Senzorji in merilne naprave za določanje sestave in lastnosti snovi

Glavna značilnost klasifikacije krmilnih naprav in opreme za avtomatizacijo je njihova vloga v sistemih avtomatske regulacije in vodenja v smislu pretoka informacij.

Naloge tehničnih sredstev avtomatizacije na splošno so:

• pridobivanje primarnih informacij;

• njena preobrazba;

• njegov prenos;

• obdelava in primerjava prejetih informacij s programom;

• oblikovanje poveljniških (kontrolnih) informacij;

• Prenos ukaznih (nadzornih) informacij;

• uporabo ukaznih informacij za nadzor procesa.

Senzorji za lastnosti in sestavo snovi igrajo vodilno vlogo v sistemu avtomatskega vodenja, služijo za pridobivanje primarnih informacij in v veliki meri določajo kakovost celotnega sistema avtomatskega vodenja.

Vzpostavimo nekaj osnovnih pojmov.Kaj je merjenje, lastnosti, sestava medija? Lastnosti okolja so določene s številčnimi vrednostmi ene ali več fizikalnih ali fizikalno-kemijskih količin, ki jih je mogoče izmeriti.

Merjenje je postopek odkrivanja s poskusom kvantitativnega razmerja določene fizikalne ali fizikalno-kemijske količine, ki označuje lastnosti preskusnega medija, in ustrezne količine referenčnega medija. Eksperiment se razume kot objektiven proces aktivnega vpliva na preizkušeno okolje, ki se izvaja s pomočjo materialnih sredstev v določenih pogojih.

Sestava okolja, tj. kvalitativno in kvantitativno vsebino njegovih sestavnih delov, se lahko določi iz njegove znane odvisnosti od fizikalnih ali fizikalno-kemijskih lastnosti okolja in od količin, ki jih označujejo, predmet merjenja.

Lastnosti in sestavo medija praviloma določamo posredno. Z merjenjem različnih fizikalnih ali fizikalno-kemijskih veličin, ki označujejo lastnosti okolja, in s poznavanjem matematičnega odnosa med temi količinami na eni strani in sestavo okolja na drugi strani lahko ocenimo njegovo sestavo na večjo oz. manjša stopnja natančnosti.

Z drugimi besedami, da bi izbrali ali zgradili merilno napravo, na primer za določitev celotne sestave večkomponentnega medija, je treba najprej ugotoviti, katere fizikalne ali fizikalno-kemijske količine označujejo lastnosti tega medija in, drugič, za iskanje odvisnosti oblik

ki = f (C1, C2, … Cm),

kjer je ki — koncentracija vsake sestavine okolja, C1, C2, ... Cm — fizikalne ali fizikalno-kemijske količine, ki označujejo lastnosti okolja.

V skladu s tem je mogoče napravo, ki se uporablja za nadzor sestave medija, kalibrirati v enotah koncentracije določene komponente ali lastnosti medija, če obstaja nedvoumno razmerje med njimi v nekaterih mejah.

NNaprave za avtomatsko kontrolo fizikalnih in fizikalno-kemijskih lastnosti ter sestave snovi so naprave, ki merijo posamezne fizikalne ali fizikalno-kemijske količine, ki nedvoumno določajo lastnosti okolja oziroma njegovo kakovostno ali kvantitativno sestavo.

Izkušnje pa kažejo, da za izvedbo avtomatske regulacije oziroma krmiljenja dovolj raziskanega tehnološkega procesa v vsakem trenutku ni treba imeti popolnih informacij o sestavi vmesnih in končnih izdelkov ter o koncentraciji nekaterih njihovih komponent. Takšne informacije so običajno potrebne pri ustvarjanju, učenju in obvladovanju procesov.

Ko so razviti optimalni tehnološki predpisi, vzpostavljena nedvoumna razmerja med potekom procesa in merljivimi fizikalnimi in fizikalno-kemijskimi količinami, ki označujejo lastnosti in sestavo izdelkov, se postopek lahko izvaja, kalibracija lestvice naprave neposredno v tistih količinah, ki jih meri, na primer v enotah temperature, električnega toka, kapacitivnosti itd., ali v enotah določene lastnosti medija, na primer barva, motnost, električna prevodnost, viskoznost, dielektrična konstanta, itd. n.

V nadaljevanju so obravnavane glavne metode za merjenje fizikalnih in fizikalno-kemijskih količin, ki določajo lastnosti in sestavo okolja.

Obstoječa zgodovinsko uveljavljena nomenklatura izdelkov vključuje naslednje glavne skupine naprav:

• plinski analizatorji,

• koncentratorji tekočine,

• merilniki gostote,

• viskozimetri,

• higrometri,

• masni spektrometri,

• kromatografi,

• pH metri,

• solinometri,

• merilniki sladkorja itd.

Te skupine pa so razdeljene glede na merilne metode ali glede na analizirane snovi. Izjemna konvencionalnost takšne klasifikacije in možnost razvrščanja strukturno enakih naprav v različne skupine otežuje preučevanje, izbiro in primerjavo naprav.

Med neposredne merilne naprave sodijo tiste, ki določajo fizikalne ali fizikalno-kemijske lastnosti in sestavo neposredno preskušane snovi. Nasprotno pa je pri kombiniranih napravah vzorec preizkušane snovi izpostavljen vplivom, ki pomembno spremenijo njegovo kemično sestavo ali agregatno stanje.

V obeh primerih je možna predpriprava vzorca glede na temperaturo, tlak in nekatere druge parametre. Poleg teh dveh glavnih razredov naprav obstajajo tudi naprave, v katerih je mogoče izvajati neposredne in kombinirane meritve.

Neposredni merilni instrumenti

Pri neposrednih merilnih napravah ugotavljamo fizikalne in fizikalno-kemijske lastnosti medija z merjenjem naslednjih veličin: mehanskih, termodinamičnih, elektrokemičnih, električnih in magnetnih ter na koncu valovanja.

Na mehanske vrednosti najprej se določita gostota in specifična teža medija z instrumenti, ki temeljijo na plavajočih, gravitacijskih, hidrostatičnih in dinamičnih merilnih metodah.Sem spada tudi določanje viskoznosti medija, merjeno z različnimi viskozimetri: kapilarnimi, rotacijskimi, na podlagi metode padajoče krogle in drugimi.

Iz termodinamičnih veličin toplotni učinek reakcije, merjen s termokemičnimi napravami, koeficient toplotne prevodnosti, ki se meri s termoprevodnimi napravami, temperatura vžiga naftnih derivatov, parni tlak itd. našli aplikacijo.

Obsežen razvoj za merjenje sestave in lastnosti tekočih zmesi ter nekaterih nastalih plinov elektrokemične naprave… Vključujejo predvsem konduktometri in potenciometrinaprave za določanje koncentracije soli, kislin in baz s spreminjanjem električna prevodnost odločitve. To so t.i konduktometrični koncentratorji ali kontaktni in brezkontaktni konduktometri.

Najdeno zelo široko razširjeno pH metri — naprave za določanje kislosti medija s potencialom elektrode.

Določi se premik potenciala elektrode zaradi polarizacije v galvanskih in depolarizacijskih plinskih analizatorjih, ki služi za nadzor vsebnosti kisika in drugih plinov, katerih prisotnost povzroča depolarizacijo elektrod.

Je eden najbolj obetavnih polarografska merilna metoda, ki je sestavljen iz hkratnega določanja potencialov sproščanja različnih ionov na elektrodi in mejne gostote toka.

Merjenje koncentracije vlage v plinih se doseže s pomočjo kulometrična metoda, kjer je definirano hitrost elektrolize vodeadsorbirano iz plina skozi film, občutljiv na vlago.

Naprave, ki temeljijo na za merjenje električnih in magnetnih veličin.

Ionizacija plina ob hkratnem merjenju njihove električne prevodnosti se uporablja za merjenje nizkih koncentracij. Ionizacija je lahko toplotna ali pod vplivom različnih sevanj, zlasti radioaktivnih izotopov.

Toplotna ionizacija se pogosto uporablja v plamensko ionizacijskih detektorjih kromatografov… Ionizacija plinov z alfa in beta žarki se pogosto uporablja v kromatografskih detektorjih (tako imenovani "argon" detektorji), kot tudi v alfa in beta ionizacijskih plinskih analizatorjihki temelji na razliki v ionizacijskih presekih različnih plinov.

Preskusni plin v teh instrumentih gre skozi alfa ali beta ionizacijsko komoro. V tem primeru se meri ionizacijski tok v komori, ki označuje vsebnost komponente. Določanje dielektrične konstante medija se uporablja za merjenje vsebnosti vlage in drugih snovi s pomočjo različnih vrst kapacitivni merilniki vlage in dielektrični merilniki.

Dielektrična konstanta uporablja se sorbentni film, opran s plinskim tokom, ki označuje koncentracijo vodne pare v njem dielometrični higrometri.

Specifična magnetna občutljivost omogoča merjenje koncentracije paramagnetnih plinov, predvsem kisika, s pomočjo termomagnetni, magnetoefuzijski in magnetomehanski plinski analizatorji.

Končno je specifični naboj delcev, ki je skupaj z njihovo maso glavna značilnost snovi, določen z masni spektrometri časa preleta, visokofrekvenčni in magnetni masni analizatorji.

Merjenje valovnih veličin — ena najbolj obetavnih smeri v gradnji instrumentov, ki temelji na uporabi učinka interakcije testiranega okolja z različnimi vrstami sevanja. Torej, intenzivnost absorpcije iz okolja ultrazvočne vibracije omogoča oceno viskoznosti in gostote medija.

Merjenje hitrosti širjenja ultrazvoka v mediju daje predstavo o koncentraciji posameznih komponent ali stopnji polimerizacije lateksa in drugih polimernih snovi. V senzorjih za lastnosti in sestavo snovi se uporablja skoraj celoten obseg elektromagnetnih nihanj, od radijskih frekvenc do rentgenskih žarkov in sevanja gama.

Vključujejo najobčutljivejše analitične instrumente, ki merijo intenzivnost absorpcije energije elektromagnetnih nihanj v kratkovalovnem, centimetrskem in milimetrskem območju na podlagi elektromagnetne in jedrske magnetne resonance.

Najbolj razširjene so naprave, ki uporabljajo interakcijo okolja s svetlobno energijo. v infrardečem, vidnem in ultravijoličnem delu spektra… Merijo se tako integralna emisija in absorpcija svetlobe kot intenziteta značilnih črt in pasov emisijskih in absorpcijskih spektrov snovi.

Uporabljajo se naprave na osnovi optično-akustičnega učinka, ki delujejo v infrardečem območju spektra in so primerne za merjenje koncentracije večatomskih plinov in hlapov.

Lomni količnik svetlobe v mediju Uporablja se za določanje sestave tekočih in plinastih medijev refraktometri in interferometri.

Meritev intenzivnosti vrtenja ravnine polarizacije svetlobe z raztopinami optično aktivnih snovi se uporablja za določanje njihove koncentracije z polarimetri.

Metode za merjenje gostote in sestave različnih medijev, ki temeljijo na različnih aplikacijah interakcije rentgenskega in radioaktivnega sevanja z medijem, so bile zelo razvite.

Kombinirane naprave

V številnih primerih lahko kombinacija neposrednega določanja fizikalnih in fizikalno-kemijskih lastnosti okolja z različnimi pomožnimi operacijami pred merjenjem bistveno razširi merilne možnosti, poveča selektivnost, občutljivost in natančnost preprostih metod. Take naprave imenujemo kombinirane.

Pomožne dejavnosti vključujejo predvsem absorpcija plina iz tekočine, kondenzacija hlapov in izhlapevanje tekočineki omogoča uporabo metod za merjenje koncentracije tekočin pri analizi plinov, kot npr konduktometrija, potenciometrija, fotokolorimetrija itd.in obratno, za merjenje koncentracije uporabljenih tekočin metode za analizo plinov: toplotna konduktometrija, masna spektrometrija itd.

Ena najpogostejših sorpcijskih metod je kromatografija, ki je kombinirana merilna metoda, pri kateri je pred določanjem fizikalnih lastnosti preskusnega medija postopek njegove kromatografske ločitve na sestavne komponente. To poenostavi postopek merjenja in dramatično razširi meje možnosti neposrednih merilnih metod.

Sposobnost merjenja skupne sestave kompleksnih organskih zmesi in visoka občutljivost naprav sta v zadnjih letih privedli do hitrega razvoja te smeri v analitičnih instrumentih.

Praktična uporaba je bila najdena v industriji plinski kromatografisestavljen iz dveh glavnih delov: kromatografske kolone, namenjene ločevanju preskusne zmesi, in detektorja, ki se uporablja za merjenje koncentracije ločenih komponent zmesi. Obstaja veliko različnih izvedb plinskih kromatografov, tako glede toplotnega režima ločevalne kolone kot principa delovanja detektorja.

Pri izotermičnih kromatografih se temperatura kolonskega termostata med analiznim ciklom ohranja konstantna; pri kromatografih s programiranjem temperature se le-ta spreminja skozi čas po vnaprej določenem programu; pri kromatografih s termodinamičnim načinom se med analiznim ciklom temperatura različnih delov kolone spreminja po njeni dolžini.

Načeloma se lahko uporabi kromatografski detektor katera koli naprava za določanje fizikalnih in fizikalno-kemijskih lastnosti dane snovi. Njegova zasnova je še enostavnejša kot pri drugih analitičnih instrumentih, saj je treba meriti koncentracije že ločenih komponent zmesi.

Trenutno se pogosto uporablja detektorji na osnovi merjenja gostote plina, toplotne prevodnosti (tako imenovani "katarometri"), toplotni učinek zgorevanja produktov ("termokemijski"), električna prevodnost plamena, v katerega vstopi preskusna zmes ("plamenska ionizacija"), električna prevodnost plin, ioniziran z radioaktivnim sevanjem ("ionizacija -argon") in drugi.

Ker je kromatografska metoda zelo univerzalna, daje največji učinek pri merjenju koncentracije nečistoč v kompleksnih mešanicah ogljikovodikov z vreliščem do 400-500 ° C.

Kemični procesi, ki medij privedejo do parametrov, ki jih je mogoče enostavno izmeriti, se lahko uporabljajo s skoraj vsemi metodami neposrednega merjenja. Selektivna absorpcija posameznih sestavin mešanice plinov s tekočino omogoča merjenje koncentracije preizkušanih snovi z merjenjem volumna mešanice pred in po absorpciji. Na tem principu temelji delovanje volumsko-manometričnih plinskih analizatorjev.

Drugačen barvne reakcije, pred merjenjem učinka interakcije s snovjo emisije svetlobe.

Sem spada velika skupina t.i tračni fotokolorimetri, pri katerem se merjenje koncentracij plinskih komponent izvaja z merjenjem stopnje potemnitve traku, na katerega je predhodno nanesena snov, ki daje barvno reakcijo s preizkušano snovjo. Ta metoda se pogosto uporablja za merjenje mikrokoncentracij, zlasti nevarnih koncentracij strupenih plinov v zraku industrijskih prostorov.

Uporabljajo se tudi barvne reakcije v tekočih fotokolorimetrih za povečanje njihove občutljivosti, za merjenje koncentracije brezbarvnih sestavin v tekočinah itd.

Obetavno je merjenje intenzitete luminiscence tekočinki jih povzročajo kemične reakcije. Ena najpogostejših analiznih kemijskih metod je titracija... Metoda titracije je sestavljena iz merjenja fizikalnih in fizikalno-kemijskih količin, ki so del tekočega medija, ki je izpostavljen zunanjim kemičnim ali fizikalnim dejavnikom.

V trenutku prehoda kvantitativnih sprememb v kvalitativne (končna točka titracije) se zabeleži porabljena količina snovi ali električne energije, ki ustreza koncentraciji merjene komponente. V osnovi gre za ciklično metodo, vendar obstajajo različne različice, vse do kontinuirane. Najpogosteje uporabljeni kot indikatorji končne točke titracije so potenciometrični (pH-metrični) in fotokolorimetrični senzorji.

Arutyunov OS Senzorji za sestavo in lastnosti snovi