Andurid ja mõõteseadmed ainete koostise ja omaduste määramiseks

Juhtseadmete ja automaatikaseadmete klassifikatsiooni põhijooneks on nende roll automaatsetes reguleerimis- ja juhtimissüsteemides infovoo seisukohalt.

Automatiseerimise tehniliste vahendite ülesanded üldiselt on:

• esmase teabe saamine;

• tema ümberkujundamine;

• selle edastamine;

• saadud info töötlemine ja võrdlemine programmiga;

• käsu(juhtimise) informatsiooni moodustamine;

• käsu (juhtimise) teabe edastamine;

• käsuteabe kasutamine protsessi juhtimiseks.

Ainete omaduste ja koostise andurid mängivad automaatjuhtimissüsteemis juhtivat rolli, need aitavad hankida esmast teavet ja määravad suuresti kogu automaatjuhtimissüsteemi kvaliteedi.

Teeme kindlaks mõned põhimõisted.Mis on mõõtmine, omadused, söötme koostis? Keskkonna omadused määratakse ühe või mitme mõõdetava füüsikalise või füüsikalis-keemilise suuruse arvväärtustega.

Mõõtmine on protsess, mille käigus selgitatakse katse kaudu välja teatud katsekeskkonna omadusi iseloomustava füüsikalise või füüsikalis-keemilise koguse ja vastava võrdluskeskkonna koguse kvantitatiivne suhe. Eksperiment on objektiivne katsetatavale keskkonnale aktiivse mõjutamise protsess, mis on toodetud materiaalsete vahendite abil kindlates tingimustes.

Keskkonna koostis, s.o. selle koostisosade kvalitatiivne ja kvantitatiivne sisu, saab määrata selle teadaoleva sõltuvuse põhjal keskkonna füüsikalistest või füüsikalis-keemilistest omadustest ja neid iseloomustavatest suurustest, mis sõltuvad mõõtmisest.

Söötme omadused ja koostis määratakse reeglina kaudselt. Mõõtes erinevaid keskkonna omadusi iseloomustavaid füüsikalisi või füüsikalis-keemilisi suurusi ning teades ühelt poolt nende suuruste ja teiselt poolt keskkonna koostise vahelist matemaatilist seost, saame hinnata selle koostist suuremaks või väiksem täpsusaste.

Teisisõnu, mõõteseadme valimiseks või ehitamiseks, näiteks mitmekomponentse kandja täieliku koostise määramiseks, on kõigepealt vaja kindlaks teha, millised füüsikalised või füüsikalis-keemilised suurused iseloomustavad selle keskkonna omadusi ja teiseks kujusõltuvuste leidmiseks

ki = f (C1, C2, … Cm),

kus ki — iga keskkonnakomponendi kontsentratsioon, C1, C2, ... Cm — keskkonna omadusi iseloomustavad füüsikalised või füüsikalis-keemilised suurused.

Vastavalt sellele saab söötme koostise reguleerimiseks kasutatavat seadet kalibreerida söötme teatud komponendi või omaduste kontsentratsiooni ühikutes, kui nende vahel on teatud piirides ühemõtteline seos.

NSDaparaadid ainete füüsikaliste ja füüsikalis-keemiliste omaduste ja koostise automaatseks juhtimiseks on seadmed, mis mõõdavad eraldi füüsikalisi või füüsikalis-keemilisi suurusi, mis üheselt määravad keskkonna omadused või selle kvalitatiivse või kvantitatiivse koostise.

Kogemused näitavad aga, et piisavalt uuritud tehnoloogilise protsessi automaatse reguleerimise või juhtimise teostamiseks ei ole igal hetkel vaja omada täielikku teavet vahe- ja lõpptoodete koostise ning nende osade komponendi kontsentratsiooni kohta. Sellist teavet on tavaliselt vaja protsesside loomisel, õppimisel ja valdamisel.

Kui on välja töötatud optimaalsed tehnoloogilised regulatsioonid, üheselt mõistetavad seosed protsessi käigu ja toodete omadusi ja koostist iseloomustavate mõõdetavate füüsikalis-füüsikalis-keemiliste suuruste vahel, saab protsessi läbi viia, seadme skaala kalibreerimine otse nendes suurustes, mida ta mõõdab näiteks temperatuuri, elektrivoolu, mahtuvuse vms ühikutes või keskkonna kindla omaduse ühikutes, näiteks värvus, hägusus, elektrijuhtivus, viskoossus, dielektriline konstant, jne n.

Allpool käsitletakse peamisi keskkonna omadusi ja koostist määravate füüsikaliste ja füüsikalis-keemiliste suuruste mõõtmise meetodeid.

Olemasolev ajalooliselt väljakujunenud tootenomenklatuur sisaldab järgmisi peamisi seadmerühmi:

• gaasianalüsaatorid,

• vedeliku kontsentraatorid,

• tihedusmõõturid,

• viskosimeetrid,

• hügromeetrid,

• massispektromeetrid,

• kromatograafid,

• pH-meetrid,

• solinomeetrid,

• suhkrumõõturid jne.

Need rühmad jagunevad omakorda mõõtmismeetodite või analüüsitavate ainete järgi. Sellise klassifikatsiooni äärmuslik konventsionaalsus ja võimalus määrata struktuurilt identsed seadmed erinevatesse rühmadesse raskendavad seadmete uurimist, valimist ja võrdlemist.

Otsemõõtmisseadmed hõlmavad neid, mis määravad otseselt testitava aine füüsikalised või füüsikalis-keemilised omadused ja koostise. Seevastu kombineeritud seadmetes puutub uuritava aine proov kokku mõjudega, mis muudavad oluliselt selle keemilist koostist või agregatsiooni olekut.

Mõlemal juhul on võimalik proovi eelnev ettevalmistamine temperatuuri, rõhu ja mõne muu parameetri osas. Lisaks nendele kahele põhiklassi seadmetele on ka selliseid, milles saab teostada nii otse- kui kombineeritud mõõtmist.

Otsesed mõõteriistad

Otsemõõteseadmetes määratakse keskkonna füüsikalised ja füüsikalis-keemilised omadused järgmiste suuruste mõõtmise teel: mehaaniline, termodünaamiline, elektrokeemiline, elektriline ja magnetiline ning lõpuks laine.

Mehaaniliste väärtuste juurde esiteks määratakse ujuk-, gravitatsiooni-, hüdrostaatilistel ja dünaamilistel mõõtmismeetoditel põhinevate instrumentidega keskkonna tihedus ja erikaal.See hõlmab ka söötme viskoossuse määramist, mõõdetuna erinevate viskosimeetritega: kapillaar-, pöörlemis-, langeva palli meetoditel jm.

Termodünaamiliste suuruste järgi reaktsiooni soojusefekt, mõõdetuna termokeemiliste seadmetega, soojusjuhtivuse koefitsient, mida mõõdetakse termojuhtivate seadmetega, naftasaaduste süttimistemperatuur, aururõhk jne. leidnud rakendust.

Ulatuslik arendus, et mõõta vedelsegude koostist ja omadusi ning mõningaid tekkivaid gaase elektrokeemilised seadmed… Need hõlmavad eelkõige konduktomeetrid ja potentsiomeetridseadmed, mis on ette nähtud soolade, hapete ja aluste kontsentratsiooni määramiseks muutmise teel elektrijuhtivus otsuseid. Need on nn konduktomeetrilised kontsentraatorid või kontakt- ja mittekontaktsed konduktomeetrid.

Leitud väga laialt levinud pH-meetrid — seadmed keskkonna happesuse määramiseks elektroodi potentsiaali järgi.

Määratakse polarisatsioonist tingitud elektroodi potentsiaali nihe galvaanilistes ja depolariseerivates gaasianalüsaatorites, mis kontrollib hapniku ja muude gaaside sisaldust, mille olemasolu põhjustab elektroodide depolarisatsiooni.

See on üks paljutõotavamaid polarograafilise mõõtmise meetod, mis seisneb elektroodi erinevate ioonide vabanemispotentsiaalide ja piirava voolutiheduse samaaegses määramises.

Niiskuse kontsentratsiooni mõõtmine gaasides saavutatakse abil kulomeetriline meetod, kus on määratletud vee elektrolüüsi kiirusadsorbeeritud gaasist läbi niiskustundliku kile.

Seadmed, mis põhinevad elektriliste ja magnetiliste suuruste mõõtmiseks.

Gaasi ionisatsioon koos nende elektrijuhtivuse samaaegse mõõtmisega kasutatakse madalate kontsentratsioonide mõõtmiseks. Ionisatsioon võib olla termiline või erinevate kiirguste, eriti radioaktiivsete isotoopide mõju all.

Laialdaselt kasutatakse termilist ionisatsiooni kromatograafide leekionisatsioonidetektorites… Gaaside ioniseerimist alfa- ja beetakiirtega kasutatakse laialdaselt kromatograafilistes detektorites (nn "argooni" detektorid), samuti alfa- ja beeta-ionisatsioonigaaside analüsaatoritesmis põhineb erinevate gaaside ionisatsiooni ristlõigete erinevusel.

Nendes instrumentides olev testgaas läbib alfa- või beeta-ionisatsioonikambri. Sel juhul mõõdetakse ionisatsioonivoolu kambris, mis iseloomustab komponendi sisaldust. Söötme dielektrilise konstandi määramist kasutatakse niiskuse ja muude ainete sisalduse mõõtmiseks erinevate tüüpide abil. mahtuvuslikud niiskusmõõturid ja dielektrilised mõõdikud.

Dielektriline konstant kasutatakse gaasivooluga pestud sorbentkilet, mis iseloomustab veeauru kontsentratsiooni selles dielomeetrilised hügromeetrid.

Spetsiifiline magnetiline tundlikkus võimaldab mõõta paramagnetiliste gaaside, peamiselt hapniku kontsentratsiooni. termomagnetilised, magnetoefusioon ja magnetmehhaanilised gaasianalüsaatorid.

Lõpuks määrab osakeste erilaeng, mis koos nende massiga on aine peamine omadus lennuaja massispektromeetrid, kõrgsageduslikud ja magnetmassi analüsaatorid.

Lainekoguste mõõtmine — üks lootustandvamaid suundi instrumentide ehitamisel, mis põhineb testitava keskkonna ja erinevate kiirgusliikide vastasmõju efekti kasutamisel. Niisiis, keskkonnast imendumise intensiivsus ultraheli vibratsioonid võimaldab hinnata söötme viskoossust ja tihedust.

Ultraheli levimiskiiruse mõõtmine keskkonnas annab aimu üksikute komponentide kontsentratsioonist või lateksite ja muude polümeersete ainete polümerisatsiooniastmest. Ainete omaduste ja koostise andurites kasutatakse peaaegu kogu elektromagnetiliste võnkumiste skaala alates raadiosagedustest kuni röntgeni- ja gammakiirguseni.

Nende hulka kuuluvad kõige tundlikumad analüütilised instrumendid, mis mõõdavad elektromagnetilise ja tuumamagnetresonantsi põhjal elektromagnetilise võnkumise energia neeldumise intensiivsust lühilainepikkuse, sentimeetri ja millimeetri vahemikus.

Enim kasutatakse seadmeid, mis kasutavad keskkonna koosmõju valgusenergiaga. spektri infrapuna-, nähtava- ja ultraviolettkiirguse osades… Mõõdetakse nii valguse integraalset emissiooni ja neeldumist kui ka ainete emissiooni- ja neeldumisspektri iseloomulike joonte ja ribade intensiivsust.

Kasutatakse optilis-akustilisel efektil põhinevaid seadmeid, mis töötavad spektri infrapuna piirkonnas, mis sobivad polüaatomiliste gaaside ja aurude kontsentratsiooni mõõtmiseks.

Valguse murdumisnäitaja keskkonnas kasutatakse vedela ja gaasilise keskkonna koostise määramiseks refraktomeetrid ja interferomeetrid.

Valguse polarisatsioonitasandi pöörlemise intensiivsuse mõõtmist optiliselt aktiivsete ainete lahustega kasutatakse nende kontsentratsiooni määramiseks. polarimeetrid.

Laialdaselt on välja töötatud meetodeid erinevate keskkondade tiheduse ja koostise mõõtmiseks, mis põhinevad röntgenikiirguse ja radioaktiivse kiirguse koostoime erinevatel rakendustel keskkonnaga.

Kombineeritud seadmed

Mitmel juhul võib keskkonna füüsikaliste ja füüsikalis-keemiliste omaduste otsese määramise kombineerimine erinevate mõõtmisele eelnevate abioperatsioonidega oluliselt laiendada mõõtmisvõimalusi, tõsta lihtsate meetodite selektiivsust, tundlikkust ja täpsust. Me nimetame selliseid seadmeid kombineerituks.

Abitoimingud hõlmavad peamiselt gaasi neeldumine vedelikust, aurude kondenseerumine ja vedeliku aurustuminevõimaldades kasutada gaaside analüüsimisel vedelike kontsentratsiooni mõõtmise meetodeid, nt konduktomeetria, potentsiomeetria, fotokolorimeetria jne.ja vastupidi, et mõõta kasutatud vedelike kontsentratsiooni gaasianalüüsi meetodid: soojusjuhtivus, massispektromeetria jne.

Üks levinumaid sorptsioonimeetodeid on kromatograafia, mis on kombineeritud mõõtmismeetod, mille puhul katsekeskkonna füüsikaliste omaduste määramisele eelneb selle kromatograafiline lahutamine koostisosadeks. See lihtsustab mõõtmisprotsessi ja avardab järsult otseste mõõtmismeetodite võimaluste piire.

Komplekssete orgaaniliste segude kogukoostise mõõtmise võimalus ja seadmete kõrge tundlikkus on viimastel aastatel viinud selle suuna kiirele arengule analüütilistes instrumentides.

Tööstuses on leitud praktiline rakendus gaasikromatograafidkoosneb kahest põhiosast: kromatograafilisest kolonnist, mis on ette nähtud uuritava segu eraldamiseks, ja detektorist, mida kasutatakse segu eraldatud komponentide kontsentratsiooni mõõtmiseks. Gaaskromatograafide konstruktsioone on väga erinevaid, nii eralduskolonni termilise režiimi kui ka detektori tööpõhimõtte osas.

Isotermilise režiimiga kromatograafides hoitakse kolonni termostaadi temperatuur analüüsitsükli jooksul konstantsena; temperatuuri programmeerimisega kromatograafides muutub viimane ajas vastavalt etteantud programmile; termodünaamilise režiimiga kromatograafides muutub analüüsitsükli jooksul kolonni erinevate osade temperatuur selle pikkuses.

Põhimõtteliselt saab kasutada kromatograafilist detektorit mis tahes seade konkreetse aine füüsikaliste ja füüsikalis-keemiliste omaduste määramiseks. Selle konstruktsioon on isegi lihtsam kui teistel analüütilistel instrumentidel, kuna tuleb mõõta segu juba eraldatud komponentide kontsentratsioone.

Praegu laialdaselt kasutatav detektorid, mis põhinevad gaasi tiheduse, soojusjuhtivuse mõõtmisel (nn "kataromeetrid"), toodete põlemisel tekkiv termiline efekt ("termokeemiline"), leegi elektrijuhtivus, millesse katsesegu siseneb ("leegi ionisatsioon"), toote elektrijuhtivus. radioaktiivse kiirgusega ioniseeritud gaas ("ionisatsioon -argoon") ja teised.

Kuna kromatograafiline meetod on väga universaalne, annab see suurima efekti lisandite kontsentratsiooni mõõtmisel keerulistes süsivesinike segudes, mille keemistemperatuur on kuni 400–500 ° C.

Keemilisi protsesse, mis viivad keskkonna lihtsal viisil mõõdetavate parameetriteni, saab kasutada peaaegu kõigi otseste mõõtmismeetoditega. Gaasisegu üksikute komponentide selektiivne neeldumine vedelikuga võimaldab mõõta uuritavate ainete kontsentratsiooni, mõõtes segu mahtu enne ja pärast absorptsiooni. Mahumanomeetriliste gaasianalüsaatorite töö põhineb sellel põhimõttel.

Erinevad värvireaktsioonid, mis eelneb valguse emissiooni ainega interaktsiooni mõju mõõtmisele.

Siia kuulub suur grupp nn riba fotokolorimeetrid, milles gaasikomponentide kontsentratsiooni mõõtmine toimub riba tumedusastme mõõtmisega, millele on eelnevalt kantud uuritava ainega värvusreaktsiooni andvat ainet. Seda meetodit kasutatakse laialdaselt mikrokontsentratsioonide, eriti mürgiste gaaside ohtlike kontsentratsioonide mõõtmiseks tööstusruumide õhus.

Kasutatakse ka värvireaktsioone vedelates fotokolorimeetrites suurendada nende tundlikkust, mõõta värvitute komponentide kontsentratsiooni vedelikes jne.

See on paljulubav vedelike luminestsentsi intensiivsuse mõõtminepõhjustatud keemilistest reaktsioonidest. Üks levinumaid analüütilisi keemilisi meetodeid on tiitrimine... Tiitrimismeetod seisneb füüsikaliste ja füüsikalis-keemiliste koguste mõõtmises, mis on omased vedelale keskkonnale, mis puutub kokku väliste keemiliste või füüsikaliste teguritega.

Kvantitatiivsete muutuste kvalitatiivsetele ülemineku hetkel (tiitrimise lõpp-punkt) registreeritakse mõõdetava komponendi kontsentratsioonile vastav tarbitud aine või elektri kogus. Põhimõtteliselt on see tsükliline meetod, kuid sellest on erinevaid versioone kuni pidevani. Tiitrimise lõpp-punkti indikaatoritena kasutatakse kõige laialdasemalt potentsiomeetrilised (pH-meetrilised) ja fotokolorimeetrilised andurid.

Arutyunov OS Andurid aine koostise ja omaduste jaoks