Czujniki i urządzenia pomiarowe do określania składu i właściwości substancji

Główną cechą klasyfikacji urządzeń sterujących i urządzeń automatyki jest ich rola w systemach automatycznej regulacji i sterowania w zakresie przepływu informacji.

Zadania technicznych środków automatyzacji w ogólności to:

• uzyskanie podstawowych informacji;

• jej przemiana;

• jego transmisja;

• przetwarzanie i porównywanie otrzymanych informacji z programem;

• tworzenie informacji dowodzenia (kontroli);

• transmisja informacji dowodzenia (kontroli);

• używając informacji o poleceniach do sterowania procesem.

Czujniki właściwości i składu substancji pełnią wiodącą rolę w układzie automatyki, służą do pozyskiwania podstawowych informacji iw dużej mierze decydują o jakości całego układu automatyki.

Ustalmy kilka podstawowych pojęć.Co to jest pomiar, właściwości, skład ośrodka? Właściwości środowiska są określane przez wartości liczbowe jednej lub więcej wielkości fizycznych lub fizykochemicznych, które można zmierzyć.

Pomiar jest procesem ujawniania w drodze eksperymentu ilościowego stosunku określonej wielkości fizycznej lub fizykochemicznej charakteryzującej właściwości pożywki testowej i odpowiadającej jej ilości pożywki odniesienia. Eksperyment rozumiany jest jako obiektywny proces aktywnego oddziaływania na badane środowisko, dokonywany za pomocą środków materialnych w ustalonych warunkach.

Skład środowiska, tj. jakościową i ilościową zawartość jego składników składowych, można wyznaczyć na podstawie znanej zależności od właściwości fizycznych lub fizykochemicznych środowiska oraz od wielkości je charakteryzujących, podlegających pomiarowi.

Z reguły właściwości i skład pożywki określa się pośrednio. Mierząc różne wielkości fizyczne lub fizykochemiczne charakteryzujące właściwości środowiska i znając matematyczny związek między tymi wielkościami z jednej strony a składem środowiska z drugiej, możemy oszacować jego skład z większą lub większą dokładnością. mniejszy stopień dokładności.

Innymi słowy, aby wybrać lub zbudować urządzenie pomiarowe, np. do określenia pełnego składu ośrodka wieloskładnikowego, należy w pierwszej kolejności ustalić, jakie wielkości fizyczne lub fizyko-chemiczne charakteryzują właściwości tego ośrodka, a następnie po drugie, aby znaleźć zależności kształtu

ki = f (C1, C2, … Cm),

gdzie ki — stężenie każdego składnika środowiska, C1, C2, ... Cm — wielkości fizyczne lub fizykochemiczne charakteryzujące właściwości środowiska.

W związku z tym urządzenie służące do kontroli składu pożywki można skalibrować w jednostkach stężenia określonego składnika lub właściwości pożywki, jeżeli istnieje między nimi jednoznaczna zależność w pewnych granicach.

NUrządzenia do automatycznej kontroli właściwości fizycznych i fizykochemicznych oraz składu substancji to urządzenia dokonujące pomiaru odrębnych wielkości fizycznych lub fizykochemicznych, które jednoznacznie określają właściwości środowiska lub jego skład jakościowy lub ilościowy.

Jednak doświadczenie pokazuje, że dla realizacji automatycznej regulacji lub sterowania dostatecznie przebadanym procesem technologicznym nie jest konieczne posiadanie w dowolnym momencie pełnej informacji o składzie produktów pośrednich i końcowych oraz o stężeniu niektórych ich składników. Takie informacje są zwykle wymagane podczas tworzenia, uczenia się i doskonalenia procesów.

Po opracowaniu optymalnych regulacji technologicznych, ustaleniu jednoznacznych zależności między przebiegiem procesu a mierzalnymi wielkościami fizycznymi i fizykochemicznymi charakteryzującymi właściwości i skład produktów, można wtedy prowadzić proces, kalibracja wagi urządzenia bezpośrednio w tych wielkościach, które mierzy, np. w jednostkach temperatury, prądu elektrycznego, pojemności itp. lub w jednostkach określonej właściwości ośrodka, np. barwy, zmętnienia, przewodności elektrycznej, lepkości, stałej dielektrycznej, itd. przym.

Poniżej omówiono główne metody pomiaru wielkości fizycznych i fizykochemicznych, które decydują o właściwościach i składzie środowiska.

Istniejąca historycznie ustalona nomenklatura produktów obejmuje następujące główne grupy urządzeń:

• analizatory gazów,

• koncentratory cieczy,

• gęstościomierze,

• lepkościomierze,

• higrometry,

• spektrometry masowe,

• chromatografy,

• mierniki pH,

• soliometry,

• liczniki cukru itp.

Te grupy z kolei dzielą się według metod pomiarowych lub według analizowanych substancji. Skrajna konwencjonalność takiej klasyfikacji i możliwość przyporządkowania identycznych konstrukcyjnie urządzeń do różnych grup utrudnia badanie, selekcję i porównywanie urządzeń.

Urządzenia do pomiarów bezpośrednich obejmują te, które określają właściwości fizyczne lub fizykochemiczne oraz skład bezpośrednio badanej substancji. Natomiast w urządzeniach kombinowanych próbka badanej substancji jest narażona na wpływy, które znacząco zmieniają jej skład chemiczny lub stan skupienia.

W obu przypadkach możliwe jest wstępne przygotowanie próbki pod kątem temperatury, ciśnienia i innych parametrów. Oprócz tych dwóch głównych klas urządzeń istnieją również takie, w których można wykonać zarówno pomiar bezpośredni, jak i kombinowany.

Przyrządy do pomiarów bezpośrednich

W przyrządach do pomiarów bezpośrednich właściwości fizyczne i fizykochemiczne ośrodka określa się mierząc wielkości: mechaniczną, termodynamiczną, elektrochemiczną, elektryczną i magnetyczną, wreszcie falową.

Do wartości mechanicznych przede wszystkim wyznacza się gęstość i ciężar właściwy ośrodka za pomocą przyrządów opartych na pływakowych, grawitacyjnych, hydrostatycznych i dynamicznych metodach pomiarowych.Obejmuje to również wyznaczanie lepkości medium, mierzonej różnymi lepkościomierzami: kapilarnymi, obrotowymi, opartymi na metodzie spadającej kuli i innych.

Z wielkości termodynamicznych efekt cieplny reakcji, mierzony za pomocą urządzeń termochemicznych, współczynnik przewodności cieplnej, który jest mierzony za pomocą urządzeń termoprzewodzących, temperatura zapłonu produktów ropopochodnych, prężność par itp. znalazły zastosowanie.

Obszerny rozwój do pomiaru składu i właściwości ciekłych mieszanin, a także niektórych powstających gazów urządzenia elektrochemiczne… Obejmują one przede wszystkim konduktometry i potencjometryurządzenia przeznaczone do oznaczania stężenia soli, kwasów i zasad metodą zmiennoprzecinkową przewodnictwo elektryczne decyzje. Są to tzw koncentratory konduktometryczne lub konduktometry kontaktowe i bezkontaktowe.

Znaleziono bardzo szeroko rozpowszechniony mierniki pH — urządzenia do określania kwasowości medium za pomocą potencjału elektrody.

Określa się przesunięcie potencjału elektrody spowodowane polaryzacją w analizatorach gazów galwanicznych i depolaryzujących, służący do kontroli zawartości tlenu i innych gazów, których obecność powoduje depolaryzację elektrod.

Jest jednym z najbardziej obiecujących polarograficzna metoda pomiaru, która polega na jednoczesnym wyznaczeniu potencjałów uwalniania różnych jonów na elektrodzie oraz granicznej gęstości prądu.

Pomiaru stężenia wilgoci w gazach dokonuje się za pomocą metoda kulometryczna, gdzie jest zdefiniowana szybkość elektrolizy wodyadsorbowane z gazu przez błonę wrażliwą na wilgoć.

Urządzenia oparte na do pomiaru wielkości elektrycznych i magnetycznych.

Jonizacja gazu z jednoczesnym pomiarem ich przewodności elektrycznej, służy do pomiaru niskich stężeń. Jonizacja może być termiczna lub pod wpływem różnych promieni, w szczególności izotopów promieniotwórczych.

Jonizacja termiczna jest szeroko stosowana w detektorach płomieniowo-jonizacyjnych chromatografów… Powszechnie stosuje się jonizację gazów za pomocą promieni alfa i beta w detektorach chromatograficznych (tzw. detektory „argonowe”), a także w analizatorach gazów jonizacyjnych alfa i betaw oparciu o różnicę w przekrojach poprzecznych jonizacji różnych gazów.

Gaz testowy w tych przyrządach przechodzi przez komorę jonizacyjną alfa lub beta. W tym przypadku mierzony jest prąd jonizacji w komorze, który charakteryzuje zawartość składnika. Wyznaczanie stałej dielektrycznej ośrodka służy do pomiaru zawartości wilgoci i innych substancji różnymi rodzajami wilgotnościomierze pojemnościowe i dielektryczne.

Stała dielektryczna stosuje się film sorbentu przemyty strumieniem gazu, charakteryzujący stężenie w nim pary wodnej higrometry dilometryczne.

Specyficzna czułość magnetyczna umożliwia pomiar stężenia gazów paramagnetycznych, głównie tlenu, za pomocą termomagnetyczne, magnetoeffuzyjne i magnetomechaniczne analizatory gazów.

Wreszcie ładunek właściwy cząstek, który wraz z ich masą jest główną cechą substancji, jest określany przez spektrometry masowe czasu przelotu, analizatory masowe wysokiej częstotliwości i magnetyczne.

Pomiar wielkości falowych — jeden z najbardziej obiecujących kierunków w budowie przyrządów, oparty na wykorzystaniu efektu oddziaływania badanego środowiska z różnymi rodzajami promieniowania. A więc intensywność wchłaniania z otoczenia wibracje ultradźwiękowe umożliwia oszacowanie lepkości i gęstości ośrodka.

Pomiar prędkości propagacji ultradźwięków w ośrodku daje wyobrażenie o stężeniu poszczególnych składników czy stopniu polimeryzacji lateksów i innych substancji polimerowych. Niemal cała skala oscylacji elektromagnetycznych, od częstotliwości radiowych po promieniowanie rentgenowskie i gamma, jest wykorzystywana w czujnikach do badania właściwości i składu substancji.

Należą do nich najbardziej czułe instrumenty analityczne, które mierzą intensywność pochłaniania energii z oscylacji elektromagnetycznych w zakresie fal krótkich, centymetrowych i milimetrowych, w oparciu o elektromagnetyczny i jądrowy rezonans magnetyczny.

Najszerzej stosowane są urządzenia wykorzystujące oddziaływanie otoczenia z energią świetlną. w podczerwonej, widzialnej i ultrafioletowej części widma… Mierzy się zarówno całkowitą emisję i absorpcję światła, jak i intensywność charakterystycznych linii i pasm widm emisyjnych i absorpcyjnych substancji.

Stosowane są urządzenia oparte na efekcie optyczno-akustycznym, działające w zakresie podczerwieni widma, odpowiednie do pomiaru stężenia wieloatomowych gazów i par.

Współczynnik załamania światła w ośrodku służy do określania składu mediów płynnych i gazowych wg refraktometry i interferometry.

Pomiar intensywności skręcania płaszczyzny polaryzacji światła przez roztwory substancji optycznie czynnych służy do określania ich stężenia poprzez polarymetry.

Metody pomiaru gęstości i składu różnych ośrodków, oparte na różnych zastosowaniach oddziaływania promieniowania rentgenowskiego i radioaktywnego z ośrodkiem, zostały szeroko rozwinięte.

Połączone urządzenia

W wielu przypadkach połączenie bezpośredniego wyznaczania właściwości fizycznych i fizykochemicznych środowiska z różnymi czynnościami pomocniczymi poprzedzającymi pomiar może znacznie rozszerzyć możliwości pomiarowe, zwiększyć selektywność, czułość i dokładność prostych metod. Takie urządzenia nazywamy połączonymi.

Działalność pomocnicza obejmuje przede wszystkim absorpcja gazu z cieczy, skraplanie pary i parowanie cieczypozwalające na wykorzystanie metod pomiaru stężenia cieczy w analizie gazów, takich jak np konduktometrię, potencjometrię, fotokolorymetrię itp.i odwrotnie, do pomiaru stężenia używanych cieczy metody analizy gazów: przewodnictwo cieplne, spektrometria mas itp.

Jedną z najczęstszych metod sorpcyjnych jest chromatografia, która jest kombinowaną metodą pomiarową, w której określenie właściwości fizycznych ośrodka badawczego poprzedzone jest procesem chromatograficznego rozdzielenia go na składniki składowe. Upraszcza to proces pomiarowy i radykalnie poszerza granice możliwości bezpośrednich metod pomiarowych.

Możliwość pomiaru całkowitego składu złożonych mieszanin organicznych oraz wysoka czułość urządzeń spowodowały szybki rozwój tego kierunku w przyrządach analitycznych w ostatnich latach.

Praktyczne zastosowanie znaleziono w przemyśle chromatografy gazoweskładający się z dwóch głównych części: kolumny chromatograficznej przeznaczonej do rozdzielania badanej mieszaniny oraz detektora służącego do pomiaru stężenia rozdzielonych składników mieszaniny. Istnieje duża różnorodność konstrukcji chromatografów gazowych, zarówno pod względem reżimu termicznego kolumny separacyjnej, jak i zasady działania detektora.

W chromatografach w trybie izotermicznym temperatura termostatu kolumny jest utrzymywana na stałym poziomie podczas cyklu analizy; w chromatografach z programowaniem temperatury ta ostatnia zmienia się w czasie zgodnie z ustalonym programem; w chromatografach w trybie termodynamicznym podczas cyklu analizy temperatura różnych części kolumny zmienia się wzdłuż jej długości.

Zasadniczo można zastosować detektor chromatograficzny każde urządzenie służące do określania właściwości fizycznych i fizykochemicznych danej substancji. Jego konstrukcja jest jeszcze prostsza niż w przypadku innych przyrządów analitycznych, ponieważ należy mierzyć stężenia już rozdzielonych składników mieszaniny.

Obecnie szeroko stosowany detektory oparte na pomiarze gęstości gazu, przewodności cieplnej (tak zwane „katarometry”), efekt cieplny spalania produktów („termochemiczny”), przewodnictwo elektryczne płomienia, do którego wchodzi badana mieszanina („jonizacja płomieniowa”), przewodność elektryczna gaz zjonizowany promieniowaniem radioaktywnym („jonizacja -argon”) i inne.

Będąc bardzo uniwersalną, metoda chromatograficzna daje największy efekt przy pomiarze stężenia zanieczyszczeń w złożonych mieszaninach węglowodorów o temperaturze wrzenia do 400 — 500 ° C.

Procesy chemiczne, które doprowadzają medium do parametrów, które można zmierzyć w prosty sposób, mogą być stosowane z prawie wszystkimi bezpośrednimi metodami pomiarowymi. Selektywna absorpcja poszczególnych składników mieszaniny gazowej przez ciecz umożliwia pomiar stężenia badanych substancji poprzez pomiar objętości mieszaniny przed i po absorpcji. Na tej zasadzie opiera się działanie objętościowo-manometrycznych analizatorów gazów.

Różny reakcje barwne, poprzedzające pomiar efektu oddziaływania z substancją emisji światła.

Obejmuje to dużą grupę tzw fotokolorymetry paskowe, w którym pomiar stężenia składników gazowych przeprowadza się poprzez pomiar stopnia zaciemnienia paska, na który uprzednio naniesiono substancję dającą reakcję barwną z substancją badaną. Metoda ta jest szeroko stosowana do pomiaru mikrostężeń, w szczególności niebezpiecznych stężeń gazów toksycznych w powietrzu obiektów przemysłowych.

Stosowane są również reakcje barwne w płynnych fotokolorymetrach w celu zwiększenia ich czułości, pomiaru stężenia składników bezbarwnych w cieczach itp.

To obiecujące pomiar intensywności luminescencji cieczyspowodowane reakcjami chemicznymi. Jedną z najczęstszych analitycznych metod chemicznych jest miareczkowanie... Metoda miareczkowa polega na pomiarze wielkości fizycznych i fizyko-chemicznych właściwych dla ciekłego ośrodka, który jest narażony na zewnętrzne czynniki chemiczne lub fizyczne.

W momencie przejścia zmian ilościowych na jakościowe (punkt końcowy miareczkowania) rejestrowana jest ilość zużytej substancji lub energii elektrycznej odpowiadająca stężeniu mierzonego składnika. Zasadniczo jest to metoda cykliczna, ale istnieją różne jej wersje, aż do ciągłej. Najczęściej stosowanymi wskaźnikami punktu końcowego miareczkowania są czujniki potencjometryczne (pH-metryczne) i fotokolorymetryczne.

Arutyunov OS Czujniki składu i właściwości materii