikaalisia tai fysikaalis-kemiallisia suureita, jotka yksiselitteisesti määrittävät ympäristön ominaisuudet tai sen laadullisen tai määrällisen koostumuksen.

Kokemus kuitenkin osoittaa, että riittävän tutkitun teknologisen prosessin automaattisen säätelyn tai ohjauksen toteuttamiseksi ei missään vaiheessa tarvitse olla täydellistä tietoa väli- ja lopputuotteiden koostumuksesta ja joidenkin niiden komponenttien pitoisuudesta. Tällaisia ​​tietoja tarvitaan yleensä prosessien luomisessa, oppimisessa ja hallitsemisessa.

Kun optimaaliset teknologiset määräykset on kehitetty, yksiselitteiset suhteet prosessin kulun ja tuotteiden ominaisuuksia ja koostumusta kuvaavien mitattavissa olevien fysikaalisten ja fysikaalis-kemiallisten suureiden välillä on saatu selville, voidaan prosessi suorittaa, laitteen asteikon kalibrointi suoraan niissä suureissa, jotka hän mittaa esimerkiksi lämpötilan, sähkövirran, kapasitanssin jne. yksiköissä tai väliaineen tietyn ominaisuuden yksiköissä, esimerkiksi värin, sameuden, sähkönjohtavuuden, viskositeetin, dielektrisyysvakion, jne. n.

Seuraavassa käsitellään tärkeimpiä ympäristön ominaisuudet ja koostumuksen määrittävien fysikaalisten ja fysikaalis-kemiallisten suureiden mittausmenetelmiä.

Nykyinen historiallisesti vakiintunut tuotenimikkeistö sisältää seuraavat päälaiteryhmät:

• kaasuanalysaattorit,

• nestemäiset tiivistimet,

• tiheysmittarit,

• viskosimetrit,

• kosteusmittarit,

• massaspektrometrit,

• kromatografit,

• pH-mittarit,

• solinometrit,

• sokerimittarit jne.

Nämä ryhmät puolestaan ​​jaetaan alaryhmiin mittausmenetelmien tai analysoitavien aineiden mukaan. Tällaisen luokituksen äärimmäinen tavanomaisuus ja mahdollisuus jakaa rakenteellisesti identtisiä laitteita eri ryhmiin vaikeuttavat laitteiden tutkimista, valintaa ja vertailua.

Suorat mittauslaitteet sisältävät laitteita, jotka määrittävät suoraan testattavan aineen fysikaaliset tai fysikaalis-kemialliset ominaisuudet ja koostumuksen. Sitä vastoin yhdistetyissä laitteissa testiaineen näyte altistuu vaikutuksille, jotka muuttavat merkittävästi sen kemiallista koostumusta tai sen aggregaatiotilaa.

Molemmissa tapauksissa näytteen esivalmistelu lämpötilan, paineen ja joidenkin muiden parametrien suhteen on mahdollista. Näiden kahden päälaiteluokan lisäksi on myös sellaisia, joissa voidaan suorittaa sekä suoraa että yhdistettyä mittausta.

Suorat mittauslaitteet

Suoramittauslaitteissa väliaineen fysikaaliset ja fysikaalis-kemialliset ominaisuudet määritetään mittaamalla seuraavat suureet: mekaaninen, termodynaaminen, sähkökemiallinen, sähköinen ja magneettinen ja lopuksi aalto.

Mekaanisiin arvoihin Ensinnäkin väliaineen tiheys ja ominaispaino määritetään kellunta-, painovoima-, hydrostaattisiin ja dynaamisiin mittausmenetelmiin perustuvilla instrumenteilla.Tähän kuuluu myös väliaineen viskositeetin määrittäminen, mitattuna erilaisilla viskosimetrillä: kapillaari-, pyörivä-, putoavan pallon menetelmien perusteella ja muilla.

Termodynaamisista suureista reaktion lämpövaikutus termokemiallisilla laitteilla mitattuna, lämmönjohtavuuskerroin, joka mitataan lämpöä johtavilla laitteilla, öljytuotteiden syttymislämpötila, höyrynpaine jne. ovat löytäneet sovelluksen.

Laaja kehitystyö nesteseosten koostumuksen ja ominaisuuksien sekä joidenkin syntyvien kaasujen mittaamiseksi sähkökemialliset laitteet… Ne sisältävät ennen kaikkea konduktometrit ja potentiometritlaitteet, jotka on suunniteltu määrittämään suolojen, happojen ja emästen pitoisuudet muuttamalla sähkönjohtavuus päätökset. Nämä ovat ns konduktometriset keskittimet tai kosketus- ja ei-kosketusjohtimet.

Löytyy erittäin laajalti pH-mittarit — laitteet väliaineen happamuuden määrittämiseksi elektrodin potentiaalin perusteella.

Polarisaatiosta johtuva elektrodin potentiaalisiirtymä määritetään galvaanisissa ja depolarisoivissa kaasuanalysaattoreissa, joka ohjaa happipitoisuutta ja muita kaasuja, joiden läsnäolo aiheuttaa elektrodien depolarisaatiota.

Se on yksi lupaavimmista polarografinen mittausmenetelmä, joka koostuu elektrodilla olevien eri ionien vapautumispotentiaalien ja rajoittavan virrantiheyden samanaikaisesta määrittämisestä.

Kaasujen kosteuspitoisuuden mittaus saavutetaan käyttämällä kulometrinen menetelmä, missä on määritelty veden elektrolyysin nopeusadsorboituu kaasusta kosteusherkän kalvon läpi.

Laitteet perustuvat sähköisten ja magneettisten suureiden mittaamiseen.

Kaasun ionisaatio kun niiden sähkönjohtavuus mitataan samanaikaisesti, käytetään alhaisten pitoisuuksien mittaamiseen. Ionisaatio voi olla lämpöä tai erilaisten säteilyjen, erityisesti radioaktiivisten isotooppien, vaikutuksesta.

Terminen ionisaatio on laajalti käytössä kromatografien liekki-ionisaatioilmaisimissa… Kaasujen ionisointia alfa- ja beetasäteillä käytetään laajalti kromatografisissa ilmaisimissa (ns. "argon"-ilmaisimet), samoin kuin alfa- ja beeta-ionisaatiokaasuanalysaattoreissaperustuu eri kaasujen ionisaatiopoikkileikkausten eroihin.

Näissä instrumenteissa oleva testikaasu kulkee alfa- tai beeta-ionisaatiokammion läpi. Tässä tapauksessa mitataan kammiossa oleva ionisaatiovirta, joka kuvaa komponentin sisältöä. Väliaineen dielektrisyysvakion määrittämistä käytetään kosteuden ja muiden aineiden pitoisuuden mittaamiseen eri tyyppien avulla. kapasitiiviset kosteusmittarit ja dielektriset mittarit.

Dielektrisyysvakio käytetään kaasuvirralla pestyä sorbenttikalvoa, joka kuvaa vesihöyryn pitoisuutta siinä dielometriset kosteusmittarit.

Spesifinen magneettinen herkkyys mahdollistaa paramagneettisten kaasujen, pääasiassa hapen, pitoisuuden mittaamisen termomagneettiset, magnetoeffuusio- ja magnetomekaaniset kaasuanalysaattorit.

Lopuksi hiukkasten ominaisvaraus, joka yhdessä niiden massan kanssa on aineen pääominaisuus, määräytyy lentoaikamassaspektrometrit, suurtaajuiset ja magneettiset massa-analysaattorit.

Aaltosuureiden mittaus — yksi lupaavimmista instrumenttien rakentamisen suunnista, joka perustuu testatun ympäristön erilaisten säteilytyyppien vuorovaikutuksen vaikutuksen hyödyntämiseen. Eli ympäristöstä imeytymisen intensiteetti ultraäänivärähtelyt mahdollistaa väliaineen viskositeetin ja tiheyden arvioinnin.

Ultraäänen etenemisnopeuden mittaaminen väliaineessa antaa käsityksen yksittäisten komponenttien pitoisuudesta tai lateksien ja muiden polymeeristen aineiden polymeroitumisasteesta. Aineiden ominaisuuksien ja koostumuksen antureissa käytetään lähes koko sähkömagneettisten värähtelyjen mittakaavaa radiotaajuuksista röntgen- ja gammasäteilyyn.

Niihin kuuluvat herkimmät analyyttiset instrumentit, jotka mittaavat sähkömagneettisten värähtelyjen energian absorption voimakkuutta lyhyen aallonpituuden, senttimetrin ja millimetrin alueilla sähkömagneettiseen ja ydinmagneettiseen resonanssiin perustuen.

Eniten käytettyjä ovat laitteet, jotka käyttävät ympäristön vuorovaikutusta valoenergian kanssa. spektrin infrapuna-, näkyvä- ja ultraviolettiosissa… Mitataan sekä valon kokonaisemissio ja -absorptio että aineiden emissio- ja absorptiospektrien tunnusviivojen ja vyöhykkeiden intensiteetti.

Käytetään optis-akustiseen vaikutukseen perustuvia laitteita, jotka toimivat spektrin infrapuna-alueella ja soveltuvat moniatomisten kaasujen ja höyryjen pitoisuuden mittaamiseen.

Valon taitekerroin väliaineessa käytetään nestemäisten ja kaasumaisten väliaineiden koostumuksen määrittämiseen refraktometrit ja interferometrit.

Valon polarisaatiotason pyörimisvoimakkuuden mittaamista optisesti aktiivisten aineiden liuoksilla käytetään niiden pitoisuuden määrittämiseen polarimetrit.

Eri väliaineiden tiheyden ja koostumuksen mittausmenetelmiä, jotka perustuvat röntgensäteilyn ja radioaktiivisen säteilyn vuorovaikutuksen erilaisiin sovelluksiin väliaineen kanssa, on kehitetty laajasti.

Yhdistetyt laitteet

Monissa tapauksissa ympäristön fysikaalisten ja fysikaalis-kemiallisten ominaisuuksien suoran määrityksen yhdistäminen erilaisiin mittausta edeltäviin aputoimintoihin voi merkittävästi laajentaa mittausmahdollisuuksia, lisätä yksinkertaisten menetelmien selektiivisyyttä, herkkyyttä ja tarkkuutta. Kutsumme tällaisia ​​laitteita yhdistetyiksi.

Aputoimintoihin kuuluvat ensisijaisesti kaasun imeytyminen nesteestä, höyryn kondensaatio ja nesteen haihtuminenmahdollistaen menetelmien käytön nesteiden pitoisuuden mittaamiseksi kaasujen analysoinnissa, kuten esim konduktiometria, potentiometria, fotokolorimetria jne.ja päinvastoin käytettyjen nesteiden pitoisuuden mittaamiseksi kaasuanalyysimenetelmät: lämmönjohtavuus, massaspektrometria jne.

Yksi yleisimmistä sorptiomenetelmistä on kromatografia, joka on yhdistetty mittausmenetelmä, jossa testiväliaineen fysikaalisten ominaisuuksien määritystä edeltää sen kromatografinen erottaminen sen aineosiksi. Tämä yksinkertaistaa mittausprosessia ja laajentaa dramaattisesti suorien mittausmenetelmien mahdollisuuksien rajoja.

Kyky mitata monimutkaisten orgaanisten seosten kokonaiskoostumusta ja laitteiden korkea herkkyys ovat johtaneet tämän suunnan nopeaan kehitykseen analyyttisissa instrumenteissa viime vuosina.

Käytännön sovellus on löydetty teollisuudesta kaasukromatografitjoka koostuu kahdesta pääosasta: kromatografiakolonni, joka on suunniteltu erottamaan testiseos, ja detektori, jota käytetään mittaamaan seoksen erotettujen komponenttien pitoisuus. Kaasukromatografeihin on olemassa laaja valikoima malleja sekä erotuskolonnin lämpötilan että ilmaisimen toimintaperiaatteen suhteen.

Isotermisissä kromatografeissa kolonnin termostaatin lämpötila pidetään vakiona analyysisyklin aikana; lämpötilaohjelmoiduissa kromatografeissa jälkimmäinen muuttuu ajan myötä ennalta määrätyn ohjelman mukaisesti; termodynaamisissa kromatografeissa analyysisyklin aikana kolonnin eri osien lämpötila muuttuu sen pituudella.

Periaatteessa voidaan käyttää kromatografista ilmaisinta mikä tahansa laite, jolla määritetään tietyn aineen fysikaaliset ja fysikaalis-kemialliset ominaisuudet. Sen rakenne on jopa yksinkertaisempi kuin muiden analyyttisten laitteiden, koska seoksen jo erotettujen komponenttien pitoisuudet on mitattava.

Tällä hetkellä laajalti käytössä kaasun tiheyden ja lämmönjohtavuuden mittaamiseen perustuvat ilmaisimet (ns. "katarometrit"), tuotteiden palamisen lämpövaikutus ("lämpökemiallinen"), sen liekin sähkönjohtavuus, johon testiseos joutuu ("liekki-ionisaatio"), palamisen sähkönjohtavuus. radioaktiivisella säteilyllä ionisoitu kaasu ("ionisaatio-argon") ja muut.

Koska kromatografinen menetelmä on erittäin yleinen, se antaa suurimman vaikutuksen, kun mitataan epäpuhtauksien pitoisuutta monimutkaisissa hiilivetyseoksissa, joiden kiehumispiste on jopa 400–500 °C.

Kemiallisia prosesseja, jotka tuovat väliaineen yksinkertaisella tavalla mitattavissa oleviin parametreihin, voidaan käyttää lähes kaikissa suorissa mittausmenetelmissä. Kaasuseoksen yksittäisten komponenttien valikoiva absorptio nesteeseen mahdollistaa koeaineiden pitoisuuden mittaamisen mittaamalla seoksen tilavuus ennen ja jälkeen absorption. Tilavuusmanometristen kaasuanalysaattoreiden toiminta perustuu tähän periaatteeseen.

Eri värireaktioita, joka edeltää vuorovaikutuksen vaikutuksen mittaamista valoemission aineen kanssa.

Tämä sisältää suuren joukon ns nauhavalokuvakolorimetrit, jossa kaasukomponenttien pitoisuuden mittaus suoritetaan mittaamalla nauhan tummumisaste, jolle on aiemmin levitetty testiaineen kanssa värireaktion antavaa ainetta. Tätä menetelmää käytetään laajasti mikropitoisuuksien, erityisesti vaarallisten myrkyllisten kaasujen pitoisuuksien mittaamiseen teollisuustilojen ilmassa.

Myös värireaktioita käytetään nestemäisissä fotokolorimetreissä lisätä niiden herkkyyttä, mitata värittömien komponenttien pitoisuutta nesteissä jne.

Se on lupaavaa mittaamalla nesteiden luminesenssivoimakkuuttakemiallisten reaktioiden aiheuttamia. Yksi yleisimmistä analyyttisistä kemiallisista menetelmistä on titraus... Titrausmenetelmä koostuu fysikaalisten ja fysikaalis-kemiallisten määrien mittaamisesta nestemäiselle väliaineelle, joka on alttiina ulkoisille kemiallisille tai fysikaalisille tekijöille.

Kvantitatiivisten muutosten siirtymähetkellä kvalitatiivisiin (titrauksen loppupiste) kirjataan mitatun komponentin pitoisuutta vastaava kulutettu aineen tai sähkön määrä. Pohjimmiltaan se on syklinen menetelmä, mutta siitä on olemassa erilaisia ​​versioita jatkuvaan asti. Yleisimmin käytettyjä titrauksen loppupisteen indikaattoreita ovat potentiometriset (pH-metriset) ja fotokolorimetriset anturit.

Arutyunov OS Anturit aineen koostumukseen ja ominaisuuksiin