Anyagok összetételének és tulajdonságainak meghatározására szolgáló érzékelők és mérőeszközök

A vezérlőeszközök és automatizálási berendezések osztályozásának fő jellemzője az információáramlás szempontjából az automatikus szabályozási és vezérlőrendszerekben betöltött szerepük.

Az automatizálás műszaki eszközeinek feladatai általában:

• elsődleges információk megszerzése;

• átalakulása;

• átvitele;

• a kapott információk feldolgozása és összehasonlítása a programmal;

• parancsnoki (ellenőrzési) információ kialakítása;

• parancsnoki (ellenőrzési) információ továbbítása;

• parancsinformációk felhasználásával a folyamat irányítására.

Anyagok tulajdonságainak és összetételének érzékelői vezető szerepet töltenek be az automatikus vezérlőrendszerben, elsődleges információk megszerzésére szolgálnak, és nagymértékben meghatározzák a teljes automata vezérlőrendszer minőségét.

Állítsunk fel néhány alapfogalmat.Mi a közeg mértéke, tulajdonságai, összetétele? A környezet tulajdonságait egy vagy több mérhető fizikai vagy fizikai-kémiai mennyiség számértékei határozzák meg.

A mérés egy olyan folyamat, amelynek során kísérleti úton feltárják a vizsgálandó közeg tulajdonságait jellemző bizonyos fizikai vagy fizikai-kémiai mennyiség mennyiségi arányát és a referenciaközeg megfelelő mennyiségét. Kísérleten a vizsgált környezetre gyakorolt ​​aktív hatás objektív folyamatát kell érteni, amelyet anyagi eszközök segítségével, rögzített feltételek mellett hoznak létre.

A környezet összetétele, i.e. alkotóelemeinek minőségi és mennyiségi tartalma, a környezet fizikai vagy fizikai-kémiai tulajdonságaitól és az azokat jellemző mennyiségektől való ismert függéséből határozható meg, mérés mellett.

A közeg tulajdonságait és összetételét általában közvetett módon határozzák meg. A környezet tulajdonságait jellemző különféle fizikai vagy fizikai-kémiai mennyiségek mérésével, valamint e mennyiségek és a környezet összetétele közötti matematikai összefüggés ismeretében nagyobb ill. kisebb fokú pontosság.

Más szóval, egy mérőeszköz kiválasztásához vagy megépítéséhez, például egy többkomponensű közeg teljes összetételének meghatározásához, először is meg kell határozni, hogy milyen fizikai vagy fizikai-kémiai mennyiségek jellemzik ennek a közegnek a tulajdonságait, és másodszor, hogy alakfüggőségeket találjunk

ki = f (C1, C2, … Cm),

ahol ki — a környezet egyes összetevőinek koncentrációja, C1, C2, ... Cm — a környezet tulajdonságait jellemző fizikai vagy fizikai-kémiai mennyiségek.

Ennek megfelelően a közeg összetételének szabályozására szolgáló eszköz a közeg egy-egy komponensének vagy tulajdonságainak koncentrációjának egységeiben kalibrálható, ha ezek között bizonyos határokon belül egyértelmű összefüggés van.

Az anyagok fizikai és fizikai-kémiai tulajdonságainak és összetételének automatikus szabályozására szolgáló NSD-eszközök olyan eszközök, amelyek különálló fizikai vagy fizikai-kémiai mennyiségeket mérnek, amelyek egyértelműen meghatározzák a környezet tulajdonságait vagy annak minőségi vagy mennyiségi összetételét.

A tapasztalatok azonban azt mutatják, hogy egy kellően tanulmányozott technológiai folyamat automatikus szabályozásának vagy vezérlésének megvalósításához nem szükséges minden pillanatban teljes körű információval rendelkezni a közbenső és végtermékek összetételéről, valamint egyes összetevőik koncentrációjáról. Ilyen információkra általában szükség van a folyamatok létrehozása, tanulása és elsajátítása során.

Az optimális technológiai előírások kialakítása, a folyamat menete és a termékek tulajdonságait, összetételét jellemző mérhető fizikai és fizikai-kémiai mennyiségek közötti egyértelmű összefüggések megállapítása után az eljárás végrehajtható, készülék skála kalibrálása közvetlenül azokban a mennyiségekben, amelyeket például a hőmérséklet, az elektromos áram, a kapacitás stb. mértékegységében mér, vagy a közeg meghatározott tulajdonságának egységeiben, például színben, zavarosságban, elektromos vezetőképességben, viszkozitásban, dielektromos állandóban, stb. n.

A környezet tulajdonságait és összetételét meghatározó fizikai és fizikai-kémiai mennyiségek mérésének főbb módszereit az alábbiakban tárgyaljuk.

A meglévő, történelmileg kialakult terméknómenklatúra a következő főbb eszközcsoportokat tartalmazza:

• gázelemzők,

• folyékony koncentrátorok,

• sűrűségmérők,

• viszkoziméterek,

• nedvességmérők,

• tömegspektrométerek,

• kromatográfok,

• pH-mérők,

• solinométerek,

• cukormérők stb.

Ezeket a csoportokat pedig a mérési módszerek vagy a vizsgált anyagok szerint osztjuk fel. Az ilyen besorolás szélsőséges konvencionálissága és a szerkezetileg azonos eszközök különböző csoportokba sorolásának lehetősége megnehezíti az eszközök tanulmányozását, kiválasztását és összehasonlítását.

A közvetlen mérőeszközök közé tartoznak azok, amelyek meghatározzák a közvetlenül vizsgált anyag fizikai vagy fizikai-kémiai tulajdonságait és összetételét. Ezzel szemben a kombinált eszközökben a vizsgált anyag mintája olyan hatásoknak van kitéve, amelyek jelentősen megváltoztatják kémiai összetételét vagy aggregációs állapotát.

Mindkét esetben lehetséges a minta előzetes előkészítése hőmérséklet, nyomás és néhány egyéb paraméter tekintetében. E két fő készülékosztályon kívül vannak olyanok is, amelyekben közvetlen és kombinált mérés is végezhető.

Közvetlen mérőműszerek

A közvetlen mérőeszközökben a közeg fizikai és fizikai-kémiai tulajdonságait a következő mennyiségek mérésével határozzák meg: mechanikai, termodinamikai, elektrokémiai, elektromos és mágneses, végül hullám.

A mechanikai értékekhez mindenekelőtt a közeg sűrűségét és fajsúlyát úszó, gravitációs, hidrosztatikus és dinamikus mérési módszereken alapuló műszerekkel határozzák meg.Ebbe beletartozik a közeg viszkozitásának meghatározása is, különféle viszkoziméterekkel mérve: kapilláris, rotációs, ejtőgolyós módszerek és egyebek alapján.

Termodinamikai mennyiségekből a reakció hőhatása termokémiai eszközökkel mérve, a hővezetési tényező, amelyet hővezető eszközökkel mérnek, a kőolajtermékek gyulladási hőmérséklete, a gőznyomás stb. alkalmazást találtak.

Kiterjedt fejlesztés a folyékony keverékek összetételének és tulajdonságainak, valamint egyes keletkező gázok mérésére elektrokémiai eszközök… Ide tartoznak mindenekelőtt konduktométerek és potenciométerekSók, savak és bázisok koncentrációjának változtatással történő meghatározására tervezett eszközök elektromos vezetőképesség döntéseket. Ezek az ún konduktometrikus koncentrátorok vagy érintkező és érintésmentes konduktométerek.

Nagyon széles körben elterjedt pH-mérők — eszközök a közeg savasságának az elektróda potenciálja alapján történő meghatározására.

Meghatározzuk az elektród polarizáció miatti potenciáleltolódását galvanikus és depolarizáló gázanalizátorokban, az oxigén és egyéb gázok tartalmának szabályozására szolgál, amelyek jelenléte az elektródák depolarizációját okozza.

Ez az egyik legígéretesebb polarográfiás mérési módszer, amely az elektródán lévő különböző ionok felszabadulási potenciáljának és a korlátozó áramsűrűség egyidejű meghatározásából áll.

A gázok nedvességkoncentrációjának mérését a coulometriás módszer, ahol definiálva van a víz elektrolízisének sebességenedvességre érzékeny filmen keresztül adszorbeálódik a gázból.

Eszközök alapján elektromos és mágneses mennyiségek mérésére.

Gázionizáció elektromos vezetőképességük egyidejű mérésével alacsony koncentrációk mérésére szolgál. Az ionizáció lehet termikus vagy különféle sugárzások, különösen radioaktív izotópok hatására.

A termikus ionizációt széles körben használják kromatográfok lángionizációs detektoraiban… A gázok alfa- és béta-sugárzással történő ionizálását széles körben alkalmazzák kromatográfiás detektorokban (ún. "argon" detektorok), valamint alfa- és béta-ionizációs gázanalizátorokbana különböző gázok ionizációs keresztmetszete különbsége alapján.

Ezekben a műszerekben a tesztgáz egy alfa- vagy béta-ionizációs kamrán halad át. Ebben az esetben a kamrában lévő ionizációs áramot mérik, ami az alkatrész tartalmát jellemzi. A közeg dielektromos állandójának meghatározását a nedvesség és más anyagok tartalmának mérésére használják különféle típusú eszközökkel. kapacitív nedvességmérők és dielektromos mérők.

A dielektromos állandó gázárammal mosott szorbens filmet használnak, amely jellemzi a benne lévő vízgőz koncentrációját dielometrikus nedvességmérők.

A fajlagos mágneses érzékenység lehetővé teszi a paramágneses gázok, elsősorban az oxigén koncentrációjának mérését termomágneses, magnetoeffúziós és magnetomechanikus gázelemzők.

Végül a részecskék fajlagos töltését, amely tömegükkel együtt az anyag fő jellemzője, határozza meg repülési idő tömegspektrométerek, nagyfrekvenciás és mágneses tömegelemzők.

Hullámmennyiségek mérése — a műszerépítés egyik legígéretesebb iránya, amely a vizsgált környezet különböző típusú sugárzásokkal való kölcsönhatásának felhasználásán alapul. Tehát a környezetből való felszívódás intenzitása ultrahangos rezgések lehetővé teszi a közeg viszkozitásának és sűrűségének becslését.

Az ultrahang terjedési sebességének mérése közegben képet ad az egyes komponensek koncentrációjáról vagy a latexek és más polimer anyagok polimerizációs fokáról. Az elektromágneses rezgések szinte teljes skáláját, a rádiófrekvenciáktól a röntgen- és gamma-sugárzásig, az anyagok tulajdonságait és összetételét vizsgáló érzékelőkben használják.

Ide tartoznak a legérzékenyebb analitikai műszerek, amelyek az elektromágneses oszcillációkból származó energia abszorpciójának intenzitását mérik a rövid hullámhossz, centiméter és milliméter tartományban, elektromágneses és magmágneses rezonancia alapján.

A legszélesebb körben használt eszközök a környezet és a fényenergia kölcsönhatását használják fel. a spektrum infravörös, látható és ultraibolya részein… Mérik a fény integrált kibocsátását és abszorpcióját, valamint az anyagok emissziós és abszorpciós spektrumának jellegzetes vonalainak és sávjainak intenzitását.

Optikai-akusztikus hatáson alapuló, a spektrum infravörös tartományában működő, többatomos gázok és gőzök koncentrációjának mérésére alkalmas eszközöket alkalmazunk.

A fény törésmutatója a közegben a folyékony és gáznemű közeg összetételének meghatározására szolgál refraktométerek és interferométerek.

A fény polarizációs síkjának forgási intenzitását optikailag aktív anyagok oldataival mérjük a koncentrációjuk meghatározására. polariméterek.

Széles körben kidolgozták a különböző közegek sűrűségének és összetételének mérésére szolgáló módszereket, amelyek a röntgen- és radioaktív sugárzás közeggel való kölcsönhatásának különböző alkalmazásaira épülnek.

Kombinált eszközök

A környezet fizikai és fizikai-kémiai tulajdonságainak közvetlen meghatározásának a mérést megelőző különféle segédműveletekkel való kombinációja számos esetben jelentősen bővítheti a mérési lehetőségeket, növelheti az egyszerű módszerek szelektivitását, érzékenységét és pontosságát. Az ilyen eszközöket kombináltnak nevezzük.

A járulékos műveletek közé tartozik elsősorban gáz felszívódása folyadékból, gőzkondenzáció és folyadék párolgáslehetővé teszi a folyadékok koncentrációjának mérésére szolgáló módszerek alkalmazását a gázok elemzése során, mint pl konduktometria, potenciometria, fotokolorimetria stb.és fordítva, a felhasznált folyadékok koncentrációjának mérésére gázelemzési módszerek: hővezetési mérés, tömegspektrometria stb.

Az egyik leggyakoribb szorpciós módszer az kromatográfia, amely egy kombinált mérési módszer, amelyben a vizsgálandó közeg fizikai tulajdonságainak meghatározását megelőzi annak alkotóelemekre történő kromatográfiás szétválasztása. Ez leegyszerűsíti a mérési folyamatot, és drámaian kiterjeszti a közvetlen mérési módszerek lehetőségeinek határait.

Az összetett szerves keverékek teljes összetételének mérési képessége és a készülékek nagy érzékenysége az utóbbi években ennek az iránynak a gyors fejlődéséhez vezetett az analitikai műszerekben.

Gyakorlati alkalmazást találtak az iparban gázkromatográfokkét fő részből áll: a vizsgált keverék elválasztására szolgáló kromatográfiás oszlopból és a keverék elválasztott komponenseinek koncentrációjának mérésére szolgáló detektorból. A gázkromatográfok kialakításának széles skálája létezik, mind az elválasztóoszlop hőkezelését, mind a detektor működési elvét tekintve.

Az izoterm üzemmódú kromatográfoknál az oszloptermosztát hőmérsékletét állandó értéken tartják az elemzési ciklus alatt; a hőmérséklet-programozással rendelkező kromatográfokban ez utóbbi idővel egy előre meghatározott program szerint változik; termodinamikai üzemmódú kromatográfokban az elemzési ciklus során az oszlop különböző részeinek hőmérséklete a hossza mentén változik.

Elvileg kromatográfiás detektor használható bármely olyan eszköz, amely egy adott anyag fizikai és fizikai-kémiai tulajdonságait meghatározza. Kialakítása még a többi analitikai műszernél is egyszerűbb, hiszen a keverék már elválasztott komponenseinek koncentrációját kell mérni.

Jelenleg széles körben használt gázsűrűség, hővezető képesség mérésén alapuló detektorok (az ún. "katarométerek"), a termékek égésének hőhatása ("termokémiai"), a láng elektromos vezetőképessége, amelybe a vizsgált keverék belép ("láng-ionizáció"), az égéstermékek elektromos vezetőképessége. radioaktív sugárzással ionizált gáz ("ionizációs -argon") és mások.

Mivel nagyon univerzális, a kromatográfiás módszer a legnagyobb hatást a 400-500 °C forráspontig terjedő komplex szénhidrogén-keverékekben lévő szennyeződések koncentrációjának mérésére adja.

Azok a kémiai eljárások, amelyek a közeget egyszerű módszerekkel mérhető paraméterekre hozzák, szinte minden direkt mérési módszerrel alkalmazhatók. A gázkeverék egyes komponenseinek folyadék általi szelektív abszorpciója lehetővé teszi a vizsgált anyagok koncentrációjának mérését a keverék térfogatának mérésével az abszorpció előtt és után. A térfogat-manometrikus gázelemzők működése ezen az elven alapul.

Különböző színreakciók, megelőzve a fényemisszió anyagával való kölcsönhatás hatásának mérését.

Ide tartozik egy nagy csoport ún csíkos fotokoloriméterek, amelyben a gázkomponensek koncentrációjának mérése egy olyan csík sötétedési fokának mérésével történik, amelyre előzőleg a vizsgált anyaggal színreakciót adó anyagot vittek fel. Ezt a módszert széles körben használják mikrokoncentrációk, különösen az ipari helyiségek levegőjében lévő mérgező gázok veszélyes koncentrációinak mérésére.

Színreakciókat is alkalmaznak folyékony fotokoloriméterekben érzékenységük növelésére, színtelen komponensek koncentrációjának mérésére folyadékokban stb.

Ígéretes folyadékok lumineszcencia intenzitásának mérésekémiai reakciók okozzák. Az egyik leggyakoribb analitikai kémiai módszer az titrálás... A titrálási módszer a külső kémiai vagy fizikai tényezőknek kitett folyékony közegben rejlő fizikai és fizikai-kémiai mennyiségek méréséből áll.

A mennyiségi változások minőségire való átmenetének pillanatában (a titrálás végpontja) a mért komponens koncentrációjának megfelelő elfogyasztott anyag vagy villamos energia mennyiségét rögzítjük. Alapvetően ciklikus módszerről van szó, de többféle változata létezik, akár folyamatos is. A titrálás végpontjának indikátoraként a legszélesebb körben használják potenciometrikus (pH-metrikus) és fotokolorimetriás érzékelők.

Arutyunov OS Érzékelők az anyag összetételéhez és tulajdonságaihoz