Sensoren und Messgeräte zur Bestimmung der Zusammensetzung und Eigenschaften von Stoffen

Das Hauptmerkmal der Klassifizierung von Steuergeräten und Automatisierungsgeräten ist ihre Rolle in automatischen Regelungs- und Steuerungssystemen im Hinblick auf den Informationsfluss.

Die Aufgaben technischer Automatisierungsmittel im Allgemeinen sind:

• Beschaffung primärer Informationen;

• ihre Verwandlung;

• seine Übertragung;

• Verarbeitung und Vergleich der empfangenen Informationen mit dem Programm;

• Bildung von Befehls-(Kontroll-)Informationen;

• Übermittlung von Befehls-(Kontroll-)Informationen;

• Verwenden von Befehlsinformationen zur Steuerung des Prozesses.

Sensoren für Eigenschaften und Zusammensetzung von Stoffen spielen eine führende Rolle im automatischen Kontrollsystem, sie dienen der Gewinnung von Primärinformationen und bestimmen maßgeblich die Qualität des gesamten automatischen Kontrollsystems.

Lassen Sie uns einige grundlegende Konzepte festlegen.Was ist Messung, Eigenschaften, Zusammensetzung des Mediums? Die Eigenschaften der Umwelt werden durch die Zahlenwerte einer oder mehrerer messbarer physikalischer oder physikalisch-chemischer Größen bestimmt.

Die Messung ist ein Prozess, bei dem durch ein Experiment das quantitative Verhältnis einer bestimmten physikalischen oder physikalisch-chemischen Größe, die die Eigenschaften des Testmediums charakterisiert, und der entsprechenden Menge des Referenzmediums ermittelt wird. Unter einem Experiment versteht man einen objektiven Prozess der aktiven Einwirkung auf die getestete Umgebung, der mit Hilfe materieller Mittel unter festgelegten Bedingungen durchgeführt wird.

Die Zusammensetzung der Umgebung, d.h. der qualitative und quantitative Gehalt seiner Bestandteile, kann aus seiner bekannten Abhängigkeit von den physikalischen oder physikalisch-chemischen Eigenschaften der Umgebung und den sie charakterisierenden Größen, vorbehaltlich der Messung, bestimmt werden.

In der Regel werden die Eigenschaften und die Zusammensetzung des Mediums indirekt bestimmt. Indem wir verschiedene physikalische oder physikalisch-chemische Größen messen, die die Eigenschaften der Umwelt charakterisieren, und die mathematische Beziehung zwischen diesen Größen einerseits und der Zusammensetzung der Umwelt andererseits kennen, können wir ihre Zusammensetzung auf ein größeres oder höheres Maß abschätzen geringerer Genauigkeitsgrad.

Mit anderen Worten: Um ein Messgerät auszuwählen oder zu bauen, um beispielsweise die vollständige Zusammensetzung eines Mehrkomponentenmediums zu bestimmen, muss zunächst festgestellt werden, welche physikalischen oder physikalisch-chemischen Größen die Eigenschaften dieses Mediums charakterisieren und Zweitens, um Formabhängigkeiten zu finden

ki = f (C1, C2, … Cm),

wobei ki die Konzentration jedes Bestandteils der Umwelt ist, C1, C2, ... Cm die physikalischen oder physikalisch-chemischen Größen, die die Eigenschaften der Umwelt charakterisieren.

Dementsprechend kann das zur Steuerung der Zusammensetzung des Mediums verwendete Gerät in Einheiten der Konzentration einer bestimmten Komponente oder Eigenschaften des Mediums kalibriert werden, wenn zwischen ihnen innerhalb bestimmter Grenzen eine eindeutige Beziehung besteht.

NSGeräte zur automatischen Kontrolle der physikalischen und physikalisch-chemischen Eigenschaften und Zusammensetzung von Stoffen sind Geräte, die einzelne physikalische oder physikalisch-chemische Größen messen, die die Eigenschaften der Umwelt oder ihre qualitative oder quantitative Zusammensetzung eindeutig bestimmen.

Die Erfahrung zeigt jedoch, dass es für die Umsetzung einer automatischen Regulierung oder Steuerung eines ausreichend untersuchten technologischen Prozesses nicht erforderlich ist, zu jedem Zeitpunkt vollständige Informationen über die Zusammensetzung von Zwischen- und Endprodukten und über die Konzentration einiger ihrer Komponenten zu haben. Solche Informationen werden in der Regel beim Erstellen, Lernen und Beherrschen von Prozessen benötigt.

Wenn die optimalen technischen Regelungen entwickelt sind und eindeutige Zusammenhänge zwischen dem Prozessablauf und den messbaren physikalischen und physikalisch-chemischen Größen hergestellt sind, die die Eigenschaften und die Zusammensetzung der Produkte charakterisieren, kann der Prozess durchgeführt werden. Kalibrierung der Gerätewaage direkt in denjenigen Größen, die er beispielsweise in Einheiten der Temperatur, des elektrischen Stroms, der Kapazität usw. misst, oder in Einheiten der angegebenen Eigenschaft des Mediums, beispielsweise Farbe, Trübung, elektrische Leitfähigkeit, Viskosität, Dielektrizitätskonstante, usw. n.

Im Folgenden werden die wichtigsten Methoden zur Messung physikalischer und physikalisch-chemischer Größen besprochen, die die Eigenschaften und Zusammensetzung der Umwelt bestimmen.

Die bestehende historisch etablierte Produktnomenklatur umfasst folgende Hauptgruppen von Geräten:

• Gasanalysatoren,

• Flüssigkeitskonzentratoren,

• Dichtemessgeräte,

• Viskosimeter,

• Hygrometer,

• Massenspektrometer,

• Chromatographen,

• pH-Meter,

• Solinometer,

• Zuckermessgeräte usw.

Diese Gruppen werden wiederum nach den Messmethoden bzw. nach den analysierten Substanzen unterteilt. Die extreme Konventionalität einer solchen Klassifizierung und die Möglichkeit, baugleiche Geräte unterschiedlichen Gruppen zuzuordnen, erschweren die Untersuchung, Auswahl und den Vergleich von Geräten.

Zu den direkten Messgeräten gehören solche, die die physikalischen oder physikalisch-chemischen Eigenschaften und die Zusammensetzung des direkt getesteten Stoffes bestimmen. Im Gegensatz dazu wird bei kombinierten Geräten die Probe der Prüfsubstanz Einflüssen ausgesetzt, die ihre chemische Zusammensetzung oder ihren Aggregatzustand deutlich verändern.

In beiden Fällen ist eine Vorvorbereitung der Probe hinsichtlich Temperatur, Druck und einigen anderen Parametern möglich. Neben diesen beiden Hauptklassen von Geräten gibt es auch solche, bei denen sowohl direkte als auch kombinierte Messungen durchgeführt werden können.

Direktmessgeräte

Bei Direktmessgeräten werden die physikalischen und physikalisch-chemischen Eigenschaften des Mediums durch Messung folgender Größen bestimmt: mechanisch, thermodynamisch, elektrochemisch, elektrisch und magnetisch und schließlich Welle.

Zu mechanischen Werten Zunächst werden die Dichte und das spezifische Gewicht des Mediums mit Instrumenten bestimmt, die auf den Messmethoden Schwimmer, Schwerkraft, Hydrostatik und Dynamik basieren.Dazu gehört auch die Bestimmung der Viskosität des Mediums, gemessen mit verschiedenen Viskosimetern: Kapillarviskosimeter, Rotationsviskosimeter, basierend auf der Kugelfallmethode und anderen.

Aus thermodynamischen Größen die Wärmewirkung der Reaktion, gemessen mit thermochemischen Geräten, der Wärmeleitfähigkeitskoeffizient, der mit wärmeleitenden Geräten gemessen wird, die Zündtemperatur von Erdölprodukten, der Dampfdruck usw. Anwendung gefunden haben.

Umfangreiche Entwicklung zur Messung der Zusammensetzung und Eigenschaften von Flüssigkeitsgemischen sowie einigen resultierenden Gasen Elektrochemische Geräte… Dazu gehören vor allem Konduktometer und PotentiometerGeräte zur Bestimmung der Konzentration von Salzen, Säuren und Basen durch Veränderung elektrische Leitfähigkeit Entscheidungen. Dies sind die sogenannten konduktometrische Konzentratoren oder Kontakt- und berührungslose Konduktometer.

Sehr weit verbreitet gefunden pH-Meter — Geräte zur Bestimmung des Säuregehalts des Mediums anhand des Elektrodenpotentials.

Es wird die Elektrodenpotentialverschiebung aufgrund der Polarisation bestimmt in galvanischen und depolarisierenden Gasanalysatoren, dient zur Kontrolle des Gehalts an Sauerstoff und anderen Gasen, deren Anwesenheit eine Depolarisation der Elektroden verursacht.

Es ist eines der vielversprechendsten polarographisches Messverfahren, die in der gleichzeitigen Bestimmung der Freisetzungspotentiale verschiedener Ionen an der Elektrode und der Grenzstromdichte besteht.

Die Messung der Feuchtigkeitskonzentration in Gasen erfolgt mittels coulometrische Methode, wobei definiert ist Geschwindigkeit der Elektrolyse von Wasserdurch einen feuchtigkeitsempfindlichen Film vom Gas adsorbiert.

Geräte basierend auf zur Messung elektrischer und magnetischer Größen.

Gasionisation bei gleichzeitiger Messung ihrer elektrischen Leitfähigkeit, dient der Messung geringer Konzentrationen. Die Ionisierung kann thermisch oder unter dem Einfluss verschiedener Strahlungen, insbesondere radioaktiver Isotope, erfolgen.

Die thermische Ionisation wird häufig eingesetzt in Flammenionisationsdetektoren von Chromatographen… Die Ionisierung von Gasen durch Alpha- und Betastrahlen ist weit verbreitet in chromatographischen Detektoren (sog. „Argon“-Detektoren), sowie in Alpha- und Beta-Ionisationsgasanalysatorenbasierend auf dem Unterschied in den Ionisationsquerschnitten verschiedener Gase.

Das Prüfgas in diesen Instrumenten durchläuft eine Alpha- oder Beta-Ionisationskammer. Dabei wird der Ionisationsstrom in der Kammer gemessen, der den Inhalt der Komponente charakterisiert. Die Bestimmung der Dielektrizitätskonstante eines Mediums dient der Messung des Gehalts an Feuchtigkeit und anderen Stoffen mittels verschiedener Arten kapazitive Feuchtigkeitsmessgeräte und dielektrische Messgeräte.

Die Dielektrizitätskonstante Es wird ein von einem Gasstrom gewaschener Sorptionsfilm verwendet, der die darin enthaltene Wasserdampfkonzentration charakterisiert diolometrische Hygrometer.

Die spezifische magnetische Empfindlichkeit ermöglicht die Messung der Konzentration paramagnetischer Gase, hauptsächlich Sauerstoff, mittels thermomagnetische, magnetoeffusions- und magnetomechanische Gasanalysatoren.

Schließlich wird die spezifische Ladung von Teilchen bestimmt, die zusammen mit ihrer Masse das Hauptmerkmal eines Stoffes darstellt Flugzeitmassenspektrometer, Hochfrequenz- und magnetische Massenanalysatoren.

Messung von Wellengrößen — eine der vielversprechendsten Richtungen im Instrumentenbau, die auf der Nutzung des Effekts der Wechselwirkung der getesteten Umgebung mit verschiedenen Strahlungsarten basiert. Also die Intensität der Absorption aus der Umgebung Ultraschallschwingungen ermöglicht die Abschätzung der Viskosität und Dichte des Mediums.

Die Messung der Ausbreitungsgeschwindigkeit von Ultraschall in einem Medium gibt Aufschluss über die Konzentration einzelner Komponenten oder den Polymerisationsgrad von Latices und anderen polymeren Substanzen. Nahezu die gesamte Skala elektromagnetischer Schwingungen, von Radiofrequenzen bis hin zu Röntgen- und Gammastrahlung, wird in Sensoren für die Eigenschaften und Zusammensetzung von Stoffen genutzt.

Dazu gehören die empfindlichsten Analysegeräte, die die Intensität der Energieabsorption elektromagnetischer Schwingungen im Kurzwellen-, Zentimeter- und Millimeterbereich auf der Grundlage elektromagnetischer und kernmagnetischer Resonanz messen.

Am weitesten verbreitet sind Geräte, die die Wechselwirkung der Umgebung mit Lichtenergie nutzen. im infraroten, sichtbaren und ultravioletten Teil des Spektrums… Gemessen werden sowohl die integrale Emission und Absorption von Licht als auch die Intensität der charakteristischen Linien und Bänder der Emissions- und Absorptionsspektren von Stoffen.

Es werden Geräte verwendet, die auf dem optisch-akustischen Effekt basieren und im Infrarotbereich des Spektrums arbeiten und zur Messung der Konzentration mehratomiger Gase und Dämpfe geeignet sind.

Brechungsindex des Lichts im Medium Wird zur Bestimmung der Zusammensetzung flüssiger und gasförmiger Medien verwendet Refraktometer und Interferometer.

Die Messung der Rotationsintensität der Polarisationsebene von Licht durch Lösungen optisch aktiver Substanzen dient zur Bestimmung ihrer Konzentration durch Polarimeter.

Methoden zur Messung der Dichte und Zusammensetzung verschiedener Medien, basierend auf den verschiedenen Anwendungen der Wechselwirkung von Röntgenstrahlung und radioaktiver Strahlung mit dem Medium, wurden weithin entwickelt.

Kombinierte Geräte

In einer Reihe von Fällen kann die Kombination der direkten Bestimmung der physikalischen und physikalisch-chemischen Eigenschaften der Umgebung mit verschiedenen der Messung vorgeschalteten Hilfsoperationen die Messmöglichkeiten erheblich erweitern, die Selektivität, Empfindlichkeit und Genauigkeit einfacher Methoden erhöhen. Wir nennen solche Geräte kombiniert.

Zu den Nebentätigkeiten zählen in erster Linie Absorption eines Gases aus einer Flüssigkeit, Dampfkondensation und FlüssigkeitsverdunstungErmöglicht den Einsatz von Methoden zur Konzentrationsmessung von Flüssigkeiten bei der Analyse von Gasen, wie z Konduktometrie, Potentiometrie, Photokolorimetrie usw.und umgekehrt, um die Konzentration der verwendeten Flüssigkeiten zu messen Methoden zur Gasanalyse: Wärmekonduktometrie, Massenspektrometrie usw.

Eine der gebräuchlichsten Sorptionsmethoden ist ChromatographieDabei handelt es sich um ein kombiniertes Messverfahren, bei dem der Bestimmung der physikalischen Eigenschaften des Prüfmediums der Prozess seiner chromatographischen Trennung in seine Bestandteile vorausgeht. Dies vereinfacht den Messvorgang und erweitert die Grenzen der Möglichkeiten direkter Messmethoden erheblich.

Die Fähigkeit, die Gesamtzusammensetzung komplexer organischer Gemische zu messen, und die hohe Empfindlichkeit der Geräte haben in den letzten Jahren zu einer rasanten Entwicklung dieser Richtung bei Analyseinstrumenten geführt.

Eine praktische Anwendung wurde in der Industrie gefunden Gaschromatographenbestehend aus zwei Hauptteilen: einer chromatographischen Säule zur Trennung der Testmischung und einem Detektor zur Messung der Konzentration der getrennten Komponenten der Mischung. Die Bauformen von Gaschromatographen sind vielfältig, sowohl hinsichtlich des thermischen Regimes der Trennsäule als auch der Funktionsweise des Detektors.

Bei Chromatographen im isothermen Modus wird die Temperatur des Säulenthermostats während des Analysezyklus konstant gehalten; bei Chromatographen mit Temperaturprogrammierung ändert sich diese im Laufe der Zeit nach einem vorgegebenen Programm; Bei Chromatographen im thermodynamischen Modus ändert sich während des Analysezyklus die Temperatur verschiedener Teile der Säule entlang ihrer Länge.

Grundsätzlich kann ein chromatographischer Detektor verwendet werden jedes Gerät zur Bestimmung der physikalischen und physikalisch-chemischen Eigenschaften eines bestimmten Stoffes. Sein Aufbau ist noch einfacher als bei anderen Analysegeräten, da die Konzentrationen der bereits getrennten Bestandteile des Gemisches gemessen werden müssen.

Derzeit weit verbreitet Detektoren basierend auf der Messung der Gasdichte und der Wärmeleitfähigkeit (die sogenannten „Katarometer“), die thermische Wirkung der Verbrennung der Produkte („thermochemisch“), die elektrische Leitfähigkeit der Flamme, in die die Testmischung eintritt („Flammenionisation“), die elektrische Leitfähigkeit der durch radioaktive Strahlung ionisiertes Gas („Ionisations-Argon“) und andere.

Da die chromatographische Methode sehr universell ist, liefert sie den größten Effekt bei der Messung der Konzentration von Verunreinigungen in komplexen Kohlenwasserstoffgemischen mit einem Siedepunkt von bis zu 400–500 ° C.

Chemische Prozesse, die das Medium auf einfache Weise auf messbare Parameter bringen, können bei fast allen direkten Messmethoden eingesetzt werden. Die selektive Absorption einzelner Komponenten eines Gasgemisches durch eine Flüssigkeit ermöglicht die Messung der Konzentration der Testsubstanzen durch Messung des Volumens des Gemisches vor und nach der Absorption. Die Funktionsweise volumenmanometrischer Gasanalysatoren basiert auf diesem Prinzip.

Anders Farbreaktionen, vor der Messung des Effekts der Wechselwirkung mit der Substanz der Lichtemission.

Dazu gehört eine große Gruppe sogenannter Streifenphotokolorimeter, bei dem die Messung der Konzentration von Gaskomponenten durch Messung des Verdunkelungsgrades eines Streifens erfolgt, auf den zuvor eine Substanz aufgetragen wurde, die mit der Testsubstanz eine Farbreaktion ergibt. Diese Methode wird häufig zur Messung von Mikrokonzentrationen, insbesondere gefährlichen Konzentrationen toxischer Gase in der Luft von Industriegebäuden, eingesetzt.

Auch Farbreaktionen kommen zum Einsatz in Flüssigkeitsphotokolorimetern um ihre Empfindlichkeit zu erhöhen, um die Konzentration farbloser Bestandteile in Flüssigkeiten zu messen usw.

Es ist vielversprechend Messung der Lumineszenzintensität von Flüssigkeitendurch chemische Reaktionen verursacht. Eine der gebräuchlichsten analytischen chemischen Methoden ist Titration... Die Titrationsmethode besteht in der Messung physikalischer und physikalisch-chemischer Größen, die einem flüssigen Medium innewohnen, das äußeren chemischen oder physikalischen Faktoren ausgesetzt ist.

Im Moment des Übergangs von quantitativen zu qualitativen Veränderungen (Endpunkt der Titration) wird die verbrauchte Stoff- oder Strommenge entsprechend der Konzentration der gemessenen Komponente erfasst. Im Grunde handelt es sich um eine zyklische Methode, es gibt jedoch verschiedene Varianten davon, bis hin zur kontinuierlichen. Am häufigsten werden sie als Indikatoren für den Endpunkt der Titration verwendet potentiometrische (pH-metrische) und fotokolorimetrische Sensoren.

Arutyunov OS Sensoren für die Zusammensetzung und Eigenschaften von Materie