Cảm biến và thiết bị đo lường để xác định thành phần và tính chất của các chất

Đặc điểm chính của việc phân loại các thiết bị điều khiển và thiết bị tự động hóa là vai trò của chúng trong các hệ thống điều khiển và điều khiển tự động về luồng thông tin.

Nhiệm vụ của các phương tiện kỹ thuật tự động hóa nói chung là:

• thu thập thông tin sơ cấp;

• sự biến đổi của cô ấy;

• đường truyền của nó;

• xử lý và so sánh thông tin nhận được với chương trình;

• hình thành thông tin chỉ huy (điều khiển);

• truyền thông tin chỉ huy (điều khiển);

• sử dụng thông tin lệnh để điều khiển quá trình.

Cảm biến cho tính chất và thành phần của các chất đóng vai trò chủ đạo trong hệ thống điều khiển tự động, chúng dùng để lấy thông tin chính và quyết định phần lớn chất lượng của toàn bộ hệ thống điều khiển tự động.

Hãy thiết lập một số khái niệm cơ bản.Đo lường, tính chất, thành phần của môi trường là gì? Các tính chất của môi trường được xác định bởi các giá trị số của một hoặc nhiều đại lượng vật lý hoặc hóa lý có thể đo được.

Đo lường là một quá trình tiết lộ thông qua một thí nghiệm tỷ lệ định lượng của một đại lượng vật lý hoặc hóa lý nhất định đặc trưng cho các tính chất của môi trường thử nghiệm và lượng tương ứng của môi trường đối chiếu. Thí nghiệm được hiểu là một quá trình khách quan tác động tích cực vào môi trường được kiểm tra, được thực hiện với sự trợ giúp của các phương tiện vật chất trong những điều kiện cố định.

Thành phần của môi trường, tức là nội dung định tính và định lượng của các thành phần cấu thành của nó, có thể được xác định từ sự phụ thuộc đã biết của nó vào các tính chất vật lý hoặc hóa lý của môi trường và vào các đại lượng đặc trưng cho chúng, tùy thuộc vào phép đo.

Theo quy định, các thuộc tính và thành phần của phương tiện được xác định gián tiếp. Bằng cách đo các đại lượng vật lý hoặc hóa lý khác nhau đặc trưng cho các tính chất của môi trường và biết mối quan hệ toán học giữa một mặt là các đại lượng này và mặt khác là thành phần của môi trường, chúng ta có thể ước tính thành phần của nó lớn hơn hoặc bằng mức độ chính xác thấp hơn.

Nói cách khác, để chọn hoặc chế tạo một thiết bị đo, chẳng hạn như để xác định thành phần hoàn chỉnh của môi trường nhiều thành phần, trước tiên, cần thiết lập các đại lượng vật lý hoặc hóa lý đặc trưng cho các tính chất của môi trường này và, thứ hai, để tìm phụ thuộc hình dạng

ki = f(C1,C2,…Cm),

trong đó ki — nồng độ từng thành phần của môi trường, C1, C2,… Cm — các đại lượng vật lý hay hóa lý đặc trưng cho tính chất của môi trường.

Theo đó, thiết bị được sử dụng để kiểm soát thành phần của môi trường có thể được hiệu chuẩn theo đơn vị nồng độ của một thành phần hoặc tính chất nhất định của môi trường, nếu có mối quan hệ rõ ràng giữa chúng trong một số giới hạn.

NSThiết bị điều khiển tự động các đặc tính vật lý và hóa lý và thành phần của các chất là thiết bị đo các đại lượng vật lý hoặc hóa lý riêng biệt xác định rõ ràng các đặc tính của môi trường hoặc thành phần định tính hoặc định lượng của nó.

Tuy nhiên, kinh nghiệm cho thấy rằng để thực hiện điều chỉnh hoặc kiểm soát tự động quy trình công nghệ đã được nghiên cứu đầy đủ, không nhất thiết phải có thông tin đầy đủ về thành phần của sản phẩm trung gian và sản phẩm cuối cùng cũng như nồng độ của một số thành phần của chúng tại bất kỳ thời điểm nào. Những thông tin như vậy thường được yêu cầu khi tạo, học và làm chủ các quy trình.

Khi các quy định công nghệ tối ưu đã được phát triển, các mối quan hệ rõ ràng giữa tiến trình của quy trình và các đại lượng vật lý và hóa lý có thể đo được đặc trưng cho các đặc tính và thành phần của sản phẩm đã được thiết lập, thì quy trình có thể được thực hiện, hiệu chuẩn cân thiết bị trực tiếp theo các đại lượng mà anh ta đo, ví dụ, theo đơn vị nhiệt độ, dòng điện, điện dung, v.v., hoặc theo đơn vị tính chất quy định của môi trường, ví dụ, màu sắc, độ đục, độ dẫn điện, độ nhớt, hằng số điện môi, vv n.

Các phương pháp chính để đo các đại lượng vật lý và hóa lý xác định tính chất và thành phần của môi trường sẽ được thảo luận dưới đây.

Danh pháp sản phẩm được thiết lập trong lịch sử hiện có bao gồm các nhóm thiết bị chính sau:

• máy phân tích khí,

• tập trung chất lỏng,

• máy đo mật độ,

• máy đo độ nhớt,

• máy đo độ ẩm,

• khối phổ kế,

• máy sắc ký,

• máy đo pH,

• điện kế,

• máy đo đường, v.v.

Các nhóm này lần lượt được chia nhỏ theo các phương pháp đo lường hoặc theo các chất được phân tích. Tính quy ước cực đoan của cách phân loại như vậy và khả năng gán các thiết bị giống hệt nhau về cấu trúc cho các nhóm khác nhau gây khó khăn cho việc nghiên cứu, lựa chọn và so sánh các thiết bị.

Thiết bị đo trực tiếp bao gồm thiết bị xác định tính chất vật lý hoặc hóa lý và thành phần của chất được thử nghiệm trực tiếp. Ngược lại, trong các thiết bị kết hợp, mẫu của chất thử nghiệm chịu ảnh hưởng làm thay đổi đáng kể thành phần hóa học hoặc trạng thái kết hợp của nó.

Trong cả hai trường hợp, có thể chuẩn bị sơ bộ mẫu về nhiệt độ, áp suất và một số thông số khác. Ngoài hai loại thiết bị chính này, còn có những thiết bị có thể thực hiện cả phép đo trực tiếp và kết hợp.

Dụng cụ đo trực tiếp

Trong các thiết bị đo trực tiếp, các tính chất vật lý và hóa lý của môi trường được xác định bằng cách đo các đại lượng sau: cơ, nhiệt động, điện hóa, điện và từ, và cuối cùng là sóng.

Đến các giá trị cơ học trước hết, mật độ và trọng lượng riêng của môi trường được xác định bằng các thiết bị dựa trên các phương pháp đo phao, trọng lực, thủy tĩnh và động.Điều này cũng bao gồm việc xác định độ nhớt của môi trường, được đo bằng các nhớt kế khác nhau: mao quản, quay, dựa trên các phương pháp bóng rơi và các phương pháp khác.

Từ các đại lượng nhiệt động hiệu ứng nhiệt của phản ứng, được đo bằng các thiết bị nhiệt hóa, hệ số dẫn nhiệt, được đo bằng các thiết bị dẫn nhiệt, nhiệt độ bốc cháy của các sản phẩm dầu mỏ, áp suất hơi, v.v. đã tìm thấy ứng dụng.

Phát triển rộng rãi để đo thành phần và tính chất của hỗn hợp chất lỏng cũng như một số khí thu được thiết bị điện hóa… Trên hết chúng bao gồm máy đo độ dẫn và chiết ápthiết bị được thiết kế để xác định nồng độ muối, axit và bazơ bằng cách thay đổi tinh dân điện các quyết định. Đây là những cái gọi là bộ tập trung đo độ dẫn hoặc máy đo độ dẫn tiếp xúc và không tiếp xúc.

Tìm thấy phân phối rất rộng rãi máy đo pH - thiết bị xác định độ axit của môi trường bằng điện thế của điện cực.

Sự dịch chuyển thế điện cực do phân cực được xác định trong máy phân tích khí galvanic và khử cực, dùng để kiểm soát hàm lượng oxy và các loại khí khác, sự hiện diện của chúng gây ra sự khử cực của các điện cực.

Nó là một trong những hứa hẹn nhất phương pháp đo phân cực, bao gồm việc xác định đồng thời điện thế giải phóng của các ion khác nhau trên điện cực và mật độ dòng điện giới hạn.

Việc đo nồng độ ẩm trong khí được thực hiện bằng phương pháp phương pháp điện lượng, nơi được xác định tốc độ điện phân của nướcđược hấp phụ từ khí qua một màng nhạy cảm với độ ẩm.

Thiết bị dựa trên để đo các đại lượng điện và từ.

ion hóa khí với phép đo đồng thời độ dẫn điện của chúng, được sử dụng để đo nồng độ thấp. Sự ion hóa có thể là nhiệt hoặc dưới ảnh hưởng của các bức xạ khác nhau, đặc biệt là các đồng vị phóng xạ.

Ion hóa nhiệt được sử dụng rộng rãi trong máy dò ion hóa ngọn lửa của máy sắc ký… Ion hóa chất khí bằng tia alpha và beta được sử dụng rộng rãi trong máy dò sắc ký (cái gọi là máy dò "argon"), cũng như trong máy phân tích khí ion hóa alpha và betadựa trên sự khác nhau về tiết diện ion hóa của các chất khí khác nhau.

Khí thử nghiệm trong các thiết bị này đi qua buồng ion hóa alpha hoặc beta. Trong trường hợp này, dòng ion hóa trong buồng được đo, đặc trưng cho nội dung của thành phần. Xác định hằng số điện môi của môi chất được dùng để đo hàm lượng ẩm và các chất khác bằng các loại phương tiện máy đo độ ẩm điện dung và máy đo điện môi.

hằng số điện môi một màng hấp thụ được rửa bằng dòng khí được sử dụng, đặc trưng cho nồng độ hơi nước trong đó ẩm kế điện môi.

Độ nhạy từ cụ thể giúp đo nồng độ khí thuận từ, chủ yếu là oxy, bằng phương pháp máy phân tích khí nhiệt từ, tràn từ và cơ từ.

Cuối cùng, điện tích riêng của các hạt, cùng với khối lượng của chúng là đặc điểm chính của một chất, được xác định bởi máy quang phổ khối thời gian bay, máy phân tích khối từ và tần số cao.

Đo đại lượng sóng — một trong những hướng hứa hẹn nhất trong việc chế tạo thiết bị, dựa trên việc sử dụng hiệu ứng tương tác của môi trường thử nghiệm với các loại bức xạ khác nhau. Vậy cường độ hấp thụ từ môi trường rung động siêu âm làm cho nó có thể ước tính độ nhớt và mật độ của môi trường.

Đo tốc độ lan truyền của siêu âm trong môi trường cho biết nồng độ của các thành phần riêng lẻ hoặc mức độ trùng hợp của latex và các chất cao phân tử khác. Gần như toàn bộ quy mô dao động điện từ, từ tần số vô tuyến đến tia X và bức xạ gamma, được sử dụng trong các cảm biến về tính chất và thành phần của các chất.

Chúng bao gồm các dụng cụ phân tích nhạy cảm nhất đo cường độ hấp thụ năng lượng từ các dao động điện từ trong phạm vi bước sóng ngắn, centimet và milimét, dựa trên cộng hưởng từ điện từ và hạt nhân.

Được sử dụng rộng rãi nhất là các thiết bị sử dụng sự tương tác của môi trường với năng lượng ánh sáng. trong các phần hồng ngoại, nhìn thấy và tử ngoại của quang phổ… Cả sự phát xạ và hấp thụ tích phân của ánh sáng cũng như cường độ của các vạch và dải đặc trưng của phổ phát xạ và hấp thụ của các chất đều được đo.

Các thiết bị dựa trên hiệu ứng quang-âm được sử dụng, hoạt động trong vùng hồng ngoại của quang phổ, thích hợp để đo nồng độ của khí và hơi đa nguyên tử.

Chiết suất của ánh sáng trong môi trường được sử dụng để xác định thành phần của môi trường lỏng và khí bằng cách khúc xạ kế và giao thoa kế.

Phép đo cường độ quay của mặt phẳng phân cực ánh sáng bằng dung dịch các chất hoạt động quang học được sử dụng để xác định nồng độ của chúng bằng cách phân cực kế.

Các phương pháp đo mật độ và thành phần của các phương tiện khác nhau, dựa trên các ứng dụng khác nhau về sự tương tác của tia X và bức xạ phóng xạ với môi trường, đã được phát triển rộng rãi.

thiết bị kết hợp

Trong một số trường hợp, việc kết hợp xác định trực tiếp các tính chất vật lý và hóa lý của môi trường với các hoạt động phụ trợ khác nhau trước khi đo có thể mở rộng đáng kể khả năng đo, tăng độ chọn lọc, độ nhạy và độ chính xác của các phương pháp đơn giản. Chúng tôi gọi các thiết bị như vậy kết hợp.

Hoạt động phụ trợ bao gồm chủ yếu hấp thụ khí từ chất lỏng, ngưng tụ hơi và bay hơi chất lỏngcho phép sử dụng các phương pháp đo nồng độ chất lỏng trong phân tích khí, chẳng hạn như phép đo độ dẫn điện, phép đo chiết áp, phép đo quang màu, v.v.và ngược lại, để đo nồng độ của chất lỏng được sử dụng các phương pháp phân tích khí: phép đo độ dẫn nhiệt, phép đo khối phổ, v.v.

Một trong những phương pháp hấp phụ phổ biến nhất là sắc ký, là một phương pháp đo kết hợp trong đó việc xác định các tính chất vật lý của môi trường thử nghiệm được thực hiện trước quá trình phân tách sắc ký thành các thành phần cấu thành của nó. Điều này đơn giản hóa quá trình đo lường và mở rộng đáng kể giới hạn khả năng của các phương pháp đo lường trực tiếp.

Khả năng đo tổng thành phần của hỗn hợp hữu cơ phức tạp và độ nhạy cao của thiết bị đã dẫn đến sự phát triển nhanh chóng của hướng này trong các thiết bị phân tích trong những năm gần đây.

Một ứng dụng thực tế đã được tìm thấy trong ngành công nghiệp máy sắc ký khígồm hai phần chính: cột sắc ký được thiết kế để tách hỗn hợp thử nghiệm và đầu dò dùng để đo nồng độ của các thành phần được tách ra của hỗn hợp. Có rất nhiều thiết kế cho máy sắc ký khí, cả về chế độ nhiệt của cột tách và nguyên lý hoạt động của máy dò.

Trong các máy sắc ký chế độ đẳng nhiệt, nhiệt độ của bộ ổn nhiệt cột được giữ không đổi trong chu kỳ phân tích; trong các máy sắc ký có lập trình nhiệt độ, nhiệt độ sau thay đổi theo thời gian theo chương trình định sẵn; trong các máy sắc ký chế độ nhiệt động, trong chu kỳ phân tích, nhiệt độ của các phần khác nhau của cột thay đổi dọc theo chiều dài của nó.

Về nguyên tắc, có thể sử dụng detector sắc ký bất kỳ thiết bị nào để xác định các tính chất vật lý và hóa lý của một chất nhất định. Thiết kế của nó thậm chí còn đơn giản hơn thiết kế của các thiết bị phân tích khác, vì phải đo nồng độ của các thành phần đã được tách riêng của hỗn hợp.

Hiện đang được sử dụng rộng rãi máy dò dựa trên đo mật độ khí, độ dẫn nhiệt (cái gọi là "catarometers"), hiệu ứng nhiệt của quá trình đốt cháy sản phẩm ("nhiệt hóa"), độ dẫn điện của ngọn lửa mà hỗn hợp thử nghiệm đi vào ("ion hóa ngọn lửa"), độ dẫn điện của khí bị ion hóa bởi bức xạ phóng xạ ("ion hóa -argon") và các loại khác.

Rất phổ biến, phương pháp sắc ký cho hiệu quả lớn nhất khi đo nồng độ tạp chất trong hỗn hợp hydrocacbon phức tạp có nhiệt độ sôi lên tới 400 — 500 ° C.

Các quy trình hóa học đưa môi trường đến các tham số có thể đo được theo những cách đơn giản có thể được sử dụng với hầu hết các phương pháp đo trực tiếp. Sự hấp thụ chọn lọc các thành phần riêng lẻ của hỗn hợp khí bằng chất lỏng giúp đo nồng độ của các chất thử bằng cách đo thể tích của hỗn hợp trước và sau khi hấp thụ. Hoạt động của máy phân tích khí thể tích-áp suất dựa trên nguyên tắc này.

Khác biệt phản ứng màu, trước phép đo ảnh hưởng của sự tương tác với chất phát xạ ánh sáng.

Điều này bao gồm một nhóm lớn được gọi là máy đo quang dải, trong đó phép đo nồng độ của các thành phần khí được thực hiện bằng cách đo mức độ sẫm màu của một dải mà trước đó đã phủ một chất tạo ra phản ứng màu với chất thử. Phương pháp này được sử dụng rộng rãi để đo nồng độ vi mô, đặc biệt là nồng độ nguy hiểm của khí độc trong không khí của các cơ sở công nghiệp.

Phản ứng màu cũng được sử dụng trong máy đo quang màu lỏng để tăng độ nhạy của chúng, để đo nồng độ của các thành phần không màu trong chất lỏng, v.v.

Nó đầy hứa hẹn đo cường độ phát quang của chất lỏngdo các phản ứng hóa học gây ra. Một trong những phương pháp hóa học phân tích phổ biến nhất là chuẩn độ... Phương pháp chuẩn độ bao gồm đo các đại lượng vật lý và hóa lý vốn có trong môi trường lỏng tiếp xúc với các yếu tố hóa học hoặc vật lý bên ngoài.

Tại thời điểm chuyển từ thay đổi định lượng sang định tính (điểm kết thúc chuẩn độ), lượng chất hoặc điện năng tiêu thụ tương ứng với nồng độ của thành phần đo được ghi lại. Về cơ bản, nó là một phương pháp tuần hoàn, nhưng có nhiều phiên bản khác nhau của nó, cho đến liên tục. Được sử dụng rộng rãi nhất làm chất chỉ thị điểm cuối của phép chuẩn độ là cảm biến chiết áp (pH-metric) và cảm biến quang điện.

Hệ điều hành Arutyunov Cảm biến cho thành phần và tính chất của vật chất