Maddelerin bileşimini ve özelliklerini belirlemek için sensörler ve ölçüm cihazları

Kontrol cihazlarının ve otomasyon ekipmanlarının sınıflandırılmasının temel özelliği, bilgi akışı açısından otomatik düzenleme ve kontrol sistemlerindeki rolleridir.

Genel olarak teknik otomasyon araçlarının görevleri şunlardır:

• birincil bilgi edinme;

• onun dönüşümü;

• iletimi;

• alınan bilgilerin program ile işlenmesi ve karşılaştırılması;

• komut (kontrol) bilgilerinin oluşturulması;

• komut (kontrol) bilgilerinin iletimi;

• süreci kontrol etmek için komut bilgilerini kullanma.

Maddelerin özellikleri ve bileşimi için sensörler otomatik kontrol sisteminde öncü bir rol oynarlar, birincil bilgilerin elde edilmesine hizmet ederler ve büyük ölçüde tüm otomatik kontrol sisteminin kalitesini belirlerler.

Bazı temel kavramları oluşturalım.Ortamın ölçümü, özellikleri, bileşimi nedir? Ortamın özellikleri, ölçülebilen bir veya daha fazla fiziksel veya fiziko-kimyasal niceliğin sayısal değerleri ile belirlenir.

Ölçüm, bir deney yoluyla, test ortamının özelliklerini karakterize eden belirli bir fiziksel veya fiziko-kimyasal miktarın niceliksel oranını ve karşılık gelen referans ortamı miktarını ortaya çıkarma işlemidir. Bir deney, sabit koşullar altında maddi araçların yardımıyla üretilen, test edilen ortam üzerinde nesnel bir aktif etki süreci olarak anlaşılır.

Çevrenin bileşimi, yani oluşturan bileşenlerin kalitatif ve kantitatif içeriği, çevrenin fiziksel veya fiziko-kimyasal özelliklerine ve ölçüme tabi olarak onları karakterize eden niceliklere olan bilinen bağımlılığından belirlenebilir.

Kural olarak, ortamın özellikleri ve bileşimi dolaylı olarak belirlenir. Çevrenin özelliklerini karakterize eden çeşitli fiziksel veya fiziko-kimyasal nicelikleri ölçerek ve bir yandan bu nicelikler ile diğer yandan çevrenin bileşimi arasındaki matematiksel ilişkiyi bilerek, ortamın bileşimini daha büyük veya daha büyük bir değerde tahmin edebiliriz. daha az doğruluk derecesi.

Başka bir deyişle, örneğin çok bileşenli bir ortamın tam bileşimini belirlemek için bir ölçüm cihazı seçmek veya oluşturmak için, öncelikle bu ortamın özelliklerini hangi fiziksel veya fiziko-kimyasal niceliklerin karakterize ettiğini belirlemek ve ikincisi, şekil bağımlılıklarını bulmak için

ki = f (C1, C2, … Cm),

burada ki - ortamın her bir bileşeninin konsantrasyonu, C1, C2, ... Cm - ortamın özelliklerini karakterize eden fiziksel veya fiziko-kimyasal miktarlar.

Buna göre, ortamın bileşimini kontrol etmek için kullanılan cihaz, aralarında belirli sınırlar dahilinde kesin bir ilişki varsa, ortamın belirli bir bileşeninin veya özelliklerinin konsantrasyonunun birimlerinde kalibre edilebilir.

NSDmaddelerin fiziksel ve fiziko-kimyasal özelliklerinin ve bileşiminin otomatik kontrolüne yönelik cihazlar, ortamın özelliklerini veya onun niteliksel veya niceliksel bileşimini açık bir şekilde belirleyen ayrı fiziksel veya fiziko-kimyasal miktarları ölçen cihazlardır.

Bununla birlikte, deneyimler, yeterince incelenmiş bir teknolojik sürecin otomatik düzenlemesinin veya kontrolünün uygulanması için, herhangi bir anda ara ve nihai ürünlerin bileşimi ve bazı bileşenlerinin konsantrasyonu hakkında tam bilgiye sahip olmanın gerekli olmadığını göstermektedir. Bu tür bilgiler genellikle süreçleri oluştururken, öğrenirken ve ustalaşırken gereklidir.

Optimal teknolojik düzenlemeler geliştirildiğinde, sürecin seyri ile ürünlerin özelliklerini ve bileşimini karakterize eden ölçülebilir fiziksel ve fiziko-kimyasal nicelikler arasında kesin ilişkiler kurulduğunda, süreç yürütülebilir, cihaz ölçeği kalibrasyonu doğrudan ölçtüğü miktarlarda, örneğin sıcaklık, elektrik akımı, kapasitans vb. birimlerinde veya ortamın belirtilen özelliğinin birimlerinde, örneğin renk, bulanıklık, elektrik iletkenliği, viskozite, dielektrik sabiti, vb.

Çevrenin özelliklerini ve bileşimini belirleyen fiziksel ve fiziko-kimyasal niceliklerin ölçülmesine yönelik ana yöntemler aşağıda tartışılmaktadır.

Tarihsel olarak oluşturulmuş mevcut ürün terminolojisi, aşağıdaki ana cihaz gruplarını içerir:

• gaz analizörleri,

• sıvı yoğunlaştırıcılar,

• yoğunluk ölçerler,

• viskozimetreler,

• higrometreler,

• kütle spektrometreleri,

• kromatograflar,

• pH metre,

• solinometreler,

• şeker sayaçları vb.

Bu gruplar da ölçüm yöntemlerine veya analiz edilen maddelere göre alt gruplara ayrılır. Böyle bir sınıflandırmanın aşırı gelenekselliği ve yapısal olarak aynı cihazları farklı gruplara atama olasılığı, cihazları incelemeyi, seçmeyi ve karşılaştırmayı zorlaştırır.

Doğrudan ölçüm cihazları, doğrudan test edilen maddenin fiziksel veya fiziko-kimyasal özelliklerini ve bileşimini belirleyen cihazları içerir. Buna karşılık, kombine cihazlarda, test maddesi numunesi, kimyasal bileşimini veya agregasyon durumunu önemli ölçüde değiştiren etkilere maruz kalır.

Her iki durumda da numunenin sıcaklık, basınç ve diğer bazı parametreler açısından ön hazırlığı mümkündür. Bu iki ana cihaz sınıfına ek olarak, hem doğrudan hem de birleşik ölçüm yapılabilen cihazlar da vardır.

Doğrudan ölçüm cihazları

Doğrudan ölçüm cihazlarında, ortamın fiziksel ve fiziko-kimyasal özellikleri şu nicelikler ölçülerek belirlenir: mekanik, termodinamik, elektrokimyasal, elektrik ve manyetik ve son olarak dalga.

mekanik değerlere öncelikle float, gravite, hidrostatik ve dinamik ölçüm yöntemlerine dayalı aletler kullanılarak ortamın yoğunluğu ve özgül ağırlığı belirlenir.Bu aynı zamanda, çeşitli viskozimetrelerle ölçülen ortamın viskozitesinin belirlenmesini de içerir: kılcal, döner, düşen top yöntemlerine dayalı ve diğerleri.

Termodinamik niceliklerden termokimyasal cihazlarla ölçülen reaksiyonun ısı etkisi, termoiletken cihazlarla ölçülen termal iletkenlik katsayısı, petrol ürünlerinin tutuşma sıcaklığı, buhar basıncı vb. uygulama bulduk.

Sıvı karışımların yanı sıra ortaya çıkan bazı gazların bileşimini ve özelliklerini ölçmek için kapsamlı geliştirme elektrokimyasal cihazlar… Her şeyden önce içerirler kondüktometreler ve potansiyometrelerdeğiştirerek tuzların, asitlerin ve bazların konsantrasyonunu belirlemek için tasarlanmış cihazlar elektiriksel iletkenlik kararlar. Bunlar sözde kondüktometrik yoğunlaştırıcılar veya temaslı ve temassız kondüktometreler.

Çok yaygın olarak dağıtılmış bulundu pH metre - elektrot potansiyeli ile ortamın asitliğini belirlemek için cihazlar.

Polarizasyon nedeniyle elektrot potansiyel kayması belirlenir galvanik ve depolarize edici gaz analizörlerinde, varlığı elektrotların depolarizasyonuna neden olan oksijen ve diğer gazların içeriğini kontrol etmeye hizmet eder.

En umut verici olanlardan biridir polarografik ölçüm yöntemielektrot üzerindeki çeşitli iyonların salınım potansiyellerinin ve sınırlayıcı akım yoğunluğunun aynı anda belirlenmesinden oluşur.

Gazlardaki nem konsantrasyonunun ölçümü, kulometrik yöntem, nerede tanımlanır suyun elektroliz oranıneme duyarlı bir film aracılığıyla gazdan adsorbe edilir.

Şuna dayalı cihazlar: elektriksel ve manyetik miktarları ölçmek için.

gaz iyonizasyonu elektriksel iletkenliklerinin eş zamanlı ölçümü ile düşük konsantrasyonları ölçmek için kullanılır. İyonlaşma termal olabilir veya çeşitli radyasyonların, özellikle radyoaktif izotopların etkisi altında olabilir.

Termal iyonizasyon yaygın olarak kullanılmaktadır. kromatografların alev iyonlaşma detektörlerinde… Gazların alfa ve beta ışınlarıyla iyonlaştırılması yaygın olarak kullanılmaktadır. kromatografik dedektörlerde ("argon" dedektörleri olarak adlandırılır) ve ayrıca alfa ve beta iyonlaşma gazı analizörlerindefarklı gazların iyonlaşma kesitlerindeki farka dayalıdır.

Bu aletlerdeki test gazı bir alfa veya beta iyonizasyon odasından geçer. Bu durumda, bileşenin içeriğini karakterize eden haznedeki iyonlaşma akımı ölçülür. Bir ortamın dielektrik sabitinin belirlenmesi, çeşitli türler aracılığıyla nem ve diğer maddelerin içeriğini ölçmek için kullanılır. kapasitif nem ölçerler ve dielektrik ölçerler.

dielektrik sabiti içindeki su buharı konsantrasyonunu karakterize eden bir gaz akışı ile yıkanmış bir sorbent film kullanılır dielometrik higrometreler.

Spesifik manyetik hassasiyet, özellikle oksijen olmak üzere paramanyetik gazların konsantrasyonunu ölçmeyi mümkün kılar. termomanyetik, manyetoeffüzyon ve manyetomekanik gaz analizörleri.

Son olarak, kütleleriyle birlikte bir maddenin ana özelliği olan parçacıkların özgül yükü şu şekilde belirlenir: uçuş süresi kütle spektrometreleri, yüksek frekanslı ve manyetik kütle analizörleri.

dalga büyüklüklerinin ölçümü - test edilen ortamın farklı radyasyon türleri ile etkileşiminin etkisinin kullanımına dayanan, enstrüman yapımında en umut verici yönlerden biri. Böylece, ortamdan absorpsiyon yoğunluğu ultrasonik titreşimler ortamın viskozitesini ve yoğunluğunu tahmin etmeyi mümkün kılar.

Ultrasonun bir ortamda yayılma hızının ölçülmesi, tek tek bileşenlerin konsantrasyonu veya latekslerin ve diğer polimerik maddelerin polimerizasyon derecesi hakkında fikir verir. Radyo frekanslarından X ışınlarına ve gama radyasyonuna kadar neredeyse tüm elektromanyetik salınım ölçeği, maddelerin özellikleri ve bileşimi için sensörlerde kullanılır.

Elektromanyetik ve nükleer manyetik rezonansa dayalı kısa dalga boyu, santimetre ve milimetre aralıklarında elektromanyetik salınımlardan enerji emiliminin yoğunluğunu ölçen en hassas analitik araçları içerir.

En yaygın olarak kullanılanlar, ortamın ışık enerjisi ile etkileşimini kullanan cihazlardır. spektrumun kızılötesi, görünür ve ultraviyole kısımlarında... Hem ışığın bütünleşik emisyonu ve absorpsiyonu hem de maddelerin emisyon ve absorpsiyon spektrumlarının karakteristik çizgilerinin ve bantlarının yoğunluğu ölçülür.

Spektrumun kızılötesi bölgesinde çalışan, çok atomlu gazların ve buharların konsantrasyonunu ölçmek için uygun optik-akustik etkiye dayalı cihazlar kullanılır.

Ortamdaki ışığın kırılma indisi sıvı ve gaz ortamların bileşimini belirlemek için kullanılır refraktometreler ve interferometreler.

Işığın polarizasyon düzleminin dönme yoğunluğunun optik olarak aktif maddelerin çözeltileriyle ölçülmesi, konsantrasyonlarını şu şekilde belirlemek için kullanılır: polarimetreler.

X-ışını ve radyoaktif radyasyonun ortamla etkileşiminin çeşitli uygulamalarına dayanan, çeşitli ortamların yoğunluğunu ve bileşimini ölçmek için yöntemler geniş çapta geliştirilmiştir.

Kombine cihazlar

Bazı durumlarda, ortamın fiziksel ve fiziko-kimyasal özelliklerinin doğrudan belirlenmesi ile ölçümden önceki çeşitli yardımcı işlemlerin kombinasyonu, ölçüm olanaklarını önemli ölçüde genişletebilir, basit yöntemlerin seçiciliğini, hassasiyetini ve doğruluğunu artırabilir. Bu tür cihazlara birleşik diyoruz.

Yardımcı işlemler, öncelikle şunları içerir: bir sıvıdan bir gazın emilmesi, buhar yoğunlaşması ve sıvı buharlaşmasıgibi gazların analizinde sıvıların konsantrasyonunu ölçmek için yöntemlerin kullanılmasına izin verir. kondüktometri, potansiyometri, fotokolorimetri vb.ve tersi, kullanılan sıvıların konsantrasyonunu ölçmek için gaz analizi için yöntemler: termal kondüktometri, kütle spektrometresi, vb.

En yaygın sorpsiyon yöntemlerinden biri kromatografi, test ortamının fiziksel özelliklerinin belirlenmesinden önce onu oluşturan bileşenlere kromatografik ayırma işleminin yapıldığı birleşik bir ölçüm yöntemidir. Bu, ölçüm sürecini basitleştirir ve doğrudan ölçüm yöntemlerinin olasılık sınırlarını önemli ölçüde genişletir.

Karmaşık organik karışımların toplam bileşimini ölçebilme yeteneği ve cihazların yüksek hassasiyeti, son yıllarda analitik cihazlarda bu yönün hızla gelişmesine yol açmıştır.

Endüstride pratik bir uygulama bulundu gaz kromatograflarıiki ana bölümden oluşur: test karışımını ayırmak için tasarlanmış bir kromatografik kolon ve karışımın ayrılan bileşenlerinin konsantrasyonunu ölçmek için kullanılan bir detektör. Hem ayırma kolonunun termal rejimi hem de detektörün çalışma prensibi açısından gaz kromatografları için çok çeşitli tasarımlar vardır.

İzotermal mod kromatografilerinde kolon termostatının sıcaklığı analiz döngüsü boyunca sabit tutulur; sıcaklık programlamalı kromatograflarda, sıcaklık önceden belirlenmiş bir programa göre zamanla değişir; termodinamik mod kromatograflarında, analiz döngüsü sırasında kolonun farklı bölümlerinin sıcaklığı, uzunluğu boyunca değişir.

Prensip olarak, bir kromatografik detektör kullanılabilir. belirli bir maddenin fiziksel ve fiziko-kimyasal özelliklerini belirlemek için herhangi bir cihaz. Karışımın zaten ayrılmış bileşenlerinin konsantrasyonlarının ölçülmesi gerektiğinden, tasarımı diğer analitik cihazlardan bile daha basittir.

Şu anda yaygın olarak kullanılan gaz yoğunluğu, termal iletkenlik ölçümüne dayalı dedektörler ("katarometreler" olarak anılır), ürünlerin yanmasının termal etkisi ("termokimyasal"), test karışımının içine girdiği alevin elektriksel iletkenliği ("alev iyonlaşması"), radyoaktif radyasyon ("iyonlaşma -argon") ve diğerleri ile iyonize gaz.

Çok evrensel olan kromatografik yöntem, kaynama noktası 400 - 500 ° C'ye kadar olan karmaşık hidrokarbon karışımlarındaki safsızlıkların konsantrasyonunu ölçerken en büyük etkiyi verir.

Ortamı basit yollarla ölçülebilen parametrelere getiren kimyasal işlemler, hemen hemen tüm doğrudan ölçüm yöntemleriyle kullanılabilir. Bir gaz karışımının ayrı ayrı bileşenlerinin bir sıvı tarafından seçici absorpsiyonu, absorpsiyondan önce ve sonra karışımın hacmini ölçerek test maddelerinin konsantrasyonunu ölçmeyi mümkün kılar. Hacim-manometrik gaz analizörlerinin çalışması bu prensibe dayanmaktadır.

Farklı renk reaksiyonları, ışık emisyonunun maddesi ile etkileşimin etkisinin ölçülmesinden önce.

Bu, büyük bir sözde grubu içerir. şerit fotokolorimetrelergaz bileşenlerinin konsantrasyonunun ölçülmesinin, test maddesiyle renk reaksiyonu veren bir maddenin önceden uygulanmış olduğu bir şeridin koyulaşma derecesinin ölçülmesiyle gerçekleştirildiği. Bu yöntem, endüstriyel tesislerin havasındaki mikro konsantrasyonları, özellikle tehlikeli zehirli gaz konsantrasyonlarını ölçmek için yaygın olarak kullanılır.

Renk reaksiyonları da kullanılır sıvı fotokolorimetrelerde hassasiyetlerini artırmak, sıvılardaki renksiz bileşenlerin konsantrasyonunu ölçmek vb.

umut verici sıvıların lüminesans yoğunluğunun ölçülmesikimyasal reaksiyonlardan kaynaklanır. En yaygın analitik kimyasal yöntemlerden biri titrasyon... Titrasyon yöntemi, harici kimyasal veya fiziksel faktörlere maruz kalan sıvı bir ortamda bulunan fiziksel ve fiziko-kimyasal miktarların ölçülmesinden oluşur.

Nicel değişikliklerin niteliksel olanlara geçiş anında (titrasyonun bitiş noktası), ölçülen bileşenin konsantrasyonuna karşılık gelen tüketilen madde veya elektrik miktarı kaydedilir. Temelde döngüsel bir yöntemdir, ancak sürekliye kadar farklı versiyonları vardır. Titrasyonun bitiş noktasının göstergesi olarak en yaygın şekilde kullanılanlar şunlardır: potansiyometrik (pH-metrik) ve fotokolorimetrik sensörler.

Maddenin bileşimi ve özellikleri için Arutyunov OS Sensörleri