Sensori un mērierīces vielu sastāva un īpašību noteikšanai

Vadības ierīču un automatizācijas iekārtu klasifikācijas galvenā iezīme ir to loma automātiskās regulēšanas un vadības sistēmās informācijas plūsmas ziņā.

Automatizācijas tehnisko līdzekļu uzdevumi kopumā ir:

• primārās informācijas iegūšana;

• viņas pārvērtības;

• tā pārraide;

• saņemtās informācijas apstrāde un salīdzināšana ar programmu;

• komandas (kontroles) informācijas veidošana;

• komandu (vadības) informācijas pārraide;

• izmantojot komandu informāciju, lai kontrolētu procesu.

Vielu īpašību un sastāva sensori spēlē vadošo lomu automātiskās vadības sistēmā, tie kalpo primārās informācijas iegūšanai un lielā mērā nosaka visas automātiskās vadības sistēmas kvalitāti.

Izveidosim dažus pamatjēdzienus.Kas ir mērīšana, īpašības, barotnes sastāvs? Vides īpašības nosaka viena vai vairāku izmērāmu fizikāli vai fizikāli ķīmisku lielumu skaitliskās vērtības.

Mērīšana ir process, kurā ar eksperimenta palīdzību atklāj noteikta fizikālā vai fizikāli ķīmiskā daudzuma kvantitatīvo attiecību, kas raksturo testa barotnes īpašības, un atbilstošo atsauces vides daudzumu. Eksperiments tiek saprasts kā objektīvs aktīvās ietekmes process uz pārbaudāmo vidi, kas izveidots ar materiālo līdzekļu palīdzību fiksētos apstākļos.

Vides sastāvs, t.i. tā sastāvdaļu kvalitatīvais un kvantitatīvais saturs, var noteikt pēc zināmās atkarības no vides fizikālajām vai fizikāli ķīmiskajām īpašībām un no daudzumiem, kas tās raksturo, veicot mērījumus.

Parasti barotnes īpašības un sastāvs tiek noteikts netieši. Izmērot dažādus fizikālos vai fizikāli ķīmiskos lielumus, kas raksturo vides īpašības, un zinot matemātisko saistību starp šiem lielumiem, no vienas puses, un vides sastāvu, no otras puses, mēs varam novērtēt tās sastāvu uz lielāku vai mazāka precizitātes pakāpe.

Citiem vārdiem sakot, lai izvēlētos vai uzbūvētu mērierīci, piemēram, lai noteiktu daudzkomponentu vides pilnu sastāvu, vispirms ir jānosaka, kādi fizikāli vai fizikāli ķīmiskie lielumi raksturo šīs vides īpašības un otrkārt, lai atrastu formas atkarības

ki = f (C1, C2, … Cm),

kur ki — katras vides sastāvdaļas koncentrācija, C1, C2, ... Cm — vides īpašības raksturojoši fizikāli vai fizikāli ķīmiski lielumi.

Attiecīgi barotnes sastāva kontrolei izmantoto ierīci var kalibrēt noteiktas barotnes sastāvdaļas vai īpašību koncentrācijas vienībās, ja starp tām pastāv nepārprotama saistība kaut kādās robežās.

NSDierīces vielu fizikālo un fizikāli ķīmisko īpašību un sastāva automātiskai kontrolei ir ierīces, kas mēra atsevišķus fizikālos vai fizikāli ķīmiskos lielumus, kas nepārprotami nosaka vides īpašības vai tās kvalitatīvo vai kvantitatīvo sastāvu.

Taču pieredze rāda, ka pietiekami izpētīta tehnoloģiskā procesa automātiskās regulēšanas vai kontroles īstenošanai nevienā brīdī nav nepieciešama pilnīga informācija par starpproduktu un galaproduktu sastāvu un atsevišķu to sastāvdaļu koncentrāciju. Šāda informācija parasti ir nepieciešama, veidojot, apgūstot un apgūstot procesus.

Kad ir izstrādāti optimālie tehnoloģiskie noteikumi, ir noteiktas nepārprotamas sakarības starp procesa gaitu un izmērāmajiem fizikāli ķīmiskajiem lielumiem, kas raksturo produktu īpašības un sastāvu, tad procesu var veikt, ierīces skalas kalibrēšana tieši tajos daudzumos, kurus viņš mēra, piemēram, temperatūras, elektriskās strāvas, kapacitātes u.c. mērvienībās vai vides noteiktās īpašības vienībās, piemēram, krāsa, duļķainība, elektrovadītspēja, viskozitāte, dielektriskā konstante, utt n.

Tālāk ir aplūkotas galvenās metodes fizikālo un fizikāli ķīmisko lielumu mērīšanai, kas nosaka vides īpašības un sastāvu.

Esošā vēsturiski izveidotā produktu nomenklatūra ietver šādas galvenās ierīču grupas:

• gāzes analizatori,

• šķidruma koncentratori,

• blīvuma mērītāji,

• viskozimetri,

• higrometri,

• masas spektrometri,

• hromatogrāfi,

• pH metri,

• solinometri,

• cukura mērītāji utt.

Šīs grupas savukārt tiek iedalītas sīkāk pēc mērīšanas metodēm vai pēc analizētajām vielām. Šādas klasifikācijas galējā konvencionalitāte un iespēja strukturāli identiskas ierīces piešķirt dažādām grupām apgrūtina ierīču izpēti, atlasi un salīdzināšanu.

Tiešās mērīšanas ierīces ietver tās, kas nosaka tieši pārbaudāmās vielas fizikālās vai fizikāli ķīmiskās īpašības un sastāvu. Turpretim kombinētajās ierīcēs pārbaudāmās vielas paraugs ir pakļauts ietekmei, kas būtiski maina tā ķīmisko sastāvu vai agregācijas stāvokli.

Abos gadījumos ir iespējama iepriekšēja parauga sagatavošana temperatūras, spiediena un dažu citu parametru ziņā. Papildus šīm divām galvenajām ierīču klasēm ir arī tādas, kurās var veikt gan tiešu, gan kombinētu mērījumu.

Tiešās mērīšanas instrumenti

Tiešās mērīšanas ierīcēs vides fizikālās un fizikāli ķīmiskās īpašības nosaka, mērot šādus lielumus: mehānisko, termodinamisko, elektroķīmisko, elektrisko un magnētisko un visbeidzot viļņu.

Uz mehāniskām vērtībām pirmkārt, barotnes blīvumu un īpatnējo svaru nosaka, izmantojot instrumentus, kuru pamatā ir pludiņa, gravitācijas, hidrostatiskās un dinamiskās mērīšanas metodes.Tas ietver arī vides viskozitātes noteikšanu, mērot ar dažādiem viskozimetriem: kapilāru, rotējošu, pamatojoties uz krītošās bumbas metodēm un citiem.

No termodinamiskajiem lielumiem reakcijas siltumefekts, ko mēra ar termoķīmiskajām ierīcēm, siltumvadītspējas koeficients, ko mēra ar termovadošām ierīcēm, naftas produktu aizdegšanās temperatūra, tvaika spiediens u.c. atraduši pielietojumu.

Plaša izstrāde, lai izmērītu šķidro maisījumu sastāvu un īpašības, kā arī dažas iegūtās gāzes elektroķīmiskās ierīces… Tie ietver galvenokārt konduktometri un potenciometriierīces, kas paredzētas sāļu, skābju un bāzu koncentrācijas noteikšanai mainot elektrovadītspēja lēmumus. Tie ir tā sauktie konduktometriskie koncentratori vai kontakta un bezkontakta konduktometri.

Atrasts ļoti plaši izplatīts pH metri — ierīces barotnes skābuma noteikšanai pēc elektroda potenciāla.

Tiek noteikta elektroda potenciāla nobīde polarizācijas dēļ galvaniskajos un depolarizējošos gāzu analizatoros, kas kalpo skābekļa un citu gāzu satura kontrolei, kuru klātbūtne izraisa elektrodu depolarizāciju.

Tas ir viens no daudzsološākajiem polarogrāfiskā mērīšanas metode, kas sastāv no dažādu jonu izdalīšanās potenciālu vienlaicīgas noteikšanas uz elektroda un ierobežojošā strāvas blīvuma.

Mitruma koncentrācijas mērīšana gāzēs tiek panākta ar kulometriskā metode, kur ir definēts ūdens elektrolīzes ātrumsadsorbēts no gāzes caur mitrumjutīgu plēvi.

Ierīces, kuru pamatā ir elektrisko un magnētisko lielumu mērīšanai.

Gāzes jonizācija ar vienlaicīgu to elektrovadītspējas mērīšanu, izmanto zemu koncentrāciju mērīšanai. Jonizācija var būt termiska vai dažādu starojumu, jo īpaši radioaktīvo izotopu, ietekmē.

Plaši tiek izmantota termiskā jonizācija hromatogrāfu liesmas jonizācijas detektoros… Plaši tiek izmantota gāzu jonizācija ar alfa un beta stariem hromatogrāfiskajos detektoros (tā sauktie "argona" detektori), kā arī alfa un beta jonizācijas gāzu analizatorospamatojoties uz atšķirību dažādu gāzu jonizācijas šķērsgriezumos.

Testa gāze šajos instrumentos iet caur alfa vai beta jonizācijas kameru. Šajā gadījumā tiek mērīta jonizācijas strāva kamerā, kas raksturo komponenta saturu. Vides dielektriskās konstantes noteikšanu izmanto mitruma un citu vielu satura mērīšanai ar dažādu veidu palīdzību. kapacitatīvie mitruma mērītāji un dielektriskie mērītāji.

Dielektriskā konstante tiek izmantota sorbenta plēve, ko mazgā gāzes plūsma, kas raksturo ūdens tvaiku koncentrāciju tajā dielometriskie higrometri.

Īpašā magnētiskā jutība ļauj izmērīt paramagnētisko gāzu, galvenokārt skābekļa, koncentrāciju, izmantojot termomagnētiskie, magnetoefūzijas un magnetomehāniskie gāzes analizatori.

Visbeidzot, daļiņu īpatnējo lādiņu, kas kopā ar to masu ir galvenā vielas īpašība, nosaka lidojuma laika masas spektrometri, augstfrekvences un magnētiskās masas analizatori.

Viļņu daudzumu mērīšana — viens no perspektīvākajiem virzieniem instrumentu būvniecībā, kas balstīts uz pārbaudāmās vides mijiedarbības efekta izmantošanu ar dažādiem starojuma veidiem. Tātad, absorbcijas intensitāte no vides ultraskaņas vibrācijas ļauj novērtēt barotnes viskozitāti un blīvumu.

Ultraskaņas izplatīšanās ātruma mērīšana vidē dod priekšstatu par atsevišķu komponentu koncentrāciju vai lateksu un citu polimēru vielu polimerizācijas pakāpi. Vielu īpašību un sastāva sensoros izmanto gandrīz visu elektromagnētisko svārstību skalu, sākot no radiofrekvencēm līdz rentgena un gamma starojumam.

Tie ietver visjutīgākos analītiskos instrumentus, kas mēra elektromagnētisko svārstību enerģijas absorbcijas intensitāti īsviļņu garuma, centimetru un milimetru diapazonos, pamatojoties uz elektromagnētisko un kodolmagnētisko rezonansi.

Visplašāk tiek izmantotas ierīces, kas izmanto vides mijiedarbību ar gaismas enerģiju. spektra infrasarkanajā, redzamajā un ultravioletajā daļā… Tiek mērīta gan gaismas integrālā emisija un absorbcija, gan vielu emisijas un absorbcijas spektru raksturīgo līniju un joslu intensitāte.

Tiek izmantotas iekārtas, kuru pamatā ir optiski akustiskais efekts, kas darbojas spektra infrasarkanajā reģionā, piemērotas poliatomisku gāzu un tvaiku koncentrācijas mērīšanai.

Gaismas laušanas indekss vidē izmanto, lai noteiktu šķidro un gāzveida vides sastāvu pēc refraktometri un interferometri.

Gaismas polarizācijas plaknes rotācijas intensitātes mērījumus ar optiski aktīvo vielu šķīdumiem izmanto, lai noteiktu to koncentrāciju ar polarimetri.

Plaši izstrādātas dažādu barotņu blīvuma un sastāva mērīšanas metodes, kuru pamatā ir dažādi rentgenstaru un radioaktīvā starojuma mijiedarbības ar vidi pielietojumi.

Kombinētās ierīces

Vairākos gadījumos vides fizikālo un fizikāli ķīmisko īpašību tiešas noteikšanas kombinācija ar dažādām palīgoperācijām pirms mērījuma var ievērojami paplašināt mērīšanas iespējas, palielināt vienkāršu metožu selektivitāti, jutību un precizitāti. Mēs šādas ierīces saucam par kombinētām.

Papildoperācijas galvenokārt ietver gāzes absorbcija no šķidruma, tvaiku kondensācija un šķidruma iztvaikošanaļaujot izmantot metodes šķidrumu koncentrācijas mērīšanai gāzu analīzē, piemēram, konduktometrija, potenciometrija, fotokolorimetrija utt.un otrādi, lai izmērītu izmantoto šķidrumu koncentrāciju gāzu analīzes metodes: siltumvadītspēja, masas spektrometrija utt.

Viena no visizplatītākajām sorbcijas metodēm ir hromatogrāfija, kas ir kombinēta mērīšanas metode, kurā pirms testa vides fizikālo īpašību noteikšanas veic tās hromatogrāfisko atdalīšanu tā sastāvdaļās. Tas vienkāršo mērīšanas procesu un krasi paplašina tiešo mērīšanas metožu iespēju robežas.

Spēja izmērīt sarežģītu organisko maisījumu kopējo sastāvu un ierīču augstā jutība ir novedusi pie šī virziena straujas attīstības pēdējos gados analītiskos instrumentos.

Ir atrasts praktisks pielietojums rūpniecībā gāzu hromatogrāfikas sastāv no divām galvenajām daļām: hromatogrāfijas kolonnas, kas paredzēta testa maisījuma atdalīšanai, un detektora, ko izmanto, lai mērītu atdalīto maisījuma sastāvdaļu koncentrāciju. Gāzu hromatogrāfiem ir daudz dažādu dizainu gan attiecībā uz separācijas kolonnas termisko režīmu, gan detektora darbības principu.

Izotermiskā režīma hromatogrāfos kolonnas termostata temperatūra analīzes cikla laikā tiek uzturēta nemainīga; hromatogrāfos ar temperatūras programmēšanu pēdējā laika gaitā mainās saskaņā ar iepriekš noteiktu programmu; termodinamiskā režīma hromatogrāfos analīzes cikla laikā dažādu kolonnas daļu temperatūra mainās tās garumā.

Principā var izmantot hromatogrāfisko detektoru jebkura ierīce konkrētas vielas fizikālo un fizikāli ķīmisko īpašību noteikšanai. Tā konstrukcija ir pat vienkāršāka nekā citiem analītikas instrumentiem, jo ​​ir jāmēra jau atdalīto maisījuma sastāvdaļu koncentrācijas.

Šobrīd plaši izmantots detektori, kuru pamatā ir gāzes blīvuma, siltumvadītspējas mērīšana (tā sauktie "katarometri"), produktu sadegšanas termiskais efekts ("termoķīmisks"), liesmas elektriskā vadītspēja, kurā ieplūst testa maisījums ("liesmas jonizācija"), degvielu elektriskā vadītspēja. gāze, kas jonizēta ar radioaktīvo starojumu ("jonizācija -argons") un citi.

Tā kā hromatogrāfijas metode ir ļoti universāla, tā dod vislielāko efektu, mērot piemaisījumu koncentrāciju sarežģītos ogļūdeņražu maisījumos ar viršanas temperatūru līdz 400–500 ° C.

Ķīmiskos procesus, kas nodrošina barotnes parametrus, kurus var izmērīt vienkāršā veidā, var izmantot gandrīz visās tiešās mērīšanas metodēs. Gāzu maisījuma atsevišķu sastāvdaļu selektīva absorbcija ar šķidrumu ļauj izmērīt pārbaudāmo vielu koncentrāciju, mērot maisījuma tilpumu pirms un pēc absorbcijas. Uz šī principa balstās tilpuma-manometrisko gāzes analizatoru darbība.

Savādāk krāsu reakcijaspirms mijiedarbības ar gaismas emisijas vielu ietekmes mērīšanas.

Tas ietver lielu grupu t.s sloksnes fotokolorimetri, kurā gāzes komponentu koncentrācijas mērījumu veic, mērot tumšuma pakāpi sloksnei, uz kuras iepriekš uzklāta viela, kas rada krāsas reakciju ar testējamo vielu. Šo metodi plaši izmanto mikrokoncentrāciju, jo īpaši toksisko gāzu bīstamās koncentrācijas mērīšanai ražošanas telpu gaisā.

Tiek izmantotas arī krāsu reakcijas šķidros fotokolorimetros palielināt to jutību, izmērīt bezkrāsaino komponentu koncentrāciju šķidrumos u.c.

Tas ir daudzsološi šķidrumu luminiscences intensitātes mērīšanako izraisa ķīmiskas reakcijas. Viena no visizplatītākajām analītiskajām ķīmiskajām metodēm ir titrēšana... Titrēšanas metode sastāv no fizikālo un fizikāli ķīmisko daudzumu mērīšanas, kas piemīt šķidrai videi, kas ir pakļauta ārējiem ķīmiskiem vai fizikāliem faktoriem.

Kvantitatīvo izmaiņu pārejas brīdī uz kvalitatīvajām (titrēšanas beigu punkts) reģistrē patērēto vielas vai elektroenerģijas daudzumu, kas atbilst izmērītās komponentes koncentrācijai. Būtībā tā ir cikliska metode, taču ir dažādas tās versijas, līdz pat nepārtrauktai. Visplašāk tiek izmantoti kā titrēšanas beigu punkta indikatori potenciometriskie (pH-metriskie) un fotokolorimetriskie sensori.

Arutyunov OS Sensori vielas sastāvam un īpašībām