Sensori e dispositivi di misurazione per determinare la composizione e le proprietà delle sostanze

La caratteristica principale della classificazione dei dispositivi di controllo e delle apparecchiature di automazione è il loro ruolo nei sistemi automatici di regolazione e controllo in termini di flusso di informazioni.

I compiti dei mezzi tecnici di automazione in generale sono:

• ottenere informazioni primarie;

• la sua trasformazione;

• la sua trasmissione;

• elaborazione e confronto delle informazioni ricevute con il programma;

• formazione di informazioni di comando (controllo);

• trasmissione di informazioni di comando (controllo);

• utilizzando le informazioni di comando per controllare il processo.

Sensori per proprietà e composizione di sostanze svolgono un ruolo di primo piano nel sistema di controllo automatico, servono per ottenere informazioni primarie e determinano in gran parte la qualità dell'intero sistema di controllo automatico.

Stabiliamo alcuni concetti di base.Cos'è la misurazione, le proprietà, la composizione del mezzo? Le proprietà dell'ambiente sono determinate dai valori numerici di una o più grandezze fisiche o fisico-chimiche misurabili.

La misurazione è un processo per rivelare attraverso un esperimento il rapporto quantitativo di una certa quantità fisica o fisico-chimica che caratterizza le proprietà del mezzo di prova e la quantità corrispondente del mezzo di riferimento. Un esperimento è inteso come un processo oggettivo di impatto attivo sull'ambiente testato, prodotto con l'ausilio di mezzi materiali in determinate condizioni.

La composizione dell'ambiente, ad es. il contenuto qualitativo e quantitativo dei suoi componenti costitutivi, può essere determinato dalla sua nota dipendenza dalle proprietà fisiche o fisico-chimiche dell'ambiente e dalle grandezze che le caratterizzano, oggetto di misurazione.

Di norma, le proprietà e la composizione del mezzo sono determinate indirettamente. Misurando varie grandezze fisiche o fisico-chimiche che caratterizzano le proprietà dell'ambiente, e conoscendo il rapporto matematico tra queste grandezze, da un lato, e la composizione dell'ambiente, dall'altro, possiamo stimare la sua composizione in un valore maggiore o minor grado di accuratezza.

In altre parole, per scegliere o costruire un dispositivo di misurazione, ad esempio per determinare la composizione completa di un mezzo multicomponente, è necessario, in primo luogo, stabilire quali grandezze fisiche o fisico-chimiche caratterizzano le proprietà di tale mezzo e, in secondo luogo, per trovare dipendenze di forma

ki = f (Do1, Do2, … Cm),

dove ki — concentrazione di ciascun componente dell'ambiente, C1, C2, ... Cm — quantità fisiche o fisico-chimiche che caratterizzano le proprietà dell'ambiente.

Di conseguenza, il dispositivo utilizzato per controllare la composizione del mezzo può essere calibrato in unità di concentrazione di un certo componente o proprietà del mezzo, se esiste una relazione univoca tra loro entro certi limiti.

NSI dispositivi per il controllo automatico delle proprietà fisiche e fisico-chimiche e della composizione delle sostanze sono dispositivi che misurano quantità fisiche o fisico-chimiche separate che determinano in modo inequivocabile le proprietà dell'ambiente o la sua composizione qualitativa o quantitativa.

Tuttavia, l'esperienza dimostra che per l'attuazione della regolazione automatica o del controllo di un processo tecnologico sufficientemente studiato, non è necessario disporre in qualsiasi momento di informazioni complete sulla composizione dei prodotti intermedi e finali e sulla concentrazione di alcuni dei loro componenti. Tali informazioni sono generalmente richieste durante la creazione, l'apprendimento e la padronanza dei processi.

Quando sono state sviluppate le regolazioni tecnologiche ottimali, stabilite relazioni univoche tra l'andamento del processo e le grandezze fisiche e fisico-chimiche misurabili che caratterizzano le proprietà e la composizione dei prodotti, allora il processo può essere eseguito, calibrazione della bilancia del dispositivo direttamente in quelle quantità che misura, ad esempio, in unità di temperatura, corrente elettrica, capacità, ecc., o in unità della proprietà specificata del mezzo, ad esempio colore, torbidità, conducibilità elettrica, viscosità, costante dielettrica, ecc. n.

I principali metodi per misurare le grandezze fisiche e fisico-chimiche che determinano le proprietà e la composizione dell'ambiente sono discussi di seguito.

La nomenclatura del prodotto storicamente consolidata comprende i seguenti gruppi principali di dispositivi:

• analizzatori di gas,

• concentratori liquidi,

• densimetri,

• viscosimetri,

• igrometri,

• spettrometri di massa,

• cromatografi,

• misuratori di pH,

• solinometri,

• contatori di zucchero ecc.

Questi gruppi, a loro volta, sono suddivisi in base ai metodi di misura o in base alle sostanze analizzate. L'estrema convenzionalità di una tale classificazione e la possibilità di assegnare dispositivi strutturalmente identici a gruppi diversi rendono difficile lo studio, la selezione e il confronto dei dispositivi.

I dispositivi di misurazione diretta includono quelli che determinano le proprietà fisiche o fisico-chimiche e la composizione della sostanza testata direttamente. Al contrario, nei dispositivi combinati, il campione della sostanza in esame è esposto a influenze che ne modificano in modo significativo la composizione chimica o il suo stato di aggregazione.

In entrambi i casi è possibile una preparazione preliminare del campione in termini di temperatura, pressione e alcuni altri parametri. Oltre a queste due classi principali di dispositivi, esistono anche quelli in cui è possibile eseguire sia la misurazione diretta che combinata.

Strumenti di misura diretta

Nei dispositivi di misura diretta, le proprietà fisiche e fisico-chimiche del mezzo vengono determinate misurando le seguenti grandezze: meccaniche, termodinamiche, elettrochimiche, elettriche e magnetiche e infine onde.

A valori meccanici prima di tutto, la densità e il peso specifico del mezzo vengono determinati utilizzando strumenti basati su metodi di misurazione galleggiante, gravitazionale, idrostatica e dinamica.Ciò include anche la determinazione della viscosità del mezzo, misurata con vari viscosimetri: capillare, rotativo, basato sui metodi della sfera cadente e altri.

Dalle grandezze termodinamiche l'effetto termico della reazione, misurato con dispositivi termochimici, il coefficiente di conducibilità termica, misurato con dispositivi termoconduttivi, la temperatura di accensione dei prodotti petroliferi, la tensione di vapore, ecc. hanno trovato applicazione.

Ampio sviluppo per misurare la composizione e le proprietà delle miscele liquide e di alcuni gas risultanti dispositivi elettrochimici… Includono soprattutto conduttimetri e potenziometridispositivi progettati per determinare la concentrazione di sali, acidi e basi cambiando conduttività elettrica decisioni. Questi sono i cosiddetti concentratori conduttometrici o conduttimetri a contatto e non a contatto.

Trovato molto ampiamente distribuito misuratori di pH — dispositivi per determinare l'acidità del mezzo mediante il potenziale dell'elettrodo.

Viene determinato lo spostamento del potenziale dell'elettrodo dovuto alla polarizzazione negli analizzatori di gas galvanici e depolarizzanti, che serve a controllare il contenuto di ossigeno e altri gas, la cui presenza provoca la depolarizzazione degli elettrodi.

È uno dei più promettenti metodo di misurazione polarografica, che consiste nella determinazione simultanea dei potenziali di rilascio di vari ioni sull'elettrodo e della densità di corrente limite.

La misurazione della concentrazione di umidità nei gas si ottiene per mezzo di metodo coulometrico, dove è definito velocità di elettrolisi dell'acquaassorbito dal gas attraverso una pellicola sensibile all'umidità.

Dispositivi basati su per la misura di grandezze elettriche e magnetiche.

Ionizzazione del gas con misurazione simultanea della loro conducibilità elettrica, viene utilizzato per misurare basse concentrazioni. La ionizzazione può essere termica o sotto l'influenza di varie radiazioni, in particolare isotopi radioattivi.

La ionizzazione termica è ampiamente utilizzata nei rivelatori a ionizzazione di fiamma dei cromatografi… La ionizzazione dei gas mediante raggi alfa e beta è ampiamente utilizzata nei rivelatori cromatografici (i cosiddetti rivelatori "argon"), nonché negli analizzatori di gas a ionizzazione alfa e betain base alla differenza nelle sezioni d'urto di ionizzazione di diversi gas.

Il gas di prova in questi strumenti passa attraverso una camera di ionizzazione alfa o beta. In questo caso viene misurata la corrente di ionizzazione nella camera, che caratterizza il contenuto del componente. La determinazione della costante dielettrica di un mezzo viene utilizzata per misurare il contenuto di umidità e altre sostanze mediante vari tipi misuratori di umidità capacitivi e misuratori dielettrici.

La costante dielettrica viene utilizzato un film assorbente lavato da un flusso di gas, che caratterizza la concentrazione di vapore acqueo in esso igrometri dielometrici.

La specifica sensibilità magnetica consente di misurare la concentrazione di gas paramagnetici, principalmente ossigeno, mediante analizzatori di gas termomagnetici, magnetoeffusionali e magnetomeccanici.

Infine, la carica specifica delle particelle, che insieme alla loro massa è la caratteristica principale di una sostanza, è determinata da spettrometri di massa a tempo di volo, analizzatori di massa magnetici e ad alta frequenza.

Misura delle grandezze d'onda — una delle direzioni più promettenti nella costruzione di strumenti, basata sull'uso dell'effetto dell'interazione dell'ambiente testato con diversi tipi di radiazioni. Quindi, l'intensità dell'assorbimento dall'ambiente vibrazioni ultrasoniche consente di stimare la viscosità e la densità del mezzo.

Misurare la velocità di propagazione degli ultrasuoni in un mezzo dà un'idea della concentrazione dei singoli componenti o del grado di polimerizzazione dei lattici e di altre sostanze polimeriche. Quasi l'intera scala delle oscillazioni elettromagnetiche, dalle radiofrequenze ai raggi X e alle radiazioni gamma, viene utilizzata nei sensori per le proprietà e la composizione delle sostanze.

Includono gli strumenti analitici più sensibili che misurano l'intensità dell'assorbimento di energia dalle oscillazioni elettromagnetiche nelle gamme di lunghezze d'onda corte, centimetri e millimetri, sulla base della risonanza magnetica elettromagnetica e nucleare.

I più utilizzati sono i dispositivi che utilizzano l'interazione dell'ambiente con l'energia luminosa. nelle parti infrarosse, visibili e ultraviolette dello spettro… Vengono misurate sia l'emissione e l'assorbimento integrali della luce che l'intensità delle linee e bande caratteristiche degli spettri di emissione e assorbimento delle sostanze.

Vengono utilizzati dispositivi basati sull'effetto ottico-acustico, operanti nella regione dello spettro infrarosso, atti a misurare la concentrazione di gas e vapori poliatomici.

Indice di rifrazione della luce nel mezzo utilizzato per determinare la composizione di mezzi liquidi e gassosi mediante rifrattometri e interferometri.

La misurazione dell'intensità di rotazione del piano di polarizzazione della luce mediante soluzioni di sostanze otticamente attive viene utilizzata per determinare la loro concentrazione mediante polarimetri.

Sono stati ampiamente sviluppati metodi per misurare la densità e la composizione di vari mezzi, basati sulle varie applicazioni dell'interazione dei raggi X e della radiazione radioattiva con il mezzo.

Dispositivi combinati

In un certo numero di casi, la combinazione della determinazione diretta delle proprietà fisiche e fisico-chimiche dell'ambiente con varie operazioni ausiliarie che precedono la misurazione può ampliare significativamente le possibilità di misurazione, aumentare la selettività, la sensibilità e l'accuratezza dei metodi semplici. Chiamiamo tali dispositivi combinati.

Le operazioni accessorie includono principalmente Assorbimento di un gas da un liquido, condensazione del vapore ed evaporazione del liquidoconsentendo l'uso di metodi per misurare la concentrazione di liquidi nell'analisi di gas, come ad esempio conduttometria, potenziometria, fotocolorimetria, ecc.e viceversa, per misurare la concentrazione dei liquidi utilizzati metodi per l'analisi dei gas: conduttometria termica, spettrometria di massa, ecc.

Uno dei metodi di assorbimento più comuni è cromatografia, che è un metodo di misurazione combinato in cui la determinazione delle proprietà fisiche del mezzo di prova è preceduta dal processo della sua separazione cromatografica nei suoi componenti costitutivi. Ciò semplifica il processo di misurazione e amplia notevolmente i limiti delle possibilità dei metodi di misurazione diretta.

La capacità di misurare la composizione totale di miscele organiche complesse e l'elevata sensibilità dei dispositivi hanno portato negli ultimi anni al rapido sviluppo di questa direzione negli strumenti analitici.

Un'applicazione pratica è stata trovata nell'industria gascromatograficostituito da due parti principali: una colonna cromatografica destinata a separare la miscela in esame e un rivelatore utilizzato per misurare la concentrazione dei componenti separati della miscela. Esiste un'ampia varietà di design per i gascromatografi, sia in termini di regime termico della colonna di separazione che di principio di funzionamento del rivelatore.

Nei cromatografi in modalità isotermica, la temperatura del termostato della colonna viene mantenuta costante durante il ciclo di analisi; nei cromatografi con programmazione della temperatura, quest'ultima varia nel tempo secondo un programma prestabilito; nei cromatografi in modalità termodinamica, durante il ciclo di analisi, la temperatura delle diverse parti della colonna cambia lungo la sua lunghezza.

In linea di principio, può essere utilizzato un rivelatore cromatografico qualsiasi dispositivo per determinare le proprietà fisiche e fisico-chimiche di una determinata sostanza. Il suo design è ancora più semplice di quello di altri strumenti analitici, poiché devono essere misurate le concentrazioni dei componenti già separati della miscela.

Attualmente ampiamente utilizzato rivelatori basati sulla misurazione della densità del gas, conducibilità termica (i cosiddetti "catarometri"), l'effetto termico della combustione dei prodotti ("termochimico"), la conducibilità elettrica della fiamma in cui entra la miscela in esame ("ionizzazione di fiamma"), la conducibilità elettrica della gas ionizzato da radiazioni radioattive ("ionizzazione -argon") e altri.

Essendo molto universale, il metodo cromatografico dà il massimo effetto quando si misura la concentrazione di impurità in miscele di idrocarburi complessi con un punto di ebollizione fino a 400 - 500 ° C.

I processi chimici che portano il mezzo a parametri che possono essere misurati in modo semplice possono essere utilizzati con quasi tutti i metodi di misurazione diretta. L'assorbimento selettivo di singoli componenti di una miscela gassosa da parte di un liquido consente di misurare la concentrazione delle sostanze in esame misurando il volume della miscela prima e dopo l'assorbimento. Il funzionamento degli analizzatori di gas volume-manometrici si basa su questo principio.

Diverso reazioni di colore, che precede la misurazione dell'effetto dell'interazione con la sostanza dell'emissione luminosa.

Ciò include un folto gruppo di cosiddetti fotocolorimetri a striscia, in cui la misura della concentrazione dei componenti gassosi viene effettuata misurando il grado di scurimento di una striscia sulla quale è stata preventivamente applicata una sostanza che dà una reazione cromatica con la sostanza in esame. Questo metodo è ampiamente utilizzato per misurare le microconcentrazioni, in particolare le concentrazioni pericolose di gas tossici nell'aria dei locali industriali.

Vengono utilizzate anche reazioni di colore nei fotocolorimetri a liquido per aumentarne la sensibilità, per misurare la concentrazione di componenti incolori nei liquidi, ecc.

È promettente misurare l'intensità della luminescenza dei liquidicausato da reazioni chimiche. Uno dei metodi chimici analitici più comuni è titolazione... Il metodo di titolazione consiste nel misurare quantità fisiche e fisico-chimiche inerenti a un mezzo liquido esposto a fattori chimici o fisici esterni.

Al momento della transizione delle modifiche quantitative a quelle qualitative (il punto finale della titolazione), viene registrata la quantità consumata di sostanza o elettricità corrispondente alla concentrazione del componente misurato. Fondamentalmente è un metodo ciclico, ma ne esistono diverse versioni, fino al continuo. I più usati come indicatori del punto finale della titolazione sono sensori potenziometrici (pH-metrici) e fotocolorimetrici.

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