Senzori i mjerni uređaji za određivanje sastava i svojstava tvari

Glavna značajka klasifikacije upravljačkih uređaja i opreme za automatizaciju je njihova uloga u sustavima automatske regulacije i upravljanja u smislu protoka informacija.

Zadaci tehničkih sredstava automatizacije općenito su:

• dobivanje primarnih informacija;

• njezina transformacija;

• njegov prijenos;

• obrada i usporedba primljenih informacija s programom;

• formiranje zapovjednih (kontrolnih) informacija;

• prijenos zapovjednih (kontrolnih) informacija;

• korištenje informacija o naredbama za kontrolu procesa.

Senzori za svojstva i sastav tvari imaju vodeću ulogu u sustavu automatskog upravljanja, služe za dobivanje primarnih informacija i uvelike određuju kvalitetu cjelokupnog sustava automatskog upravljanja.

Uspostavimo neke osnovne pojmove.Što je mjerenje, svojstva, sastav medija? Svojstva okoliša određena su brojčanim vrijednostima jedne ili više fizikalnih ili fizikalno-kemijskih veličina koje se mogu mjeriti.

Mjerenje je postupak otkrivanja pokusom kvantitativnog omjera određene fizikalne ili fizikalno-kemijske veličine koja karakterizira svojstva ispitnog medija i odgovarajuće količine referentnog medija. Eksperiment se shvaća kao objektivan proces aktivnog utjecaja na ispitivanu okolinu, proizveden uz pomoć materijalnih sredstava u određenim uvjetima.

Sastav okoline, tj. kvalitativni i kvantitativni sadržaj njegovih sastavnih komponenti, može se odrediti iz njegove poznate ovisnosti o fizikalnim ili fizikalno-kemijskim svojstvima okoliša i o veličinama koje ih karakteriziraju, podložne mjerenju.

U pravilu se svojstva i sastav medija određuju posredno. Mjerenjem različitih fizikalnih ili fizikalno-kemijskih veličina koje karakteriziraju svojstva okoliša, te poznavajući matematički odnos između tih veličina, s jedne strane, i sastava okoliša, s druge strane, možemo procijeniti njegov sastav na veću ili manji stupanj točnosti.

Drugim riječima, da bi se odabrao ili izradio mjerni uređaj, na primjer, za određivanje kompletnog sastava višekomponentnog medija, potrebno je, prvo, utvrditi koje fizikalne ili fizikalno-kemijske veličine karakteriziraju svojstva tog medija i, drugo, pronaći ovisnosti oblika

ki = f (C1, C2, … Cm),

gdje je ki — koncentracija svake komponente okoliša, C1, C2, ... Cm — fizikalne ili fizikalno-kemijske veličine koje karakteriziraju svojstva okoliša.

Sukladno tome, uređaj za kontrolu sastava medija može se kalibrirati u jedinicama koncentracije određene komponente ili svojstava medija, ako među njima postoji nedvosmislen odnos unutar nekih granica.

NSUređaji za automatsku kontrolu fizikalnih i fizikalno-kemijskih svojstava i sastava tvari su uređaji koji mjere zasebne fizikalne ili fizikalno-kemijske veličine kojima se jednoznačno određuju svojstva okoliša ili njegov kvalitativni ili kvantitativni sastav.

Međutim, iskustvo pokazuje da za provedbu automatske regulacije ili upravljanja dovoljno proučenim tehnološkim procesom nije potrebno u svakom trenutku imati potpune podatke o sastavu međuproizvoda i finalnih proizvoda te o koncentraciji pojedinih njihovih komponenti. Takve su informacije obično potrebne prilikom kreiranja, učenja i svladavanja procesa.

Kada su razvijeni optimalni tehnološki propisi, uspostavljeni jednoznačni odnosi između tijeka procesa i mjerljivih fizikalnih i fizikalno-kemijskih veličina koje karakteriziraju svojstva i sastav proizvoda, tada se proces može provoditi, kalibracija mjerila uređaja izravno u onim veličinama koje mjeri, npr. u jedinicama temperature, električne struje, kapacitivnosti itd., ili u jedinicama određenog svojstva medija, npr. boje, mutnoće, električne vodljivosti, viskoznosti, dielektrične konstante, itd. n.

Glavne metode za mjerenje fizikalnih i fizikalno-kemijskih veličina koje određuju svojstva i sastav okoliša razmatraju se u nastavku.

Postojeća povijesno uspostavljena nomenklatura proizvoda uključuje sljedeće glavne skupine uređaja:

• plinski analizatori,

• koncentratori tekućina,

• mjerači gustoće,

• viskozimetri,

• higrometri,

• maseni spektrometri,

• kromatografi,

• pH metri,

• solinometri,

• mjerači šećera itd.

Te se skupine, pak, dijele prema metodama mjerenja ili prema analiziranim tvarima. Ekstremna konvencionalnost takve klasifikacije i mogućnost dodjele strukturno identičnih uređaja različitim skupinama otežava proučavanje, odabir i usporedbu uređaja.

Izravni mjerni uređaji uključuju one koji određuju fizikalna ili fizikalno-kemijska svojstva i sastav izravno ispitivane tvari. Nasuprot tome, u kombiniranim uređajima uzorak ispitivane tvari izložen je utjecajima koji značajno mijenjaju njegov kemijski sastav ili agregatno stanje.

U oba slučaja moguća je prethodna priprema uzorka u pogledu temperature, tlaka i nekih drugih parametara. Uz ove dvije glavne klase uređaja, postoje i oni u kojima se mogu izvoditi i izravna i kombinirana mjerenja.

Izravni mjerni instrumenti

Kod izravnih mjernih uređaja fizikalna i fizikalno-kemijska svojstva medija određuju se mjerenjem sljedećih veličina: mehaničkih, termodinamičkih, elektrokemijskih, električnih i magnetskih te konačno valova.

Na mehaničke vrijednosti prije svega, gustoća i specifična težina medija određuju se pomoću instrumenata koji se temelje na mjernim metodama plovka, gravitacije, hidrostatičkih i dinamičkih metoda.To također uključuje određivanje viskoznosti medija, mjerene različitim viskozimetrima: kapilarnim, rotacijskim, metodom padajuće kuglice i dr.

Iz termodinamičkih veličina toplinski učinak reakcije, mjeren termokemijskim uređajima, koeficijent toplinske vodljivosti, koji se mjeri termovodljivim uređajima, temperatura paljenja naftnih derivata, tlak pare itd. našli primjenu.

Opsežan razvoj za mjerenje sastava i svojstava tekućih smjesa kao i nekih rezultirajućih plinova elektrokemijski uređaji… Oni uključuju prije svega konduktometri i potenciometriuređaji za određivanje koncentracije soli, kiselina i baza promjenom električna provodljivost odluke. To su tzv konduktometrijski koncentratori ili kontaktni i beskontaktni konduktometri.

Pronađen vrlo široko rasprostranjen pH metri — uređaji za određivanje kiselosti medija potencijalom elektrode.

Određuje se pomak potencijala elektrode zbog polarizacije u galvanskim i depolarizirajućim analizatorima plina, koji služi za kontrolu sadržaja kisika i drugih plinova, čija prisutnost uzrokuje depolarizaciju elektroda.

Jedan je od najperspektivnijih polarografska metoda mjerenja, koji se sastoji u istodobnom određivanju potencijala otpuštanja različitih iona na elektrodi i granične gustoće struje.

Mjerenje koncentracije vlage u plinovima postiže se pomoću kulometrijska metoda, gdje je definirano brzina elektrolize vodeadsorbirana iz plina kroz film osjetljiv na vlagu.

Uređaji temeljeni na za mjerenje električnih i magnetskih veličina.

Ionizacija plina uz istovremeno mjerenje njihove električne vodljivosti, koristi se za mjerenje niskih koncentracija. Ionizacija može biti toplinska ili pod utjecajem različitih zračenja, posebice radioaktivnih izotopa.

Toplinska ionizacija ima široku primjenu u plamenoionizacijskim detektorima kromatografa… Ionizacija plinova alfa i beta zrakama naširoko se koristi u kromatografskim detektorima (tzv. "argon" detektori), kao i u alfa i beta ionizacijskim plinskim analizatorimana temelju razlike u presjecima ionizacije različitih plinova.

Ispitni plin u ovim instrumentima prolazi kroz alfa ili beta ionizacijsku komoru. U ovom slučaju mjeri se struja ionizacije u komori, koja karakterizira sadržaj komponente. Određivanje dielektrične konstante medija koristi se za mjerenje sadržaja vlage i drugih tvari pomoću različitih vrsta kapacitivni mjerači vlage i dielektrični mjerači.

Dielektrična konstanta koristi se sorbentni film ispran strujom plina, koji karakterizira koncentraciju vodene pare u njemu dielometrijski higrometri.

Specifična magnetska osjetljivost omogućuje mjerenje koncentracije paramagnetskih plinova, uglavnom kisika, pomoću termomagnetski, magnetoefuzijski i magnetomehanički analizatori plina.

Konačno, specifični naboj čestica, koji je zajedno s njihovom masom glavna karakteristika tvari, određen je time-of-flight maseni spektrometri, visokofrekventni i magnetski analizatori mase.

Mjerenje valnih veličina — jedan od najperspektivnijih smjerova u izgradnji instrumenata, koji se temelji na korištenju učinka interakcije ispitivanog okoliša s različitim vrstama zračenja. Dakle, intenzitet apsorpcije iz okoline ultrazvučne vibracije omogućuje procjenu viskoznosti i gustoće medija.

Mjerenje brzine širenja ultrazvuka u mediju daje ideju o koncentraciji pojedinih komponenti ili stupnju polimerizacije lateksa i drugih polimernih tvari. Gotovo cijela skala elektromagnetskih oscilacija, od radiofrekvencija do X-zraka i gama-zračenja, koristi se u senzorima za svojstva i sastav tvari.

Uključuju najosjetljivije analitičke instrumente koji mjere intenzitet apsorpcije energije iz elektromagnetskih oscilacija u kratkovalnom, centimetarskom i milimetarskom području, na temelju elektromagnetske i nuklearne magnetske rezonancije.

Najviše se koriste uređaji koji koriste interakciju okoline sa svjetlosnom energijom. u infracrvenom, vidljivom i ultraljubičastom dijelu spektra… Mjere se i integralna emisija i apsorpcija svjetlosti i intenzitet karakterističnih linija i vrpci spektra emisije i apsorpcije tvari.

Koriste se uređaji bazirani na optičko-akustičkom učinku koji rade u infracrvenom području spektra, pogodni za mjerenje koncentracije višeatomskih plinova i para.

Indeks loma svjetlosti u sredstvu koristi se za određivanje sastava tekućih i plinovitih medija refraktometri i interferometri.

Mjerenje intenziteta rotacije ravnine polarizacije svjetlosti pomoću otopina optički aktivnih tvari koristi se za određivanje njihove koncentracije pomoću polarimetri.

Metode za mjerenje gustoće i sastava različitih medija, koje se temelje na različitim primjenama interakcije X-zraka i radioaktivnog zračenja s medijem, široko su razvijene.

Kombinirani uređaji

U nizu slučajeva kombinacija izravnog određivanja fizikalnih i fizikalno-kemijskih svojstava okoliša s raznim pomoćnim radnjama koje prethode mjerenju može značajno proširiti mjerne mogućnosti, povećati selektivnost, osjetljivost i točnost jednostavnih metoda. Takve uređaje nazivamo kombiniranim.

Pomoćni poslovi uključuju prvenstveno apsorpcija plina iz tekućine, kondenzacija pare i isparavanje tekućinedopuštajući korištenje metoda za mjerenje koncentracije tekućina u analizi plinova, kao što su konduktometrija, potenciometrija, fotokolorimetrija itd.i obrnuto, za mjerenje koncentracije korištenih tekućina metode za analizu plinova: termokonduktometrija, masena spektrometrija i dr.

Jedna od najčešćih metoda sorpcije je kromatografija, koja je kombinirana mjerna metoda u kojoj određivanju fizikalnih svojstava ispitnog medija prethodi proces njegovog kromatografskog razdvajanja na sastavne komponente. To pojednostavljuje proces mjerenja i dramatično proširuje granice mogućnosti izravnih mjernih metoda.

Mogućnost mjerenja ukupnog sastava složenih organskih smjesa i visoka osjetljivost uređaja doveli su do brzog razvoja ovog smjera u analitičkim instrumentima posljednjih godina.

Praktična primjena je nađena u industriji plinski kromatografikoji se sastoji od dva glavna dijela: kromatografske kolone namijenjene odvajanju ispitne smjese i detektora koji se koristi za mjerenje koncentracije odvojenih komponenti smjese. Postoji veliki izbor izvedbi plinskih kromatografa, kako u pogledu toplinskog režima kolone za odvajanje tako i u pogledu principa rada detektora.

U kromatografima s izotermnim načinom rada, temperatura termostata kolone održava se konstantnom tijekom ciklusa analize; u kromatografima s programiranjem temperature, potonja se mijenja tijekom vremena prema unaprijed određenom programu; u kromatografima s termodinamičkim načinom rada, tijekom ciklusa analize, temperatura različitih dijelova stupca se mijenja duž njegove duljine.

U principu se može koristiti kromatografski detektor bilo koji uređaj za određivanje fizikalnih i fizikalno-kemijskih svojstava određene tvari. Njegov dizajn je još jednostavniji nego kod drugih analitičkih instrumenata, budući da se moraju mjeriti koncentracije već odvojenih komponenti smjese.

Trenutno naširoko korišten detektori temeljeni na mjerenju gustoće plina, toplinske vodljivosti (tzv. "katarometri"), toplinski učinak izgaranja produkata ("termokemijski"), električna vodljivost plamena u koji ispitna smjesa ulazi ("plamena ionizacija"), električna vodljivost plin ioniziran radioaktivnim zračenjem ("ionizacija -argon") i drugi.

Budući da je vrlo univerzalna, kromatografska metoda daje najveći učinak pri mjerenju koncentracije nečistoća u složenim smjesama ugljikovodika s vrelištem do 400-500 ° C.

Kemijski procesi koji medij dovode do parametara koji se mogu mjeriti na jednostavne načine mogu se koristiti s gotovo svim metodama izravnog mjerenja. Selektivna apsorpcija pojedinih komponenti plinske smjese pomoću tekućine omogućuje mjerenje koncentracije ispitivanih tvari mjerenjem volumena smjese prije i poslije apsorpcije. Na ovom se principu temelji rad volumno-manometrijskih analizatora plina.

Drugačiji reakcije boja, koji prethodi mjerenju učinka interakcije s tvari emisije svjetlosti.

Tu spada velika skupina tzv strip fotokolorimetri, kod kojih se mjerenje koncentracije plinskih komponenata provodi mjerenjem stupnja zatamnjenja trake na koju je prethodno nanesena tvar koja daje obojenu reakciju s ispitivanom tvari. Ova se metoda široko koristi za mjerenje mikrokoncentracija, posebice opasnih koncentracija otrovnih plinova u zraku industrijskih prostora.

Koriste se i reakcije boja u tekućim fotokolorimetrima za povećanje njihove osjetljivosti, za mjerenje koncentracije bezbojnih komponenti u tekućinama itd.

Obećavajuće je mjerenje intenziteta luminiscencije tekućinauzrokovane kemijskim reakcijama. Jedna od najčešćih analitičkih kemijskih metoda je titracija... Metoda titracije sastoji se od mjerenja fizikalnih i fizikalno-kemijskih veličina svojstvenih tekućem mediju koji je izložen vanjskim kemijskim ili fizikalnim čimbenicima.

U trenutku prijelaza kvantitativnih promjena u kvalitativne (krajnja točka titracije) bilježi se utrošena količina tvari ili električne energije koja odgovara koncentraciji mjerene komponente. U osnovi, to je ciklička metoda, ali postoje različite verzije, do kontinuirane. Najčešće se koriste kao pokazatelji završne točke titracije potenciometrijski (pH-metrijski) i fotokolorimetrijski senzori.

Arutjunov OS Senzori za sastav i svojstva tvari