חיישנים ומכשירי מדידה לקביעת הרכב ותכונות של חומרים

המאפיין העיקרי של סיווג מכשירי בקרה וציוד אוטומציה הוא תפקידם במערכות ויסות ובקרה אוטומטיות במונחים של זרימת מידע.

המשימות של אמצעים טכניים לאוטומציה באופן כללי הן:

• השגת מידע ראשוני;

• השינוי שלה;

• שידורו;

• עיבוד והשוואה של המידע שהתקבל עם התוכנית;

• היווצרות מידע פיקוד (שליטה);

• העברת מידע פיקוד (שליטה);

• שימוש במידע פקודה כדי לשלוט בתהליך.

חיישנים לתכונות והרכב חומרים ממלאים תפקיד מוביל במערכת הבקרה האוטומטית, הם משמשים להשגת מידע ראשוני וקובעים במידה רבה את האיכות של מערכת הבקרה האוטומטית כולה.

בואו נקים כמה מושגים בסיסיים.מהי מדידה, תכונות, הרכב של מדיום? תכונות הסביבה נקבעות על ידי ערכים מספריים של כמות פיזית או פיסיקלית-כימית אחת או יותר שניתן למדוד.

מדידה היא תהליך של גילוי באמצעות ניסוי את היחס הכמותי של כמות פיזיקלית או פיסיקלית-כימית מסוימת המאפיינת את תכונותיו של מדיום הבדיקה ואת הכמות המתאימה של תווך הייחוס. ניסוי מובן כתהליך אובייקטיבי של השפעה אקטיבית על הסביבה הנבדקת, המיוצר בעזרת אמצעים חומריים בתנאים קבועים.

הרכב הסביבה, כלומר. התוכן האיכותי והכמותי של מרכיביו, ניתן לקבוע מהתלות הידועה בתכונות הפיזיקליות או הפיזיקליות-כימיות של הסביבה ובכמויות המאפיינות אותן, בכפוף למדידה.

ככלל, המאפיינים וההרכב של המדיום נקבעים בעקיפין. על ידי מדידת כמויות פיזיקליות או פיסיקליות-כימיות שונות המאפיינות את תכונות הסביבה, והכרת הקשר המתמטי בין הכמויות הללו, מחד גיסא, לבין הרכב הסביבה, מאידך גיסא, נוכל להעריך את הרכבה בשיעור גדול יותר או רמה נמוכה יותר של דיוק.

במילים אחרות, על מנת לבחור או לבנות מכשיר מדידה, למשל, כדי לקבוע את ההרכב המלא של מדיום מרובה רכיבים, יש צורך, ראשית, לקבוע אילו כמויות פיסיקליות או פיסיקליות-כימיות מאפיינות את התכונות של מדיום זה, וכן, שנית, כדי למצוא תלות צורה

ki = f (C1, C2, … Cm),

כאשר ki - ריכוז של כל מרכיב של הסביבה, C1, C2, ... Cm - כמויות פיזיקליות או פיסיקליות-כימיות המאפיינות את תכונות הסביבה.

בהתאם, ניתן לכייל את המכשיר המשמש לשליטה בהרכב המדיום ביחידות של ריכוז של רכיב מסוים או תכונות של המדיום, אם יש ביניהם קשר חד משמעי בגבולות מסוימים.

NSDevices לשליטה אוטומטית במאפיינים הפיזיקליים והפיזיקליים-כימיים ובהרכבם של חומרים הם מכשירים המודדים כמויות פיזיקליות או פיזיקו-כימיות נפרדות הקובעות באופן חד משמעי את תכונות הסביבה או הרכבה האיכותי או הכמותי.

עם זאת, הניסיון מלמד כי לצורך יישום רגולציה או בקרה אוטומטית של תהליך טכנולוגי שנלמד מספיק, אין צורך במידע מלא על הרכב מוצרי הביניים והסופיים ועל ריכוז חלק ממרכיביהם בכל רגע. מידע כזה נדרש בדרך כלל בעת יצירה, למידה ושליטה בתהליכים.

כאשר פותחו הרגולציות הטכנולוגיות האופטימליות, נוצרו קשרים חד משמעיים בין מהלך התהליך לבין הכמויות הפיזיקליות והפיזיקליות-כימיות הניתנות למדידה המאפיינות את תכונות והרכב המוצרים, אזי ניתן לבצע את התהליך. כיול קנה המידה של המכשיר ישירות באותם כמויות שהוא מודד, למשל, ביחידות טמפרטורה, זרם חשמלי, קיבול וכו', או ביחידות של התכונה המצוינת של המדיום, למשל, צבע, עכירות, מוליכות חשמלית, צמיגות, קבוע דיאלקטרי, וכו' נ.

השיטות העיקריות למדידת כמויות פיזיקליות ופיזיקליות-כימיות הקובעות את תכונות והרכב הסביבה נדונות להלן.

המינוח הקיים של מוצרים שהוקם היסטורית כולל את הקבוצות העיקריות הבאות של מכשירים:

• מנתחי גז,

• רכזי נוזלים,

• מדי צפיפות,

• ויסקומטרים,

• מדי לחות,

• ספקטרומטרי מסה,

• כרומטוגרפים,

• מדי pH,

• סולינומטרים,

• מדי סוכר וכו'.

קבוצות אלה, בתורן, מחולקות לפי שיטות המדידה או לפי החומרים המנותחים. הקונבנציונליות הקיצונית של סיווג כזה והאפשרות להקצות מכשירים זהים מבחינה מבנית לקבוצות שונות מקשים על לימוד, בחירה והשוואה של מכשירים.

מכשירי מדידה ישירים כוללים את אלו הקובעים את התכונות הפיזיקליות או הפיזיקליות-כימיות ואת הרכב החומר שנבדק ישירות. לעומת זאת, במכשירים משולבים, דגימת החומר הנבדק חשופה להשפעות המשנות באופן משמעותי את הרכבו הכימי או מצב הצבירה שלו.

בשני המקרים, הכנה מוקדמת של הדגימה אפשרית מבחינת טמפרטורה, לחץ ועוד כמה פרמטרים. בנוסף לשני סוגים עיקריים אלה של מכשירים, יש גם כאלה שבהם ניתן לבצע מדידה ישירה ומשולבת כאחד.

מכשירי מדידה ישירים

במכשירי מדידה ישירה, התכונות הפיזיקליות והפיזיקליות-כימיות של המדיום נקבעות על ידי מדידת הכמויות הבאות: מכאנית, תרמודינמית, אלקטרוכימית, חשמלית ומגנטית, ולבסוף גל.

לערכים מכניים קודם כל, הצפיפות והכובד הסגולי של המדיום נקבעים באמצעות מכשירים המבוססים על שיטות מדידה ציפה, כבידה, הידרוסטטית ודינמית.זה כולל גם קביעת צמיגות המדיום, הנמדדת עם מדי צמיגים שונים: נימיים, סיבוביים, בהתבסס על שיטות הכדור הנופל ואחרות.

מכמויות תרמודינמיות השפעת החום של התגובה, הנמדדת במכשירים תרמוכימיים, מקדם המוליכות התרמית, הנמדדת במכשירים תרמו-מוליכים, טמפרטורת ההצתה של מוצרי נפט, לחץ האדים וכו'. מצאו אפליקציה.

פיתוח נרחב למדידת הרכב ותכונות של תערובות נוזליות וכן כמה גזים שנוצרו מכשירים אלקטרוכימיים... הם כוללים מעל הכל מוליכים ופוטנציומטריםמכשירים שנועדו לקבוע את ריכוז המלחים, החומצות והבסיסים על ידי שינוי מוליכות חשמלית החלטות. אלה הם מה שנקרא רכזי מוליך או מוליך מגע וללא מגע.

נמצא בתפוצה רחבה מאוד מדי pH - מכשירים לקביעת החומציות של המדיום לפי הפוטנציאל של האלקטרודה.

הסטת פוטנציאל האלקטרודה עקב קיטוב נקבעת במנתחי גז גלווניים ודפולריזציה, משמש לשליטה בתכולת החמצן וגזים אחרים, שנוכחותם גורמת לדה-פולריזציה של האלקטרודות.

זה אחד המבטיחים ביותר שיטת מדידה פולארוגרפית, המורכב בקביעה בו זמנית של פוטנציאל השחרור של יונים שונים על האלקטרודה וצפיפות הזרם המגבילה.

מדידת ריכוז הלחות בגזים מושגת באמצעות שיטה קולומטרית, היכן מוגדר קצב האלקטרוליזה של מיםנספג מהגז דרך סרט רגיש ללחות.

מכשירים המבוססים על למדידת כמויות חשמליות ומגנטיות.

יינון גז עם מדידה בו זמנית של המוליכות החשמלית שלהם, משמש למדידת ריכוזים נמוכים. יינון יכול להיות תרמי או תחת השפעת קרינות שונות, במיוחד איזוטופים רדיואקטיביים.

יינון תרמי נמצא בשימוש נרחב בגלאי יינון להבה של כרומטוגרפים... יינון גזים על ידי קרני אלפא וביטא נמצא בשימוש נרחב בגלאים כרומטוגרפיים (מה שנקרא גלאי "ארגון"), כמו גם במנתחי גז יינון אלפא ובטאמבוסס על ההבדל בחתכי היינון של גזים שונים.

גז הבדיקה במכשירים אלה עובר דרך תא יינון אלפא או בטא. במקרה זה נמדד זרם היינון בתא, המאפיין את התוכן של הרכיב. קביעת הקבוע הדיאלקטרי של תווך משמש למדידת תכולת הלחות וחומרים אחרים באמצעות סוגים שונים מדי לחות קיבוליים ומדי דיאלקטריים.

הקבוע הדיאלקטרי נעשה שימוש בסרט ספיגה שנשטף בזרם גז, המאפיין את ריכוז אדי המים בו מדי לחות דילומטריים.

הרגישות המגנטית הספציפית מאפשרת למדוד את ריכוז הגזים הפראמגנטיים, בעיקר חמצן, באמצעות מנתחי גז תרמומגנטיים, מגנטופפוזי ומגנטו-מכניים.

לבסוף, המטען הספציפי של חלקיקים, אשר יחד עם המסה שלהם הוא המאפיין העיקרי של חומר, נקבע על ידי ספקטרומטרי מסה של זמן טיסה, מנתחי מסה בתדר גבוה ומגנטי.

מדידת כמויות גלים - אחד הכיוונים המבטיחים ביותר בבניית מכשירים, המבוסס על השימוש בהשפעת האינטראקציה של הסביבה הנבדקת עם סוגים שונים של קרינה. אז, עוצמת הקליטה מהסביבה תנודות קוליות מאפשר להעריך את הצמיגות והצפיפות של המדיום.

מדידת מהירות ההתפשטות של אולטרסאונד במדיום נותנת מושג על ריכוז הרכיבים הבודדים או מידת הפילמור של לטקסים וחומרים פולימריים אחרים. כמעט כל קנה המידה של תנודות אלקטרומגנטיות, מתדרי רדיו ועד קרני רנטגן וקרינת גמא, משמש בחיישנים למאפיינים והרכבם של חומרים.

הם כוללים את המכשירים האנליטיים הרגישים ביותר המודדים את עוצמת הספיגה של אנרגיה מתנודות אלקטרומגנטיות בטווחי אורך גל קצר, סנטימטר ומילימטר, בהתבסס על תהודה מגנטית אלקטרומגנטית וגרעינית.

הנפוצים ביותר הם מכשירים המשתמשים באינטראקציה של הסביבה עם אנרגיית אור. בחלקים האינפרא אדום, הגלוי והאולטרה סגול של הספקטרום... נמדדות גם הפליטה והבליעה האינטגרלית של האור וגם עוצמת הקווים והפסים האופייניים של ספקטרום הפליטה והבליעה של חומרים.

נעשה שימוש במכשירים המבוססים על האפקט האופטי-אקוסטי הפועלים באזור האינפרא אדום של הספקטרום, המתאימים למדידת ריכוז הגזים והאדים הפוליאטומיים.

מקדם השבירה של האור במדיום משמש לקביעת ההרכב של מדיה נוזלית וגזי על ידי רפרקטומטרים ואינטרפרומטרים.

מדידת עוצמת הסיבוב של מישור הקיטוב של האור על ידי תמיסות של חומרים פעילים אופטית משמשת לקביעת ריכוזם על ידי פולארימטרים.

שיטות למדידת הצפיפות וההרכב של אמצעי תקשורת שונים, המבוססים על היישומים השונים של האינטראקציה של קרני רנטגן וקרינה רדיואקטיבית עם המדיום, פותחו רבות.

מכשירים משולבים

במספר מקרים, השילוב של קביעה ישירה של התכונות הפיזיקליות והפיזיקליות-כימיות של הסביבה עם פעולות עזר שונות לפני המדידה יכול להרחיב משמעותית את אפשרויות המדידה, להגביר את הסלקטיביות, הרגישות והדיוק של שיטות פשוטות. אנו קוראים למכשירים כאלה משולבים.

פעולות נלוות כוללות בעיקר ספיגת גז מנוזל, עיבוי אדים ואיוד נוזליםהמאפשר שימוש בשיטות למדידת ריכוז הנוזלים בניתוח גזים, כגון מוליכות, פוטנציומטריה, פוטו-קולורימטריה וכו'.ולהיפך, למדידת ריכוז הנוזלים בהם נעשה שימוש שיטות לניתוח גזים: מוליכות תרמית, ספקטרומטריית מסה וכו'.

אחת משיטות הספיחה הנפוצות ביותר היא כרומטוגרפיה, שהיא שיטת מדידה משולבת שבה קביעת התכונות הפיזיקליות של מדיום הבדיקה קודמת לתהליך ההפרדה הכרומטוגרפית שלו למרכיביו. זה מפשט את תהליך המדידה ומרחיב באופן דרמטי את גבולות האפשרויות של שיטות מדידה ישירות.

היכולת למדוד את ההרכב הכולל של תערובות אורגניות מורכבות והרגישות הגבוהה של המכשירים הביאו להתפתחות המהירה של כיוון זה במכשירים אנליטיים בשנים האחרונות.

יישום מעשי נמצא בתעשייה כרומטוגרפי גזהמורכב משני חלקים עיקריים: עמודה כרומטוגרפית שנועדה להפריד את תערובת הבדיקה וגלאי המשמש למדידת ריכוז מרכיבי התערובת המופרדים. קיים מגוון רחב של עיצובים לכרומטוגרפים גז, הן מבחינת המשטר התרמי של עמוד ההפרדה והן מבחינת עקרון הפעולה של הגלאי.

בכרומטוגרפים מצב איזותרמי, הטמפרטורה של תרמוסטט העמודה נשמרת קבועה במהלך מחזור הניתוח; בכרומטוגרפים עם תכנות טמפרטורה, האחרון משתנה עם הזמן לפי תוכנית קבועה מראש; בכרומטוגרפים במצב תרמודינמי, במהלך מחזור הניתוח, הטמפרטורה של חלקים שונים של העמודה משתנה לאורכה.

באופן עקרוני, ניתן להשתמש בגלאי כרומטוגרפי כל מכשיר לקביעת התכונות הפיזיקליות והפיזיקליות-כימיות של חומר נתון. העיצוב שלו אפילו יותר פשוט מזה של מכשירים אנליטיים אחרים, שכן יש למדוד את הריכוזים של מרכיבי התערובת שכבר נפרדו.

כיום בשימוש נרחב גלאים המבוססים על מדידת צפיפות גז, מוליכות תרמית (מה שנקרא "קטרומטרים"), ההשפעה התרמית של הבעירה של המוצרים ("תרמוכימיקלים"), המוליכות החשמלית של הלהבה שאליה נכנסת תערובת הבדיקה ("יינון להבה"), המוליכות החשמלית של הלהבה. גז מיונן על ידי קרינה רדיואקטיבית ("יינון -ארגון") ואחרים.

בהיותה אוניברסלית מאוד, השיטה הכרומטוגרפית נותנת את ההשפעה הגדולה ביותר בעת מדידת ריכוז הזיהומים בתערובות פחמימנים מורכבות עם נקודת רתיחה של עד 400 - 500 מעלות צלזיוס.

ניתן להשתמש בתהליכים כימיים המביאים את המדיום לפרמטרים הניתנים למדידה בדרכים פשוטות כמעט בכל שיטות המדידה הישירות. הספיגה הסלקטיבית של רכיבים בודדים של תערובת גז על ידי נוזל מאפשרת למדוד את ריכוז החומרים הנבדקים על ידי מדידת נפח התערובת לפני ואחרי הספיגה. פעולתם של מנתחי גז נפח-מנומטריים מבוססת על עיקרון זה.

שונה תגובות צבע, לפני מדידת השפעת האינטראקציה עם החומר של פליטת האור.

זה כולל קבוצה גדולה של מה שנקרא רצועת פוטו-קולורימטרים, שבה מדידת ריכוז מרכיבי הגז מתבצעת על ידי מדידת מידת ההכהה של רצועה עליה יושם בעבר חומר הנותן תגובת צבע עם החומר הנבדק. שיטה זו נמצאת בשימוש נרחב למדידת ריכוזי מיקרו, במיוחד ריכוזים מסוכנים של גזים רעילים באוויר של הנחות תעשייתיות.

נעשה שימוש גם בתגובות צבע בפוטו-קולורימטרים נוזליים להגביר את הרגישות שלהם, למדוד את ריכוז הרכיבים חסרי הצבע בנוזלים וכו'.

זה מבטיח מדידת עוצמת הארה של נוזליםהנגרם על ידי תגובות כימיות. אחת השיטות הכימיות האנליטיות הנפוצות ביותר היא טיטרציה... שיטת הטיטרציה מורכבת במדידת כמויות פיזיקליות ופיזיקליות-כימיות הגלומות בתווך נוזלי החשוף לגורמים כימיים או פיזיקליים חיצוניים.

ברגע המעבר של שינויים כמותיים לאיכותיים (נקודת הסיום של טיטרציה), נרשמת כמות החומר או החשמל הנצרכת התואמת לריכוז הרכיב הנמדד. בעיקרון, זוהי שיטה מחזורית, אך יש לה גרסאות שונות, עד רציפה. השימוש הנרחב ביותר כאינדיקטור לנקודת הסיום של הטיטרציה הם חיישנים פוטנציומטריים (pH-metric) ופוטו-קולורימטריים.

Arutyunov OS חיישני הרכב ותכונות החומר