Penderia dan alat pengukur untuk menentukan komposisi dan sifat bahan

Ciri utama klasifikasi peranti kawalan dan peralatan automasi adalah peranannya dalam peraturan automatik dan sistem kawalan dari segi aliran maklumat.

Tugas cara teknikal automasi secara amnya ialah:

• mendapatkan maklumat utama;

• transformasinya;

• penghantarannya;

• pemprosesan dan perbandingan maklumat yang diterima dengan program;

• pembentukan maklumat perintah (kawalan);

• penghantaran maklumat arahan (kawalan);

• menggunakan maklumat arahan untuk mengawal proses.

Penderia untuk sifat dan komposisi bahan memainkan peranan utama dalam sistem kawalan automatik, mereka berfungsi untuk mendapatkan maklumat utama dan sebahagian besarnya menentukan kualiti keseluruhan sistem kawalan automatik.

Mari kita wujudkan beberapa konsep asas.Apakah ukuran, sifat, komposisi medium? Sifat-sifat alam sekitar ditentukan oleh nilai berangka satu atau lebih kuantiti fizik atau fiziko-kimia yang boleh diukur.

Pengukuran ialah satu proses mendedahkan melalui eksperimen nisbah kuantitatif kuantiti fizikal atau fiziko-kimia tertentu yang mencirikan sifat medium ujian dan jumlah medium rujukan yang sepadan. Eksperimen difahami sebagai proses objektif kesan aktif ke atas persekitaran yang diuji, dihasilkan dengan bantuan bahan material dalam keadaan tetap.

Komposisi persekitaran, i.e. kandungan kualitatif dan kuantitatif komponen konstituennya, boleh ditentukan daripada pergantungan yang diketahui pada sifat fizikal atau fiziko-kimia persekitaran dan pada kuantiti yang mencirikannya, tertakluk kepada pengukuran.

Sebagai peraturan, sifat dan komposisi medium ditentukan secara tidak langsung. Dengan mengukur pelbagai kuantiti fizik atau fiziko-kimia yang mencirikan sifat alam sekitar, dan mengetahui hubungan matematik antara kuantiti ini, di satu pihak, dan komposisi alam sekitar, di sisi lain, kita boleh menganggarkan komposisinya kepada yang lebih besar atau tahap ketepatan yang lebih rendah.

Dalam erti kata lain, untuk memilih atau membina peranti pengukur, sebagai contoh, untuk menentukan komposisi lengkap medium berbilang komponen, adalah perlu, pertama, untuk menentukan kuantiti fizikal atau fiziko-kimia yang mencirikan sifat-sifat medium ini dan, kedua, untuk mencari kebergantungan bentuk

ki = f (C1, C2, … Cm),

di mana ki — kepekatan setiap komponen persekitaran, C1, C2, ... Cm — kuantiti fizik atau fiziko-kimia yang mencirikan sifat alam sekitar.

Sehubungan itu, peranti yang digunakan untuk mengawal komposisi medium boleh ditentukur dalam unit kepekatan komponen tertentu atau sifat medium, jika terdapat hubungan yang tidak jelas antara mereka dalam beberapa had.

NSPeranti untuk kawalan automatik sifat fizikal dan fiziko-kimia dan komposisi bahan ialah peranti yang mengukur kuantiti fizikal atau fiziko-kimia yang berasingan yang menentukan dengan jelas sifat persekitaran atau komposisi kualitatif atau kuantitatifnya.

Walau bagaimanapun, pengalaman menunjukkan bahawa untuk pelaksanaan peraturan automatik atau kawalan proses teknologi yang cukup dikaji, tidak perlu mempunyai maklumat lengkap tentang komposisi produk perantaraan dan akhir serta kepekatan beberapa komponennya pada bila-bila masa. Maklumat sedemikian biasanya diperlukan semasa mencipta, mempelajari dan menguasai proses.

Apabila peraturan teknologi optimum telah dibangunkan, hubungan yang tidak jelas antara perjalanan proses dan kuantiti fizikal dan fiziko-kimia yang boleh diukur yang mencirikan sifat dan komposisi produk telah diwujudkan, maka proses itu boleh dijalankan, penentukuran skala peranti secara langsung dalam kuantiti yang dia ukur, contohnya, dalam unit suhu, arus elektrik, kemuatan, dsb., atau dalam unit sifat tertentu medium, contohnya, warna, kekeruhan, kekonduksian elektrik, kelikatan, pemalar dielektrik, dan lain-lain n.

Kaedah utama untuk mengukur kuantiti fizik dan fiziko-kimia yang menentukan sifat dan komposisi alam sekitar dibincangkan di bawah.

Nomenklatur produk sedia ada yang sedia ada termasuk kumpulan utama peranti berikut:

• penganalisis gas,

• penumpu cecair,

• meter ketumpatan,

• viscometer,

• higrometer,

• spektrometer jisim,

• kromatografi,

• meter pH,

• solinometer,

• meter gula dsb.

Kumpulan ini pula dibahagikan mengikut kaedah pengukuran atau mengikut bahan yang dianalisis. Kebiasaan melampau klasifikasi sedemikian dan kemungkinan memperuntukkan peranti yang serupa secara struktur kepada kumpulan yang berbeza menyukarkan untuk mengkaji, memilih dan membandingkan peranti.

Peranti pengukuran langsung termasuk yang menentukan sifat fizikal atau fiziko-kimia dan komposisi bahan yang diuji secara langsung. Sebaliknya, dalam peranti gabungan, sampel bahan ujian terdedah kepada pengaruh yang mengubah komposisi kimia atau keadaan pengagregatannya dengan ketara.

Dalam kedua-dua kes, penyediaan awal sampel dari segi suhu, tekanan dan beberapa parameter lain adalah mungkin. Sebagai tambahan kepada dua kelas utama peranti ini, terdapat juga yang boleh dilakukan pengukuran langsung dan gabungan.

Alat ukur langsung

Dalam peranti pengukuran langsung, sifat fizikal dan fiziko-kimia medium ditentukan dengan mengukur kuantiti berikut: mekanikal, termodinamik, elektrokimia, elektrik dan magnet, dan akhirnya gelombang.

Kepada nilai mekanikal pertama sekali, ketumpatan dan graviti tentu medium ditentukan menggunakan instrumen berdasarkan kaedah pengukuran apungan, graviti, hidrostatik dan dinamik.Ini juga termasuk menentukan kelikatan medium, diukur dengan pelbagai viskometer: kapilari, berputar, berdasarkan kaedah bola jatuh dan lain-lain.

Daripada kuantiti termodinamik kesan haba tindak balas, diukur dengan peranti termokimia, pekali kekonduksian terma, yang diukur dengan peranti termokonduktif, suhu penyalaan produk petroleum, tekanan wap, dsb. telah menemui permohonan.

Pembangunan meluas untuk mengukur komposisi dan sifat campuran cecair serta beberapa gas yang terhasil peranti elektrokimia… Mereka termasuk di atas semua konduktor dan potensiometerperanti yang direka untuk menentukan kepekatan garam, asid dan bes dengan menukar kekonduksian elektrik keputusan. Inilah yang dipanggil penumpu konduktometri atau pengalir sentuh dan bukan sentuhan.

Didapati diedarkan dengan sangat meluas meter pH — peranti untuk menentukan keasidan medium dengan potensi elektrod.

Pergeseran potensi elektrod akibat polarisasi ditentukan dalam penganalisis gas galvanik dan penyahkutuban, berfungsi untuk mengawal kandungan oksigen dan gas lain, yang kehadirannya menyebabkan penyahkutuban elektrod.

Ia adalah salah satu yang paling menjanjikan kaedah pengukuran polarografi, yang terdiri daripada penentuan serentak potensi pelepasan pelbagai ion pada elektrod dan ketumpatan arus yang mengehadkan.

Pengukuran kepekatan lembapan dalam gas dicapai dengan cara kaedah koulometrik, di mana ditakrifkan kadar elektrolisis airdiserap daripada gas melalui filem sensitif lembapan.

Peranti berdasarkan untuk mengukur kuantiti elektrik dan magnet.

Pengionan gas dengan pengukuran serentak kekonduksian elektrik mereka, digunakan untuk mengukur kepekatan rendah. Pengionan boleh menjadi haba atau di bawah pengaruh pelbagai sinaran, khususnya isotop radioaktif.

Pengionan terma digunakan secara meluas dalam pengesan pengionan nyalaan kromatografi… Pengionan gas oleh sinar alfa dan beta digunakan secara meluas dalam pengesan kromatografi (yang dipanggil "argon" pengesan), serta dalam penganalisis gas pengionan alfa dan betaberdasarkan perbezaan keratan rentas pengionan bagi gas yang berbeza.

Gas ujian dalam instrumen ini melalui ruang pengionan alfa atau beta. Dalam kes ini, arus pengionan dalam ruang diukur, yang mencirikan kandungan komponen. Menentukan pemalar dielektrik medium digunakan untuk mengukur kandungan lembapan dan bahan lain melalui pelbagai jenis. meter lembapan kapasitif dan meter dielektrik.

Pemalar dielektrik filem sorben yang dibasuh oleh aliran gas digunakan, mencirikan kepekatan wap air di dalamnya higrometer dielometrik.

Kepekaan magnetik khusus memungkinkan untuk mengukur kepekatan gas paramagnet, terutamanya oksigen, melalui termmagnet, magnetoeffusion dan penganalisis gas magnetomekanikal.

Akhirnya, cas khusus zarah, yang bersama-sama dengan jisimnya merupakan ciri utama sesuatu bahan, ditentukan oleh spektrometer jisim masa penerbangan, penganalisis jisim frekuensi tinggi dan magnetik.

Pengukuran kuantiti gelombang — salah satu arah yang paling menjanjikan dalam pembinaan instrumen, berdasarkan penggunaan kesan interaksi persekitaran yang diuji dengan pelbagai jenis sinaran. Jadi, intensiti penyerapan dari persekitaran getaran ultrasonik memungkinkan untuk menganggarkan kelikatan dan ketumpatan medium.

Mengukur halaju pembiakan ultrasound dalam medium memberikan gambaran tentang kepekatan komponen individu atau tahap pempolimeran lateks dan bahan polimer lain. Hampir keseluruhan skala ayunan elektromagnet, daripada frekuensi radio kepada sinar-X dan sinaran gamma, digunakan dalam penderia untuk sifat dan komposisi bahan.

Ia termasuk instrumen analisis paling sensitif yang mengukur keamatan penyerapan tenaga daripada ayunan elektromagnet dalam julat panjang gelombang pendek, sentimeter dan milimeter, berdasarkan resonans magnetik elektromagnet dan nuklear.

Yang paling banyak digunakan ialah peranti yang menggunakan interaksi persekitaran dengan tenaga cahaya. dalam bahagian inframerah, boleh dilihat dan ultraungu spektrum… Kedua-dua pelepasan dan penyerapan kamiran cahaya serta keamatan garis dan jalur ciri bagi spektrum pelepasan dan penyerapan bahan diukur.

Peranti berdasarkan kesan optik-akustik digunakan, beroperasi di kawasan inframerah spektrum, sesuai untuk mengukur kepekatan gas poliatomik dan wap.

Indeks biasan cahaya dalam medium digunakan untuk menentukan komposisi media cecair dan gas dengan refraktometer dan interferometer.

Pengukuran keamatan putaran satah polarisasi cahaya oleh larutan bahan aktif optik digunakan untuk menentukan kepekatannya dengan polarimeter.

Kaedah untuk mengukur ketumpatan dan komposisi pelbagai media, berdasarkan pelbagai aplikasi interaksi sinar-X dan sinaran radioaktif dengan medium, telah dibangunkan secara meluas.

Peranti gabungan

Dalam beberapa kes, gabungan penentuan langsung sifat fizikal dan fiziko-kimia persekitaran dengan pelbagai operasi tambahan sebelum pengukuran boleh meluaskan kemungkinan pengukuran dengan ketara, meningkatkan selektiviti, sensitiviti dan ketepatan kaedah mudah. Kami memanggil peranti sedemikian digabungkan.

Operasi sampingan termasuk terutamanya penyerapan gas daripada cecair, pemeluwapan wap dan penyejatan cecairmembenarkan penggunaan kaedah untuk mengukur kepekatan cecair dalam analisis gas, seperti konduktometri, potensiometri, fotokolorimetri, dsb.dan sebaliknya, untuk mengukur kepekatan cecair yang digunakan kaedah untuk analisis gas: konduktometri terma, spektrometri jisim, dsb.

Salah satu kaedah penyerapan yang paling biasa ialah kromatografi, iaitu kaedah pengukuran gabungan di mana penentuan sifat fizik medium ujian didahului oleh proses pengasingan kromatografinya kepada komponen konstituennya. Ini memudahkan proses pengukuran dan secara mendadak mengembangkan had kemungkinan kaedah pengukuran langsung.

Keupayaan untuk mengukur jumlah komposisi campuran organik kompleks dan kepekaan tinggi peranti telah membawa kepada perkembangan pesat arah ini dalam instrumen analisis dalam beberapa tahun kebelakangan ini.

Aplikasi praktikal telah ditemui dalam industri kromatografi gasterdiri daripada dua bahagian utama: lajur kromatografi yang direka untuk memisahkan campuran ujian dan pengesan yang digunakan untuk mengukur kepekatan komponen campuran yang diasingkan. Terdapat pelbagai jenis reka bentuk untuk kromatografi gas, baik dari segi rejim terma lajur pemisahan dan prinsip operasi pengesan.

Dalam kromatografi mod isoterma, suhu termostat lajur dikekalkan malar semasa kitaran analisis; dalam kromatografi dengan pengaturcaraan suhu, yang terakhir berubah mengikut masa mengikut program yang telah ditetapkan; dalam kromatografi mod termodinamik, semasa kitaran analisis, suhu bahagian berlainan lajur berubah sepanjang panjangnya.

Pada dasarnya, pengesan kromatografi boleh digunakan sebarang peranti untuk menentukan sifat fizik dan fiziko-kimia bagi bahan tertentu. Reka bentuknya adalah lebih mudah daripada instrumen analisis lain, kerana kepekatan komponen campuran yang telah diasingkan mesti diukur.

Pada masa ini digunakan secara meluas pengesan berdasarkan mengukur ketumpatan gas, kekonduksian terma (yang dipanggil "katarometer"), kesan haba pembakaran produk ("termokimia"), kekonduksian elektrik nyalaan di mana campuran ujian memasuki ("pengionan api"), kekonduksian elektrik gas terion oleh sinaran radioaktif ("pengionan -argon") dan lain-lain.

Sebagai sangat universal, kaedah kromatografi memberikan kesan yang paling besar apabila mengukur kepekatan kekotoran dalam campuran hidrokarbon kompleks dengan takat didih sehingga 400 - 500 ° C.

Proses kimia yang membawa medium kepada parameter yang boleh diukur dengan cara yang mudah boleh digunakan dengan hampir semua kaedah pengukuran langsung. Penyerapan terpilih komponen individu campuran gas oleh cecair memungkinkan untuk mengukur kepekatan bahan ujian dengan mengukur isipadu campuran sebelum dan selepas penyerapan. Operasi penganalisis gas volum-manometrik adalah berdasarkan prinsip ini.

Berbeza tindak balas warna, sebelum pengukuran kesan interaksi dengan bahan pelepasan cahaya.

Ini termasuk sekumpulan besar yang dipanggil jalur fotokolorimeter, di mana pengukuran kepekatan komponen gas dijalankan dengan mengukur tahap kegelapan jalur di mana bahan yang memberikan tindak balas warna dengan bahan ujian telah digunakan sebelum ini. Kaedah ini digunakan secara meluas untuk mengukur kepekatan mikro, khususnya kepekatan berbahaya gas toksik di udara premis industri.

Tindak balas warna juga digunakan dalam fotokolorimeter cecair untuk meningkatkan sensitiviti mereka, untuk mengukur kepekatan komponen tidak berwarna dalam cecair, dsb.

Ia menjanjikan mengukur keamatan luminescence cecairdisebabkan oleh tindak balas kimia. Salah satu kaedah kimia analitik yang paling biasa ialah pentitratan... Kaedah pentitratan terdiri daripada mengukur kuantiti fizikal dan fiziko-kimia yang wujud dalam medium cecair yang terdedah kepada faktor kimia atau fizikal luaran.

Pada saat peralihan perubahan kuantitatif kepada yang kualitatif (titik akhir pentitratan), jumlah bahan atau elektrik yang digunakan sepadan dengan kepekatan komponen yang diukur direkodkan. Pada asasnya, ia adalah kaedah kitaran, tetapi terdapat versi yang berbeza, sehingga berterusan. Yang paling banyak digunakan sebagai penunjuk titik akhir pentitratan ialah penderia potensiometri (pH-metrik) dan fotokolorimetrik.

Penderia OS Arutyunov untuk komposisi dan sifat jirim