Sensores e aparelhos de medição para determinação da composição e propriedades de substâncias

A principal característica da classificação de dispositivos de controle e equipamentos de automação é seu papel na regulação automática e sistemas de controle em termos de fluxo de informações.

As tarefas dos meios técnicos de automação em geral são:

• obtenção de informações primárias;

• sua transformação;

• sua transmissão;

• processamento e comparação das informações recebidas com o programa;

• formação de informações de comando (controle);

• transmissão de informações de comando (controle);

• usando informações de comando para controlar o processo.

Sensores para propriedades e composição de substâncias desempenham um papel de liderança no sistema de controle automático, eles servem para obter informações primárias e determinam em grande parte a qualidade de todo o sistema de controle automático.

Vamos estabelecer alguns conceitos básicos.O que é medição, propriedades, composição do meio? As propriedades do ambiente são determinadas pelos valores numéricos de uma ou mais grandezas físicas ou físico-químicas que podem ser medidas.

A medição é um processo de revelar por meio de um experimento a proporção quantitativa de uma determinada quantidade física ou físico-química que caracteriza as propriedades do meio de teste e a quantidade correspondente do meio de referência. Um experimento é entendido como um processo objetivo de impacto ativo no ambiente testado, produzido com a ajuda de meios materiais sob condições fixas.

A composição do ambiente, ou seja, o conteúdo qualitativo e quantitativo de seus componentes constituintes, pode ser determinado a partir da sua conhecida dependência das propriedades físicas ou físico-químicas do ambiente e das grandezas que os caracterizam, passíveis de medição.

Como regra, as propriedades e a composição do meio são determinadas indiretamente. Medindo várias quantidades físicas ou físico-químicas que caracterizam as propriedades do ambiente, e conhecendo a relação matemática entre essas quantidades, por um lado, e a composição do ambiente, por outro, podemos estimar sua composição para um valor maior ou menor grau de precisão.

Em outras palavras, para escolher ou construir um dispositivo de medição, por exemplo, para determinar a composição completa de um meio multicomponente, é necessário, primeiro, estabelecer quais grandezas físicas ou físico-químicas caracterizam as propriedades desse meio e, em segundo lugar, para encontrar dependências de forma

ki = f (C1, C2, … Cm),

onde ki — concentração de cada componente do ambiente, C1, C2, ... Cm — quantidades físicas ou físico-químicas que caracterizam as propriedades do ambiente.

Consequentemente, o dispositivo usado para controlar a composição do meio pode ser calibrado em unidades de concentração de um determinado componente ou propriedades do meio, se houver uma relação inequívoca entre eles dentro de alguns limites.

Os NSDispositivos para controlo automático das propriedades físicas e físico-químicas e da composição de substâncias são dispositivos que medem quantidades físicas ou físico-químicas separadas que determinam inequivocamente as propriedades do ambiente ou a sua composição qualitativa ou quantitativa.

No entanto, a experiência mostra que para a implementação da regulação ou controle automático de um processo tecnológico suficientemente estudado, não é necessário ter informações completas sobre a composição dos produtos intermediários e finais e sobre a concentração de alguns de seus componentes em nenhum momento. Essas informações geralmente são necessárias ao criar, aprender e dominar processos.

Quando os regulamentos tecnológicos ideais tiverem sido desenvolvidos, relações inequívocas entre o curso do processo e as quantidades físicas e físico-químicas mensuráveis ​​que caracterizam as propriedades e composição dos produtos foram estabelecidas, então o processo pode ser realizado, calibração da escala do dispositivo diretamente nas quantidades que ele mede, por exemplo, em unidades de temperatura, corrente elétrica, capacitância, etc., ou em unidades da propriedade especificada do meio, por exemplo, cor, turbidez, condutividade elétrica, viscosidade, constante dielétrica, etc. n.

A seguir, são discutidos os principais métodos de medição de grandezas físicas e físico-químicas que determinam as propriedades e a composição do meio ambiente.

A nomenclatura de produtos estabelecida historicamente inclui os seguintes grupos principais de dispositivos:

• analisadores de gases,

• concentradores de líquidos,

• medidores de densidade,

• viscosímetros,

• higrômetros,

• espectrômetros de massa,

• cromatógrafos,

• medidores de pH,

• solinômetros,

• medidores de açúcar etc.

Esses grupos, por sua vez, são subdivididos de acordo com os métodos de medição ou de acordo com as substâncias analisadas. A extrema convencionalidade de tal classificação e a possibilidade de atribuir dispositivos estruturalmente idênticos a diferentes grupos dificultam o estudo, a seleção e a comparação de dispositivos.

Os dispositivos de medição direta incluem aqueles que determinam as propriedades físicas ou físico-químicas e a composição da substância diretamente testada. Em contraste, nos dispositivos combinados, a amostra da substância de teste é exposta a influências que alteram significativamente sua composição química ou seu estado de agregação.

Em ambos os casos, é possível a preparação preliminar da amostra em termos de temperatura, pressão e alguns outros parâmetros. Além dessas duas classes principais de dispositivos, existem também aqueles em que podem ser realizadas medições diretas e combinadas.

Instrumentos de medição direta

Nos dispositivos de medição direta, as propriedades físicas e físico-químicas do meio são determinadas pela medição das seguintes grandezas: mecânica, termodinâmica, eletroquímica, elétrica e magnética e, finalmente, onda.

Para valores mecânicos em primeiro lugar, a densidade e a gravidade específica do meio são determinadas usando instrumentos baseados em métodos de medição de flutuação, gravidade, hidrostática e dinâmica.Isso também inclui a determinação da viscosidade do meio, medida com vários viscosímetros: capilares, rotativos, baseados nos métodos de bola caindo e outros.

De quantidades termodinâmicas o efeito do calor da reação, medido com dispositivos termoquímicos, o coeficiente de condutividade térmica, que é medido com dispositivos termocondutores, a temperatura de ignição de produtos petrolíferos, a pressão de vapor, etc. encontraram aplicação.

Desenvolvimento extensivo para medir a composição e propriedades de misturas líquidas, bem como alguns gases resultantes dispositivos eletroquímicos… Incluem acima de tudo condutômetros e potenciômetrosdispositivos projetados para determinar a concentração de sais, ácidos e bases, alterando condutividade elétrica decisões. Estes são os chamados concentradores condumétricos ou condutômetros de contato e sem contato.

Encontrado amplamente distribuído medidores de pH — dispositivos para determinar a acidez do meio pelo potencial do eletrodo.

A mudança de potencial do eletrodo devido à polarização é determinada em analisadores de gás galvânico e despolarizante, servindo para controlar o teor de oxigênio e outros gases, cuja presença provoca a despolarização dos eletrodos.

É um dos mais promissores método de medição polarográfica, que consiste na determinação simultânea dos potenciais de liberação de vários íons no eletrodo e na densidade de corrente limitante.

A medição da concentração de umidade em gases é realizada por meio de método coulométrico, onde é definido taxa de eletrólise da águaadsorvido do gás através de um filme sensível à umidade.

Dispositivos baseados em para medir grandezas elétricas e magnéticas.

Ionização de gás com medição simultânea de sua condutividade elétrica, é usado para medir baixas concentrações. A ionização pode ser térmica ou sob a influência de várias radiações, em particular isótopos radioativos.

A ionização térmica é amplamente utilizada em detectores de ionização de chama de cromatógrafos… A ionização de gases por raios alfa e beta é amplamente utilizada em detectores cromatográficos (os chamados detectores de "argônio"), bem como em analisadores de gases de ionização alfa e betacom base na diferença nas seções de choque de ionização de diferentes gases.

O gás de teste nesses instrumentos passa por uma câmara de ionização alfa ou beta. Nesse caso, é medida a corrente de ionização na câmara, que caracteriza o conteúdo do componente. A determinação da constante dielétrica de um meio é usada para medir o teor de umidade e outras substâncias por meio de vários tipos medidores de umidade capacitivos e medidores dielétricos.

A constante dielétrica é utilizado um filme sorvente lavado por uma corrente de gás, caracterizando a concentração de vapor de água nele higrômetros dielométricos.

A sensibilidade magnética específica permite medir a concentração de gases paramagnéticos, principalmente oxigênio, por meio de analisadores de gases termomagnéticos, magnetoefusionais e magnetomecânicos.

Finalmente, a carga específica das partículas, que junto com sua massa é a principal característica de uma substância, é determinada por espectrômetros de massa com tempo de voo, analisadores de massa magnética e de alta frequência.

Medição de quantidades de onda — uma das direções mais promissoras na construção de instrumentos, baseada no uso do efeito da interação do ambiente testado com diferentes tipos de radiação. Assim, a intensidade de absorção do ambiente vibrações ultrassônicas torna possível estimar a viscosidade e a densidade do meio.

A medição da velocidade de propagação do ultrassom em um meio dá uma ideia da concentração de componentes individuais ou do grau de polimerização de látex e outras substâncias poliméricas. Quase toda a escala de oscilações eletromagnéticas, de frequências de rádio a raios X e radiação gama, é usada em sensores para propriedades e composição de substâncias.

Eles incluem os instrumentos analíticos mais sensíveis que medem a intensidade de absorção de energia de oscilações eletromagnéticas nas faixas de comprimento de onda curto, centímetro e milímetro, com base em ressonância magnética eletromagnética e nuclear.

Os mais utilizados são os dispositivos que utilizam a interação do ambiente com a energia luminosa. nas partes infravermelha, visível e ultravioleta do espectro… Tanto a emissão e absorção integral de luz quanto a intensidade das linhas e bandas características dos espectros de emissão e absorção de substâncias são medidas.

São utilizados dispositivos baseados no efeito óptico-acústico, operando na região do infravermelho do espectro, adequados para medir a concentração de gases e vapores poliatômicos.

Índice de refração da luz no meio usado para determinar a composição de meios líquidos e gasosos por refratômetros e interferômetros.

A medição da intensidade de rotação do plano de polarização da luz por soluções de substâncias opticamente ativas é usada para determinar sua concentração por polarímetros.

Métodos para medir a densidade e composição de vários meios, com base nas várias aplicações da interação de raios X e radiação radioativa com o meio, foram amplamente desenvolvidos.

Dispositivos combinados

Em vários casos, a combinação da determinação direta das propriedades físicas e físico-químicas do ambiente com várias operações auxiliares anteriores à medição pode expandir significativamente as possibilidades de medição, aumentar a seletividade, sensibilidade e precisão de métodos simples. Chamamos esses dispositivos de combinados.

As operações auxiliares incluem principalmente absorção de um gás de um líquido, condensação de vapor e evaporação de líquidopermitindo o uso de métodos para medir a concentração de líquidos na análise de gases, como condutometria, potenciometria, fotocolorimetria, etc.e vice-versa, para medir a concentração dos líquidos utilizados métodos para análise de gases: condutometria térmica, espectrometria de massa, etc.

Um dos métodos de sorção mais comuns é cromatografia, que é um método de medição combinado em que a determinação das propriedades físicas do meio de teste é precedida pelo processo de sua separação cromatográfica em seus componentes constituintes. Isso simplifica o processo de medição e expande drasticamente os limites das possibilidades dos métodos de medição direta.

A capacidade de medir a composição total de misturas orgânicas complexas e a alta sensibilidade dos dispositivos levaram ao rápido desenvolvimento dessa direção em instrumentos analíticos nos últimos anos.

Uma aplicação prática foi encontrada na indústria cromatógrafos a gásconsistindo de duas partes principais: uma coluna cromatográfica projetada para separar a mistura de teste e um detector usado para medir a concentração dos componentes separados da mistura. Existe uma grande variedade de designs para cromatógrafos a gás, tanto em relação ao regime térmico da coluna de separação quanto ao princípio de operação do detector.

Nos cromatógrafos de modo isotérmico, a temperatura do termostato da coluna é mantida constante durante o ciclo de análise; nos cromatógrafos com programação de temperatura, esta muda ao longo do tempo de acordo com um programa pré-determinado; em cromatógrafos de modo termodinâmico, durante o ciclo de análise, a temperatura de diferentes partes da coluna muda ao longo de seu comprimento.

Em princípio, um detector cromatográfico pode ser usado qualquer dispositivo para determinar as propriedades físicas e físico-químicas de uma determinada substância. Seu desenho é ainda mais simples que o de outros instrumentos analíticos, já que devem ser medidas as concentrações dos componentes já separados da mistura.

Atualmente amplamente utilizado detectores baseados na medição da densidade do gás, condutividade térmica (os chamados "catarômetros"), o efeito térmico da combustão dos produtos ("termoquímico"), a condutividade elétrica da chama na qual a mistura de teste entra ("ionização da chama"), a condutividade elétrica da gás ionizado por radiação radioativa ("ionização -argônio") e outros.

Sendo muito universal, o método cromatográfico dá o maior efeito ao medir a concentração de impurezas em misturas complexas de hidrocarbonetos com ponto de ebulição de até 400 - 500 ° C.

Os processos químicos que levam o meio a parâmetros que podem ser medidos de maneira simples podem ser usados ​​com quase todos os métodos de medição direta. A absorção seletiva de componentes individuais de uma mistura gasosa por um líquido permite medir a concentração das substâncias de teste medindo o volume da mistura antes e depois da absorção. A operação dos analisadores de gases manométricos de volume é baseada neste princípio.

Diferente reações de cor, precedendo a medição do efeito da interação com a substância da emissão de luz.

Isso inclui um grande grupo dos chamados tira fotocolorímetros, em que a medição da concentração dos componentes do gás é realizada medindo o grau de escurecimento de uma tira na qual foi previamente aplicada uma substância que dá uma reação de cor com a substância de teste. Este método é amplamente utilizado para medir microconcentrações, em particular concentrações perigosas de gases tóxicos no ar de instalações industriais.

Reações de cores também são usadas em fotocolorímetros líquidos para aumentar sua sensibilidade, para medir a concentração de componentes incolores em líquidos, etc.

é promissor medindo a intensidade de luminescência de líquidoscausada por reações químicas. Um dos métodos químicos analíticos mais comuns é titulação... O método de titulação consiste na medição de grandezas físicas e físico-químicas inerentes a um meio líquido exposto a fatores químicos ou físicos externos.

No momento da transição das mudanças quantitativas para qualitativas (o ponto final da titulação), é registrada a quantidade consumida de substância ou eletricidade correspondente à concentração do componente medido. Basicamente, é um método cíclico, mas existem diferentes versões dele, até o contínuo. Os mais utilizados como indicadores do ponto final da titulação são sensores potenciométricos (pH-métricos) e fotocolorimétricos.

Arutyunov OS Sensores para a composição e propriedades da matéria