Sensors i aparells de mesura per a la determinació de la composició i propietats de les substàncies

La característica principal de la classificació dels dispositius de control i equips d'automatització és el seu paper en els sistemes de regulació i control automàtics en termes de flux d'informació.

Les tasques dels mitjans tècnics d'automatització en general són:

• obtenir informació primària;

• la seva transformació;

• la seva transmissió;

• processament i comparació de la informació rebuda amb el programa;

• formació d'informació de comandament (control);

• transmissió d'informació de comandament (control);

• utilitzant informació d'ordres per controlar el procés.

Sensors de propietats i composició de substàncies tenen un paper destacat en el sistema de control automàtic, serveixen per obtenir informació primària i determinen en gran mesura la qualitat de tot el sistema de control automàtic.

Establim alguns conceptes bàsics.Què és la mesura, les propietats, la composició del medi? Les propietats del medi estan determinades pels valors numèrics d'una o més magnituds físiques o fisicoquímiques que es poden mesurar.

La mesura és un procés de revelar mitjançant un experiment la relació quantitativa d'una determinada quantitat física o fisicoquímica que caracteritza les propietats del medi de prova i la quantitat corresponent del medi de referència. Un experiment s'entén com un procés objectiu d'impacte actiu sobre l'entorn provat, produït amb l'ajuda de mitjans materials en condicions fixes.

La composició de l'entorn, és a dir. el contingut qualitatiu i quantitatiu dels seus components constitutius, es pot determinar a partir de la seva dependència coneguda de les propietats físiques o fisicoquímiques del medi i de les magnituds que les caracteritzen, subjecta a mesura.

Com a regla general, les propietats i la composició del medi es determinen indirectament. Mitjançant la mesura de diverses magnituds físiques o fisicoquímiques que caracteritzen les propietats del medi, i coneixent la relació matemàtica entre aquestes magnituds, d'una banda, i la composició de l'entorn, de l'altra, podem estimar la seva composició a una major o menor grau de precisió.

És a dir, per triar o construir un aparell de mesura, per exemple, per determinar la composició completa d'un medi multicomponent, cal, en primer lloc, establir quines magnituds físiques o fisicoquímiques caracteritzen les propietats d'aquest medi i, en segon lloc, trobar dependències de forma

ki = f (C1, C2, … Cm),

on ki — concentració de cada component del medi, C1, C2, ... Cm — magnituds físiques o fisicoquímiques que caracteritzen les propietats del medi.

En conseqüència, el dispositiu utilitzat per controlar la composició del medi es pot calibrar en unitats de concentració d'un determinat component o propietats del medi, si hi ha una relació inequívoca entre ells dins d'alguns límits.

Els dispositius per al control automàtic de les propietats físiques i fisicoquímiques i la composició de les substàncies són dispositius que mesuren quantitats físiques o fisicoquímiques separades que determinen sense ambigüitats les propietats del medi ambient o la seva composició qualitativa o quantitativa.

Tanmateix, l'experiència demostra que per a la implantació de la regulació automàtica o el control d'un procés tecnològic prou estudiat, no cal disposar en cap moment d'una informació completa sobre la composició dels productes intermedis i finals i sobre la concentració d'alguns dels seus components. Aquesta informació sol ser necessària a l'hora de crear, aprendre i dominar processos.

Quan s'han desenvolupat les regulacions tecnològiques òptimes, s'han establert relacions inequívoques entre el curs del procés i les magnituds físiques i fisicoquímiques mesurables que caracteritzen les propietats i la composició dels productes, es pot dur a terme el procés, calibratge de l'escala del dispositiu directament en aquelles magnituds que mesura, per exemple, en unitats de temperatura, corrent elèctric, capacitat, etc., o en unitats de la propietat especificada del medi, per exemple, color, terbolesa, conductivitat elèctrica, viscositat, constant dielèctrica, etc. n.

A continuació es comenten els principals mètodes per mesurar les magnituds físiques i fisicoquímiques que determinen les propietats i la composició del medi.

La nomenclatura de productes establerta històricament inclou els següents grups principals de dispositius:

• analitzadors de gasos,

• concentradors de líquids,

• densímetres,

• viscosímetres,

• higròmetres,

• espectròmetres de masses,

• cromatògrafs,

• pHmetres,

• solinòmetres,

• mesuradors de sucre, etc.

Aquests grups, al seu torn, es subdivideixen segons els mètodes de mesura o segons les substàncies analitzades. L'extrema convencionalitat d'aquesta classificació i la possibilitat d'assignar dispositius estructuralment idèntics a diferents grups dificulten l'estudi, la selecció i la comparació de dispositius.

Els dispositius de mesura directa inclouen els que determinen les propietats físiques o fisicoquímiques i la composició de la substància provada directament. En canvi, en els dispositius combinats, la mostra de la substància d'assaig està exposada a influències que canvien significativament la seva composició química o el seu estat d'agregació.

En ambdós casos, és possible la preparació preliminar de la mostra en termes de temperatura, pressió i alguns altres paràmetres. A més d'aquestes dues classes principals de dispositius, també n'hi ha en què es poden realitzar mesures tant directes com combinades.

Instruments de mesura directa

En els aparells de mesura directa, les propietats físiques i fisicoquímiques del medi es determinen mesurant les magnituds següents: mecànica, termodinàmica, electroquímica, elèctrica i magnètica, i finalment ondulatòria.

A valors mecànics en primer lloc, es determina la densitat i el pes específic del medi mitjançant instruments basats en mètodes de mesura flotant, gravetat, hidrostàtica i dinàmica.Això també inclou la determinació de la viscositat del medi, mesurada amb diversos viscosímetres: capil·lar, rotatiu, basat en els mètodes de caiguda de boles i altres.

A partir de magnituds termodinàmiques l'efecte tèrmic de la reacció, mesurat amb dispositius termoquímics, el coeficient de conductivitat tèrmica, que es mesura amb dispositius termoconductors, la temperatura d'ignició dels productes derivats del petroli, la pressió de vapor, etc. han trobat aplicació.

Ampli desenvolupament per mesurar la composició i les propietats de les mescles líquides, així com d'alguns gasos resultants dispositius electroquímics… Inclouen sobretot conductòmetres i potenciòmetresaparells dissenyats per determinar la concentració de sals, àcids i bases per canvi conductivitat elèctrica decisions. Aquests són els anomenats concentradors conductomètrics o conductòmetres de contacte i sense contacte.

Es troba molt distribuït pHmetres — Dispositius per determinar l'acidesa del medi pel potencial de l'elèctrode.

Es determina el desplaçament de potencial de l'elèctrode a causa de la polarització en analitzadors de gasos galvànics i despolaritzadors, que serveix per controlar el contingut d'oxigen i altres gasos, la presència dels quals provoca la despolarització dels elèctrodes.

És un dels més prometedors mètode de mesura polarogràfica, que consisteix en la determinació simultània dels potencials d'alliberament de diversos ions a l'elèctrode i la densitat de corrent limitant.

La mesura de la concentració d'humitat en gasos s'aconsegueix mitjançant mètode coulomètric, on es defineix velocitat d'electròlisi de l'aiguas'adsorbeix del gas a través d'una pel·lícula sensible a la humitat.

Dispositius basats en per mesurar magnituds elèctriques i magnètiques.

Ionització de gasos amb mesura simultània de la seva conductivitat elèctrica, s'utilitza per mesurar concentracions baixes. La ionització pot ser tèrmica o sota la influència de diverses radiacions, en particular d'isòtops radioactius.

La ionització tèrmica s'utilitza àmpliament en detectors d'ionització de flama de cromatògrafs… La ionització dels gasos per raigs alfa i beta s'utilitza àmpliament en detectors cromatogràfics (detectors anomenats "argó"), així com en analitzadors de gasos d'ionització alfa i betabasat en la diferència en les seccions transversals d'ionització de diferents gasos.

El gas de prova d'aquests instruments passa per una cambra d'ionització alfa o beta. En aquest cas, es mesura el corrent d'ionització a la cambra, que caracteritza el contingut del component. La determinació de la constant dielèctrica d'un medi s'utilitza per mesurar el contingut d'humitat i altres substàncies mitjançant diversos tipus mesuradors d'humitat capacitius i comptadors dielèctrics.

La constant dielèctrica s'utilitza una pel·lícula sorbent rentada per un corrent de gas, que caracteritza la concentració de vapor d'aigua en ella higròmetres dielomètrics.

La sensibilitat magnètica específica permet mesurar la concentració de gasos paramagnètics, principalment oxigen, mitjançant Analitzadors de gasos termomagnètics, magnetoefusió i magnetomecànics.

Finalment, la càrrega específica de les partícules, que juntament amb la seva massa és la característica principal d'una substància, ve determinada per espectròmetres de masses de temps de vol, analitzadors de masses magnètics i d'alta freqüència.

Mesura de magnituds d'ona — una de les direccions més prometedores en la construcció d'instruments, basada en l'ús de l'efecte de la interacció de l'entorn provat amb diferents tipus de radiació. Per tant, la intensitat d'absorció del medi ambient vibracions ultrasòniques permet estimar la viscositat i la densitat del medi.

La mesura de la velocitat de propagació dels ultrasons en un medi dóna una idea de la concentració de components individuals o del grau de polimerització de làtexs i altres substàncies polimèriques. Gairebé tota l'escala d'oscil·lacions electromagnètiques, des de les radiofreqüències fins als raigs X i la radiació gamma, s'utilitza en sensors per a les propietats i la composició de les substàncies.

Inclouen els instruments analítics més sensibles que mesuren la intensitat d'absorció d'energia de les oscil·lacions electromagnètiques en els rangs de longitud d'ona curta, centímetre i mil·límetre, basant-se en la ressonància magnètica electromagnètica i nuclear.

Els més utilitzats són els dispositius que utilitzen la interacció de l'entorn amb l'energia lluminosa. a les parts infraroja, visible i ultraviolada de l'espectre… Es mesuren tant l'emissió i l'absorció integral de la llum com la intensitat de les línies i bandes característiques dels espectres d'emissió i absorció de substàncies.

S'utilitzen aparells basats en l'efecte òptic-acústic, que operen a la regió infraroja de l'espectre, adequats per mesurar la concentració de gasos i vapors poliatòmics.

Índex de refracció de la llum en el medi s'utilitza per determinar la composició de medis líquids i gasosos mitjançant refractòmetres i interferòmetres.

La mesura de la intensitat de rotació del pla de polarització de la llum mitjançant solucions de substàncies òpticament actives s'utilitza per determinar la seva concentració mitjançant polarímetres.

S'han desenvolupat àmpliament mètodes per mesurar la densitat i la composició de diversos medis, basats en les diverses aplicacions de la interacció dels raigs X i la radiació radioactiva amb el medi.

Dispositius combinats

En diversos casos, la combinació de la determinació directa de les propietats físiques i fisicoquímiques de l'entorn amb diverses operacions auxiliars anteriors a la mesura pot ampliar significativament les possibilitats de mesura, augmentar la selectivitat, la sensibilitat i la precisió de mètodes senzills. A aquests dispositius els anomenem combinats.

Les operacions auxiliars inclouen principalment absorció d'un gas a partir d'un líquid, condensació de vapor i evaporació de líquidspermetent l'ús de mètodes per mesurar la concentració de líquids en l'anàlisi de gasos, com ara conductometria, potenciometria, fotocolorimetria, etc.i viceversa, mesurar la concentració dels líquids utilitzats mètodes d'anàlisi de gasos: conductometria tèrmica, espectrometria de masses, etc.

Un dels mètodes d'absorció més comuns és cromatografia, que és un mètode de mesura combinat en el qual la determinació de les propietats físiques del medi de prova va precedida pel procés de separació cromatogràfica dels seus components constitutius. Això simplifica el procés de mesura i amplia dràsticament els límits de les possibilitats dels mètodes de mesura directe.

La capacitat de mesurar la composició total de mescles orgàniques complexes i l'alta sensibilitat dels dispositius han portat al ràpid desenvolupament d'aquesta direcció en instruments analítics en els darrers anys.

S'ha trobat una aplicació pràctica a la indústria cromatògrafs de gasosque consta de dues parts principals: una columna cromatogràfica dissenyada per separar la mescla d'assaig i un detector utilitzat per mesurar la concentració dels components separats de la mescla. Hi ha una gran varietat de dissenys per a cromatògrafs de gasos, tant pel que fa al règim tèrmic de la columna de separació com al principi de funcionament del detector.

En els cromatògrafs en mode isotèrmic, la temperatura del termòstat de columna es manté constant durant el cicle d'anàlisi; en els cromatògrafs amb programació de temperatura, aquesta última canvia amb el temps segons un programa predeterminat; en els cromatògrafs en mode termodinàmic, durant el cicle d'anàlisi, la temperatura de diferents parts de la columna canvia al llarg de la seva longitud.

En principi, es pot utilitzar un detector cromatogràfic qualsevol dispositiu per determinar les propietats físiques i fisicoquímiques d'una determinada substància. El seu disseny és encara més senzill que el d'altres instruments analítics, ja que s'han de mesurar les concentracions dels components ja separats de la mescla.

Actualment molt utilitzat detectors basats en la mesura de la densitat del gas, la conductivitat tèrmica (els anomenats "cataròmetres"), l'efecte tèrmic de la combustió dels productes ("termoquímics"), la conductivitat elèctrica de la flama a la qual entra la mescla d'assaig ("ionització de flama"), la conductivitat elèctrica del gas ionitzat per radiació radioactiva ("ionització -argó") i altres.

En ser molt universal, el mètode cromatogràfic té el màxim efecte quan es mesura la concentració d'impureses en mescles complexes d'hidrocarburs amb un punt d'ebullició de fins a 400-500 ° C.

Els processos químics que porten el medi a paràmetres que es poden mesurar de maneres senzilles es poden utilitzar amb gairebé tots els mètodes de mesura directa. L'absorció selectiva de components individuals d'una mescla de gas per un líquid permet mesurar la concentració de les substàncies d'assaig mesurant el volum de la mescla abans i després de l'absorció. El funcionament dels analitzadors de gas volum-manomètrics es basa en aquest principi.

Diferent reaccions de color, abans de la mesura de l'efecte de la interacció amb la substància de l'emissió de llum.

Això inclou un gran grup d'anomenats fotocolorímetres de tira, en què la mesura de la concentració de components gasosos es realitza mesurant el grau d'enfosquiment d'una tira sobre la qual prèviament s'ha aplicat una substància que dóna una reacció de color amb la substància d'assaig. Aquest mètode s'utilitza àmpliament per mesurar microconcentracions, en particular concentracions perilloses de gasos tòxics a l'aire de les instal·lacions industrials.

També s'utilitzen reaccions de color en fotocolorímetres líquids augmentar la seva sensibilitat, mesurar la concentració de components incolors en líquids, etc.

És prometedor mesurar la intensitat de luminescència dels líquidsproduïts per reaccions químiques. Un dels mètodes químics analítics més comuns és valoració... El mètode de valoració consisteix a mesurar magnituds físiques i fisicoquímiques inherents a un medi líquid que està exposat a factors químics o físics externs.

En el moment de la transició dels canvis quantitatius als qualitatius (el punt final de la valoració), es registra la quantitat consumida de substància o electricitat corresponent a la concentració del component mesurat. Bàsicament, és un mètode cíclic, però n'hi ha diferents versions, fins a contínues. Els més utilitzats com a indicadors del punt final de la valoració són sensors potenciomètrics (pH-mètric) i fotocolorimètrics.

Aruyunov OS Sensors per a la composició i propietats de la matèria