Jutikliai ir matavimo prietaisai medžiagų sudėčiai ir savybėms nustatyti

Pagrindinis valdymo prietaisų ir automatikos įrangos klasifikavimo bruožas yra jų vaidmuo automatinio reguliavimo ir valdymo sistemose informacijos srauto požiūriu.

Techninių automatizavimo priemonių uždaviniai apskritai yra:

• pirminės informacijos gavimas;

• jos transformacija;

• jo perdavimas;

• gautos informacijos apdorojimas ir palyginimas su programa;

• komandinės (valdymo) informacijos formavimas;

• komandų (valdymo) informacijos perdavimas;

• naudojant komandų informaciją procesui valdyti.

Medžiagų savybių ir sudėties jutikliai vaidina pagrindinį vaidmenį automatinio valdymo sistemoje, jie padeda gauti pirminę informaciją ir iš esmės lemia visos automatinio valdymo sistemos kokybę.

Sukurkime keletą pagrindinių sąvokų.Kas yra terpės matavimas, savybės, sudėtis? Aplinkos savybes lemia vieno ar kelių fizikinių ar fizikinių ir cheminių dydžių, kuriuos galima išmatuoti, skaitinės reikšmės.

Matavimas – tai procesas, kurio metu eksperimentu atskleidžiamas tam tikro fizikinio ar fizikinio ir cheminio kiekio, apibūdinančio tiriamosios terpės savybes, ir atitinkamo etaloninės terpės kiekio kiekybinis santykis. Eksperimentas suprantamas kaip objektyvus aktyvaus poveikio bandomai aplinkai procesas, pagamintas materialinių priemonių pagalba nustatytomis sąlygomis.

Aplinkos sudėtis, t.y. kokybinis ir kiekybinis jo sudedamųjų dalių turinys, galima nustatyti pagal žinomą jo priklausomybę nuo fizinių ar fizikinių ir cheminių aplinkos savybių ir joms būdingų dydžių, matuojant.

Paprastai terpės savybės ir sudėtis nustatomos netiesiogiai. Išmatuodami įvairius fizinius ar fizikinius-cheminius dydžius, apibūdinančius aplinkos savybes, ir žinodami matematinį ryšį tarp šių dydžių, viena vertus, ir aplinkos sudėties, kita vertus, galime įvertinti jos sudėtį didesniu arba mažesnis tikslumo laipsnis.

Kitaip tariant, norint pasirinkti ar sukurti matavimo prietaisą, pavyzdžiui, nustatyti visą daugiakomponentės terpės sudėtį, pirmiausia reikia nustatyti, kokie fizikiniai ar fizikiniai-cheminiai dydžiai apibūdina šios terpės savybes ir antra, rasti formos priklausomybes

ki = f (C1, C2, … Cm),

čia ki — kiekvieno aplinkos komponento koncentracija, C1, C2, ... Cm — fizikiniai arba fizikiniai-cheminiai dydžiai, apibūdinantys aplinkos savybes.

Atitinkamai, prietaisas, naudojamas terpės sudėčiai valdyti, gali būti kalibruojamas tam tikro komponento ar terpės savybių koncentracijos vienetais, jei tarp jų yra neabejotinas ryšys tam tikrose ribose.

NSMedžiagų fizikinių ir fizikinių-cheminių savybių ir sudėties automatinio valdymo prietaisai – tai prietaisai, matuojantys atskirus fizikinius ar fizikinius-cheminius dydžius, kurie vienareikšmiškai nustato aplinkos savybes arba jos kokybinę ar kiekybinę sudėtį.

Tačiau patirtis rodo, kad norint įgyvendinti automatinį reguliavimą ar pakankamai ištirto technologinio proceso valdymą, nebūtina bet kuriuo momentu turėti išsamios informacijos apie tarpinių ir galutinių produktų sudėtį bei kai kurių jų komponentų koncentraciją. Tokios informacijos dažniausiai reikia kuriant, mokantis ir įsisavinant procesus.

Sukūrus optimalius technologinius reglamentus, nustačius nedviprasmiškus ryšius tarp proceso eigos ir išmatuojamų fizikinių bei fizikinių-cheminių dydžių, apibūdinančių gaminių savybes ir sudėtį, procesas gali būti vykdomas, prietaiso skalės kalibravimas tiesiogiai tais dydžiais, kuriuos jis matuoja, pavyzdžiui, temperatūros, elektros srovės, talpos ir kt., arba nurodytos terpės savybės, pavyzdžiui, spalvos, drumstumo, elektrinio laidumo, klampumo, dielektrinės konstantos, vienetais, ir tt n.

Toliau aptariami pagrindiniai fizikinių ir fizikinių-cheminių dydžių, lemiančių aplinkos savybes ir sudėtį, matavimo metodai.

Esama istoriškai sukurta gaminių nomenklatūra apima šias pagrindines prietaisų grupes:

• dujų analizatoriai,

• skysčių koncentratoriai,

• tankio matuokliai,

• viskozimetrai,

• higrometrai,

• masių spektrometrai,

• chromatografai,

• pH metrai,

• solinometrai,

• cukraus matuokliai ir kt.

Šios grupės savo ruožtu skirstomos pagal matavimo metodus arba pagal analizuojamas medžiagas. Ypatingas tokios klasifikacijos įprastumas ir galimybė struktūriškai vienodus prietaisus priskirti skirtingoms grupėms apsunkina prietaisų tyrimą, atranką ir palyginimą.

Tiesioginiai matavimo prietaisai apima tuos, kurie nustato tiesiogiai tiriamos medžiagos fizines arba fizikines ir chemines savybes bei sudėtį. Priešingai, kombinuotuose prietaisuose bandomosios medžiagos mėginys yra veikiamas įtakų, kurios labai pakeičia jo cheminę sudėtį arba agregacijos būseną.

Abiem atvejais galimas išankstinis mėginio paruošimas pagal temperatūrą, slėgį ir kai kuriuos kitus parametrus. Be šių dviejų pagrindinių prietaisų klasių, yra ir tokių, kuriuose galima atlikti tiek tiesioginį, tiek kombinuotą matavimą.

Tiesioginiai matavimo prietaisai

Tiesioginio matavimo prietaisuose fizikinės ir fizikinės-cheminės terpės savybės nustatomos išmatuojant šiuos dydžius: mechaninį, termodinaminį, elektrocheminį, elektrinį ir magnetinį, galiausiai banginį.

Prie mechaninių verčių visų pirma terpės tankis ir savitasis sunkis nustatomas naudojant prietaisus, paremtus plūdės, gravitacijos, hidrostatiniu ir dinaminiu matavimo metodais.Tai taip pat apima terpės klampumo nustatymą, matuojant įvairiais viskozimetrais: kapiliariniais, rotaciniais, pagal krentančio kamuoliuko metodus ir kt.

Iš termodinaminių dydžių reakcijos šiluminis poveikis, matuojamas termocheminiais prietaisais, šilumos laidumo koeficientas, kuris matuojamas termolaidžiais prietaisais, naftos produktų užsidegimo temperatūra, garų slėgis ir kt. rado pritaikymą.

Platus tobulinimas siekiant išmatuoti skystų mišinių sudėtį ir savybes, taip pat kai kurias susidarančias dujas elektrocheminiai prietaisai… Jie apima visų pirma konduktometrai ir potenciometraiprietaisai, skirti nustatyti druskų, rūgščių ir bazių koncentraciją keičiant elektrinis laidumas sprendimus. Tai vadinamieji konduktometriniai koncentratoriai arba kontaktiniai ir bekontakčiai laidų matuokliai.

Rasta labai plačiai paplitusi pH matuokliai — prietaisai, skirti terpės rūgštingumui nustatyti pagal elektrodo potencialą.

Nustatomas elektrodo potencialo poslinkis dėl poliarizacijos galvaniniuose ir depoliarizaciniuose dujų analizatoriuose, skirtas kontroliuoti deguonies ir kitų dujų kiekį, kurių buvimas sukelia elektrodų depoliarizaciją.

Tai vienas perspektyviausių poliarografinio matavimo metodas, kurį sudaro tuo pačiu metu nustatomas įvairių elektrodo jonų išsiskyrimo potencialas ir ribinis srovės tankis.

Drėgmės koncentracijos dujose matavimas pasiekiamas naudojant kulonometrinis metodas, kur yra apibrėžta vandens elektrolizės greitisadsorbuojamas iš dujų per drėgmei jautrią plėvelę.

Prietaisai, pagrįsti elektriniams ir magnetiniams dydžiams matuoti.

Dujų jonizacija tuo pačiu metu matuojant jų elektrinį laidumą, naudojamas mažoms koncentracijoms matuoti. Jonizacija gali būti terminė arba veikiama įvairių spindulių, ypač radioaktyvių izotopų.

Plačiai naudojama terminė jonizacija chromatografų liepsnos jonizacijos detektoriuose... Plačiai naudojama dujų jonizacija alfa ir beta spinduliais chromatografiniuose detektoriuose (vadinamieji „argono“ detektoriai), taip pat alfa ir beta jonizacijos dujų analizatoriuoseremiantis skirtingų dujų jonizacijos skerspjūvių skirtumu.

Bandomosios dujos šiuose prietaisuose praeina per alfa arba beta jonizacijos kamerą. Šiuo atveju matuojama jonizacijos srovė kameroje, kuri apibūdina komponento turinį. Terpės dielektrinės konstantos nustatymas naudojamas drėgmės ir kitų medžiagų kiekiui matuoti įvairiais būdais. talpiniai drėgmės matuokliai ir dielektriniai matuokliai.

Dielektrinė konstanta naudojama dujų srove nuplaunama sorbentinė plėvelė, apibūdinanti vandens garų koncentraciją joje dielometriniai higrometrai.

Specifinis magnetinis jautrumas leidžia išmatuoti paramagnetinių dujų, daugiausia deguonies, koncentraciją naudojant termomagnetiniai, magnetoefuziniai ir magnetomechaniniai dujų analizatoriai.

Galiausiai, specifinis dalelių krūvis, kuris kartu su jų mase yra pagrindinė medžiagos charakteristika, nustatomas pagal skrydžio laiko masės spektrometrai, aukšto dažnio ir magnetinės masės analizatoriai.

Bangų dydžių matavimas — viena perspektyviausių instrumentų kūrimo krypčių, pagrįsta išbandytos aplinkos sąveikos su įvairių tipų spinduliuote efekto panaudojimu. Taigi, absorbcijos iš aplinkos intensyvumas ultragarso vibracijos leidžia įvertinti terpės klampumą ir tankį.

Matuojant ultragarso sklidimo greitį terpėje, galima susidaryti vaizdą apie atskirų komponentų koncentraciją arba lateksų ir kitų polimerinių medžiagų polimerizacijos laipsnį. Medžiagų savybių ir sudėties jutikliuose naudojama beveik visa elektromagnetinių virpesių skalė – nuo ​​radijo dažnių iki rentgeno ir gama spinduliuotės.

Jie apima jautriausius analitinius prietaisus, matuojančius elektromagnetinių virpesių energijos sugerties intensyvumą trumpųjų bangų ilgių, centimetrų ir milimetrų diapazonuose, remiantis elektromagnetiniu ir branduoliniu magnetiniu rezonansu.

Plačiausiai naudojami įrenginiai, naudojantys aplinkos sąveiką su šviesos energija. infraraudonojoje, matomoje ir ultravioletinėje spektro dalyse… Matuojamas tiek integralus šviesos spinduliavimas ir sugertis, tiek medžiagų emisijos ir sugerties spektro charakteristikų linijų ir juostų intensyvumas.

Naudojami optiniu-akustiniu efektu pagrįsti prietaisai, veikiantys infraraudonojoje spektro srityje, tinkami daugiaatominių dujų ir garų koncentracijai matuoti.

Šviesos lūžio rodiklis terpėje naudojamas skystų ir dujinių terpių sudėčiai nustatyti pagal refraktometrai ir interferometrai.

Šviesos poliarizacijos plokštumos sukimosi intensyvumo matavimas optiškai aktyvių medžiagų tirpalais naudojamas jų koncentracijai nustatyti pagal poliarimetrai.

Buvo plačiai sukurti įvairių terpių tankio ir sudėties matavimo metodai, pagrįsti įvairiais rentgeno ir radioaktyviosios spinduliuotės sąveikos su terpe taikymais.

Kombinuoti įrenginiai

Daugeliu atvejų tiesioginio fizinių ir fizikinių bei cheminių aplinkos savybių nustatymo derinys su įvairiomis pagalbinėmis operacijomis prieš matavimą gali žymiai išplėsti matavimo galimybes, padidinti paprastų metodų selektyvumą, jautrumą ir tikslumą. Tokius įrenginius vadiname kombinuotais.

Pagalbinės operacijos pirmiausia apima dujų absorbcija iš skysčio, garų kondensacija ir skysčio išgaravimasleidžianti naudoti skysčių koncentracijos matavimo metodus analizuojant dujas, pvz konduktometrija, potenciometrija, fotokolorimetrija ir kt.ir atvirkščiai – naudojamų skysčių koncentracijai išmatuoti dujų analizės metodai: šilumos laidumo matavimas, masės spektrometrija ir kt.

Vienas iš labiausiai paplitusių sorbcijos būdų yra chromatografija, kuris yra kombinuotas matavimo metodas, kai prieš nustatant bandomosios terpės fizines savybes atliekamas jos chromatografinis atskyrimas į sudedamąsias dalis. Tai supaprastina matavimo procesą ir smarkiai išplečia tiesioginių matavimo metodų galimybių ribas.

Galimybė išmatuoti bendrą sudėtingų organinių mišinių sudėtį ir didelis prietaisų jautrumas lėmė spartų šios krypties plėtrą pastaraisiais metais analitiniuose instrumentuose.

Pramonėje buvo rastas praktinis pritaikymas dujų chromatografaisusidedanti iš dviejų pagrindinių dalių: chromatografinės kolonėlės, skirtos bandomajam mišiniui atskirti, ir detektoriaus, naudojamo atskirtų mišinio komponentų koncentracijai matuoti. Dujų chromatografų konstrukcijų yra labai įvairių – tiek atskyrimo kolonėlės terminio režimo, tiek detektoriaus veikimo principo požiūriu.

Izoterminio režimo chromatografuose analizės ciklo metu kolonėlės termostato temperatūra palaikoma pastovi; chromatografuose su temperatūros programavimu pastaroji laikui bėgant kinta pagal iš anksto nustatytą programą; termodinaminio režimo chromatografuose analizės ciklo metu skirtingų kolonėlės dalių temperatūra kinta išilgai jos ilgio.

Iš esmės galima naudoti chromatografinį detektorių bet koks prietaisas tam tikros medžiagos fizinėms ir fizikinėms bei cheminėms savybėms nustatyti. Jo konstrukcija dar paprastesnė nei kitų analitinių prietaisų, nes turi būti matuojamos jau atskirtų mišinio komponentų koncentracijos.

Šiuo metu plačiai naudojamas detektoriai, pagrįsti dujų tankio, šilumos laidumo matavimu (vadinamieji „katarometrai“), šiluminis produktų degimo efektas („termocheminis“), liepsnos, į kurią patenka tiriamasis mišinys, elektrinis laidumas („liepsnos jonizacija“), radioaktyviosios spinduliuotės jonizuotos dujos („jonizacija -argonas“) ir kt.

Būdamas labai universalus, chromatografinis metodas suteikia didžiausią efektą matuojant priemaišų koncentraciją sudėtinguose angliavandenilių mišiniuose, kurių virimo temperatūra yra iki 400–500 °C.

Cheminiai procesai, kurių metu terpė pasiekia parametrus, kuriuos galima išmatuoti paprastais būdais, gali būti naudojami beveik visais tiesioginiais matavimo metodais. Selektyvi atskirų dujų mišinio komponentų absorbcija skysčiu leidžia išmatuoti tiriamųjų medžiagų koncentraciją matuojant mišinio tūrį prieš ir po absorbcijos. Šiuo principu veikia tūriniai manometriniai dujų analizatoriai.

Skirtingas spalvų reakcijos, prieš matuojant sąveikos su šviesos emisijos medžiaga poveikį.

Tai apima didelę grupę vadinamųjų juostiniai fotokolorimetrai, kuriame dujų komponentų koncentracijos matavimas atliekamas matuojant juostelės, ant kurios prieš tai buvo užtepta medžiaga, kuri suteikia spalvų reakciją su tiriamąja medžiaga, tamsėjimo laipsnį. Šis metodas plačiai taikomas matuojant mikrokoncentracijas, ypač pavojingas toksiškų dujų koncentracijas pramoninių patalpų ore.

Taip pat naudojamos spalvinės reakcijos skystuose fotokolorimetruose padidinti jų jautrumą, matuoti bespalvių komponentų koncentraciją skysčiuose ir kt.

Tai daug žadanti matuojant skysčių liuminescencijos intensyvumąsukeltas cheminių reakcijų. Vienas iš labiausiai paplitusių analizės cheminių metodų yra titravimas... Titravimo metodas – tai fizinių ir fizikinių bei cheminių dydžių, būdingų skystoje terpėje, kuri yra veikiama išorinių cheminių ar fizinių veiksnių, matavimas.

Kiekybinių pokyčių perėjimo prie kokybinių momentu (titravimo pabaigos taškas) fiksuojamas sunaudotas medžiagos ar elektros kiekis, atitinkantis išmatuoto komponento koncentraciją. Iš esmės tai yra ciklinis metodas, tačiau yra įvairių jo versijų, iki nuolatinio. Plačiausiai naudojami kaip titravimo pabaigos taško rodikliai potenciometriniai (pH-metriniai) ir fotokolorimetriniai jutikliai.

Arutyunov OS jutikliai medžiagos sudėties ir savybių