Sensor dan alat pengukur untuk menentukan komposisi dan sifat zat

Fitur utama dari klasifikasi perangkat kontrol dan peralatan otomasi adalah perannya dalam regulasi otomatis dan sistem kontrol dalam hal aliran informasi.

Tugas sarana teknis otomasi secara umum adalah:

• memperoleh informasi primer;

• transformasinya;

• transmisinya;

• pemrosesan dan perbandingan informasi yang diterima dengan program;

• pembentukan perintah (kontrol) informasi;

• transmisi informasi perintah (kontrol);

• menggunakan informasi perintah untuk mengontrol proses.

Sensor untuk sifat dan komposisi zat memainkan peran utama dalam sistem kontrol otomatis, mereka berfungsi untuk mendapatkan informasi utama dan sangat menentukan kualitas seluruh sistem kontrol otomatis.

Mari kita membangun beberapa konsep dasar.Apa itu pengukuran, sifat, komposisi media? Sifat-sifat lingkungan ditentukan oleh nilai numerik dari satu atau lebih besaran fisika atau fisika-kimia yang dapat diukur.

Pengukuran adalah proses mengungkapkan melalui percobaan rasio kuantitatif dari kuantitas fisik atau fisiko-kimia tertentu yang mencirikan sifat-sifat media uji dan jumlah yang sesuai dari media referensi. Eksperimen dipahami sebagai proses objektif dari dampak aktif pada lingkungan yang diuji, yang dihasilkan dengan bantuan sarana material dalam kondisi tetap.

Komposisi lingkungan, yaitu. konten kualitatif dan kuantitatif dari komponen penyusunnya, dapat ditentukan dari ketergantungannya yang diketahui pada sifat fisik atau fisiko-kimia lingkungan dan pada kuantitas yang mencirikannya, tunduk pada pengukuran.

Sebagai aturan, sifat dan komposisi medium ditentukan secara tidak langsung. Dengan mengukur berbagai besaran fisika atau fisika-kimia yang mencirikan sifat-sifat lingkungan, dan mengetahui hubungan matematis antara besaran tersebut, di satu sisi, dan komposisi lingkungan, di sisi lain, kita dapat memperkirakan komposisinya menjadi lebih besar atau tingkat akurasi yang lebih rendah.

Dengan kata lain, untuk memilih atau membuat alat pengukur, misalnya, untuk menentukan komposisi lengkap media multikomponen, pertama-tama perlu ditetapkan kuantitas fisik atau fisiko-kimia apa yang mencirikan sifat-sifat media ini dan, kedua, untuk menemukan dependensi bentuk

ki = f (C1, C2, … Cm),

di mana ki adalah konsentrasi setiap komponen lingkungan, C1, C2, ... Cm adalah kuantitas fisik atau fisiko-kimia yang mencirikan sifat-sifat lingkungan.

Dengan demikian, perangkat yang digunakan untuk mengontrol komposisi media dapat dikalibrasi dalam satuan konsentrasi komponen atau sifat tertentu dari media, jika ada hubungan yang tidak ambigu antara keduanya dalam batas tertentu.

NSPerangkat untuk kontrol otomatis sifat fisik dan fisikokimia dan komposisi zat adalah perangkat yang mengukur kuantitas fisik atau fisikokimia terpisah yang secara jelas menentukan sifat lingkungan atau komposisi kualitatif atau kuantitatifnya.

Namun, pengalaman menunjukkan bahwa untuk implementasi pengaturan atau kontrol otomatis dari proses teknologi yang cukup dipelajari, tidak perlu memiliki informasi lengkap tentang komposisi produk antara dan produk akhir dan tentang konsentrasi beberapa komponennya setiap saat. Informasi tersebut biasanya diperlukan saat membuat, mempelajari, dan menguasai proses.

Ketika regulasi teknologi yang optimal telah dikembangkan, hubungan yang jelas antara jalannya proses dan kuantitas fisik dan fisiko-kimia terukur yang mencirikan sifat dan komposisi produk telah ditetapkan, maka proses tersebut dapat dilakukan, kalibrasi skala perangkat langsung dalam kuantitas yang dia ukur, misalnya, dalam satuan suhu, arus listrik, kapasitansi, dll., Atau dalam satuan sifat tertentu dari medium, misalnya, warna, kekeruhan, konduktivitas listrik, viskositas, konstanta dielektrik, dll n.

Metode utama untuk mengukur kuantitas fisik dan fisiko-kimia yang menentukan sifat dan komposisi lingkungan dibahas di bawah ini.

Nomenklatur produk yang ada secara historis mencakup kelompok perangkat utama berikut:

• analisa gas,

• konsentrator cair,

• meter kepadatan,

• viskometer,

• higrometer,

• spektrometer massa,

• kromatografi,

• pengukur pH,

• solinometer,

• meteran gula dll.

Kelompok-kelompok ini, pada gilirannya, dibagi lagi menurut metode pengukuran atau menurut zat yang dianalisis. Konvensional ekstrim dari klasifikasi semacam itu dan kemungkinan menetapkan perangkat yang identik secara struktural ke kelompok yang berbeda membuat sulit untuk mempelajari, memilih, dan membandingkan perangkat.

Perangkat pengukuran langsung termasuk yang menentukan sifat fisik atau fisiko-kimia dan komposisi zat yang diuji secara langsung. Sebaliknya, dalam perangkat gabungan, sampel zat uji terkena pengaruh yang secara signifikan mengubah komposisi kimianya atau keadaan agregasinya.

Dalam kedua kasus tersebut, persiapan awal sampel dalam hal suhu, tekanan, dan beberapa parameter lainnya dimungkinkan. Selain dua kelas perangkat utama ini, ada juga perangkat yang dapat melakukan pengukuran langsung dan gabungan.

Alat ukur langsung

Dalam perangkat pengukuran langsung, sifat fisik dan fisikokimia medium ditentukan dengan mengukur besaran berikut: mekanik, termodinamika, elektrokimia, listrik dan magnet, dan akhirnya gelombang.

Untuk nilai mekanis pertama-tama, kerapatan dan berat jenis media ditentukan menggunakan instrumen berdasarkan metode pengukuran float, gravitasi, hidrostatik, dan dinamis.Ini juga termasuk menentukan viskositas medium, diukur dengan berbagai viskometer: kapiler, putar, berdasarkan metode bola jatuh dan lain-lain.

Dari kuantitas termodinamika efek panas dari reaksi, diukur dengan perangkat termokimia, koefisien konduktivitas termal, yang diukur dengan perangkat termokonduktif, suhu pengapian produk minyak bumi, tekanan uap, dll. telah menemukan aplikasi.

Pengembangan ekstensif untuk mengukur komposisi dan sifat campuran cairan serta beberapa gas yang dihasilkan perangkat elektrokimia… Mereka termasuk di atas segalanya konduktometer dan potensiometerperangkat yang dirancang untuk menentukan konsentrasi garam, asam dan basa dengan mengubah konduktivitas listrik keputusan. Inilah yang disebut konsentrator konsentrator atau konsentrator kontak dan non-kontak.

Ditemukan sangat luas didistribusikan pengukur pH — perangkat untuk menentukan keasaman media dengan potensi elektroda.

Pergeseran potensial elektroda akibat polarisasi ditentukan dalam penganalisa gas galvanik dan depolarisasi, berfungsi untuk mengontrol kandungan oksigen dan gas lainnya, yang keberadaannya menyebabkan depolarisasi elektroda.

Ini adalah salah satu yang paling menjanjikan metode pengukuran polarografi, yang terdiri dari penentuan simultan potensi pelepasan berbagai ion pada elektroda dan kerapatan arus pembatas.

Pengukuran konsentrasi uap air dalam gas dicapai dengan cara metode koulometri, di mana didefinisikan laju elektrolisis airteradsorpsi dari gas melalui film yang sensitif terhadap kelembaban.

Perangkat berdasarkan untuk mengukur besaran listrik dan magnet.

ionisasi gas dengan pengukuran konduktivitas listriknya secara simultan, digunakan untuk mengukur konsentrasi rendah. Ionisasi dapat bersifat termal atau di bawah pengaruh berbagai radiasi, khususnya isotop radioaktif.

Ionisasi termal banyak digunakan dalam detektor ionisasi nyala kromatografi… Ionisasi gas oleh sinar alfa dan beta banyak digunakan dalam detektor kromatografi (disebut detektor "argon"), serta dalam penganalisa gas ionisasi alfa dan betaberdasarkan perbedaan penampang ionisasi gas yang berbeda.

Gas uji dalam instrumen ini melewati ruang ionisasi alfa atau beta. Dalam hal ini, arus ionisasi dalam bejana diukur, yang mencirikan kandungan komponen. Menentukan konstanta dielektrik suatu media digunakan untuk mengukur kandungan uap air dan zat lain dengan berbagai jenis meter kelembaban kapasitif dan meter dielektrik.

Konstanta dielektrik film penyerap yang dicuci oleh aliran gas digunakan, mencirikan konsentrasi uap air di dalamnya higrometer dielometrik.

Sensitivitas magnetik spesifik memungkinkan untuk mengukur konsentrasi gas paramagnetik, terutama oksigen, melalui termomagnetik, magnetoefusi dan penganalisa gas magnetomekanis.

Terakhir, muatan spesifik partikel, yang bersama dengan massanya merupakan ciri utama suatu zat, ditentukan oleh spektrometer massa waktu terbang, penganalisa massa magnetik dan frekuensi tinggi.

Pengukuran besaran gelombang — salah satu arahan yang paling menjanjikan dalam pembuatan instrumen, berdasarkan penggunaan efek interaksi lingkungan yang diuji dengan berbagai jenis radiasi. Jadi, intensitas penyerapan dari lingkungan getaran ultrasonik memungkinkan untuk memperkirakan viskositas dan densitas medium.

Mengukur kecepatan perambatan ultrasound dalam suatu media memberikan gambaran tentang konsentrasi masing-masing komponen atau tingkat polimerisasi lateks dan zat polimer lainnya. Hampir seluruh skala osilasi elektromagnetik, dari frekuensi radio hingga sinar-X dan radiasi gamma, digunakan dalam sensor untuk sifat dan komposisi zat.

Mereka termasuk instrumen analitik paling sensitif yang mengukur intensitas penyerapan energi dari osilasi elektromagnetik dalam rentang panjang gelombang pendek, sentimeter dan milimeter, berdasarkan resonansi magnetik elektromagnetik dan nuklir.

Yang paling banyak digunakan adalah perangkat yang menggunakan interaksi lingkungan dengan energi cahaya. di bagian spektrum inframerah, tampak dan ultraviolet… Baik emisi integral dan penyerapan cahaya dan intensitas garis dan pita karakteristik spektrum emisi dan penyerapan zat diukur.

Perangkat berdasarkan efek optik-akustik digunakan, beroperasi di wilayah spektrum inframerah, cocok untuk mengukur konsentrasi gas dan uap poliatomik.

Indeks bias cahaya dalam medium digunakan untuk menentukan komposisi media cair dan gas refraktometer dan interferometer.

Pengukuran intensitas rotasi bidang polarisasi cahaya oleh larutan zat aktif optik digunakan untuk menentukan konsentrasinya dengan polarimeter.

Metode untuk mengukur kerapatan dan komposisi berbagai media, berdasarkan berbagai penerapan interaksi sinar-X dan radiasi radioaktif dengan media, telah banyak dikembangkan.

Perangkat gabungan

Dalam sejumlah kasus, kombinasi penentuan langsung sifat fisik dan fisikokimia lingkungan dengan berbagai operasi tambahan sebelum pengukuran dapat secara signifikan memperluas kemungkinan pengukuran, meningkatkan selektivitas, sensitivitas, dan akurasi metode sederhana. Kami menyebut perangkat semacam itu digabungkan.

Operasi tambahan meliputi terutama penyerapan gas dari cairan, kondensasi uap dan penguapan cairanmemungkinkan penggunaan metode untuk mengukur konsentrasi cairan dalam analisis gas, seperti konduktometri, potensiometri, fotokolorimetri, dll.dan sebaliknya, untuk mengukur konsentrasi cairan yang digunakan metode untuk analisis gas: konduktometri termal, spektrometri massa, dll.

Salah satu metode sorpsi yang paling umum adalah kromatografi, yaitu metode pengukuran gabungan dimana penentuan sifat fisik media uji didahului dengan proses pemisahan kromatografinya menjadi komponen penyusunnya. Ini menyederhanakan proses pengukuran dan secara dramatis memperluas batas kemungkinan metode pengukuran langsung.

Kemampuan untuk mengukur komposisi total campuran organik kompleks dan sensitivitas perangkat yang tinggi telah menyebabkan perkembangan pesat arah ini dalam instrumen analitik dalam beberapa tahun terakhir.

Aplikasi praktis telah ditemukan di industri kromatografi gasterdiri dari dua bagian utama: kolom kromatografi yang dirancang untuk memisahkan campuran uji dan detektor yang digunakan untuk mengukur konsentrasi komponen campuran yang dipisahkan. Ada berbagai macam desain untuk kromatografi gas, baik dalam hal rezim termal kolom pemisahan dan prinsip operasi detektor.

Dalam kromatografi mode isotermal, suhu termostat kolom dijaga konstan selama siklus analisis; dalam kromatografi dengan pemrograman suhu, yang terakhir berubah dari waktu ke waktu sesuai dengan program yang telah ditentukan sebelumnya; dalam kromatografi mode termodinamika, selama siklus analisis, suhu berbagai bagian kolom berubah sepanjang panjangnya.

Pada prinsipnya, detektor kromatografi dapat digunakan perangkat apa pun untuk menentukan sifat fisik dan fisiko-kimia dari suatu zat. Desainnya bahkan lebih sederhana daripada instrumen analitik lainnya, karena konsentrasi komponen campuran yang sudah dipisahkan harus diukur.

Saat ini banyak digunakan detektor berdasarkan pengukuran densitas gas, konduktivitas termal (yang disebut "katarometer"), efek termal dari pembakaran produk ("termokimia"), konduktivitas listrik nyala api tempat masuknya campuran uji ("ionisasi nyala"), konduktivitas listrik dari gas terionisasi oleh radiasi radioaktif ("ionisasi -argon") dan lain-lain.

Menjadi sangat universal, metode kromatografi memberikan efek terbesar saat mengukur konsentrasi pengotor dalam campuran hidrokarbon kompleks dengan titik didih hingga 400 — 500 ° C.

Proses kimia yang membawa medium ke parameter yang dapat diukur dengan cara sederhana dapat digunakan dengan hampir semua metode pengukuran langsung. Penyerapan selektif masing-masing komponen campuran gas oleh cairan memungkinkan untuk mengukur konsentrasi zat uji dengan mengukur volume campuran sebelum dan sesudah penyerapan. Pengoperasian penganalisa gas volume-manometrik didasarkan pada prinsip ini.

Berbeda reaksi warna, mendahului pengukuran efek interaksi dengan substansi pancaran cahaya.

Ini termasuk kelompok besar yang disebut strip fotokolorimeter, di mana pengukuran konsentrasi komponen gas dilakukan dengan mengukur tingkat penggelapan strip di mana zat yang memberikan reaksi warna dengan zat uji sebelumnya telah diterapkan. Metode ini banyak digunakan untuk mengukur mikrokonsentrasi, khususnya konsentrasi gas beracun yang berbahaya di udara tempat industri.

Reaksi warna juga digunakan dalam fotokolorimeter cair untuk meningkatkan sensitivitasnya, untuk mengukur konsentrasi komponen tak berwarna dalam cairan, dll.

Itu menjanjikan mengukur intensitas pendaran cairandisebabkan oleh reaksi kimia. Salah satu metode kimia analitik yang paling umum adalah titrasi... Metode titrasi terdiri dari pengukuran kuantitas fisik dan fisiko-kimia yang melekat dalam media cair yang terpapar faktor kimia atau fisik eksternal.

Pada saat transisi perubahan kuantitatif ke kualitatif (titik akhir titrasi), jumlah zat atau listrik yang dikonsumsi sesuai dengan konsentrasi komponen yang diukur dicatat. Pada dasarnya, ini adalah metode siklik, tetapi ada versi yang berbeda, hingga berkelanjutan. Yang paling banyak digunakan sebagai indikator titik akhir titrasi adalah sensor potensiometri (pH-metrik) dan fotokolorimetri.

Sensor OS Arutyunov untuk komposisi dan sifat materi