Sensores y dispositivos de medición para determinar la composición y las propiedades de las sustancias

La característica principal de la clasificación de los dispositivos de control y equipos de automatización es su papel en los sistemas automáticos de regulación y control en términos de flujo de información.

Las tareas de los medios técnicos de automatización en general son:

• obtención de información primaria;

• su transformación;

• su transmisión;

• procesamiento y comparación de la información recibida con el programa;

• formación de información de mando (control);

• transmisión de información de mando (control);

• usando información de comando para controlar el proceso.

Sensores para propiedades y composición de sustancias juegan un papel principal en el sistema de control automático, sirven para obtener información primaria y determinan en gran medida la calidad de todo el sistema de control automático.

Establezcamos algunos conceptos básicos.¿Qué es la medida, las propiedades, la composición del medio? Las propiedades del medio ambiente están determinadas por los valores numéricos de una o más cantidades físicas o fisicoquímicas que se pueden medir.

La medición es un proceso de revelar a través de un experimento la relación cuantitativa de una cierta cantidad física o fisicoquímica que caracteriza las propiedades del medio de prueba y la cantidad correspondiente del medio de referencia. Un experimento se entiende como un proceso objetivo de impacto activo en el medio ambiente probado, producido con la ayuda de medios materiales en condiciones fijas.

La composición del medio ambiente, es decir, el contenido cualitativo y cuantitativo de sus componentes constituyentes, puede determinarse a partir de su conocida dependencia de las propiedades físicas o fisicoquímicas del medio ambiente y de las magnitudes que las caracterizan, sujetas a medida.

Por regla general, las propiedades y la composición del medio se determinan indirectamente. Midiendo diversas cantidades físicas o físico-químicas que caracterizan las propiedades del medio ambiente, y conociendo la relación matemática entre estas cantidades, por un lado, y la composición del medio ambiente, por el otro, podemos estimar su composición en mayor o menor medida. menor grado de precisión.

En otras palabras, para elegir o construir un dispositivo de medición, por ejemplo, para determinar la composición completa de un medio multicomponente, es necesario, primero, establecer qué cantidades físicas o físico-químicas caracterizan las propiedades de este medio y, en segundo lugar, para encontrar dependencias de forma

ki = f (C1, C2, … Cm),

donde ki — concentración de cada componente del medio ambiente, C1, C2, ... Cm — magnitudes físicas o fisicoquímicas que caracterizan las propiedades del medio ambiente.

En consecuencia, el dispositivo utilizado para controlar la composición del medio puede calibrarse en unidades de la concentración de un determinado componente o propiedades del medio, si existe una relación inequívoca entre ellos dentro de algunos límites.

NSLos dispositivos para el control automático de las propiedades físicas y fisicoquímicas y la composición de las sustancias son dispositivos que miden cantidades físicas o fisicoquímicas separadas que determinan inequívocamente las propiedades del medio ambiente o su composición cualitativa o cuantitativa.

Sin embargo, la experiencia demuestra que para la implementación de la regulación o control automático de un proceso tecnológico suficientemente estudiado, no es necesario disponer de información completa sobre la composición de los productos intermedios y finales y sobre la concentración de algunos de sus componentes en cada momento. Dicha información generalmente se requiere al crear, aprender y dominar procesos.

Cuando se han desarrollado las regulaciones tecnológicas óptimas, se han establecido relaciones inequívocas entre el curso del proceso y las cantidades físicas y fisicoquímicas medibles que caracterizan las propiedades y la composición de los productos, entonces se puede llevar a cabo el proceso. calibración de escala de dispositivo directamente en aquellas cantidades que mide, por ejemplo, en unidades de temperatura, corriente eléctrica, capacitancia, etc., o en unidades de la propiedad específica del medio, por ejemplo, color, turbidez, conductividad eléctrica, viscosidad, constante dieléctrica, etc nm.

A continuación se analizan los principales métodos para medir cantidades físicas y fisicoquímicas que determinan las propiedades y la composición del medio ambiente.

La nomenclatura de productos existente históricamente establecida incluye los siguientes grupos principales de dispositivos:

• analizadores de gases,

• concentradores de líquidos,

• medidores de densidad,

• viscosímetros,

• higrómetros,

• espectrómetros de masas,

• cromatógrafos,

• medidores de pH,

• solinómetros,

• medidores de azúcar, etc.

Estos grupos, a su vez, se subdividen según los métodos de medida o según las sustancias analizadas. La extrema convencionalidad de tal clasificación y la posibilidad de asignar dispositivos estructuralmente idénticos a diferentes grupos dificultan el estudio, la selección y la comparación de dispositivos.

Los dispositivos de medición directa incluyen aquellos que determinan las propiedades físicas o fisicoquímicas y la composición de la sustancia analizada directamente. Por el contrario, en los dispositivos combinados, la muestra de la sustancia de prueba está expuesta a influencias que modifican significativamente su composición química o su estado de agregación.

En ambos casos, es posible la preparación preliminar de la muestra en términos de temperatura, presión y algunos otros parámetros. Además de estas dos clases principales de dispositivos, también existen aquellos en los que se pueden realizar mediciones tanto directas como combinadas.

Instrumentos de medida directa

En los dispositivos de medida directa, las propiedades físicas y físico-químicas del medio se determinan midiendo las siguientes magnitudes: mecánicas, termodinámicas, electroquímicas, eléctricas y magnéticas, y finalmente ondulatorias.

A valores mecánicos en primer lugar, la densidad y la gravedad específica del medio se determinan utilizando instrumentos basados ​​en métodos de medición de flotación, gravedad, hidrostática y dinámica.Esto también incluye la determinación de la viscosidad del medio, medida con varios viscosímetros: capilar, rotatorio, basado en los métodos de caída de bola y otros.

De cantidades termodinámicas el efecto calorífico de la reacción, medido con dispositivos termoquímicos, el coeficiente de conductividad térmica, que se mide con dispositivos termoconductores, la temperatura de ignición de los productos derivados del petróleo, la presión de vapor, etc. han encontrado aplicación.

Amplio desarrollo para medir la composición y propiedades de mezclas líquidas así como algunos gases resultantes dispositivos electroquímicos… Incluyen sobre todo conductómetros y potenciómetrosdispositivos diseñados para determinar la concentración de sales, ácidos y bases cambiando conductividad eléctrica decisiones Estos son los llamados concentradores conductimétricos o conductómetros de contacto y sin contacto.

Encontrado muy ampliamente distribuido medidores de pH — dispositivos para determinar la acidez del medio por el potencial del electrodo.

El cambio de potencial del electrodo debido a la polarización se determina en analizadores de gases galvánicos y despolarizantes, sirviendo para controlar el contenido de oxígeno y otros gases, cuya presencia provoca la despolarización de los electrodos.

es uno de los mas prometedores método de medición polarográfica, que consiste en la determinación simultánea de los potenciales de liberación de varios iones en el electrodo y la densidad de corriente límite.

La medida de la concentración de humedad en los gases se logra mediante método coulométrico, donde se define tasa de electrólisis del aguaadsorbida del gas a través de una película sensible a la humedad.

Dispositivos basados ​​en para medir magnitudes eléctricas y magnéticas.

ionización de gases con medición simultánea de su conductividad eléctrica, se utiliza para medir bajas concentraciones. La ionización puede ser térmica o bajo la influencia de diversas radiaciones, en particular isótopos radiactivos.

La ionización térmica es ampliamente utilizada detectores de ionización en llama de cromatógrafos… La ionización de gases por rayos alfa y beta es ampliamente utilizada en detectores cromatográficos (los llamados detectores de "argón"), así como en analizadores de gases de ionización alfa y betabasado en la diferencia en las secciones transversales de ionización de diferentes gases.

El gas de prueba en estos instrumentos pasa a través de una cámara de ionización alfa o beta. En este caso, se mide la corriente de ionización en la cámara, que caracteriza el contenido del componente. La determinación de la constante dieléctrica de un medio se utiliza para medir el contenido de humedad y otras sustancias por medio de varios tipos medidores de humedad capacitivos y medidores dieléctricos.

la constante dielectrica se utiliza una película absorbente lavada por una corriente de gas, caracterizando la concentración de vapor de agua en ella higrómetros dielométricos.

La sensibilidad magnética específica permite medir la concentración de gases paramagnéticos, principalmente oxígeno, mediante analizadores de gases termomagnéticos, magnetoefusión y magnetomecánicos.

Finalmente, la carga específica de las partículas, que junto con su masa es la característica principal de una sustancia, está determinada por espectrómetros de masas de tiempo de vuelo, analizadores de masas magnéticos y de alta frecuencia.

Medición de cantidades de onda — una de las direcciones más prometedoras en la construcción de instrumentos, basada en el uso del efecto de la interacción del entorno probado con diferentes tipos de radiación. Por lo tanto, la intensidad de la absorción del medio ambiente vibraciones ultrasónicas permite estimar la viscosidad y la densidad del medio.

La medición de la velocidad de propagación de los ultrasonidos en un medio da una idea de la concentración de los componentes individuales o del grado de polimerización de látex y otras sustancias poliméricas. Casi toda la escala de oscilaciones electromagnéticas, desde las radiofrecuencias hasta los rayos X y la radiación gamma, se utiliza en sensores para las propiedades y composición de las sustancias.

Incluyen los instrumentos analíticos más sensibles que miden la intensidad de absorción de energía de las oscilaciones electromagnéticas en los rangos de longitud de onda corta, centimétrica y milimétrica, basados ​​en resonancia magnética nuclear y electromagnética.

Los más utilizados son los dispositivos que aprovechan la interacción del entorno con la energía lumínica. en las partes infrarroja, visible y ultravioleta del espectro… Se miden tanto la emisión y absorción integral de luz como la intensidad de las líneas y bandas características de los espectros de emisión y absorción de sustancias.

Se utilizan dispositivos basados ​​en el efecto óptico-acústico, que operan en la región infrarroja del espectro, adecuados para medir la concentración de gases y vapores poliatómicos.

Índice de refracción de la luz en el medio. utilizado para determinar la composición de medios líquidos y gaseosos por refractómetros e interferómetros.

La medida de la intensidad de rotación del plano de polarización de la luz por soluciones de sustancias ópticamente activas se utiliza para determinar su concentración por polarímetros.

Se han desarrollado ampliamente métodos para medir la densidad y composición de varios medios, basados ​​en las diversas aplicaciones de la interacción de los rayos X y la radiación radiactiva con el medio.

Dispositivos combinados

En varios casos, la combinación de la determinación directa de las propiedades físicas y fisicoquímicas del medio ambiente con varias operaciones auxiliares que preceden a la medición puede ampliar significativamente las posibilidades de medición, aumentar la selectividad, la sensibilidad y la precisión de los métodos simples. Llamamos a tales dispositivos combinados.

Las operaciones auxiliares incluyen principalmente absorcion de un gas de un liquido, condensación de vapor y evaporación de líquidopermitiendo el uso de métodos para medir la concentración de líquidos en el análisis de gases, tales como conductimetría, potenciometría, fotocolorimetría, etc.y viceversa, para medir la concentración de los líquidos utilizados métodos para el análisis de gases: conductimetría térmica, espectrometría de masas, etc.

Uno de los métodos de sorción más comunes es cromatografía, que es un método de medición combinado en el que la determinación de las propiedades físicas del medio de prueba está precedida por el proceso de su separación cromatográfica en sus componentes constituyentes. Esto simplifica el proceso de medición y amplía drásticamente los límites de las posibilidades de los métodos de medición directos.

La capacidad de medir la composición total de mezclas orgánicas complejas y la alta sensibilidad de los dispositivos han llevado al rápido desarrollo de esta dirección en los instrumentos analíticos en los últimos años.

Se ha encontrado una aplicación práctica en la industria. cromatógrafos de gasesconsta de dos partes principales: una columna cromatográfica diseñada para separar la mezcla de prueba y un detector utilizado para medir la concentración de los componentes separados de la mezcla. Existe una gran variedad de diseños de cromatógrafos de gases, tanto en términos del régimen térmico de la columna de separación como del principio de funcionamiento del detector.

En los cromatógrafos en modo isotérmico, la temperatura del termostato de la columna se mantiene constante durante el ciclo de análisis; en cromatógrafos con programación de temperatura, esta última cambia en el tiempo según un programa predeterminado; en los cromatógrafos en modo termodinámico, durante el ciclo de análisis, la temperatura de diferentes partes de la columna cambia a lo largo de su longitud.

En principio, se puede utilizar un detector cromatográfico cualquier dispositivo para determinar las propiedades físicas y físico-químicas de una sustancia determinada. Su diseño es incluso más sencillo que el de otros instrumentos analíticos, ya que se deben medir las concentraciones de los componentes de la mezcla ya separados.

Actualmente muy utilizado detectores basados ​​en la medición de la densidad del gas, la conductividad térmica (los llamados "catarómetros"), el efecto térmico de la combustión de los productos ("termoquímicos"), la conductividad eléctrica de la llama en la que entra la mezcla de prueba ("ionización de llama"), la conductividad eléctrica de la gas ionizado por radiación radiactiva ("ionización -argón") y otros.

Siendo muy universal, el método cromatográfico da el mayor efecto al medir la concentración de impurezas en mezclas complejas de hidrocarburos con un punto de ebullición de hasta 400 - 500 ° C.

Los procesos químicos que llevan el medio a parámetros que se pueden medir de forma sencilla se pueden utilizar con casi todos los métodos de medición directa. La absorción selectiva de componentes individuales de una mezcla de gases por parte de un líquido permite medir la concentración de las sustancias de ensayo midiendo el volumen de la mezcla antes y después de la absorción. El funcionamiento de los analizadores de gases manométricos volumétricos se basa en este principio.

Diferente reacciones de color, precediendo a la medida del efecto de la interacción con la sustancia de la emisión de luz.

Esto incluye un gran grupo de los llamados fotocolorímetros de tira, en el que la medida de la concentración de componentes gaseosos se realiza midiendo el grado de oscurecimiento de una tira sobre la que previamente se ha aplicado una sustancia que da color a la reacción con la sustancia de ensayo. Este método es ampliamente utilizado para medir microconcentraciones, en particular concentraciones peligrosas de gases tóxicos en el aire de locales industriales.

También se utilizan reacciones de color. en fotocolorímetros líquidos para aumentar su sensibilidad, para medir la concentración de componentes incoloros en líquidos, etc.

es prometedor medir la intensidad de la luminiscencia de los líquidoscausada por reacciones químicas. Uno de los métodos químicos analíticos más comunes es valoración... El método de titulación consiste en medir cantidades físicas y físico-químicas inherentes a un medio líquido que está expuesto a factores químicos o físicos externos.

En el momento de la transición de los cambios cuantitativos a los cualitativos (el punto final de la titulación), se registra la cantidad consumida de sustancia o electricidad correspondiente a la concentración del componente medido. Básicamente, es un método cíclico, pero existen diferentes versiones del mismo, hasta el continuo. Los más utilizados como indicadores del punto final de la titulación son sensores potenciométricos (pH-métricos) y fotocolorimétricos.

Arutyunov OS Sensores para la composición y propiedades de la materia