Сензори и измервателни устройства за определяне на състава и свойствата на веществата

Основната характеристика на класификацията на устройствата за управление и оборудването за автоматизация е тяхната роля в системите за автоматично регулиране и управление по отношение на потока от информация.

Задачите на техническите средства за автоматизация като цяло са:

• получаване на първична информация;

• нейната трансформация;

• предаването му;

• обработка и сравнение на получената информация с програмата;

• формиране на командна (контролна) информация;

• предаване на командна (контролна) информация;

• използване на команда информация за контрол на процеса.

Сензори за свойства и състав на веществата играят водеща роля в системата за автоматично управление, те служат за получаване на първична информация и до голяма степен определят качеството на цялата система за автоматично управление.

Нека установим някои основни понятия. Какво е измерване, свойства, състав на среда? Свойствата на средата се определят от числените стойности на една или повече физични или физико -химични величини, които могат да бъдат измерени.

Измерването е процес на разкриване чрез експеримент на количественото съотношение на определена физическа или физико -химична величина, характеризираща свойствата на изпитваната среда и съответното количество на референтната среда. Под експеримент се разбира обективен процес на активно въздействие върху тестваната среда, произведен с помощта на материални средства при фиксирани условия.

Съставът на околната среда, т.е. качественото и количественото съдържание на съставните й компоненти, може да се определи от известната му зависимост от физическите или физико -химичните свойства на средата и от величините, които ги характеризират, подлежащи на измерване.

По правило свойствата и съставът на средата се определят косвено. Чрез измерване на различни физични или физико -химични величини, характеризиращи свойствата на средата, и познавайки математическата връзка между тези величини, от една страна, и състава на средата, от друга, можем да преценим нейния състав с по -голяма или по -малка степен на точност.

С други думи, за да се избере или изгради измервателно устройство, например, за да се определи пълният състав на многокомпонентна среда, е необходимо, първо, да се установят какви физични или физико -химични величини характеризират свойствата на тази среда и, второ , за да намерите зависимости на формата

ki = f (C1, C2, … Cм),

където ки — концентрация на всеки компонент на средата, C1, C2, … Cm — физични или физико -химични величини, характеризиращи свойствата на средата.

Съответно, устройството, използвано за контрол на състава на средата, може да се калибрира в единици на концентрацията на определен компонент или свойства на средата, ако между тях има недвусмислена връзка в някои граници.

NSУстройства за автоматичен контрол на физическите и физико -химичните свойства и състава на веществата са устройства, които измерват отделни физични или физико -химични величини, които еднозначно определят свойствата на средата или нейния качествен или количествен състав.

Опитът обаче показва, че за внедряването на автоматично регулиране или контрол на достатъчно изучен технологичен процес не е необходимо във всеки един момент да има пълна информация за състава на междинните и крайните продукти и за концентрацията на някои от техните компоненти. Такава информация обикновено се изисква при създаване, изучаване и овладяване на процеси.

Когато са разработени оптималните технологични регламенти, са установени недвусмислени взаимоотношения между хода на процеса и измеримите физични и физико -химични величини, характеризиращи свойствата и състава на продуктите, тогава процесът може да бъде осъществен, калибриране на скалата на устройството директно в тези количества, които той измерва например в мерни единици за температура, електрически ток, капацитет и т.н., или в единици от определеното свойство на средата, например цвят, мътност, електрическа проводимост, вискозитет, диелектрична константа, и т.н.

Основните методи за измерване на физични и физико -химични величини, които определят свойствата и състава на средата, са разгледани по -долу.

Съществуващите исторически утвърдени номенклатури на продукти включват следните основни групи устройства:

• газови анализатори,

• концентратори на течности,

• измерватели на плътност,

• вискозиметри,

• влагомери,

• масспектрометри,

• хроматографи,

• рН метри,

• солинометри,

• захариметри и др.

Тези групи от своя страна се подразделят според методите на измерване или според анализираните вещества. Изключителната конвенционалност на такава класификация и възможността за присвояване на структурно идентични устройства на различни групи затрудняват изучаването, избора и сравняването на устройства.

Устройствата за директно измерване включват тези, при които се определят физичните или физико -химичните свойства и съставът на директно тестваното вещество. За разлика от тях, в комбинирани устройства, пробата от изпитваното вещество е изложена на влияния, които значително променят химичния му състав или агрегатното му състояние.

И в двата случая е възможна предварителна подготовка на пробата по отношение на температура, налягане и някои други параметри. В допълнение към тези два основни класа устройства, има и такива, в които могат да се извършват както директно, така и комбинирано измерване.

Инструменти за директно измерване

В устройствата за директно измерване физическите и физико -химичните свойства на средата се определят чрез измерване на следните величини: механични, термодинамични, електрохимични, електрически и магнитни и накрая вълнови.

До механични стойности на първо място, плътността и специфичното тегло на средата се определят с помощта на инструменти, базирани на поплавъчни, тежестни, хидростатични и динамични методи за измерване. Това включва и определяне на вискозитета на средата, измерен с различни вискозиметри: капилярен, ротационен, въз основа на методите на падащата топка и други.

От термодинамични величини топлинният ефект на реакцията, измерен с термохимични устройства, коефициентът на топлопроводимост, който се измерва с термопроводникови устройства, температурата на възпламеняване на нефтопродуктите, налягането на парите и др. са намерили приложение.

Широко развитие с цел измерване на състава и свойствата на течните смеси, както и на някои получени газове електрохимични устройства… Те включват преди всичко кондуктометри и потенциометриустройства, предназначени да определят концентрацията на соли, киселини и основи чрез промяна електропроводимост решения. Това са т.нар кондуктометрични концентратори или контактни и безконтактни кондуктометри.

Намерено много широко разпространено рН метри — устройства за определяне на киселинността на средата по потенциала на електрода.

Определя се изместването на електродния потенциал в резултат на поляризация в галванични и деполяризиращи газови анализатори, служещи за контрол на съдържанието на кислород и други газове, чието присъствие причинява деполяризация на електродите.

Един от най -обещаващите е метод на полярографско измерване, който се състои в едновременното определяне на потенциалите на освобождаване на различни йони върху електрода и ограничаващата плътност на тока.

Измерването на концентрацията на влага в газовете се постига посредством кулонометричен метод, при което се определя скорост на електролиза на водатаадсорбирано от газа чрез филм, чувствителен към влага.

Устройства, базирани на за измерване на електрически и магнитни величини.

Йонизация на газ с едновременно измерване на електрическата им проводимост, се използва за измерване на ниски концентрации. Йонизацията може да бъде термична или под въздействието на различни радиации, по -специално радиоактивни изотопи.

Термичната йонизация е широко използвана в пламъчно -йонизационни детектори на хроматографи… Йонизацията на газове чрез алфа и бета лъчи е широко използвана в хроматографски детектори (т.нар. «аргонови» детектори), както и в алфа и бета йонизационни газови анализаторивъз основа на разликата в йонизационните сечения на различни газове.

Изпитваният газ в тези инструменти преминава през алфа или бета йонизационна камера. В този случай се измерва йонизационният ток в камерата, който характеризира съдържанието на компонента. Определянето на диелектричната константа на средата се използва за измерване на съдържанието на влага и други вещества посредством различни видове капацитивни влагомери и диелектометри.

Диелектричната константа се използва сорбентен филм, измит от газов поток, характеризиращ концентрацията на водни пари в него диелометрични хигрометри.

Специфичната магнитна чувствителност дава възможност за измерване на концентрацията на парамагнитни газове, главно кислород, посредством термомагнитни, магнитоефузионни и магнитомеханични газови анализатори.

И накрая, специфичният заряд на частици, който заедно с тяхната маса е основната характеристика на веществото, се определя от масспектрометри с времеви полет, високочестотен и магнитен анализатор на маса.

Измерване на вълновите количества — едно от най -обещаващите направления в приборостроенето, основано на използването на ефекта от взаимодействието на тестваната среда с различни видове радиация. И така, интензивността на поглъщане от средата ултразвукови вибрации дава възможност да се прецени вискозитета и плътността на средата.

Измерването на скоростта на разпространение на ултразвук в среда дава представа за концентрацията на отделни компоненти или степента на полимеризация на латекси и други полимерни вещества. Почти цялата скала на електромагнитни трептения, от радиочестоти до рентгенови лъчи и гама лъчение, се използва в сензорите за свойствата и състава на веществата.

Те включват най-чувствителните аналитични инструменти, които измерват интензивността на поглъщане на енергията от електромагнитни трептения в късо вълновия, сантиметровия и милиметровия диапазон, базирани на електромагнитния и ядрено-магнитния резонанс.

Най -широко използвани са устройства, които използват взаимодействието на средата със светлинна енергия. в инфрачервената, видимата и ултравиолетовата част на спектъра… Измерват се както интегралното излъчване и поглъщане на светлината, така и интензитетът на характерните линии и ленти на спектрите на излъчване и поглъщане на веществата.

Използват се устройства, базирани на оптико-акустичния ефект, работещи в инфрачервената област на спектъра, подходящи за измерване на концентрацията на многоатомни газове и пари.

Индекс на пречупване на светлината в средата използва се за определяне на състава на течни и газообразни среди чрез рефрактометри и интерферометри.

Измерването на интензитета на въртене на равнината на поляризация на светлината чрез разтвори на оптично активни вещества се използва за определяне на тяхната концентрация чрез поляриметри.

Методите за измерване на плътността и състава на различни среди, базирани на различните приложения на взаимодействието на рентгеновото и радиоактивното излъчване със средата, са широко разработени.

Комбинирани устройства

В редица случаи комбинацията от директно определяне на физическите и физико -химичните свойства на средата с различни спомагателни операции, предхождащи измерването, може значително да разшири възможностите за измерване, да увеличи селективността, чувствителността и точността на прости методи. Такива устройства наричаме комбинирани.

Спомагателните операции включват преди всичко абсорбиране на газ от течност, кондензация на пара и изпаряване на течносттапозволяващи използването на методи за измерване на концентрацията на течности при анализа на газове, като например кондуктометрия, потенциометрия, фотоколориметрия и др.и обратно, за измерване на концентрацията на използваните течности методи за газов анализ: термична кондуктометрия, масспектрометрия и др.

Един от най -често срещаните методи за сорбция е хроматография, който е комбиниран метод за измерване, при който определянето на физическите свойства на изпитваната среда се предхожда от процеса на нейното хроматографско разделяне на съставните й компоненти. Това опростява процеса на измерване и драстично разширява границите на възможностите на методите за директно измерване.

Възможността за измерване на общия състав на сложни органични смеси и високата чувствителност на устройствата доведоха до бързото развитие на тази посока в аналитичните инструменти през последните години.

Намерено е практическо приложение в промишлеността газови хроматографисъстоящ се от две основни части: хроматографска колона, предназначена за отделяне на изпитваната смес, и детектор, използван за измерване на концентрацията на отделените компоненти на сместа. Съществува голямо разнообразие от дизайни за газови хроматографи, както по отношение на термичния режим на разделителната колона, така и на принципа на работа на детектора.

В хроматографи с изотермичен режим температурата на термостата на колоната по време на цикъла на анализ се поддържа постоянна; в хроматографи с програмиране на температурата последният се променя с течение на времето според предварително определена програма; в хроматографи с термодинамичен режим, по време на цикъла на анализ , температурата на различни части на колоната се променя по нейната дължина.

По принцип може да се използва хроматографски детектор всяко устройство за определяне на физичните и физико -химичните свойства на дадено вещество. Дизайнът му е дори по -прост от този на други аналитични инструменти, тъй като трябва да се измерват концентрациите на вече отделените компоненти на сместа.

В момента широко използван детектори, базирани на измерване на плътността на газа, топлопроводимостта (така наречените «катарометри»), топлинният ефект от изгарянето на продуктите («термохимичен»), електрическата проводимост на пламъка, в който влиза изпитваната смес («пламъчно-йонизация»), електрическата проводимост на газа, йонизиран чрез радиоактивно излъчване („йонизация-аргон“) и други.

Като много универсален, хроматографският метод дава най -голям ефект при измерване на концентрацията на примеси в сложни въглеводородни смеси с точка на кипене до 400 — 500 ° C.

Химичните процеси, които довеждат средата до параметри, които могат да бъдат измерени по прости начини, могат да се използват с почти всички методи за директно измерване. Селективното абсорбиране на отделни компоненти на газова смес от течност дава възможност за измерване на концентрацията на изпитваните вещества чрез измерване на обема на сместа преди и след абсорбцията. Работата на обемно-манометрични газови анализатори се основава на този принцип.

Различни цветни реакции, предхождащ измерването на ефекта от взаимодействието със субстанцията на светлинното излъчване.

Това включва голяма група от т.нар лентови фотоколориметри, при който измерването на концентрацията на газовите компоненти се извършва чрез измерване на степента на потъмняване на лента, върху която преди това е нанесено вещество, което дава цветна реакция с изпитваното вещество. Този метод се използва широко за измерване на микроконцентрации, по -специално опасни концентрации на токсични газове във въздуха на промишлени помещения.

Използват се и цветни реакции в течни фотоколориметри за повишаване на тяхната чувствителност, за измерване на концентрацията на безцветни компоненти в течности и др.

Обещаващо е измерване на интензитета на луминисценция на течностипричинени от химични реакции. Един от най -разпространените аналитични химични методи е титруване… Методът на титруване се състои в измерване на физически и физико -химични количества, присъщи на течна среда, която е изложена на външни химични или физични фактори.

В момента на преминаване на количествени промени в качествени (крайната точка на титруване) се записва консумираното количество вещество или електричество, съответстващо на концентрацията на измерения компонент. По принцип това е цикличен метод, но има различни негови версии, до непрекъснат. Най -широко използваните като индикатори за крайната точка на титруване са потенциометрични (рН-метрични) и фотоколориметрични сензори.

Арутюнов О. С. Сензори за състава и свойствата на материята