Сензори и мерни уређаји за одређивање састава и својстава супстанци

Основна карактеристика класификације управљачких уређаја и опреме за аутоматизацију је њихова улога у системима аутоматске регулације и управљања у погледу протока информација.

Задаци техничких средстава аутоматизације уопште су:

• добијање примарних информација;

• њена трансформација;

• његов пренос;

• обрада и поређење примљених информација са програмом;

• формирање командних (контролних) информација;

• пренос командних (контролних) информација;

• користећи командне информације за контролу процеса.

Сензори за својства и састав супстанци играју водећу улогу у систему аутоматског управљања, служе за добијање примарних информација и у великој мери одређују квалитет целокупног система аутоматског управљања.

Хајде да успоставимо неке основне концепте.Шта је мерење, својства, састав медијума? Својства животне средине одређују се нумеричким вредностима једне или више физичких или физичко-хемијских величина које се могу мерити.

Мерење је процес откривања кроз експеримент квантитативног односа одређене физичке или физичко-хемијске величине која карактерише својства испитног медијума и одговарајуће количине референтног медијума. Експеримент се схвата као објективан процес активног утицаја на испитивану средину, произведен материјалним средствима у одређеним условима.

Састав средине, тј. квалитативни и квантитативни садржај његових саставних компоненти, може се утврдити из његове познате зависности од физичких или физичко-хемијских својстава животне средине и од величина које их карактеришу, подложне мерењу.

По правилу се својства и састав медијума одређују посредно. Мерењем различитих физичких или физичко-хемијских величина које карактеришу својства животне средине, и познавајући математички однос између ових величина, с једне стране, и састава животне средине, с друге стране, можемо проценити њен састав на већи или мањи степен тачности.

Другим речима, за избор или израду мерног уређаја, на пример, за одређивање комплетног састава вишекомпонентног медијума, потребно је, најпре, установити које физичке или физичко-хемијске величине карактеришу својства овог медијума и, друго, да се пронађу зависности облика

ки = ф (Ц1, Ц2, … Цм),

где је ки — концентрација сваке компоненте животне средине, Ц1, Ц2, ... Цм — физичке или физичко-хемијске величине које карактеришу својства животне средине.

Сходно томе, уређај који се користи за контролу састава медијума може се калибрисати у јединицама концентрације одређене компоненте или особина медијума, ако између њих постоји недвосмислен однос у неким границама.

НСД уређаји за аутоматску контролу физичких и физичко-хемијских својстава и састава супстанци су уређаји који мере засебне физичке или физичко-хемијске величине којима се недвосмислено одређују својства животне средине или њен квалитативни или квантитативни састав.

Међутим, искуство показује да за спровођење аутоматске регулације или контроле довољно проученог технолошког процеса није потребно у сваком тренутку имати потпуну информацију о саставу међупроизвода и финалних производа и о концентрацији неких њихових компоненти. Такве информације су обично потребне приликом креирања, учења и савладавања процеса.

Када је развијена оптимална технолошка регулатива, утврђени недвосмислени односи између тока процеса и мерљивих физичких и физичко-хемијских величина које карактеришу својства и састав производа, тада се процес може спровести, калибрација скале уређаја директно у оним величинама које мери, на пример, у јединицама температуре, електричне струје, капацитивности итд., или у јединицама одређене особине медијума, на пример, боја, замућеност, електрична проводљивост, вискозитет, диелектрична константа, итд. н.

У наставку се разматрају главне методе за мерење физичких и физичко-хемијских величина које одређују својства и састав животне средине.

Постојећа историјски утврђена номенклатура производа укључује следеће главне групе уређаја:

• гасни анализатори,

• концентратори течности,

• мерачи густине,

• вискозиметри,

• хигрометри,

• масени спектрометри,

• хроматографи,

• пХ метри,

• солинометри,

• мерачи шећера итд.

Ове групе се, пак, деле према методама мерења или према анализираним супстанцама. Екстремна конвенционалност такве класификације и могућност додељивања структурно идентичних уређаја различитим групама отежава проучавање, избор и упоређивање уређаја.

Уређаји за директно мерење обухватају оне који одређују физичка или физичко-хемијска својства и састав директно испитиване супстанце. Насупрот томе, у комбинованим уређајима, узорак испитиване супстанце је изложен утицајима који значајно мењају његов хемијски састав или његово агрегацијско стање.

У оба случаја могућа је прелиминарна припрема узорка у погледу температуре, притиска и неких других параметара. Поред ове две главне класе уређаја, постоје и они у којима се могу вршити и директно и комбиновано мерење.

Инструменти за директно мерење

У уређајима за директно мерење физичка и физичко-хемијска својства средине одређују се мерењем следећих величина: механичких, термодинамичких, електрохемијских, електричних и магнетних и на крају таласних.

На механичке вредности пре свега, густина и специфична тежина медијума се одређују помоћу инструмената заснованих на плутајућим, гравитационим, хидростатичким и динамичким методама мерења.Ово такође укључује одређивање вискозитета медијума, мереног различитим вискозиметрима: капиларним, ротационим, на основу метода пада лоптице и др.

Од термодинамичких величина топлотни ефекат реакције, мерен термохемијским уређајима, коефицијент топлотне проводљивости који се мери термопроводним уређајима, температура паљења нафтних деривата, притисак паре итд. нашли примену.

Екстензивни развој за мерење састава и својстава течних смеша, као и неких гасова који настају електрохемијски уређаји… Они укључују пре свега кондуктометри и потенциометриуређаји дизајнирани за одређивање концентрације соли, киселина и база променом електрична проводљивост Одлуке. То су тзв кондуктометријски концентратори или контактни и бесконтактни кондуктометри.

Налази се веома широко распрострањен пХ метри — уређаји за одређивање киселости средине по потенцијалу електроде.

Одређује се померање потенцијала електроде услед поларизације у галванским и деполаризујућим гасним анализаторима, који служи за контролу садржаја кисеоника и других гасова, чије присуство изазива деполаризацију електрода.

То је један од најперспективнијих поларографска метода мерења, који се састоји у истовременом одређивању потенцијала ослобађања различитих јона на електроди и граничне густине струје.

Мерење концентрације влаге у гасовима остварује се помоћу кулометријска метода, где је дефинисано брзина електролизе водеадсорбован из гаса кроз филм осетљив на влагу.

Уређаји засновани на за мерење електричних и магнетних величина.

Јонизација гаса уз истовремено мерење њихове електричне проводљивости, користи се за мерење ниских концентрација. Јонизација може бити термичка или под утицајем различитих зрачења, посебно радиоактивних изотопа.

Термална јонизација се широко користи у детекторима пламене јонизације хроматографа… Јонизација гасова алфа и бета зрацима се широко користи у хроматографским детекторима (тзв. „аргонски” детектори), као и у алфа и бета јонизационим гасним анализаторимана основу разлике у попречним пресецима јонизације различитих гасова.

Испитни гас у овим инструментима пролази кроз алфа или бета јонизациону комору. У овом случају се мери јонизациона струја у комори, која карактерише садржај компоненте. Одређивање диелектричне константе медијума се користи за мерење садржаја влаге и других супстанци помоћу различитих врста капацитивни мерачи влаге и диелектромери.

Диелектрична константа користи се сорбентни филм испран струјом гаса, који карактерише концентрацију водене паре у њему диелометријски хигрометри.

Специфична магнетна осетљивост омогућава мерење концентрације парамагнетних гасова, углавном кисеоника, помоћу термомагнетни, магнетоефузиони и магнетомеханички гасни анализатори.

Коначно, специфични набој честица, који је заједно са њиховом масом главна карактеристика супстанце, одређен је масени спектрометри времена лета, високофреквентни и магнетни масени анализатори.

Мерење таласних величина — један од најперспективнијих праваца у изградњи инструмената, заснован на коришћењу ефекта интеракције испитиване средине са различитим врстама зрачења. Дакле, интензитет апсорпције из околине ултразвучне вибрације омогућава процену вискозитета и густине медијума.

Мерење брзине простирања ултразвука у медијуму даје представу о концентрацији појединих компоненти или степену полимеризације латекса и других полимерних супстанци. Скоро цела скала електромагнетних осцилација, од радио-фреквенција до рендгенских и гама зрачења, користи се у сензорима за својства и састав супстанци.

Укључују најосетљивије аналитичке инструменте који мере интензитет апсорпције енергије од електромагнетних осцилација у краткоталасном, центиметарском и милиметарском опсегу, на основу електромагнетне и нуклеарне магнетне резонанце.

Највише се користе уређаји који користе интеракцију средине са светлосном енергијом. у инфрацрвеном, видљивом и ултраљубичастом делу спектра… Мере се и интегрална емисија и апсорпција светлости и интензитет карактеристичних линија и трака емисионог и апсорпционог спектра супстанци.

Користе се уређаји засновани на оптичко-акустичком ефекту, који раде у инфрацрвеном подручју спектра, погодни за мерење концентрације полиатомских гасова и пара.

Индекс преламања светлости у медијуму користи се за одређивање састава течних и гасовитих медија по рефрактометри и интерферометри.

Мерење интензитета ротације равни поларизације светлости растворима оптички активних супстанци користи се за одређивање њихове концентрације помоћу полариметри.

Методе за мерење густине и састава различитих медија, засноване на различитим применама интеракције рендгенског и радиоактивног зрачења са медијумом, су широко развијене.

Комбиновани уређаји

У низу случајева, комбинација директног одређивања физичких и физичко-хемијских својстава животне средине са разним помоћним операцијама које претходе мерењу може значајно проширити могућности мерења, повећати селективност, осетљивост и тачност једноставних метода. Такве уређаје називамо комбинованим.

Помоћне операције обухватају првенствено апсорпција гаса из течности, кондензација паре и испаравање течностиомогућавајући коришћење метода за мерење концентрације течности у анализи гасова као нпр кондуктометрија, потенциометрија, фотоколориметрија итд.и обрнуто, за мерење концентрације употребљених течности методе за анализу гаса: термичка кондуктометрија, масена спектрометрија и др.

Једна од најчешћих метода сорпције је хроматографија, што је комбинована метода мерења у којој одређивању физичких особина испитног медијума претходи процес његовог хроматографског раздвајања на његове саставне компоненте. Ово поједностављује процес мерења и драматично проширује границе могућности директних метода мерења.

Могућност мерења укупног састава сложених органских смеша и висока осетљивост уређаја довели су до брзог развоја овог правца у аналитичким инструментима последњих година.

Практична примена је пронађена у индустрији гасни хроматографикоји се састоји од два главна дела: хроматографске колоне дизајниране за одвајање испитне смеше и детектора који се користи за мерење концентрације одвојених компоненти смеше. Постоји велики избор дизајна гасних хроматографа, како у погледу термичког режима сепарационе колоне, тако и по принципу рада детектора.

У хроматографима изотермног режима, температура термостата колоне се одржава константном током циклуса анализе; код хроматографа са програмирањем температуре, ова друга се мења током времена према унапред одређеном програму; у хроматографима термодинамичког режима, током циклуса анализе, температура различитих делова колоне се мења дуж њене дужине.

У принципу, може се користити хроматографски детектор било који уређај за одређивање физичких и физичко-хемијских својстава дате супстанце. Његов дизајн је чак и једноставнији него код других аналитичких инструмената, јер се морају мерити концентрације већ одвојених компоненти смеше.

Тренутно се широко користи детектори засновани на мерењу густине гаса, топлотне проводљивости (тзв. „катарометри“), топлотни ефекат сагоревања производа („термохемијски“), електрична проводљивост пламена у који улази испитивана смеша („јонизација пламена“), електрична проводљивост гас јонизован радиоактивним зрачењем („јонизација -аргон”) и др.

Пошто је веома универзална, хроматографска метода даје највећи ефекат при мерењу концентрације нечистоћа у сложеним смешама угљоводоника са тачком кључања до 400-500 ° Ц.

Хемијски процеси који доводе медијум до параметара који се могу мерити на једноставне начине могу се користити са скоро свим методама директног мерења. Селективна апсорпција појединих компоненти гасне смеше течношћу омогућава мерење концентрације испитиваних супстанци мерењем запремине смеше пре и после апсорпције. На овом принципу се заснива рад запреминско-манометријских гасних анализатора.

Различит реакције у боји, који претходи мерењу ефекта интеракције са супстанцом емисије светлости.

Ово укључује велику групу тзв тракасти фотоколориметри, у коме се мерење концентрације гасних компоненти врши мерењем степена затамњења траке на коју је претходно нанета супстанца која даје реакцију боје са испитиваном супстанцом. Ова метода се широко користи за мерење микроконцентрација, посебно опасних концентрација токсичних гасова у ваздуху индустријских просторија.

Користе се и реакције у боји у течним фотоколориметрима за повећање њихове осетљивости, за мерење концентрације безбојних компоненти у течностима итд.

То је обећавајуће мерење интензитета луминисценције течностиизазвана хемијским реакцијама. Једна од најчешћих аналитичких хемијских метода је титрација... Метода титрације се састоји у мерењу физичких и физичко-хемијских величина својствених течном медијуму који је изложен спољним хемијским или физичким факторима.

У тренутку преласка квантитативних промена у квалитативне (крајња тачка титрације), бележи се утрошена количина супстанце или електричне енергије која одговара концентрацији мерене компоненте. У основи, то је циклична метода, али постоје различите њене верзије, до континуиране. Као индикатори крајње тачке титрације најчешће се користе потенциометријски (пХ-метрички) и фотоколориметријски сензори.

Арутјунов ОС Сензори за састав и својства материје