Mga sensor at mga aparato sa pagsukat para sa pagtukoy ng komposisyon at mga katangian ng mga sangkap

Ang pangunahing tampok ng pag-uuri ng mga control device at kagamitan sa automation ay ang kanilang papel sa awtomatikong regulasyon at mga sistema ng kontrol sa mga tuntunin ng daloy ng impormasyon.

Ang mga gawain ng teknikal na paraan ng automation sa pangkalahatan ay:

• pagkuha ng pangunahing impormasyon;

• kanyang pagbabago;

• paghahatid nito;

• pagproseso at paghahambing ng natanggap na impormasyon sa programa;

• pagbuo ng command (kontrol) na impormasyon;

• paghahatid ng utos (kontrol) na impormasyon;

• gamit ang command information para makontrol ang proseso.

Mga sensor para sa mga katangian at komposisyon ng mga sangkap gumaganap ng isang nangungunang papel sa awtomatikong sistema ng kontrol, nagsisilbi sila upang makakuha ng pangunahing impormasyon at higit na tinutukoy ang kalidad ng buong awtomatikong sistema ng kontrol.

Magtatag tayo ng ilang pangunahing konsepto.Ano ang sukat, katangian, komposisyon ng daluyan? Ang mga katangian ng kapaligiran ay tinutukoy ng mga numerical na halaga ng isa o higit pang pisikal o physico-kemikal na dami na maaaring masukat.

Ang pagsukat ay isang proseso ng pagsisiwalat sa pamamagitan ng isang eksperimento ang quantitative ratio ng isang tiyak na pisikal o physico-chemical na dami na nagpapakilala sa mga katangian ng test medium at ang katumbas na halaga ng reference medium. Ang isang eksperimento ay nauunawaan bilang isang layunin na proseso ng aktibong epekto sa nasubok na kapaligiran, na ginawa sa tulong ng mga materyal na paraan sa ilalim ng mga nakapirming kondisyon.

Ang komposisyon ng kapaligiran, i.e. ang qualitative at quantitative na nilalaman ng mga bumubuo nito, maaaring matukoy mula sa kilalang pag-asa nito sa pisikal o physico-kemikal na mga katangian ng kapaligiran at sa mga dami na nagpapakilala sa kanila, napapailalim sa pagsukat.

Bilang isang patakaran, ang mga katangian at komposisyon ng daluyan ay tinutukoy nang hindi direkta. Sa pamamagitan ng pagsukat ng iba't ibang pisikal o physico-kemikal na dami na nagpapakilala sa mga katangian ng kapaligiran, at pag-alam sa matematikal na kaugnayan sa pagitan ng mga dami na ito, sa isang banda, at ang komposisyon ng kapaligiran, sa kabilang banda, maaari nating matantya ang komposisyon nito sa isang mas malaki o mas mababang antas ng katumpakan.

Sa madaling salita, upang pumili o makabuo ng isang aparato sa pagsukat, halimbawa, upang matukoy ang kumpletong komposisyon ng isang multicomponent medium, kinakailangan, una, upang maitaguyod kung anong mga pisikal o physico-chemical na dami ang nagpapakilala sa mga katangian ng medium na ito at, pangalawa, upang mahanap ang mga dependency ng hugis

ki = f (C1, C2, … Cm),

kung saan ki — konsentrasyon ng bawat bahagi ng kapaligiran, C1, C2, ... Cm — pisikal o physico-kemikal na dami na nagpapakilala sa mga katangian ng kapaligiran.

Alinsunod dito, ang aparato na ginamit upang kontrolin ang komposisyon ng medium ay maaaring i-calibrate sa mga yunit ng konsentrasyon ng isang tiyak na bahagi o mga katangian ng daluyan, kung mayroong isang hindi malabo na ugnayan sa pagitan ng mga ito sa loob ng ilang mga limitasyon.

Ang mga NSDevice para sa awtomatikong kontrol ng pisikal at physico-chemical na katangian at komposisyon ng mga substance ay mga device na sumusukat sa magkahiwalay na pisikal o physico-chemical na dami na malinaw na tinutukoy ang mga katangian ng kapaligiran o ang qualitative o quantitative na komposisyon nito.

Gayunpaman, ipinapakita ng karanasan na para sa pagpapatupad ng awtomatikong regulasyon o kontrol ng isang sapat na pinag-aralan na teknolohikal na proseso, hindi kinakailangan na magkaroon ng kumpletong impormasyon sa komposisyon ng mga intermediate at panghuling produkto at sa konsentrasyon ng ilan sa kanilang mga bahagi sa anumang sandali. Ang ganitong impormasyon ay karaniwang kinakailangan kapag lumilikha, nag-aaral at nag-master ng mga proseso.

Kapag ang pinakamainam na teknolohikal na regulasyon ay nabuo, ang hindi malabo na mga ugnayan sa pagitan ng kurso ng proseso at ang masusukat na pisikal at physico-kemikal na dami na nagpapakilala sa mga katangian at komposisyon ng mga produkto ay naitatag, kung gayon ang proseso ay maaaring isagawa, pagkakalibrate ng sukat ng aparato direkta sa mga dami na kanyang sinusukat, halimbawa, sa mga yunit ng temperatura, electric current, capacitance, atbp., o sa mga yunit ng tinukoy na katangian ng medium, halimbawa, kulay, labo, electrical conductivity, lagkit, dielectric constant, atbp. n.

Ang mga pangunahing pamamaraan para sa pagsukat ng pisikal at physico-kemikal na dami na tumutukoy sa mga katangian at komposisyon ng kapaligiran ay tinalakay sa ibaba.

Kasama sa dati nang itinatag na katawagan ng produkto ang mga sumusunod na pangunahing pangkat ng mga device:

• gas analyzer,

• mga likidong concentrator,

• mga metro ng density,

• viscometer,

• hygrometer,

• mass spectrometer,

• mga chromatograph,

• pH meter,

• solinometer,

• mga metro ng asukal atbp.

Ang mga pangkat na ito, sa turn, ay nahahati ayon sa mga pamamaraan ng pagsukat o ayon sa nasuri na mga sangkap. Ang sobrang conventionality ng naturang klasipikasyon at ang posibilidad ng pagtatalaga ng mga structurally identical na device sa iba't ibang grupo ay nagpapahirap sa pag-aaral, pagpili at pagkumpara ng mga device.

Kasama sa mga direktang pagsukat na aparato ang mga tumutukoy sa pisikal o physico-kemikal na katangian at komposisyon ng direktang sinuri na substansiya. Sa kabaligtaran, sa pinagsamang mga aparato, ang sample ng pansubok na substansiya ay nakalantad sa mga impluwensyang makabuluhang nagbabago sa komposisyon ng kemikal nito o sa estado ng pagsasama-sama nito.

Sa parehong mga kaso, ang paunang paghahanda ng sample sa mga tuntunin ng temperatura, presyon at ilang iba pang mga parameter ay posible. Bilang karagdagan sa dalawang pangunahing klase ng mga device na ito, mayroon ding mga kung saan maaaring maisagawa ang parehong direkta at pinagsamang pagsukat.

Direktang mga instrumento sa pagsukat

Sa mga aparatong direktang pagsukat, ang pisikal at physico-kemikal na katangian ng daluyan ay tinutukoy sa pamamagitan ng pagsukat ng mga sumusunod na dami: mekanikal, thermodynamic, electrochemical, elektrikal at magnetic, at sa wakas ay alon.

Sa mga mekanikal na halaga una sa lahat, ang density at tiyak na gravity ng medium ay tinutukoy gamit ang mga instrumento batay sa float, gravity, hydrostatic at dynamic na mga paraan ng pagsukat.Kasama rin dito ang pagtukoy ng lagkit ng daluyan, na sinusukat sa iba't ibang mga viscometer: capillary, rotary, batay sa mga pamamaraan ng pagbagsak ng bola at iba pa.

Mula sa thermodynamic na dami ang epekto ng init ng reaksyon, na sinusukat gamit ang mga thermochemical device, ang koepisyent ng thermal conductivity, na sinusukat gamit ang mga thermoconductive device, ang temperatura ng pag-aapoy ng mga produktong petrolyo, ang presyon ng singaw, atbp. nakahanap ng aplikasyon.

Malawak na pag-unlad upang masukat ang komposisyon at mga katangian ng mga likidong pinaghalong pati na rin ang ilang mga resultang gas mga aparatong electrochemical… Kabilang sa mga ito ang higit sa lahat conductometer at potentiometersmga device na idinisenyo upang matukoy ang konsentrasyon ng mga asin, acid at base sa pamamagitan ng pagbabago electrical conductivity mga desisyon. Ito ang mga tinatawag na conductometric concentrators o contact at non-contact conductometer.

Natagpuang napakalawak na ipinamamahagi pH meter — mga aparato para sa pagtukoy ng kaasiman ng daluyan sa pamamagitan ng potensyal ng elektrod.

Natutukoy ang potensyal na paglilipat ng elektrod dahil sa polariseysyon sa galvanic at depolarizing gas analyzers, na nagsisilbing kontrolin ang nilalaman ng oxygen at iba pang mga gas, ang pagkakaroon nito ay nagiging sanhi ng depolarization ng mga electrodes.

Ito ay isa sa mga pinaka-promising paraan ng pagsukat ng polarographic, na binubuo sa sabay-sabay na pagpapasiya ng mga potensyal na paglabas ng iba't ibang mga ion sa elektrod at ang paglilimita ng kasalukuyang density.

Ang pagsukat ng konsentrasyon ng kahalumigmigan sa mga gas ay nakakamit sa pamamagitan ng pamamaraan ng coulometric, kung saan ay tinukoy rate ng electrolysis ng tubigna-adsorbed mula sa gas sa pamamagitan ng isang moisture-sensitive na pelikula.

Mga device na nakabatay sa para sa pagsukat ng mga elektrikal at magnetic na dami.

Gas ionization na may sabay-sabay na pagsukat ng kanilang electrical conductivity, ay ginagamit upang sukatin ang mababang konsentrasyon. Ang ionization ay maaaring maging thermal o sa ilalim ng impluwensya ng iba't ibang radiation, sa partikular na radioactive isotopes.

Ang thermal ionization ay malawakang ginagamit sa flame ionization detector ng mga chromatograph… Ang ionization ng mga gas sa pamamagitan ng alpha at beta ray ay malawakang ginagamit sa mga chromatographic detector (tinatawag na "argon" detector), pati na rin sa alpha at beta ionization gas analyzersbatay sa pagkakaiba sa ionization cross section ng iba't ibang gas.

Ang pansubok na gas sa mga instrumentong ito ay dumadaan sa isang alpha o beta ionization chamber. Sa kasong ito, ang kasalukuyang ionization sa kamara ay sinusukat, na nagpapakilala sa nilalaman ng sangkap. Ang pagtukoy sa dielectric constant ng isang medium ay ginagamit upang sukatin ang nilalaman ng kahalumigmigan at iba pang mga sangkap sa pamamagitan ng iba't ibang uri. capacitive moisture meters at dielectric meters.

Ang dielectric na pare-pareho ginagamit ang isang sorbent film na hinugasan ng isang stream ng gas, na nagpapakilala sa konsentrasyon ng singaw ng tubig dito dielometric hygrometers.

Ang partikular na magnetic sensitivity ay ginagawang posible upang masukat ang konsentrasyon ng mga paramagnetic na gas, pangunahin ang oxygen, sa pamamagitan ng thermomagnetic, magnetoeffusion at magnetomechanical gas analyzers.

Sa wakas, ang tiyak na singil ng mga particle, na kasama ng kanilang masa ay ang pangunahing katangian ng isang sangkap, ay tinutukoy ng time-of-flight mass spectrometers, high-frequency at magnetic mass analyzer.

Pagsukat ng dami ng alon — isa sa mga pinaka-maaasahan na direksyon sa pagbuo ng instrumento, batay sa paggamit ng epekto ng pakikipag-ugnayan ng nasubok na kapaligiran na may iba't ibang uri ng radiation. Kaya, ang intensity ng pagsipsip mula sa kapaligiran ultrasonic vibrations ginagawang posible upang tantyahin ang lagkit at density ng daluyan.

Ang pagsukat sa bilis ng pagpapalaganap ng ultrasound sa isang daluyan ay nagbibigay ng ideya ng konsentrasyon ng mga indibidwal na sangkap o ang antas ng polymerization ng mga latex at iba pang mga polymeric na sangkap. Halos ang buong sukat ng mga electromagnetic oscillations, mula sa mga frequency ng radyo hanggang sa X-ray at gamma radiation, ay ginagamit sa mga sensor para sa mga katangian at komposisyon ng mga sangkap.

Kabilang sa mga ito ang pinakasensitibong analytical na instrumento na sumusukat sa intensity ng pagsipsip ng enerhiya mula sa mga electromagnetic oscillations sa mga short-wavelength, centimeter at millimeter range, batay sa electromagnetic at nuclear magnetic resonance.

Ang pinakamalawak na ginagamit ay mga device na gumagamit ng pakikipag-ugnayan ng kapaligiran na may liwanag na enerhiya. sa infrared, nakikita at ultraviolet na mga bahagi ng spectrum… Parehong sinusukat ang integral emission at absorption ng liwanag at ang intensity ng mga katangiang linya at banda ng emission at absorption spectra ng mga substance.

Ang mga aparatong batay sa optical-acoustic effect ay ginagamit, na tumatakbo sa infrared na rehiyon ng spectrum, na angkop para sa pagsukat ng konsentrasyon ng polyatomic gas at vapors.

Refractive index ng liwanag sa daluyan ginagamit upang matukoy ang komposisyon ng likido at gas na media sa pamamagitan ng refractometer at interferometer.

Ang pagsukat ng intensity ng pag-ikot ng plane ng polarization ng liwanag sa pamamagitan ng mga solusyon ng optically active substances ay ginagamit upang matukoy ang kanilang konsentrasyon sa pamamagitan ng mga polarimeter.

Ang mga pamamaraan para sa pagsukat ng density at komposisyon ng iba't ibang media, batay sa iba't ibang mga aplikasyon ng pakikipag-ugnayan ng X-ray at radioactive radiation sa medium, ay malawak na binuo.

Mga pinagsamang device

Sa ilang mga kaso, ang kumbinasyon ng direktang pagpapasiya ng pisikal at physico-kemikal na mga katangian ng kapaligiran na may iba't ibang mga pantulong na operasyon bago ang pagsukat ay maaaring makabuluhang mapalawak ang mga posibilidad ng pagsukat, dagdagan ang selectivity, sensitivity at katumpakan ng mga simpleng pamamaraan. Tinatawag namin ang mga naturang device na pinagsama.

Pangunahing kasama ang mga pantulong na operasyon pagsipsip ng isang gas mula sa isang likido, vapor condensation at liquid evaporationna nagpapahintulot sa paggamit ng mga pamamaraan para sa pagsukat ng konsentrasyon ng mga likido sa pagsusuri ng mga gas, tulad ng conductometry, potentiometry, photocolorimetry, atbp.at vice versa, upang masukat ang konsentrasyon ng mga likidong ginamit mga pamamaraan para sa pagsusuri ng gas: thermal conductometry, mass spectrometry, atbp.

Ang isa sa mga pinakakaraniwang paraan ng pagsipsip ay kromatograpiya, na isang pinagsamang paraan ng pagsukat kung saan ang pagtukoy ng mga pisikal na katangian ng medium ng pagsubok ay nauuna sa proseso ng paghihiwalay ng chromatographic nito sa mga bumubuo nitong bahagi. Pinapasimple nito ang proseso ng pagsukat at kapansin-pansing pinapalawak ang mga limitasyon ng mga posibilidad ng mga direktang pamamaraan ng pagsukat.

Ang kakayahang sukatin ang kabuuang komposisyon ng mga kumplikadong organikong pinaghalong at ang mataas na sensitivity ng mga aparato ay humantong sa mabilis na pag-unlad ng direksyon na ito sa mga analytical na instrumento sa mga nakaraang taon.

Ang isang praktikal na aplikasyon ay natagpuan sa industriya mga gas chromatographna binubuo ng dalawang pangunahing bahagi: isang chromatographic column na idinisenyo upang paghiwalayin ang test mixture at isang detector na ginagamit upang sukatin ang konsentrasyon ng mga pinaghihiwalay na bahagi ng mixture. Mayroong isang malawak na pagkakaiba-iba ng mga disenyo para sa mga chromatograph ng gas, parehong sa mga tuntunin ng thermal regime ng separation column at ang prinsipyo ng pagpapatakbo ng detector.

Sa isothermal mode chromatographs, ang temperatura ng column thermostat ay pinananatiling pare-pareho sa panahon ng ikot ng pagsusuri; sa mga chromatograph na may programming ng temperatura, ang huli ay nagbabago sa paglipas ng panahon ayon sa isang paunang natukoy na programa; sa thermodynamic mode chromatographs, sa panahon ng ikot ng pagsusuri, ang temperatura ng iba't ibang bahagi ng column ay nagbabago sa haba nito.

Sa prinsipyo, maaaring gamitin ang isang chromatographic detector anumang aparato para sa pagtukoy ng pisikal at physico-kemikal na katangian ng isang partikular na sangkap. Ang disenyo nito ay mas simple kaysa sa iba pang mga instrumentong analitikal, dahil ang mga konsentrasyon ng mga nakahiwalay na bahagi ng pinaghalong dapat masukat.

Kasalukuyang malawakang ginagamit mga detektor batay sa pagsukat ng density ng gas, thermal conductivity (ang tinatawag na "catarometers"), ang thermal effect ng combustion ng mga produkto ("thermochemical"), ang electrical conductivity ng apoy kung saan pumapasok ang test mixture ("flame-ionization"), ang electrical conductivity ng gas na na-ionize ng radioactive radiation ("ionization -argon") at iba pa.

Ang pagiging napaka-unibersal, ang pamamaraan ng chromatographic ay nagbibigay ng pinakamalaking epekto kapag sinusukat ang konsentrasyon ng mga impurities sa mga kumplikadong pinaghalong hydrocarbon na may punto ng kumukulo na hanggang 400 - 500 ° C.

Ang mga kemikal na proseso na nagdadala ng daluyan sa mga parameter na maaaring masukat sa mga simpleng paraan ay maaaring gamitin sa halos lahat ng direktang paraan ng pagsukat. Ang pumipili na pagsipsip ng mga indibidwal na bahagi ng isang halo ng gas sa pamamagitan ng isang likido ay ginagawang posible upang masukat ang konsentrasyon ng mga sangkap ng pagsubok sa pamamagitan ng pagsukat ng dami ng pinaghalong bago at pagkatapos ng pagsipsip. Ang operasyon ng volume-manometric gas analyzers ay batay sa prinsipyong ito.

magkaiba mga reaksyon ng kulay, bago ang pagsukat ng epekto ng pakikipag-ugnayan sa sangkap ng paglabas ng liwanag.

Kabilang dito ang isang malaking grupo ng tinatawag na strip photocolorimeters, kung saan ang pagsukat ng konsentrasyon ng mga bahagi ng gas ay isinasagawa sa pamamagitan ng pagsukat sa antas ng pagdidilim ng isang strip kung saan ang isang sangkap na nagbibigay ng reaksyon ng kulay sa sangkap ng pagsubok ay dati nang inilapat. Ang pamamaraang ito ay malawakang ginagamit upang sukatin ang mga microconcentration, lalo na ang mga mapanganib na konsentrasyon ng mga nakakalason na gas sa hangin ng mga pang-industriyang lugar.

Ginagamit din ang mga reaksyon ng kulay sa likidong photocolorimeter upang madagdagan ang kanilang sensitivity, upang masukat ang konsentrasyon ng mga walang kulay na sangkap sa mga likido, atbp.

Nangangako ito pagsukat ng luminescence intensity ng mga likidosanhi ng mga reaksiyong kemikal. Ang isa sa mga pinaka-karaniwang analytical na pamamaraan ng kemikal ay titration... Ang paraan ng titration ay binubuo sa pagsukat ng pisikal at physico-chemical na dami na likas sa isang likidong daluyan na nakalantad sa panlabas na kemikal o pisikal na mga salik.

Sa sandali ng paglipat ng dami ng mga pagbabago sa mga qualitative (ang dulo ng titration), ang natupok na halaga ng sangkap o kuryente na naaayon sa konsentrasyon ng sinusukat na bahagi ay naitala. Karaniwan, ito ay isang paikot na pamamaraan, ngunit may iba't ibang mga bersyon nito, hanggang sa tuloy-tuloy. Ang pinaka-tinatanggap na ginagamit bilang mga tagapagpahiwatig ng dulong punto ng titration ay potentiometric (pH-metric) at photocolorimetric sensor.

Arutyunov OS Sensor para sa komposisyon at mga katangian ng bagay