Sensoren en meetapparatuur voor het bepalen van de samenstelling en eigenschappen van stoffen

Het belangrijkste kenmerk van de classificatie van besturingsapparaten en automatiseringsapparatuur is hun rol in automatische regel- en controlesystemen in termen van informatiestroom.

De taken van technische automatiseringsmiddelen in het algemeen zijn:

• het verkrijgen van primaire informatie;

• haar transformatie;

• de overdracht ervan;

• verwerking en vergelijking van de ontvangen informatie met het programma;

• vorming van commando (controle) informatie;

• verzending van commando- (besturings-) informatie;

• opdrachtinformatie gebruiken om het proces te besturen.

Sensoren voor eigenschappen en samenstelling van stoffen spelen een leidende rol in de automatische besturing, dienen voor het verkrijgen van primaire informatie en bepalen in hoge mate de kwaliteit van de gehele automatische besturing.

Laten we enkele basisconcepten vaststellen.Wat is meting, eigenschappen, samenstelling van medium? De eigenschappen van de omgeving worden bepaald door de numerieke waarden van een of meer fysische of fysisch-chemische grootheden die kunnen worden gemeten.

Meting is een proces van het onthullen door middel van een experiment van de kwantitatieve verhouding van een bepaalde fysische of fysisch-chemische grootheid die kenmerkend is voor de eigenschappen van het testmedium en de overeenkomstige hoeveelheid van het referentiemedium. Een experiment wordt opgevat als een objectief proces van actieve impact op de geteste omgeving, geproduceerd met behulp van materiële middelen onder vaste omstandigheden.

De samenstelling van de omgeving, d.w.z. de kwalitatieve en kwantitatieve inhoud van de samenstellende componenten, kan worden bepaald op basis van de bekende afhankelijkheid van de fysische of fysisch-chemische eigenschappen van de omgeving en van de grootheden die deze kenmerken, onder voorbehoud van meting.

In de regel worden de eigenschappen en samenstelling van het medium indirect bepaald. Door verschillende fysische of fysisch-chemische grootheden te meten die kenmerkend zijn voor de eigenschappen van de omgeving, en door de wiskundige relatie tussen deze grootheden enerzijds en de samenstelling van de omgeving anderzijds te kennen, kunnen we de samenstelling ervan op een grotere of grotere waarde schatten. mindere mate van nauwkeurigheid.

Met andere woorden, om een ​​meetinstrument te kiezen of te bouwen om bijvoorbeeld de volledige samenstelling van een meercomponentenmedium te bepalen, moet eerst worden vastgesteld welke fysische of fysisch-chemische grootheden de eigenschappen van dit medium kenmerken en, ten tweede om vormafhankelijkheden te vinden

ki = f (C1, C2, … Cm),

waarin ki — concentratie van elke component van de omgeving, C1, C2, ... Cm — fysische of fysisch-chemische grootheden die kenmerkend zijn voor de eigenschappen van de omgeving.

Dienovereenkomstig kan het apparaat dat wordt gebruikt om de samenstelling van het medium te regelen, worden gekalibreerd in eenheden van de concentratie van een bepaalde component of eigenschappen van het medium, als er binnen bepaalde grenzen een ondubbelzinnige relatie tussen bestaat.

NSApparaten voor automatische controle van de fysische en fysisch-chemische eigenschappen en samenstelling van stoffen zijn apparaten die afzonderlijke fysische of fysisch-chemische grootheden meten die ondubbelzinnig de eigenschappen van de omgeving of de kwalitatieve of kwantitatieve samenstelling ervan bepalen.

De ervaring leert echter dat het voor de implementatie van automatische regeling of controle van een voldoende bestudeerd technologisch proces niet nodig is om op elk moment volledige informatie te hebben over de samenstelling van tussen- en eindproducten en over de concentratie van sommige van hun componenten. Dergelijke informatie is meestal nodig bij het maken, leren en beheersen van processen.

Wanneer de optimale technologische regelgeving is ontwikkeld, eenduidige relaties tussen het verloop van het proces en de meetbare fysische en fysisch-chemische grootheden die de eigenschappen en samenstelling van de producten kenmerken, zijn vastgesteld, kan het proces worden uitgevoerd, apparaat schaal kalibratie direct in die grootheden die hij meet, bijvoorbeeld in eenheden van temperatuur, elektrische stroom, capaciteit, enz., of in eenheden van de gespecificeerde eigenschap van het medium, bijvoorbeeld kleur, troebelheid, elektrische geleidbaarheid, viscositeit, diëlektrische constante, enz. zn.

Hieronder worden de belangrijkste methoden besproken voor het meten van fysische en fysisch-chemische grootheden die de eigenschappen en samenstelling van de omgeving bepalen.

De bestaande historisch gevestigde productnomenclatuur omvat de volgende hoofdgroepen apparaten:

• gasanalysatoren,

• vloeibare concentratoren,

• dichtheidsmeters,

• viscometers,

• hygrometers,

• massaspectrometers,

• chromatografen,

• pH-meters,

• zonnemeters,

• suikermeters enz.

Deze groepen zijn op hun beurt onderverdeeld volgens de meetmethoden of volgens de geanalyseerde stoffen. De extreme conventionaliteit van een dergelijke classificatie en de mogelijkheid om structureel identieke apparaten aan verschillende groepen toe te wijzen, maken het moeilijk om apparaten te bestuderen, selecteren en vergelijken.

Directe meetapparatuur omvat apparaten die de fysische of fysisch-chemische eigenschappen en samenstelling van de rechtstreeks geteste stof bepalen. In gecombineerde apparaten daarentegen wordt het monster van de teststof blootgesteld aan invloeden die de chemische samenstelling of aggregatietoestand aanzienlijk veranderen.

In beide gevallen is een voorbereidende voorbereiding van het monster in termen van temperatuur, druk en enkele andere parameters mogelijk. Naast deze twee hoofdklassen apparaten zijn er ook apparaten waarin zowel directe als gecombineerde metingen kunnen worden uitgevoerd.

Directe meetinstrumenten

In directe meetapparatuur worden de fysische en fysisch-chemische eigenschappen van het medium bepaald door de volgende grootheden te meten: mechanisch, thermodynamisch, elektrochemisch, elektrisch en magnetisch, en ten slotte golf.

Naar mechanische waarden allereerst worden de dichtheid en het soortelijk gewicht van het medium bepaald met behulp van instrumenten op basis van vlotter-, zwaartekracht-, hydrostatische en dynamische meetmethoden.Dit omvat ook het bepalen van de viscositeit van het medium, gemeten met verschillende viscositeitsmeters: capillair, roterend, op basis van de vallende-kogelmethoden en andere.

Van thermodynamische grootheden het warmte-effect van de reactie, gemeten met thermochemische apparaten, de thermische geleidbaarheidscoëfficiënt, die wordt gemeten met thermogeleidende apparaten, de ontstekingstemperatuur van aardolieproducten, de dampspanning, enz. toepassing hebben gevonden.

Uitgebreide ontwikkeling om de samenstelling en eigenschappen van vloeibare mengsels en enkele resulterende gassen te meten elektrochemische apparaten… Ze omvatten vooral conductometers en potentiometersapparaten ontworpen om de concentratie van zouten, zuren en basen te bepalen door te veranderen elektrische geleiding beslissingen. Dit zijn de zgn conductometrische concentratoren of contact- en contactloze conductometers.

Zeer wijd verspreid aangetroffen pH-meters — apparaten voor het bepalen van de zuurgraad van het medium door de potentiaal van de elektrode.

De potentiaalverschuiving van de elektrode als gevolg van polarisatie wordt bepaald in galvanische en depolariserende gasanalysatoren, dienend om het gehalte aan zuurstof en andere gassen te regelen, waarvan de aanwezigheid depolarisatie van de elektroden veroorzaakt.

Het is een van de meest veelbelovende polarografische meetmethode, die bestaat uit de gelijktijdige bepaling van de vrijgavepotentialen van verschillende ionen op de elektrode en de beperkende stroomdichtheid.

De meting van de vochtconcentratie in gassen wordt bereikt door middel van coulometrische methode, waar is gedefinieerd snelheid van elektrolyse van watergeadsorbeerd uit het gas door een vochtgevoelige film.

Apparaten gebaseerd op voor het meten van elektrische en magnetische grootheden.

Gas ionisatie met gelijktijdige meting van hun elektrische geleidbaarheid, wordt gebruikt om lage concentraties te meten. Ionisatie kan thermisch zijn of onder invloed van verschillende stralingen, met name radioactieve isotopen.

Thermische ionisatie wordt veel gebruikt in vlamionisatiedetectoren van chromatografen… Ionisatie van gassen door alfa- en bètastralen wordt veel gebruikt in chromatografische detectoren (zogenaamde "argon"-detectoren), evenals in alfa- en bèta-ionisatiegasanalysatorengebaseerd op het verschil in de ionisatiedwarsdoorsneden van verschillende gassen.

Het testgas in deze instrumenten gaat door een alfa- of bèta-ionisatiekamer. In dit geval wordt de ionisatiestroom in de kamer gemeten, die de inhoud van de component kenmerkt. Het bepalen van de diëlektrische constante van een medium wordt gebruikt om het gehalte aan vocht en andere stoffen te meten door middel van verschillende typen capacitieve vochtmeters en diëlektrische meters.

De diëlektrische constante er wordt een sorbensfilm gebruikt die wordt gewassen door een gasstroom, die de concentratie waterdamp daarin kenmerkt dielometrische hygrometers.

De specifieke magnetische gevoeligheid maakt het mogelijk om de concentratie van paramagnetische gassen, voornamelijk zuurstof, te meten thermomagnetische, magnetoeffusie en magnetomechanische gasanalysatoren.

Ten slotte wordt de specifieke lading van deeltjes, die samen met hun massa het belangrijkste kenmerk van een stof is, bepaald door time-of-flight massaspectrometers, hoogfrequente en magnetische massa-analysatoren.

Meting van golfhoeveelheden — een van de meest veelbelovende richtingen in het bouwen van instrumenten, gebaseerd op het gebruik van het effect van de interactie van de geteste omgeving met verschillende soorten straling. Dus de intensiteit van absorptie uit de omgeving ultrasone trillingen maakt het mogelijk om de viscositeit en dichtheid van het medium te schatten.

Het meten van de voortplantingssnelheid van ultrageluid in een medium geeft een idee van de concentratie van individuele componenten of de polymerisatiegraad van latices en andere polymere stoffen. Vrijwel het hele spectrum van elektromagnetische oscillaties, van radiofrequenties tot röntgenstraling en gammastraling, wordt gebruikt in sensoren voor de eigenschappen en samenstelling van stoffen.

Ze omvatten de meest gevoelige analytische instrumenten die de intensiteit van de absorptie van energie van elektromagnetische oscillaties meten in het korte golflengte-, centimeter- en millimeterbereik, gebaseerd op elektromagnetische en kernmagnetische resonantie.

De meest gebruikte zijn apparaten die de interactie van de omgeving met lichtenergie gebruiken. in de infrarode, zichtbare en ultraviolette delen van het spectrum… Zowel de integrale emissie en absorptie van licht als de intensiteit van de karakteristieke lijnen en banden van de emissie- en absorptiespectra van stoffen worden gemeten.

Apparaten op basis van het optisch-akoestische effect worden gebruikt, werkend in het infrarode gebied van het spectrum, geschikt voor het meten van de concentratie van polyatomische gassen en dampen.

Brekingsindex van licht in het medium gebruikt om de samenstelling van vloeibare en gasvormige media te bepalen door refractometers en interferometers.

De meting van de rotatie-intensiteit van het polarisatievlak van licht door oplossingen van optisch actieve stoffen wordt gebruikt om hun concentratie te bepalen door polarimeters.

Methoden voor het meten van de dichtheid en samenstelling van verschillende media, gebaseerd op de verschillende toepassingen van de interactie van röntgenstraling en radioactieve straling met het medium, zijn op grote schaal ontwikkeld.

Gecombineerde apparaten

In een aantal gevallen kan de combinatie van directe bepaling van de fysische en fysisch-chemische eigenschappen van de omgeving met diverse hulphandelingen voorafgaand aan de meting de meetmogelijkheden aanzienlijk vergroten, de selectiviteit, gevoeligheid en nauwkeurigheid van eenvoudige methoden vergroten. Dergelijke apparaten noemen we gecombineerd.

Ondersteunende operaties omvatten in de eerste plaats opname van een gas uit een vloeistof, dampcondensatie en vloeistofverdampingwaardoor het gebruik van methoden voor het meten van de concentratie van vloeistoffen bij de analyse van gassen mogelijk wordt, zoals conductometrie, potentiometrie, fotocolorimetrie, enz.en vice versa, om de concentratie van de gebruikte vloeistoffen te meten methoden voor gasanalyse: thermische conductometrie, massaspectrometrie, enz.

Een van de meest voorkomende sorptiemethoden is chromatografie, een gecombineerde meetmethode waarbij de bepaling van de fysische eigenschappen van het testmedium wordt voorafgegaan door het proces van chromatografische scheiding in de samenstellende componenten. Dit vereenvoudigt het meetproces en vergroot de grenzen van de mogelijkheden van directe meetmethoden drastisch.

Het vermogen om de totale samenstelling van complexe organische mengsels te meten en de hoge gevoeligheid van de apparaten hebben de afgelopen jaren geleid tot de snelle ontwikkeling van deze richting in analytische instrumenten.

In de industrie is een praktische toepassing gevonden gaschromatografenbestaande uit twee hoofdonderdelen: een chromatografische kolom die is ontworpen om het testmengsel te scheiden en een detector die wordt gebruikt om de concentratie van de gescheiden componenten van het mengsel te meten. Er is een grote verscheidenheid aan ontwerpen voor gaschromatografen, zowel wat betreft het thermische regime van de scheidingskolom als het werkingsprincipe van de detector.

In isothermische chromatografen wordt de temperatuur van de kolomthermostaat tijdens de analysecyclus constant gehouden; in chromatografen met temperatuurprogrammering verandert deze laatste in de loop van de tijd volgens een vooraf bepaald programma; in thermodynamische moduschromatografen verandert tijdens de analysecyclus de temperatuur van verschillende delen van de kolom over de lengte ervan.

In principe kan een chromatografische detector worden gebruikt elk apparaat voor het bepalen van de fysische en fysisch-chemische eigenschappen van een bepaalde stof. Het ontwerp is zelfs eenvoudiger dan dat van andere analytische instrumenten, omdat de concentraties van de reeds gescheiden componenten van het mengsel moeten worden gemeten.

Momenteel veel gebruikt detectoren gebaseerd op het meten van gasdichtheid, thermische geleidbaarheid (de zogenaamde "catarometers"), het thermische effect van de verbranding van de producten ("thermochemical"), de elektrische geleidbaarheid van de vlam waarin het testmengsel terechtkomt ("flame-ionization"), de elektrische geleidbaarheid van de gas geïoniseerd door radioactieve straling ("ionisatie -argon") en andere.

Omdat het zeer universeel is, geeft de chromatografische methode het grootste effect bij het meten van de concentratie van onzuiverheden in complexe koolwaterstofmengsels met een kookpunt tot 400 - 500 ° C.

Chemische processen die het medium tot eenvoudig meetbare parameters brengen, kunnen bij vrijwel alle directe meetmethoden worden gebruikt. De selectieve absorptie van afzonderlijke componenten van een gasmengsel door een vloeistof maakt het mogelijk de concentratie van de teststoffen te meten door het volume van het mengsel voor en na absorptie te meten. De werking van volume-manometrische gasanalysatoren is gebaseerd op dit principe.

Verschillend kleur reacties, voorafgaand aan de meting van het effect van de interactie met de substantie van de lichtemissie.

Hieronder valt een grote groep zgn strip fotocolorimeters, waarbij de meting van de concentratie van gascomponenten wordt uitgevoerd door de mate van verduistering te meten van een strook waarop eerder een stof is aangebracht die een kleurreactie geeft met de teststof. Deze methode wordt veel gebruikt om microconcentraties te meten, met name gevaarlijke concentraties van giftige gassen in de lucht van industriële gebouwen.

Kleurreacties worden ook gebruikt in vloeibare fotocolorimeters om hun gevoeligheid te verhogen, om de concentratie van kleurloze componenten in vloeistoffen te meten, enz.

Het is veelbelovend het meten van de luminescentie-intensiteit van vloeistoffenveroorzaakt door chemische reacties. Een van de meest gebruikte analytisch-chemische methoden is titratie... De titratiemethode bestaat uit het meten van fysische en fysisch-chemische grootheden die inherent zijn aan een vloeibaar medium dat wordt blootgesteld aan externe chemische of fysische factoren.

Op het moment van overgang van kwantitatieve veranderingen naar kwalitatieve (het eindpunt van titratie), wordt de verbruikte hoeveelheid stof of elektriciteit die overeenkomt met de concentratie van de gemeten component geregistreerd. In principe is het een cyclische methode, maar er zijn verschillende versies van, tot aan continu toe. De meest gebruikte als indicatoren van het eindpunt van de titratie zijn potentiometrische (pH-metrische) en fotocolorimetrische sensoren.

Arutyunov OS Sensoren voor de samenstelling en eigenschappen van materie