Автоматический контроль качества

Некоторые понятия о качестве продукции. [1] Качество – совокупность свойств, обуславливающих пригодность продукции удовлетворять определенной потребности в соответствии с назначением (в данный момент времени). Свойство – объективная особенность продукции, проявляющиеся при её потреблении и эксплуатации. Квалиметрия – часть науки о качестве определяющая количественные оценки (показатели). Показатель качества – количественная характеристика одного или нескольких свойств продукции. Различают следующие методы контроля показателей качества: инструментальные, расчетные, экспертные. Инструментальные методы, базируются на выполнении физико-химических измерений. Расчетные методы, базируются на выполнении измерений (всех) и проведении расчета по некоторой формуле, в сущности они представляют собой косвенные измерения. Экспертные методы базируются на оценках качества, которые делаются специально обученными людьми. Купить гематологический анализатор Abacus и другую медтехнику в петербургской компании Альянс
Общие сведения об инструментальных методах контроля качества.[2] Их основой являются физико-химические измерения. При физико-химических измерениях контролируются следующие показатели качества: 1). Физико-химические свойства, которые являются с позиции метрологии просто физическими величинами. 2). Концентрация – относительное содержание того или иного вещества в исследуемой среде. Обычно измеряются следующие концентрации: Массовая дольная: СМ = mi/[Сумм(mi)]. Массовая процентная: СМ% = mi/[Сумм(mi)] * 100%об. Объемная удельная: СV = Vi/[Сумм(Vi)]. Объемно процентная: СV% = Vi/[Сумм(Vi)] * 100%об. Часто для определения концентрации исследуемого вещества используют следующие величины. 3) Состав – информация о концентрациях всех компонентов исследуемой среды. 4) Условные характеристики – показатель качества, значение которого зависит от аппарата или прибора, на котором выполняется измерение. Анализ – разложение (расчленение) – совокупность операции для определения состава (в узком смысле). В широком смысле этот термин используют для определения физико-химических свойств, условных характеристик. Анализируемая среда – среда, которая подвергается анализу. Также называемая смесью, субстанцией, материалом. Контроль – определение соответствия того или иного параметра заранее заданному значению. Качественный и количественный анализ.[3] Различают: качественный и количественный анализ. Качественный анализ имеет цель: определение веществ, из которых состоит анализируемая среда; - количественный анализ имеет целью определение концентрации отдельных веществ. Отдельные вещества, составляющие среду называют компонентами. В зависимости от типа компонентов различают: 1) Однокомпонентные среды. 2) Двухкомпонентные среды (бинарные). 3) Многокомпонентные среды – среды, содержащие более 2-х компонентов. 4) Псевдобинарные среды – многокомпонентные среды которые по какому-либо физико-химическому свойству могут рассматриваться как бинарные. Компонент, концентрация которого определяются принято называть определяемыми, а остальные – неопределяемыми. Автоматический анализ различных сред часто называют автоматическим контролем. Контроль – определение соответствия того или иного параметра заранее заданному значению. Анализ – разложение (расчленение) – совокупность операции для определения состава (в узком смысле). В широком смысле этот термин используют для определения физико-химических свойств, условных характеристик. Анализируемая среда – среда, которая подвергается анализу. Также называемая смесью, субстанцией, материалом. Классификация анализаторов качества.[4] Анализатор качества – измерительные прибор, измерительная установка или измерительная система, предназначенная для определения физико-химических свойств, концентрации, состава или условных характеристик, анализируемых сред. Существуют несколько различных признаков классификации анализаторов. Наиболее важными являются следующие: 1) По агрегатному состоянию среды (Анализаторы твердых сред, Анализаторы жидких сред, Анализаторы газовых сред (газоанализаторы)). 1) По используемому методы анализа (Физические, Физико-химические). Физические анализаторы используют в своей работе измерение некоторой физической величины. Физико-химические анализаторы основаны на измерении некоторого физического параметра (величины) в процессе химической реакции. 3) По измеряемому показателю качества (Анализаторы физико-химических свойств, Анализаторы концентраций, Анализаторы состава, Анализаторы условных характеристик). 4) В зависимости от наличия предварительного воздействия на анализируемую среду (Анализаторы без предварительного воздействия, Анализаторы с предварительным воздействием, Анализаторы с физическим воздействием, Анализаторы с химическим воздействием). При физическом воздействии химическая формула анализируемой среды не изменяется (кристаллизация, испарение, нагревание). При химическом воздействии в результате реакции формула вещества изменяется, при этом осуществляется измерение свойств продуктов реакции. 5) По избирательности (Селективные анализаторы, Интегральные анализаторы). Селективные анализаторы способны разделить концентрацию какого-либо компонента в анализируемой среде. Интегральные анализаторы не способны делать это. 6) В зависимости от степени автоматизации (Автоматические анализаторы, в которых все операции осуществляются автоматически, Полуавтоматические анализаторы, в которых все операции, кроме ввода пробы вещества осуществляются автоматически, Индикаторы – анализаторы, предназначенные для определения наличия того или иного компонента в анализируемой среде). 7) По характеру действия (Анализаторы непрерывного действия, Анализаторы циклического действия). 8) По использованию дополнительной энергии (Электрические, Пневматические, Калибровочные). 9) По использованию (Анализаторы нормально исполнения, Анализаторы взрывоопасного исполнения, Анализаторы искробезопасного исполнения, Анализаторы пылезащищенного исполнения, Анализаторы арктического исполнения, Анализаторы тропического исполнения). 10) По месту применения (Промышленные (потоковые) анализаторы, Лабораторные анализаторы, Переносные анализаторы, Карманные анализаторы). 11) По числу каналов анализируемой среды (Одноточечные, Многоточечные). Первые способны анализировать среду из одного технологического потока, а вторые из нескольких. 12) По принципу действия. Принцип действия – явление или совокупность явлений, которые применяются в работе прибора. Структурная схема анализаторов качества. (Рис. 1) [5] На (рис. а) схема анализаторы непрерывного действия, а б) – анализатора циклического действия. 1 – устройство отбора пробы; 2 – устройство подготовки пробы; 3 – аналитическое устройство; 4 – устройство обработки и отображения информации; 5 – устройство предварительного воздействия на пробу (в частном случае может отсутствовать); 6 – детектор (измерительный преобразователь, сенсор); 7 – нормирующий усилитель (преобразователь); 8 – регистратор; 9 – автоматический детектор; 10 – устройство памяти; 11 – командный прибор (программатор). Анализатор непрерывного действия работает следующим образом: из технологического потока с помощью устройства 1 отбирается непрерывно небольшой расход вещества. В устройстве 2 проба очищается; её параметры стабилизируются, и она поступает в аналитическое устройство 3. Здесь, при необходимости, на поток анализируемого в-ва оказывается дополнительное воздействие, а затем все продукты из устройства 5 направляются в детектор, который преобразует измеряемый параметр среды, как правило, в электрический сигнал. Этот сигнал воспринимается устройством 7 и нормируется. Сам сигнал из 6 может иметь различные значения, не предусмотренные по ГОСТу. А устройство 7. выдает обычный сигнал (унифицированный) постоянного тока с диапазонами от 0-5 мА, 0-20 мА, 4-20 мА. В дорогих анализаторах качества устройство 5, представляет собой промышленный компьютер или безбумажный самописец. Анализатор циклического действия работает иначе: из устройства 2, расход анализируемой среды подается в автоматический дозатор 9, где циклически, по команде программатора 11 из общего потока отбирается постоянная по объему доза (проба) анализируемой среды и все операции в дальнейшем осуществляются над этой дозой. По окончании измерения устройство 6 вырабатывает некоторый сигнал, который через нормирующий преобразователь поступает в устройство 10, где его значение запоминается на период одного цикла измерения.
Формы сигналов автоматического анализатора качества. (Рис. 2) [6] Форма сигнала а) соответствует для анализаторов непрерывного действия, а все остальные характерны для анализаторов циклического действия. Форма а) идентична форме сигнала, полученного при измерении косвенных параметров (p,t и.т.д). Форма сигнала б) в виде кривой нормального распределения (Гаусса) в данном случае информативными параметрами является амплитуда (h) или площадь импульсного сигнала (S), его называют пиком. Сигнал появляется через время после ввода пробы на анализ. Аналогично во всех остальных случаях. Форма в) – трапеция – здесь кроме h и S в качестве информативного параметра может использоваться длительность импульса Ти. Как видно сигнал появляется через некоторое время после ввода пробы на анализ. Аналогично во всех остальных случаях. Сигнал г) ассиметричная кривая, характерна для анализаторов многокомпонентных сред, а в качестве информативного параметра используется соотношение площади подкривой ко времени Tи, т.е. среднее значение параметра за время Ти. Сигнал в форме д) характерен для анализаторов состава сложных сред. И в качестве информативного параметра используется S1, за некоторый заранее выбранный интервал времени. Сигнал е) соответствует анализатором состава, здесь после ввода пробы в пределах цикла измерений появляется несколько импульсных сигналов а) б) с) и тд каждый из которых несет информацию о концентрации соответствующего компонента. Информативным параметром здесь также служит площадь S или амплитуда h импульсного сигнала. Для компактного представления информации, полученной с использованием анализаторов циклического действия (рис.Ж) используют штриховую (Ж) и ступенчатую (З) запись. В первом случае выводится на регистрацию сигнал нормирующего преобразователя в момент, когда он возникает на выходе детектора, а в остальную часть – нулевой сигнал. Огибающая, получаемая штриховкой, оказывает изменение измерительного параметра во времени. Для подключения анализатора циклического действия к автоматическим регуляторам как правило используют, сигнал который ступеньками изменяется во времени. Этот сигнал формируется так: по окончании очередного цикла измерений, запоминающим устройством 10 формируется и запоминается на один цикл измерений результат, полученный в предыдущем цикле, получается ступенчатая кривая.
Анализаторы плотности жидкости и газов. [7] Плотность вещества: ρ = m/V [единица массы/объема] (1). Удельный вес: γ = G/V [единица силы/единица объема] (2). Отношение веса к занимаемому объекту. Соотношение между плотностью и удельным весом через ускорение свободного падения: γ = gρ = mg/V (3). Относительная плотность вещества – относительная плотность одного вещества к плотности условного вещества, при выбранных условиях [нормальные условия]. Для плотности жидкости берут отношение данного вещества при 20С и плотности воды при 40С. Ρ204 - относительная плотность для жидкости. Для газов относительная плотность – относительная плотность данного вещества к плотности сухого воздуха взятого при температуре 299,15К и при давлении 760 мм рт ст. Весовые плотномеры. (Рис. 3) [8] Принцип действия основан на непрерывном взвешивании постоянного объема анализируемого вещества в некоторой емкости или трубопроводе. Чувствительный элемент плотномера: U – образная трубка 7, изготовленная из нержавеющей стали, соединенная через тягу 3, с рычагом 4. Концы трубки 7 через сильфоны 2 соединены с неподвижными патрубками 1, через которые подается анализируемая жидкость. Наличие сильфонов 2, позволяет трубке поворачиваться вокруг своей оси. При повышении давления жидкости масса трубки увеличивается и её перемещение передается через рычаг 5 преобразователю 5 (механико-электрический или механико-пневматический), выходной сигнал которого Свых, пропорционален изменению плотности жидкости. Противовес 6 укрепленный на рычаге 4, служит для уравновешивания моментов сил, создаваемого трубой 7 с жидкостью, при нижнем пределе изменений. Устройство 8 служит для автоматического введения поправки к сигналу плотномера в зависимости от изменения температуры жидкости. Эти плотномеры измеряют давление в интервале 0,5 … 2,5 г/см3, диапазон измерения 0,05 … 0,3 г/см3, класс точности 1-1,5. Поплавковые плотномеры.(Рис. 4) [9] Принцип действия основан на непрерывном измерении выталкивающей силы, действующей на поплавок, частично или полностью погруженный в анализируемую жидкость. Частично погруженный поплавок 2 размещается в емкости 1, через которую непрерывно прокачивается анализируемая жидкость. За счет перелива в емкости поддерживается постоянный уровень (объем) жидкости. Анализируемая жидкость удаляется из емкости через слив 3. при измерении плотности изменяется степень погружения поплавка в емкости. При достижении равновесия сил N и G изменяется, длина погруженной части стержня l. Перемещение стержня измеряется с помощью дифференциального трансформатора 5, который вырабатывает унифицированный токовый сигнал. Вес поплавка со стержнем, в воде: Gn = mg. Выталкивающая сила: N = (V + lS)ρg. Масса поплавка выбирается в зависимости от диапазона измерения: l = (m – Vρ + A)/Sρ. V – объем поплавка, m – масса поплавка, l – длинна погруженной части, S – площадь поперечного сечения стержня, А – величина, учитывающая силы поверхностного натяжения. Плотность будет определяться длинной погружения стержня l. A – const. Диапазон измерений 0,005…0,01 г/см3.Погрешность +\- (1,5…3)%. Плотномер с полностью погруженным поплавком. (Рис. 5) [10] Поплавок 2 размещен в камере 1, через которую непрерывно прокачивается анализируемая жидкость. Изменение выталкивающей силы, действующей на поплавок при прочих постоянных условиях, пропорционально изменению плотности. Поплавок укреплен на рычаге 3, герметичность выхода, которого обеспечивается сильфоном 4. Момент на рычаге 3, создаваемый выталкивающей силой при значении плотности, соответствующей нижнему пределу измерений, уравновешивается моментом, создаваемым выталкивающей силой. Изменение выталкивающей силы преобразуется преобразователем в унифицированный электрический или пневматический сигнал. Диапазон измерений 0,05…0,2 г\см3. температура анализируемой среды -5…+110С. Класс точности 1. Гидро- и аэростатические плотномеры. (Рис. 6, 7) [11] Принцип действия основан на зависимости давления столба анализируемой жидкости или газа от плотности этих сред. Рис. 6. P = ρgh; P = kρ. Анализируемая жидкость прокачивается через камеру 1, в которой, на опорной плате 9, размещены измерительные сильфоны 2 и 4. Расстояние между этими сильфонами h, по высоте и на сильфон 2 действует большее гидростатическое давление, чем на сильфон 4. Сильфоны 2, 3, 4 заполнены вспомогательной жидкостью, а сильфон 2 служит для температурной компенсации. Разность усилий на сильфонах 2 и 4, возникающая за счет разности давлении на них, создает на рычаге 8 вращательный момент. Этот момент через рычаг 7 передается в преобразователь 5, который вырабатывает унифицированный электрический или пневматический сигнал. Мембрана 6 обеспечивает герметичность вывода рычага. Диапазоны измерения: - нижний (0…0,05) г\см3 – верхний 0…0,5 г/см3. Максимальная температура анализируемой жидкости 200С, класс точности 1. Рис. 7. P1 = ρgH1 (1); P2 = ρgH2 (2). (1) – (2): P1 – P2 = ρg(H1 – H2) = ρgΔH = Kg. K - коэффициент передачи прибора. Принцип действия этого анализатора основан на изменении разности гидростатического давления в 2х пьезометрических трубках 3 и 4. В эти трубки от стабилизатора давления (расхода) 1 подается газ (воздух), а в случае взрывоопасности среды – азот. Газ проходит через дроссели Др1 и Др2, которые ограничивают расход нижних концов 3 и 4 при условии, что давления P1 и Р2 равны гидростатическим на уровнях погружения трубок в жидкости. При достаточном расходе Р1 и Р2 всегда равны гидростатическим. Разность этих давлений измеряется непрерывно дифференциальным манометром 5. Сигнал с 5 унифицирован и воспринимается вторичным прибором. Как следует из приведенных уравнений, при постоянной разности глубин погружений ΔH показания такого прибора однозначно определяются плотностью анализируемой среды. Расход газа через пьезометр трубки, обычно равен 60-100 см3/мин. При больших расходах сказываются потери давления за счет трения о стенки трубок, а при меньших расходах измерения становятся периодическими. Материал трубок выбирается в зависимости от типа измеряемой среды. Класс точности прибора 1-1,5 и определяется в основном классом точности дифференциального манометра вторичного прибора.
Аэростатический анализатор плотности газа. (Рис. 8)[12] C = k(ρ – ρВ). Данный анализатор также основан на измерении разности плотности столба анализируемого газа и столба вспомогательного газа постоянной высоты. Данный прибор является по принципу действия механическим. Измерение плотности газа осуществляется путем разности аэростатических давлений столбов анализируемого газа и воздуха высотой Н, которое осуществляется с помощью номинального дифференциального манометра, работающего по принципу уравновешивания силы тяжести. В данном анализаторе анализируемый газ поступает от регулятора давления или расхода 1 в вертикальную трубку 2, высотой в 1000 мм. Газ из трубки сбрасывается в атмосферу. Таким образом, создается напорный столб аналитического газа высотой Н. Аэростатическое давление столба воздуха, создаваемое этим столбом, подается под колокол 4 дифференциальным манометром 3. Сверху на колокол действует аэростатическое давление столба воздуха высотой Н. при увеличении плотности газа Р1, увеличивается, а Р2 остается постоянным, поэтому колокол несколько поднимается, что в свою очередь уменьшает действующую на колокол выталкивающую силу. Таким образом, уравновешивается P1 – P2 с увеличением веса колокола. Перемещение колокола преобразуется с помощью преобразователя в унифицированный пневматический сигнал. Такие приборы снабжаются дополнительными устройствами, обеспечивающими корреляцию сигнала в зависимости от его барометрического давления и температуры. Они позволяют измерить разность плотности анализируемого газа и воздуха. Класс точности 1-1,5. Используемый дифференциальный манометр способен измерять разность давлений 0,3-0,5 мм вод.столба.
Электрический аэростатический анализатор плотности газа. (Рис. 9) 13 Данный анализатор также основан на измерении разности плотности столба анализируемого газа и столба вспомогательного газа постоянной высоты. Основным элементом является аэростатический детектор газа, который содержит три вертикальные 3,4,5 и две горизонтальные 6,7 трубки. Причем горизонтальные трубки соединяют вертикальные. В горизонтальных трубках расположены измерительный Rи и сравнительный Rс терморезисторы, которые представляют собой вольфрам-рениевые спирали (как в лампочках), которые включены в электрическую схему неуравновешенного моста, включающего, помимо спиралей, постоянные резисторы («манганиновые» резисторы)R1, Rи, и переменные резисторы R0. Они нагреваются за счет тока неуравновешенного моста, создаваемого источником питания – стабилизирующим температуру 80-120С. В трубку 3, подается вспомогательный газ от регулятора давления 1, а в трубку - 4 анализируемый газ, через регулятор расхода 2. Потоки названных газов движутся по трубкам согласно стрелкам и покидают детектор через трубку 5. Если анализируемый газ имеет плотность, равную плотности вспомогательного газа (обычный воздух), то разность аэростатических давлений столбов равна 0. При этом, с помощью резистора R0, неуравновешенный мост сбалансируется так, чтобы разность потенциалов между точками а и b была равна 0. В этом случае имеет место быть определенное значение расходов потоков воздуха, омывающих резисторы Rи и Rc и формируется их постоянные тепловые состояния. Когда плотность анализируемого газа, например, увеличивается, аэростатическое давление столба газа в трубке 4 увеличивается, т.е. оно увеличивается в некоторой точке А, это приводит к тому что разность давлений между точками ввода вспомогательного газа. Это приводит к тому, что тепловой режим работы резистора R4, изменяется, а именно отвод тепла от него уменьшается, тепловое состояние сравнительного резистора Rc, остается постоянным, таким образом, при увеличении плотности газа, сопротивление Rи возрастает, а Rc остается постоянным. Это вызывает разбаланс электрического моста, а сигнал моста записывается потенциометром 8. Обратная картина наблюдается в том случае, если плотность анализируемого газа уменьшается по сравнению с плотностью вспомогательного газа. Весь детектор размещается в термостате 9, температура в котором поддерживается равной 40-45С. Данный анализатор имеет очень высокую чувствительность 4, погрешность измерения +\- 1-2% с его помощью можно измерить концентрацию какого-либо газа в воздухе с порогом чувствительности 10-2 – 10-3 % об. Но до сих пор нет достаточно точных эталонных средств для его калибровки и поверки. Струйный анализатор плотности газа. (Рис. 10) [14] M1 = k1ω2ρ. (1). M2 = k2φ. (2). M1 = M2. (3). k1ω2ρ = k2φ => φ = [(k1ω2)/k2] ρ = Kρ. В данном анализаторе в корпусе 2 размещается ведущее 3 и ведомое 4 крыльчатые вертушки. Ведущая вертушка приводится во вращательное движение с помощью синхронного двигателя 1, частота вращения которого равна частоте напряжения в электрической сети (около 0,5 %). При вращении ведущей вертушки создается закрученная струя анализируемого газа, которая подается к ведомой вертушке. Вращающий момент создаваемый струей газа на ведомой вертушке определяется формулой (1), где К1 – конструктивный коэффициент, который зависит от размеров вертушки, расстояния между ними и другими механическими параметрами. Момент, возникающий на вертушке 4, уравновешивается моментом упругой деформации плоской пружины 6. Этот М пропорционален через конструктивный коэффициент К2, углу закручивания оси 5. В положении равновесия, когда формула (3) оказывается, что угол поворота φ стрелки 7 на шкале 8 пропорционален плотности газа при частоте вращения ω = const. Класс точности 1-2. Эффузионный анализатор плотности газа. (Рис. 11) [15] Эффузия означает – истечение. Принцип действия данного анализатора основан на применении разности давлении на миниатюрной диафрагме при истечении через неё анализируемого газа с постоянным расходом. Q = dF*Корень[(2/ρ)(P1 – P2)]. (1). P1 – 2 = 1/2*(Q/F)2ρ при Q = const; P1 – P2 = Kρ. В данном анализаторе в цилиндрической камере 2 находится компрессор 3, турбинного типа (миниатюрный), который приводится в движение с помощью синхронного двигателя 1, тем самым создается постоянный объемный расход газа через сужающие устройство 4, которым служит миниатюрная диафрагма. (Диаметр приблизительно 0,3-1 мм). Разность давлений, возникающая на диафрагме, измеряется с помощью дифференциального манометра 5, с унифицированным выходным сигналом, который посылается на вторичный прибор. Объемный расход газа через диафрагму описывается формулой (1), где d – коэффициент расхода, F – площадь поперечного сечения отверстия диафрагмы. До диафрагмы давление больше, после неё меньше. Если решить уравнение относительно (P1-P2), то при постоянном объемном расходе Q можно измерить плотность газа. Класс точности 1-1,5. Подобного типа анализаторы могут измерять плотность газа в рабочих условиях, что является очень важным для товарного учета расхода газа на магистральных газопроводах. ρГ = ρn*(PpTn/TpPH); G = A*Корень[ρР|P1 – P2|].
Вибрационные анализаторы плотности, жидкости и газов. (Рис. 12) [16] В работе вибрационных анализаторов используется принцип положительной обратной связи. Колеблющимися элементами в анализаторе плотности жидкости рис а) являются трубки 10, по которым протекает анализируемая жидкость, а в анализаторе плотности газа рис б) используется присоединенная к камертону 2 масса газа. По схеме а) при включении питания возникает некоторый импульс силы на электронном устройстве 6, который запускает в движение трубки 10, соединенные стежками 3, установленным в сильфонах 4 и укрепленные на неподвижных пластинах 2, установленных на основании 1. По трубкам непрерывно протекает анализируемая жидкость. Колебания трубок воспринимается электронным устройством 5, служащим датчиком перемещения. На выходе 5 это датчика, возникает электрические колебания, которые идут и усиливаются усилителем 7, с выхода которого усиленный сигнал идет в вычислительное устройство 8 и в электромагнитное устройство 6, которое под действием колебаний создает силу, которой притягивает или отталкивает трубки 10. Причем в такт с колебаниями этих трубок (положительная обратная связь). Если трубки 10, движутся на рисунке вверх, то силовое поле направлено тоже вверх. Таким образом, электронный усилитель, механический вибратор 3, электромагнитное устройство 5 и 6 составляют генератор незатухающих электромагнитных колебаний, который будет менять свою частоту в зависимости от массы трубок, а последняя при постоянном объеме трубок, однозначно определяется плотностью жидкости. Вычислительное устройство 8 преобразует частоту колебаний, поступающих с выхода 7 (усилителя колебаний). И выполняет вычислительные операции по формуле (1), из которых находится плотность (f0 – начальная частота колебаний), а также устройство 8 в зависимости от значения сопротивления терморезистора 9 вносит поправку, учитывающую изменение плотности жидкости от температуры. Диапазон измерений прибора 600-1000 кг/м3; погрешность Δ = +\- 1,5 кг/м3. f = f0*Корень[1/(1+kρ)]. (1). По схеме б) анализатор отличается от предыдущего тем, что выполняется в виде жезла и размещается непосредственно в объеме измерений, обычно в газопроводе, что позволяет измерить плотность газа в рабочих целях. Электромагнитное устройство 3 – датчик перемещения электромагнитного устройства 4 создает механическое усилие на одной из ножек камертона 2. Камертон, электромагнитный усилитель 5 и устройств 4 и 3, составляет вместе электромеханический генератор незатухающих колебаний. Частота колебаний генератора, как показывает опыт, изменяется функцией присоединенной к камертону массой газа, а последняя однозначно определяется плотностью газа. Класс точности таких анализаторов 1-0,5. Недостатки таких анализаторов – нелинейность статической характеристики и зависимость показаний от газового конденсата, который практически всегда имеется в газовых потоках.
Анализаторы вязкости жидкости.[17] Вязкость – свойство жидкой или газообразной среды, которая состоит в том, что слои соприкасающейся среды, способны оказывать противодействие взаимному перемещению. F = SP*dω/dn. S – площадь соприкосновения слоев, η – (эта) – динамическая вязкость. dω/dn – изменение скорости по нормали (градиент скорости по нормали). Сила трения F при смещении подвижного слоя сплошной среды по отношению к неподвижному слою 2, описывается законом Ньютона. Динамическая вязкость с СИ имеет размерность η – [Па · с], однако часто используется несистематическая единица «пуаз» (от имени ученого Пуазеля). Также используется понятие текучести. Текучесть – величина, обратная динамической вязкости; φ = 1/n. Кинематическая вязкость (υ) : υ = η / ρ [м2/с]. Несистематическая «стокс» (от имени ученого Стокса). [сm]. Приборы для измерений вязкости называются вискозиметрами. Чаще других используются капиллярные вискозиметры, вискозиметры падающего тела и ротационные вискозиметры. Капиллярные вискозиметры. (Рис. 13) [18] Капилляр – падающая трубка, у которой отношение длины к диаметру составляет 50 и более. Q = (πd4)/(128*η*l)*(P1 – P2); (P1 – P2) = (128*l*Q)/( πd4)*η = Kη. Капиллярный вискозиметр использует в своей работе закономерность движения жидкостей по капилляру. Эта закономерность известна как закон Пуазеля для несжимаемых сред. В этой формуле: Q – объемный расход жидкости. d – диаметр капилляра; l – длина капилляра, P1,P2 – давление на входе/выходе. (P1 > P2). Потеря давления на капилляре происходит за счет трения между слоями жидкости и трением жидкости о стенки капилляра. Если исходное уравнение решить относительно разности давлений, то можно видеть, что при постоянном объемном расходе разность давлений на капилляре однозначно определяет: динамическую вязкость, в капиллярном вискозиметре для создания постоянного объемного расхода используют шестеренчатый насос 2, приводимый в движение синхронным двигателем 1. Жидкость из потока подается насосом в капилляр, где возникает разность давлений, которая измеряется с помощью дифференциального манометра 4, унифицированные шкалы которого подаются на вторичный прибор 5. Известно, что вязкость жидких сред, и в частности масел, сильно изменяется от температуры, причем общей закономерность изменения нет. Поэтому автоматическое введение поправки, основанное на измерении температуры не позволяет решить проблемы, поэтому капилляр и насос вискозиметра размещается в жидкостном реостате, заполненным водой или маслом, температура которых поддерживается системой автоматического регулирования (на рисунке не показано). (40С или 100С). Класс точности: 1-1,5. Вискозиметр падающего тела. (Рис. 14) [19] Принцип действия данного вискозиметра основан на закономерности движения тела падающего в поле силы тяжести в исследуемой жидкостной среде. Скорость падения тела (обычно им служит шарик), на участке равномерного движения определяется законом Стокса. W = (2/9)g[(pШ – pЖ)r2/η] = A/η. (1). τ = l/W = l/(A/η)*l/A*η = Kη. (2). W - скорость равномерного движения на l, pШ – плотность материала шарика. Если принять, что плотность жидкости меняется незначительно то в соответствии с данным законом скорость движения падения обратно пропорционально динамической вязкости. Если рассматривать движение шарика на некотором отрезке длинной l, то время падения длинной τ – определяется формулой (2) и пропорционально динамической вязкости. Такой прибор является устройством циклического действия по команде устройства управления 5, как только шарик 2 достигает сетки 4, запускается в работу насос 3. Жидкость из аппарата по трубке 1 начинает двигаться вверх, захватывая шарик и транспортируя его вверх до сетки 7. Как только он касается 7, устройство 5 выключает насос, шарик начинает падать. Сначала его скорость увеличивается от 0 до некоторой константы, которая имеет место при равенстве силы трения и силы тяжести. Когда шарик проходит через среднюю часть дифференциального трансформатора Дтр1, т.е. через отметку I Дтр1 вырабатывает электрический сигнал, которые запускает электронный счетчик времени 6, когда шарик, падая равномерно, проходит отметку II, т.е. середину Дтр2, счетчик 6. т.к. расстояние между I и II равно l=const; то время движения шарика в соответствии с формулами определяется динамическая вязкостью. В следующем цикле все перечисленные операции повторяются. Класс точности прибора: 1,5.
Ротационные вискозиметры. (Рис. 15) [20] Эти приборы имеют наибольшую точность и наиболее широкий диапазон измерений. Принцип действия основан на передаче момента количества движения от ведущего ротора к ведомому через слой анализируемой жидкости. M1 = k1ωη. (1). M2 = k2δ. (2). k1ωη = k2δ. δ = k1/k2*ωη = Kη. Известно много различных конструкций ведущего 3 и ведомого 4 ротора. Рис а – цилиндрический – шар; рис б – цилиндр – цилиндр; рис в – диск- диск. Обычно ведущий ротор 3 приводится в движение с помощью синхронного двигателя 1. В вискозиметре рис в), роторы расположены в камере, через которую прокачивается анализируемая жидкость, и покидает камеру через переливное отверстие. От вращающегося ротора 3 через анализируемую жидкость ведомому ротору 4 передается момент количества движения М1 из формулы (1). Этот ротор поворачивается. Под действием М1, а через шкивы 5 и 7 при этом растягивается пружинка 8, которая соединяется со шкивом 5 с помощью недеформируемой нити 11. Деформация пружины 8, которую можно наблюдать по шкале 4 которая несет информацию о вязкости, зависит от момента М2. При М1=М2 растяжение нити прекращается, откуда следует, что деформация пружины 8, однозначно определяется динамической вязкостью при постоянной угловой скорости ω. Вращение ведущего ротора К1 – конструктивный коэффициент, зависящий от параметров дисков и расстояния между ними. К2 – конструктивный коэффициент зависящий от жесткости пружины и размера шкивов. В промышленности ротационных вискозиметров пружина 8 соединяется с преобразователем П силы в унифицированный сигнал. Поэтому выходной сигнал П несет информацию о η. Класс точности: 0,5 – 1.
Рефрактометры. (Рис. 16) [21] В некоторых ситуациях для определения качества продукции или состава бинарных многокомпонентных сред осуществляется измерение коэффициента преломления, которое происходит на границе двух сред: анализируемой и эталонной. Коэффициент преломления (рефракции) n определяется выражением: n = (sin d1/sin d2) = W1/W2. (1). С = K (n – nэ). Основная часть 0 стеклянная кювета 3. с двумя прозрачными окнами и стеклянной перегородкой 6. Луч света от источника 1, через оптическую систему 2, поступает в кювету. В камере 4, находится эталонная жидкостная среда с известным коэффициентом рефракции, а через камеру 5 прокачивается непрерывно анализируемая среда. Если коэффициент рефракции обоих сред одинаковы, то луч света не отклоняется (см. сплошную линию), он отражается от зеркальца 7, от отражающей грани призмы 9, установленной на подвижной платформе 8 и направляется к фотоприемникам 10 и 11, которые в данном случае освещены в разной степени. Они подключены к электронному усилителю 12, а т.к. фотоприемники включены встречно и их сигналы равны, то на выходе 12 сигнал равен 0 и поэтому вся подвижная система рефрактометра, остается в покое. Если коэффициент рефракции анализируемой среды отличается от коэффициента эталонной среды, то луч света в камере 5 отклоняется (см. пунктирную линию) и, например, в большей степени освещает фотоприемник 11; это вызывает на усилителе 12 сигнал отличный от 0. В усилителе этот сигнал преобразуется в сигнал электрического тока, усиливается и подается в обмотку управления реверсивного двигателя 13. Последний, кроме обмотки управления, имеет и сетевую обмотку, фазовое напряжение которой постоянно. В обмотку же управления реверсивного двигателя 13, подается напряжение, фаза которого зависит от того, какой из фотоприемников имеет большую освещенность, это определяет возможность вращения ротора двигателя в двух разных направлениях. При вращении ротора двигателя поворачивается платформа 8, а с ней вместе призма 9, до тех пор, пока не будет достигнута одинаковая освещенность фотоприемников 10 и 11. Узел поворота платформы 8, ротора двигателя 13 и стрелки 14 по шкале 15 определяется разностью коэффициентов рефракции анализируемой 4 n и эталонной nэ жидкостей. У современных рефрактометров разность может составлять 10-2 – 10-5, класс точности 2-3. Анализаторы давления насыщенных паров. (Рис. 17) [22] Давление насыщенных паров - одна из входных характеристик топлива и особенно бензина. Анализатор давления насыщенных паров по схеме А устанавливают на так называемой контрольной тарелке. а) и фортификационной колонне 1, обычно в соответствии с технологией процесса, по данной тарелке должна получаться первая среда, соответствующая принятому значению показателя качества. С – после конденсации датчик содержит – сильфонную коробку 3, сильфон 4. Внутренняя полость коробки частично заполнена анализируемой жидкостью с заданным значением показателя качества, данном случае - давления насыщенных паров для двухкомпонентных (бинарных) сред. Однозначно определяет состав жидкой среды в процессе в процессе работы датчика. Сильфонная коробка преобразует температуру, соответствующую данной тарелке. Поэтому во внутренней полости коробки возникает давление паров соответствующее заданному составу продукта. Если это давление отличается от давления паров на данную тарелку колонны, то на сильфоне возникает сила, которая через рычаг 7, передается к преобразователю силы 7 госсистемы приборов. Обычно они пневматические. Сигнал S, который используется либо непосредственно для управления, либо преобразуется в унифицированный электрический с помощью электропневматического преобразователя. Диапазон измерений 100-250 мм ртутного столба. Класс точности 1-1,5. Анализатор по схеме б) предназначен для измерений давления насыщенных паров товарного бензина. Здесь с помощью стабилизатора расхода 1, змеевик 5, размещен в жидкостном термостате 2, с постоянным расходом подается бензин. Температура в термостате поддерживается равной 38С с помощью автоматического регулятора 7. Проходя через змеевик, бензин нагревается до 38С и поступает в струйный насос 3, эжектор. Струя бензина 6, вытекает из сопла 4, за счет трения захватывает из области А пары бензина. Так как расход бензина стабилизировался, то с увеличением давления насыщенных паров разряжение, которое имеет место при работе эжектора, уменьшается. То есть, в данном случае шкала вакуумметра 8 с вторичным прибором 9, получается обратной, чем больше давление насыщенных паров, тем меньше растяжение, так как при большом количестве паров, струйный эжектор откачивает их частично. Диапазон измерений 100-150 мм/рт. Столба. Погрешность 15 мм/рт – абсолютная погрешность. Анализатор высшей теплоты сгорания газа. (Рис. 18) [23] Данный анализатор - устройство непрерывного действия. Здесь имеется теплообменник 1, представляющий собой цилиндр с двойной стенкой, через который непрерывно с постоянным объемным расходом QВ прокачивается дистиллированная вода. На выходе теплообменника вода самотеком поступает в резервуар 12, где охлаждается, а затем поступает в насос 11, и регулятор расхода 10. Газ подается через регулятор расхода 9 в тарелку 2, где сгорает в пламени 3. Теплота, образующаяся при сгорании за счет радиации и конвекции, передается через внутреннюю стенку теплообменника потоку воды. Продукты сгорания, такие как азот, попадают в теплообменник через отверстие 14, дымоход, а пары воды конденсируются на внутренней поверхности теплообменника и стекают по ней по пунктирной линии, попадая в мерный стакан 13. Для измерения разности температур на входе и выходе теплообменника устанавливаются батареи термопар 5 и 6, сигналы которых поступают на вход нормирующего преобразователя 7, а так как батареи термопар подключают встречно, то на вход преобразователя 7, поступает разность ЭДС, термопар. Эта разность преобразуется в унифицированный сигнал и регистрируется потенциометром 8, воздух для сгорания поступает во внутреннюю полость теплообменника за счет разряжения, которое возникает при сгорании газа. В результате работы такого анализатора получается непрерывная запись информации в виде кривой, показанной на рисунке б) за интервал t2, вычисляется площадь под кривой, а также среднее значение высшей теплоты сгорания, по формуле (1). За этот же интервал времени измеряют массу конденсата в мерном стакане 13. Затем, зная высшую теплоту сгорания и справочные сведения о скрытой теплоте воды, по формуле (2), можно определить низшую\высшую теплоту сгорания. Qг – объемный расход газа, Qв – объемный расход воды. K – коэффициент постоянного зависящий от конструкции прибора и числа термопар. Диапазон измерения 0-50*103 кДж/нм3. Класс точности 1,5 – 2. U = K*[QГ/QtCГ]*QВ. (0). QСР = [(Интеграл(от t1 до t2)QВ dt)/(t2 – t1)]* QВ . (1). QСРВ = rm = QСРГ. (2).
Анализатор низшей теплоты сгорания газа. (Рис. 19) [24] Данный анализатор - устройство циклического действия, и имеет два принципа работы («подготовка» и «анализ»). I-блок подготовки газа, II – аналитический блок III – блок обработки и отображения информации. IV – командный прибор. Из блока подготовки I, вспомогательный блок, непрерывно подкачивает постоянными объемами расходами воздух В и водород, через стабилизаторы расхода 1 и 2, а также через стабилизатор давления 3, подается анализируемый газ. В режиме подготовки. В миниатюрной камере 4, в горелке 5, сгорает водород, расход которого поддерживается равным 1,5-2 л. в час. Для сгорания водорода в нижнюю часть камеры 4 через рассекатель потока 6 подается воздух. Воздух также через дроссель подается в автоматический дозатор 9. В режиме подготовки канал и дозатор соединены так, что анализируемый газ через дозатор поступает в дозируемый объем 10 (трубка объемом 0,5-0,3 см3), а воздух из дросселя Др, поступает в колонну 8, которая представляет собой трубку диаметра 2-3 мм. Этот воздух в проводнике 7 смешивается с водородом, а также используется для поддержки горения водорода. Управление дозатором осуществляется с помощью программатора IV. Режим подготовки длится 10-20 сек. Затем программатор переключает дозатор таким образом, чтобы поток воздуха из дросселя Др, поступал бы в трубку 10. Поток газоносителя, расход которого поддерживается постоянным, выталкивает отобранную дозу анализируемого газа постоянно по объему в колонку 8, где она быстро приобретает такую же скорость, как и поток газоносителя. В момент переключения дозатора, возникают помехи из-за переключения потока. Поэтому наличие колонки 8, обеспечивает некоторый интервал между отбором дозы и поступлением в горелку. За этот интервал времени начальный сигнал термопары стабилизируется, а когда отобранная доза сгорает в горелке, изменение температуры для продуктов сгорания, а следовательно температура термопары 11, уже не зависит от сигнала помехи. В силу того, что дозе газа придается скорость движения (расход) такой же, как у носителя, это обеспечивает постоянство расхода переменного по составу гала. Этот сигнал воспринимается нормирующим преобразователем 12, а его сигнал регистрируется потенциометром 15. Важным свойством таких анализаторов помимо возможности получения информации о низшей теплоте сгорания, является возможность определения теплоты сгорания бедных газов. Бедные - это такие газы, концентрация которых ниже предела воспламенения. Цикл одного измерения составляет 2-3 минуты. Класс точности 0,5-1. Диапазон измерения 0-50*103 кДж/нм3.
Анализаторы индекса Воббе. (Рис. 20) [25] В промышленности горючие газы сжигаются в огневых нагревателях – котлах, электростанций, котельных, печах различных заводов при условии, что давление газа на выходе в горелочное устройство поддерживается постоянным. Горелочное устройство огневых нагревателей представляют собой множество форсунок с множеством отверстий в тонкой стенке, которые представляют собой турбулентные дроссели. Анализатор индекса Воббе, в миниатюре представляет собой топку, в которой при постоянном давлении на входе турбулентного дросселя сжигается газ. Анализатор индекса Воббе проще в реализации, чем автоматические колориметры, так как для его работы достаточно поддерживать постоянную разность давлений, переменного по составу газа, а не его объемный расход. Анализатор индекса Воббе работает следующим образом: анализируемый газ через регулятор давления 1, поступает к турбулентному дросселю 2 (диафрагма) и далее в горелку 3, расположенную в камере 4. При сгорании газа образуются продукты сгорания, температура которых измеряется с помощью батареи из четырех термопар 5. Последние расположены в зоне, где отсутствует конденсация паров воды. Сигнал батареи термопар измеряется с помощью нормирующего преобразователя 6 и регистрируется потенциометром 7. Этот сигнал описывается выражением (1). Где Кт – коэффициент преобразования батареи термопар; Δt – приращения температуры батареи термопар. Δt определяется как низшей теплотой сгорания QН , так и объемным расходом анализируемого газа QГ (2). В этой формуле К1 – конструктивный коэффициент, который зависит от конструкции камеры сгорания и батареи термопар. В тоже время объемный расход газа через турбулентный дроссель описывается выражением (4) и зависит от разницы давлений и плотности газа. Если учесть что P1 = const, а так как Р2 близко к атмосферному давлению, то это означает что на турбулентном дросселе поддерживается постоянная разница давлений. Тогда выражением (5) в котором К – коэффициент преобразования индекса ВБ, а Н – индекс ВБ. Как видно, индекс ВБ несет информацию о теплоте сгорания и плотности газа. Первая характеризует теплоценность газа, и определение концентрацию в газе негорючих примесей N2, O2, CO2. ВБ – называют характеристикой качества горючих газов. U = k1Δt. (1). H = QH/Корень(ρ). Δt = k1QHQT. (2). k = kTk1A*Корень(ρ1Т2). QГ = А*Корень[(P1-P)/ρ]. (4). P1 – P2 = const. P2 -> 0. UT = K*QH/Корень(ρ) = kH. (5). Теория анализа состава бинарных сред.[26] Этот анализ базируется на измерении ф-х свойств анализированной среды. Такое измерение осуществляется либо с помощью изученных выше анализаторов физико-химических свойств, либо с помощью специальных анализаторов. Предположим, что с помощью некоторого анализатора измеряются физико-химическое свойство бинарной среды, содержащей определяемый и неопределяемый компоненты. В этом случае можно записать следующую систему уравнений: (1): UСМ = КППСМ. 1 = С0 + СН. (2). Кп – коэффициент преобразования анализатора по физико-химическому свойству. Со и Сн – концентрации компонентов. Псм – ф-х св-во смеси. Uсм – сигнал анализатора. Псм = F(По, Пн, С0, Сн) – некоторая функция идентичных ф-х свойств определяемых и неопределяемых компонентов, а также концентраций этих компонентов. По и Пн – является физическими константами, которые определяются из специальных таблиц, значит. ПСМ = F(С0;СН) -> (2): CH = 1 – C0 => ПСМ = F(C0; 1 – C0). Таким образом исходная система уравнений позволяет выявить возможность определения по сигналу анализатора Uсм концентрацию неопределенного компонента: Uсм = KnF(C0; 1 – 0). Эта зависимость нелинейная и несет информацию о концентрации определяемого компонента. В подавляющем большинстве случаев для анализа состава бинарных сред стараются использовать такое ф-х свойство, которое обладает аддитивностью, т.е. обеспечивает возможность вычисления ф-х свойств среды, по значению ф-х свойств и концентрации её компонентов. Псм = Кп(П0С0 + ПнСн) -> Сн = 1 – С0: Uсм = Kп(П0С0 + Пн – ПнС0) = Кп((П0 – Пн)С0 + Пн) = Кп(П0 – Пн)С0 + КпПн = КсС0 + А. Необходимо помнить, что анализ бинарной среды возможен, если физико-химическое свойство определяемого компонента не равно физико-химическому свойству неопределяемого. П0 ≠ Пн. Чем больше различие в значениях этих свойств, тем точнее будет измерение.
Теория анализа состава псевдобинарных сред.[27] Псевдобинарные среды – многокомпонентные среды, которые по какому-либо физико-химическому свойству могут рассматриваться как бинарные. Измеряя физико-химическое свойство псевдобинарной среды можно записать следующую систему уравнений: (1): Uсм = Кп*Псм. (2): 1 = С + Сумм(от i=1 до n-1)Сi. Рассмотрим, только случай, когда псевдобинарная среда является аддитивной. Здесь помимо определяемого компонента содержится (n-1), неопределяемых компонентов. Известно 3 случая когда псевдобинарную среду можно рассмотреть как бинарную. Случай 1: когда значения физико-химических свойств неопределяемых компонентов близки по значению и можно принять для них некоторое значение ПН. П1=П2=…Пi=…Пn-1=Пн. Тогда уравнение (1) можно преобразовать к виду: Uсм = Kп(ПАСВ + П1С1 + … + Пn-1Сn-1) = Kн(ПнСн + Сумм(от i=1 до n-1)Ci). Из (2): Сумм(от i=1 до n-1)Сi = Cн => Kн = 1 – С0. Таким образом, рассматриваемая система сводится к рассмотренной ранее системе уравнений для бинарной среды. Требование: П0 ≠ Пн. Случай 2: когда соотношение между концентрацией определяемого компонента, для анализируемой среды, всегда постоянно: C1/Cn-1; C2/Cn-1; C3/Cn-1. В этом случае можно неопределенные компоненты рассматривать как некий компонент, обладающий физико-химическим свойством ПН и концентрацией СН. Случай 3: когда физико-химические свойства всех неопределяемых компонентов существенно меньше, чем физико-химические свойства определяемого компонента. Тогда для уравнения (1) можно записать: Пi Термокондуктометрические газоанализаторы.(Рис. 21)[28] Принцип действия их основан на измерении теплового сопротивления слоя газа постоянной толщины. Анализатор по теплопроводности (теплопроводность влияние обратное сопротивлению). UК = Kr(r – r0) = k2(1/λ – 1/λ0). (1). В данном газоанализаторе используется 2 терморезистора, один из которых (Rи) является измерительным, а другой (Rс) – сравнительным. В работе такого анализатора используется так называемый метод инвариантности для повышения точности измерений. Терморезисторы размещены в измерительной 4 и сравнительной 5 проточных камерах. Через них прокачивается непрерывно (с постоянным объемным расходом) анализируемый и сравнительный газ. Для стабилизации расхода используются стабилизаторы 1 и 2. Терморезисторы включены в схему неуравновешенного электрического моста с плечами R1 и R2 и переменный резистор R0 для балансировки моста. Терморезисторы нагреваются током моста, который создается источником стабилизированного напряжения 7. Когда через измерительную камеру 4 протекает газ, теплопроводность которого равна теплопроводности сравнительного газа (напр. воздуха), с помощью резистора R0 для измерительной диагонали ab создается разбаланс, равный 0. Когда через камеру 4 протекает газ, теплопроводность кот. например больше, чем теплопроводность сравнительного газа, повышается тепловое сопротивление постоянного по толщие слоя газа в камере 4, т.к. отвод тепла от резистора к стенкам камеры увеличивается. Это вызывает уменьшение температуры резистора Rи, а следовательно и уменьшение его сопротивления. Это приводит к возникновению разбаланса электрического неуравновешенного моста, которое регистрируется потенциометром 8. Этот разбаланс описывается уравнением (1), где: Кr – коэффициент передачи по физико-химическому свойству; r – удельное тепловое сопротивление измерительного газа; r0 – удельное тепловое сопротивление сравнительного газа; соответственно λ и λ0 – теплопроводности газов. Используя теорию анализа состава бинарных сред, можно показать, что показания газоанализатора однозначно определяются концентрацией определяемого компонента бинарной смеси. Терморезисторы нагреваются до 80-100С больше, чем стенки камеры 3. Для уменьшения влияния изменений внешней температуры на результат измерения, помимо включения сравнительного чувствительного элемента, еще используется термостатирование данного анализатора: его корпус 3 размешается в термостате 9. Используются такие анализаторы для измерения концентрации бинарных сред таких газов как H2, He, дейтерий, окиси углерода, аммиака, хлора. Класс точности 2-3. Также применяются в качестве детекторов для газовой хроматографии. Магнитный анализатор. (Рис. 22) [29] Принцип действия основан на явлении втягивания парамагнитных газов в неоднородное магнитное поле. Существует много различных схем магнитных газоанализаторов. Наиболее часто применяемой является схема термомагнитного газоанализатора, в его работе используется так называемое явление магнитного ветра. Известно, что парамагнитные газы, к которым относится кислород и некоторые окислы азота, способен втягиваться в магнитное поле, а диамагнитные газы выталкивается из этого поля. Причем способность втягиваться в магнитное поле кислорода в 140 и более раз превосходит способность диамагнитных газов выталкиваться из этого поля. В данном приборе, с помощью регулятора газа 1 газ подается в тороидальную камеру 2 и разветвляется по двум её каналам. По диаметру камеры её каналы соединены поперечной трубкой 3 из тонкостенного стекла. На внешней поверхности трубки 3 намотаны проволочные терморезисторы Rт’ и Rт’’ – одинаковые по сопротивлению. Если, по левому и правому каналу протекает газ, не содержащий O2, то по трубке 3, расход газа отсутствует. Если в газе появляется О2, то по правому каналу течение газа не изменяется, а по левому происходит следующее: около неоднородного магнитного поля, создаваемого магнитом 4, на кислород действует втягивающее усилие, в результате которого, молекулы О2 втягиваются во внутреннюю полость трубки 3. Здесь поступающая порция нагревается, а при нагревании парамагнитные свойства О2, резко уменьшаются, в результате, при поступлении следующих холодных порций, нагретые проталкиваются по каналу слева на право, т.е. по трубке 3 возникает поток газа, который принято называть «магнитным ветром». Терморезистор Rт’ охлаждается, а Rт’’ нагревается, т.к. теплота переносится от Rт’ к Rт’’. Эти резисторы вместе с неравновесным мостом, составляют колориметрический расходомер. Разбаланс моста непрерывно измеряется автоматическим потенциометром 6. Для увеличения точности измерения все элементы магнитного газоанализатора размещаются в термостате 7 при t=40-45C. Диапазон измерений: минимальный: 0-3% об. О2, максимальный: 0-100% об. О2. Класс точности: 2-5. Сорбционный анализатор. (Рис. 23) [30] Принцип действия этих приборов основан на явлении сорбции, которое в свою очередь сопровождается рядом физических эффектов. Само явление сорбции связано с поглощением или растворением молекул газов и паров в различных слоях сорбентов. Для получения измерительной информации используются следующие эффекты: 1) Расширение слоя сорбента; 2) Изменение его массы и электрического сопротивления. Рис. б). Основан на измерении массы адсорбированного газа. Основным элементом является пьезоэлектрическая пластина 2 (изготовлена из кварца или пьезокерамики), которая размещена в проточной камере 1. С двух сторон на пластину нанесены электроды 3, в виде тонких пленок. Пластина включена в обратную связь электронного усилителя 6 и образует с ним вместе генератор незатухающих колебаний. С двух сторон поверх электродов нанесены слои адсорбента 4. Эти слои способны селективно поглощать (например, из воздуха) определяемый компонент. Отбор материала адсорбента, способного к селективному поглощению - является сложной задачей. Кроме измерительной камеры 1, имеется сравнительная камера 5, где размещается идентичная по параметрам пьезоэлектрическая пластина, подключенная к электронному усилителю 7. Таким образом образуется сравнительный канал измерений. Причем камера 5 заполнена газом, который не сорбируется в данном абсорбенте. Сигналы с усилителей 6 и 7 поступают в смеситель 8, где определяется разность их частот. Причем частота колебаний на выходе усилителя 7 будет оставаться практически постоянной, а на выходе усилителя 6 будет изменятся в зависимости от массы определяемого компонента, которая абсорбировалась в слоях 4. Разность частот колебаний на выходе смесителя определяется формулой (1): Δf = f02/(NρS)*m. (1), где: f0 – начальная частота колебания генератора; N – коэффициент, определяющий свойства пьезоэлектрической пластины; p – Плотность поглощаемого компонента в газообразном состоянии; S - площадь адсорбента; m – масса компонента. Обычно, частота колебаний 5-15 МГц. Такие анализаторы применяется для измерения концентрации таких веществ как H2S – сероводород, HCL, SO2, аммиак NH3. Наибольшее применение они имеют в качестве гигрометров – устройств для измерения влажности. Диапазон измерений 0-10-5 % об. Δ = 3.
Сорбционно-кондуктометрический газоанализатор. (Рис. 24) [31] Рис. в). В его работе используется эффект изменения электропроводимости слоя адсорбента. Основной элемент - тонкая пластина 1, размером от 3*3 до 10*10 мм из кварца или кварц-фторопласта. С одной стороны на поверхности пластины методом планарной технологии наносятся гребешки 2 и 3 - металлические электроды. С обратной стороны на пластину той же технологией наносится нагреватель 7. Поверх гребешков наносится слой адсорбента. Гребешковая конструкция используется для уменьшения сопротивления слоя. В процессе работы с помощью нагревателя, питающегося от стабилизированного источника напряжения 6, вся пластина нагревается до температуры 200-250С. Когда в потоке анализируемого газа появляется определяемый компонент, он адсорбируется на пленке адсорбента 4. Это приводит к изменению электрического сопротивления между соседними зубцами гребешков. Общее электрическое сопротивление (электропроводимость) измеряется с помощью автоматического омметра 5, и служит мерой концентрации определяемого компонента. Это сопротивление составляет несколько десятков или сотен МОм. Причем газы, которые способны отдавать электроны (донорные), при поглощении уменьшают сопротивление пленки, а газы, способные забирать электроны увеличивают сопротивление пленки. Определяемые концентрации от 10-2 до 10-4 % об. С помощью таких устройств в настоящее время определяют концентрации вредных отравляющих веществ.
Испарительный анализатор. (Рис. 25) [32] Принцип действия основан на т. н. психрометрическом эффекте - при испарении некоторой жидкости, ее температура уменьшается. Обычно эти анализаторы используются для измерения концентрации влаги в воздухе. Различают абсолютную и относительную влажность. Абсолютная влажность (А) определяется концентрацией паров воды в воздухе. Чаще используется понятие относительной влажности, под которой понимают отношение абсолютной влажности к абсолютной влажности, соответствующей насыщению (предельно возможной концентрации влаги) Ан при данной температуре и давлении, выраженное в %. Большой вес имеет температура, поэтому относительная влажность всегда сообщается вместе с информацией о температуре, при которой она измерена. φ = А/Ан *100. В данном анализаторе в камере 1 размещены сухой 2 и влажный или мокрый 3 термометры. Они имеют одинаковые характеристики. Обычно это платиновые термометры. Влажный термометр опутан пористым чулком 4 из текстиля. В процессе работы, с помощью побудителя расхода 5, через камеру 1 создается поток воздуха, стабилизированный по расходу, причем воздух поступает через пористый фильтр 12, где очищается от пыли. Температура сухого термометра всегда соответствует температуре поступающего в камеру 1 воздуха. А температура влажного термометра, при постоянной скорости воздуха, зависит еще от влажности последнего. С поверхности чулка 4, происходит испарение влаги, причем интенсивность испарений увеличивается с уменьшением влажности воздуха. Т.о., сопротивление сухого термометра остается постоянным, а влажного уменьшается. Разность температур сухого и мокрого термометров называется психрометрической разностью температур. Относительная влажность определяется по экспериментальной зависимости, которая обычно задается в виде графиков и таблиц. φ = f[(tH – a)/(tC – б)], где: а и б = const. Эта формула используется в вычислительном устройстве 11 для определения относительной влажности. Вычислительное устройство представляет собой сложную мостовую схему, которая выполняет все операции и учитывает текущую температуру. Для снабжения чулка 4 водой в приборе используется система автоматической подачи воды, состоящая из емкости 6, резервуара 9 и трубок 7 и 8. До тех пор, пока уровень жидкости 6 находится выше открытого конца 10 трубки 7, переток жидкости из резервуара в емкость не происходит. Когда уровень жидкости опускается ниже открытого конца трубки, воздух из камеры 1 по трубке 10 направляется в паровое пространство резервуара 9, и в этом пространстве давление становится равным атмосферному. Под действием гидростатического давления столба воды в трубке 8, последняя из резервуара 9 начинает перетекать в емкость, следовательно уровень увеличивается, следовательно, скоро она станет выше конца 10 и течение еще продолжается до тех пор, пока в паровом пространстве резервуара 9 не создастся разряжение, равное гидростатическому давлению. Диапазон измерений: от 10 до 100 % отн влажн. Класс точности 4-5. Время реакции: до 120 сек. Конденсаторный Анализатор. (Рис. 26) [33] В данном анализаторе используется явление образования росы на охлаждаемой поверхности в том случае, когда концентрация влаги в исследуемом газе превышает концентрацию, соответствующую насыщению. Через камеру 1 непрерывно прокачивается анализируемый газ (напр. воздух), содержащий пары воды. С помощью измерительно-управляющего устройства 10 к полупроводниковой термопаре 2 подается некоторое напряжение. В соответствии с эффектом Пельсье, один торец данной термопары охлаждается. Луч света от лампочки 6 через оптическую систему 4 направляется к поверхности зеркальца 3, а затем отражается от нее и воспринимается через оптическую систему 5 фотоприемником 7. Если на поверхности 3 пары воды не конденсируются, то измерительное управляющее устройство продолжает подачу напряжения к термопаре 2. Когда в процессе уменьшения температуры зеркальца на его поверхности появляется конденсат (иней), отражающая способность зеркальца резко уменьшается. В этом случае, сигнал от фотоприемника уменьшается и устр-во 10 уменьшает сигнал к термопаре 2. Поступающими потоками газа зеркальце нагревается и иней исчезает. Таким образом, с помощью устройства 10, температура зеркальца поддерживается равной температуре, при которой на его поверхности образуется иней-роса. Поэтому такой анализатор называют анализатором точки росы. Температура зеркальца автоматически измеряется с помощью терморезистора 8 и потенциометра 9. Диапазон измерения: -80 - +30С. Погрешность абсолютная: 0,5С. Чем меньше температура точки росы, тем меньше концентрация влаги в анализируемом воздухе. Подобные устройства используется также для измерения точки росы газов в магистральных газопроводах. В данном случае изменяется точка росы по углеводородам, что характеризует качество очистки газов от тяжелых углеводородов. Диэкометрические анализаторы. (Рис. 27, 28) [34] Принцип действия этих анализаторов основан на измерении диэлектрической проницаемости анализируемой среды, заполняющей конденсатор или проталкивающей через него. Емкость плоского конденсатора описывается выражением (1): C = ξS/d. (1), где: ξ – диэлектрическая проницаемость среды находящейся в конденсаторе; S – площадь обкладки конденсатора; d – расстояние между обкладками. При d=const, S=const, С зависит только от ξ. В большинстве жидких сред ξ=несколько единиц, а ξ воды = 81. Этот факт используется для селективного измерения концентрации воды в газообразных и жидких средах. Анализатор концентрации влаги в газовых средах. Рис. а). Работает следующим образом: через камеру 1 с постоянным расходом прокачивается анализируемый газ. В камере расположен специальный конденсатор, который состоит из алюминиевой проволочки 2 d=2 мм, которая покрыта тонким слоем окиси алюминия (адсорбент). Поверх этого слоя намотана никелевая спираль 4. Конденсатор включен в схему электрического неуравновешенного моста в качестве одного из плеч. Смежное плечо для балансировки содержит переменную емкость С и резистор R. Мост питается переменным током от источника питания ИП. Когда в анализируемой среде изменяется концентрация паров воды, последние адсорбируются в слой окиси алюминия. При этом увеличивается емкость конденсатора, что вызывает разбаланс неуравновешенного моста, который после выпрямления измеряется милливольтметром или потенциометром 5. Диапазон измерений: 0 - 10-10. 0 - 10-4 % об. Класс точности 5-10. Анализатор концентрации воды в нефти. Рис. б). Содержит два цилиндрических конденсатора: измерительный (Си) и сравнительный (Сср). Измерительный конденсатор находится непосредственно в трубопроводе в камере 2, выполняется виде сетки, что необходимо для исключения попадания механических примесей в пространство между обкладками. Сравнительный конденсатор расположен в проточной емкости 4. Эти конденсаторы включены в соответствующие контура электронных генераторов 3 и 5, которые создают электрические колебания соответствующей частоты, причем частота колебаний генератора 3 определяется как диэлектрической проницаемостью нефти, так и содержанием в ней воды, а частота колебаний генератора 5 зависит в основном от диэлектрической проницаемости нефти. Последняя может, меняться на несколько единиц, в зависимости от месторождения, что необходимо учитывать. В камеру 4 нефть поступает после очистки от воды в устройстве 6, кот. представляет собой фильтр. Эти устройства имеют заметную инерцию 10-20 мин, которая связана с процессами очистки. Разность частот колебаний генераторов 3 и 5 формируется в смесителе 7, сигнал с выхода которого посылается на частотомер. Если концентрация воды в нефти составляет несколько десятков процентов, то сравнительный конденсатор не используется. Диапазон измерений: 0-3%, 0-100% об. воды. Класс точности: 5 - 1.
Ионизационный газоанализатор. (Рис. 29, 30, 31) [35] Принцип действия: основан на явлении ионизации газов и измерении возникающего при этом ионного тока. Ионизационный анализатор по схеме а) работает следующим образом. Через камеру 1 с постоянным расходом прокачивается газ. Там расположена фольга 2, выполненная в виде цилиндра и содержащая тритий или никель (радиоактивное вещество). За счет радиоактивного распада, например из трития (применяется чаще других) вылетают бета-частицы, т.е. электроны, которые ионизируют газовую смесь, протекающую через камеру. Между корпусом и коллектором 3 приложено напряжение от источника постоянного тока 5. Образовавшиеся при облучении бета-частиц ионы, за счет поля, передвигаются в противоположную сторону. Положительные ионы, при включении питания в источник 2, двигаются к коллектору. Попадая на коллектор, они соединяются электронами, поступающими из внешней среды, и превращаются в нейтральные молекулы, т. о., во внутренней камере протекает ионный ток, а во внешней цепи через резистор R протекает ток электронов. Резистор R имеет сопротивление 0,5 - 20 ГОм и является входным резистором т. н. электрометрического усилителя 6. Изменение напряжения на резисторе с помощью усилителя преобразуется в унифицированный электрический сигнал, измеряемый потенциометром 7. Измеряемые токи составляют от 10-14 А до 10-8 А. Сигнал такого анализатора описывается выражением: U=k(H-Hв), где: k – коэффициент преобразования; Н и Нв – сечение ионизации определяемого вещества и воздуха. Диапазон измерений: 10-5 объемного процента. Класс точности: 1-5. Еще большей чувствительностью обладает анализатор, построенный по схеме б). Здесь сохранены все обозначения как в предыдущем приборе. Кроме того, данный анализатор содержит дополнительно реактор 8, в котором определяемый компонент, благодаря химической реакции, превращается в аэрозоль. Частички аэрозоля попадают в камеру анализатора и на них происходит интенсивная адсорбция ионов воздуха, который образуется в камере под действием ионизатора. Дальнейшая работа данного прибора аналогична предыдущему. Такие приборы применяются для контроля концентрации окислов азота, а также таких веществ как HCl, отравляющих веществ, вредных газов. Диапазон измерений: 0-5 мг/м3, 0-50 мг/м3. Рисунок в). Анализатор концентрации веществ, содержащих галогены, а в частности таких веществ как фреоны, хладоны. Здесь используется явление эмиссии положительных ионов с поверхности нагретого пористого цилиндра, пропитанного KOH (10). Этот цилиндр нагревается платиновой проволокой 11, подключенной к источнику стабилизированного питания 9, до температуры 800-1000С. При этих условиях и возникает термоионная эмиссия щелочно-земельных металлов. Когда вместе с потоком воздуха в камеру попадает вещество, содержащее галогены, значение термоионной эмиссии увеличивается, т. о. ионный ток, протекающий под действием ионного поля между проволокой и платиновым цилиндром, увеличивается. Измерение тока служит мерой концентрации галогенов. Изменение ионного тока, осуществляется также как в предыдущих схемах. Диапазон измерений: 0-10-6. 0-10-7 % об. Класс точности: 5-15. Такие анализаторы известны также как галогеноискатели.
Оптические анализаторы. (Рис. 32, 33) [36] Используются для получения информации всего диапазона э/м излучений. Ультрафиолетовый, видимое, ИК принято относить к излучениям оптического диапазона, что определяется единообразием аппаратуры, используемой для измерений. При использовании оптического излучения для получения измерительной информации обычно учитываются свойства анализируемой среды. Для случая, если среда однородная, гомогенная, при ее просвечивании электромагнитным излучением, наблюдается явление поглощения излучения, которое описывается законом Ламберта-Бера-Бугера-Фоккера. Если от источника излучения в объект контроля, представляющий собой слой анализируемой среды А, направить луч монохроматического излучения интенсивностью Iфо, то после поглощения определяемым компонентом этого излучения в приемнике будет поступать поток меньшей интенсивности. Iλ = Iλde-kδ = Iλde-ξоб. (1). D = ln(Iλ0/Iλ) = εδc. (2). T = ln(Iλ/Iλ0) = -εδc. (3). Формула (1) представляет собой математическое выражение закона Ламберта-Бугера. В этой формуле: k – показатель поглощения; с – концентрация определяемого компонента в анализируемой среде, который способен поглощать излучение; Eλ – постоянный коэффициент для выбранной длинны волны. Если, преобразовать выражение (1), в формулу (2) или (3), получаем две важные для оптических принципов контроля величины. D – оптическая плотность (экстракция). Т – пропускание (прозрачность). Для определения пригодности оптического типа измерения, необходимо располагать информацией о спектре поглощения всех компонентов в среде. Эти спектры обычно приводятся в справочной литературе или определяются опытным путем в каждом конкретном случае. На рисунке показаны спектры поглощения двух компонентов, содержащихся в растворе. Как видно, на длине волны λ1 поглощается только 1й компонент, на λ2 - только второй. Это определяет возможность их селективного измерения на данных видах волн. При больших длинах волн, спектры перекрываются. Поэтому селективное определение этих компонентов невозможно. Для случая, когда среда является гетерогенной, помимо поглощения наблюдается огибание излучения частиц, преломление и отражение. В результате образуется 2 потока, один из которых распространяется по направлению исходного потока света, а второй под некоторым углом. Второй поток является потоком рассеянного излучения. I = I0e-kδ. (1). I2 = aI0c. (2). Как видно из рисунка, при попадании электромагнитного излучения на частичку, возникают разные явления: П – преломление, О – отражение, Пог – поглощение, Д – дифракция, огибание. В результате отражения и преломления образуется т. н. рассеянное излучение. Т. о., в приемник ПИ1 поступают частично поглощенные возмущения (ф-ла 1), а в приемник ПИ2 поступает рассеянное излучение (ф-ла 2). Где: К – показатель рассеянивания (зависит от размера частиц, их материала, формы и концентрации); а – постоянный коэффициент (зависит от формы частиц, их размера и материалов); с – концентрация частиц. Гетерогенные (дисперсные) среды – жидкости с механическими примесями и пузырьками газа, газы с механическими примесями и частичками жидкости. Приборы, в работе которых используются поглощение гетерогенной средой электромагнитного излучения, принято называть турбидиметрическими. А приборы, в которых используется рассеянное излучение, называют нефелометрами. Спектрофотоколориметры и фотоколориметры. (Рис. 34) [37] Принцип действия этих аналитических устройств основан на явлении поглощения гомогенной средой электромагнитного излучения. Принципиальные различия между спектрофотоколориметрами и фотоколориметрами состоит в том, что для получения излучения выбранной длины волны в спектрофотоколориметрах используются специальное устройство, называемое монохроматор, а в фотоколориметре - светофильры. Монохроматор обычно содержит источник излучения 1, оптическую систему 2 и дисперсионный элемент 3. Излучение выбранной длины волны выводится из монохроматора через узкую щель 4. В монохроматоре в качестве диспергирующего элемента используются дефракционные решетки или призмы. На рассматриваемой схеме пучок света от лампы оптической системы 2 собирается в тонкий луч и направляется на призму. На выходе из призмы образуется пучок света, составляющий полный спектр видимого излучения от синего до красного. Путем поворота призмы, можно направить в цель 4 излучение выбранной волны λ.
Схемы фотоколориметров и принципы их работы. (Рис. 35) [38] В настоящее время разработано много различных схем фотоколориметров промышленных устройствах чаще используются двулучевые (двух канальные, дифференциальные схемы фотоколориметров). Схема а). Это фотоколориметр, реализующий метод прямого дифференциального измерительного преобразователя. Луч света от ламы 1 проходит через оптическую систему 2, один из выбранных светофильтров 3, 3’, 3’’ в призму 4, где разветвляется на два луча. Верхний – измерительный, нижний - сравнительный. Эти лучи от зеркал 5 и 6 поступают соответственно в изм. 7 и ср. 8 кюветы. Через изм. кювету непрерывно прокачивается жидкая сред, оптическая плотность которой измеряется. Сравнительная кювета заполнена эталонной жидкостью с известным значением оптической плотности Dэ. После поглощения электромагнитного излучения в кювете, оставшиеся части попадают в фотоприемники 9 и 10, которые преобразуют фотопотоки в электрические сигналы. Фотоприемники включены встречно на входе усилителя 11. Разность сигналов измеряется и регестрируется потенциометром 12. В этой схеме используется два фотоприемника, которые во времени могут по-разному изменять свои характеристики, что может являться источником погрешности. Поэтому более совершенной является схема фотоколориметра на рисунке б), которая реализует схему дифференциального уравновешивающего преобразователя. Здесь используется один источник и один приемник излучения. Все элементы до 9 идентичны предыдущему. Дополнительно: обтюратор 17 (диск с отверстиями), который приводится во вращение с помощью синхронного двигателя 18. Отверстия от 1 до 7 расположены на диске так, что луч света из кювет 7, 8 через зеркальце 10 и 11, попадает в фотоприемник 9 поочередно и на выходе последнего формируются электрические импульсы, которые воспринимаются электронным усилителем 12, усиливаются и управляют работой реверсивного двигателя 13. Здесь используется специальная схема электронного усилителя, которая обеспечивает сравнение амплитуд импульсов, поступающих из измерительного (И) и сравнительного (Э) каналов. Когда амплитуда импульсов такая, как показано на рисунке, это означает что поглощение излучение в изм. канале больше, чем в сравнительном, при этом ротор двигателя будет вращаться в таком направлении, чтобы шторка 14 в большей степени перекрывала поток излучения, поступающий из сравнительного канала. Перемещение ротора двигателя, стрелки 15 и шторки 14 будет происходить до тех пор, пока амплитуда импульсов, поступающих из сравнительного канала, не будет равна амплитуде импульсов, поступающих из сравнительного канала. Наступает уравновешивание. В этом случае по стрелке 15 можно судить о разности оптической плотности анализируемой и эталонной сред. Фотоколориметры - точные приборы. Класс точности: 0,5 - 2. В промышленности, как правило, используются для контроля окрашенных сред.
Нефелометр. (Рис. 36) [39] В схеме на рисунке используется метод уравновешивающего измерительного преобразователя. Два луча света от лампочки 1 проходят в сравнительный (верхний) сравнительный (нижний) каналы. Лучи формируются оптическими устройствами 2 и 3. Через измерительную кювету прокачивается анализируемая среда. Кювета снабжена окнами 5, 6, 7. Когда среда не содержит частиц, не происходит рассеивание электромагнитного излучения. Шторка 15 полностью закрыта, система в покое. Когда в анализируемой среде появляются частицы, происходит рассеивание света и поток излучения через окно 7 направляется через зеркальце 11 к фотоприемнику 12. Сравнительный импульс поступает в фотоприемник, через зеркальце 10 при вращении обтюратора. Амплитуда импульсов сравнивается. Происходит их обработка в электронном усилителе 13. При этом ротор двигателя 14 будет перемещаться так, чтобы открывалась шторка 15 до тех пор, пока амплитуды импульсов не станут равны. По положению стрелки 16 судят о концентрации примесей в анализируемой среде. Класс точности: 0,5 - 1. Оптико-акустический газоанализатор. (Рис. 37) [40] Предназначен для измерений концентрации отдельных компонентов газовых смесей, способных поглощать инфракрасное излучение (ИК излучение). Такой способностью обладают веще­ства, в том числе газы, молекулы которых состоят не менее чем из двух различ­ных атомов. Диапазоны измерений этих анализаторов от 0 . 0,1 до 0 . 100% об. Классы точности 2,5 . 10 (в зависимости от диапазона изме­рений). По принципу действия оптико-акустические газоанализаторы относятся к так называемым абсорбционным оптическим анализаторам, т.е. к анализаторам, основанным на поглощении электромагнитных излучений, проходящих через ан. среду. На рис. ИК излучение с длиной волны 2-8 мкм от источников 1 (нихромовых спиралей), расположен­ных в сферических отражателях 2 и на­греваемых током источника питания 3, направляется в измерительный канал че­рез фильтровую кювету 6, измеритель­ную кювету 8 в правую каме­ру 14 оптико-акустического приёмника излучения 10 и в сравнительный канал - через, фильтровую кювету 7, сравни­тельную кювету 9 в левую камеру 13 оптико-акустического приемника излучения. Обтюратор 5, приводимый в движе­ние синхронным двигателем 4, осуществляет поочерёдное прерывание потока излучения в измерительном и сравни­тельном каналах. Через измерительную кювету 8 непрерывно прокачивается анализируемый газ. Сравнительная кювета 9 заполняется газовой смесью, в со­став которой входят какой-либо не поглощающий ИК излучение газ и неопреде­ляемые компоненты в концентрациях, соответствующих их средним значениям в анализируемой смеси. Фильтровые кюветы 6 и 7 заполняются теми неопреде­ляемыми компонентами анализируемого газа, полосы поглощения которых час­тично перекрываются полосами поглощения определяемого компонента, что уменьшает влияние изменений концентраций этих компонентов на результат измерения. Камеры 13 и 14 оптико-акустического приёмника излучения 10 заполня­ются обычно определяемым компонентом анализируемой смеси. При поступле­нии ИК излучения в камеры 13 и 14 оптико-акустического приёмника 10, за счёт энергии излучения, поглощаемой определяемым компонентом, изменяется его температура (изменение температуры обычно составляет 10-5С). Это со­провождается появлением колебаний разности давлений в камерах лучеприёмника в результате поочерёдного прерывания потоков ИК излучения обтюрато­ром. Под действием этой разности давлений тонкая ме­таллическая мембрана 16 совершает периодические колебания. Эта мембрана и неподвижная пластина 15, укрепленная на изоляторе, составляют конденсатор­ный микрофон, ёмкость которого изменяется при колебаниях мембраны. При изменении содержания определяемого компонента в анализируемой смеси ко­лебания мембраны 16, а следовательно, и изменение ёмкости конденсаторного микрофона становятся асимметричными, что воспринимается электронным усилителем-преобразователем 11. Выходной сигнал устройства 11 преобразуется в цифровой код преобразователем 12. Результат измерений представляется на цифровом индикаторе 17 в виде информации об объёмной концентрации опре­деляемого компонента в определяемой газовой смеси, выражаемой в процентах.
Турбидиметр. (Рис. 38, 39) [41] Рис. а). Мутномер. Применяется для контроля механических примесей и ила в сточных водах пром. предприятий. Бокс 1 размещается в водоеме, а слой жидкости между окнами 4 и 5 просвечивается э\м излучением, поступающим от лампы 2 через оптическую систему 3. Сигнал приемника усиливается усилителем 7. Сигнал последнего измеряется вольтметром 9. 8 – источник питания. Рис. б). Дымомер. Применяется для контроля механических примесей в дыме. Обозначение элементов идентично схеме а). Имеются два отдельных бокса, в одном из которых установлен источник излучения, а в другом приемник. Луч света в дымоходе поглощается частицами сажи тем в большей степени, чем больше ее концентрация. Это характеризует неполное сгорание топлива
Реакционные фотоколориметрические фотоанализаторы. (Рис. 40) [42] Устройство циклического действия. Здесь используются принцип предварительного преобразования определяемого компонента, бесцветного, некого химического соединения, имеющего окраску. Анализируемая среда (жидкость) поступает в дозатор 1, а реагент, специально подобранный, поступает в дозатор 2. Периодически, с помощью командного прибора 4 (программатора), постоянные по объему дозы ан. среды вводятся через управляемые клапаны 11 и 12 в мешалку 3. Здесь они перемешиваются, происходит химическая реакция определяемого компонента с реагентом. Раствор приобретает окраску, а после открытия клапана 13, раствор сливается в кювету 5 фотоколориметра. 6 – 10 – элементы фотоколориметра. По окончании измерения в-во сливается через управляемый клапан 14. Диапазон: 10-5 – 10-6 % об. Ленточный реакционный анализатор. (Рис. 41) [43] Измерение концентраций вредных и отравляющих газов. Используется химическая реакция определяемого компонента, содержащегося в воздухе с реагентом, которым пропитана бумажная или текстильная лента 2. Эта лента перемешается с подающей бабины 1 на принимающую бабину 3, приводимую в движение миниатюрным двигателем 4. Лента 2 проходит через камеру 5, через которую прокачивается ан. воздух. В результате реакции окраска ленты 2 изменяется. Измерение изменения окраски осуществляется следующим образом: от лампы 6 через оптические системы 11 два луча посылаются к поверхности ленты до её поступления в камеру 5 и на выходе из камеры. Отраженные лучи поступают в фотоприемники 7 и 8. Из-за различия окраски ленты, степень отражения лучей будет различна. Это вызывает сигналы фотоприемника 7 и 8, которые включены на вход электронного дифференциального усилителя 9. Сигнал последнего является мерой изменения окраски ленты, а следовательно и концентрации определяемого компонента. Диапазон: 10-5–10-6 % об. Их недостатком является большая ирационность. Время реакции: 5-20 мин. Термохимический газоанализатор.(Рис. 42) [44] Предназначен для автоматического контроля малых (менее 1% об.) концентраций горючих газов и паров жидко­стей в воздухе. Принцип действия состоит в исполь­зовании теплового эффекта химической реакции, а именно, реакции окисления горючих газов и паров жидкостей на каталитически активной поверхности. Анализатор содержит: блок датчика I, блок усиления сигнала датчика и электропитания II и автоматический потенциометр III. Блок I имеет взрывозащищенное исполнение и располагается в помеще­нии, в котором контролируется концентрация газов и паров. Блоки II и III имеют обыкновенное исполнение и могут быть установлены только в невзрывоопасных помещениях. В блоке I расположена проточная камера I со взрывопреградительными сетками 8, в которой размещены измерительный Rи и сравнительный Rср чув­ствительные элементы датчика. Сравнительный чувствительный элемент за­крыт защитным колпачком 7. Оба элемента представляют собой миниатюрные цилиндры из окиси алюминия с платиновой нитью, выпол­няющей одновременно роль нагревателя и термометра сопротивления. Сопротивление каждого из чувствительных элементов составляет 0,5 Ом. Ан. газовая смесь из атмосферы прокачивается через пробко­вый кран 6, камеру 1, ротаметр 2 с помощью эжектора (струйного насоса) 3. Последний питается сжатым воздухом от стабилизатора давления (редуктора) 4. Воздух очищается с помощью фильтра 5. Работа эжектора основана на том, что при истечении струи из сопла 9 последняя увлекает за собой за счет трения объемы газа, прилегающие к области струи. Это обеспечивает расход анализи­руемого газа через датчик. Ротаметр 2 служит для измерения значения расхода этого газа. Чувствительные элементы Rи и Rcp вместе с постоянными резисторами R1 и R2 составляют неуравновешенный электрический мост, который питается (через питающую диагональ бг) стабилизированным напряжением от блока пи­тания 10. Чувствительные элементы нагреваются током этого неравновесного моста. В блоке питания 10 имеется переменный резистор "установка тока", с помощью которого задается значение тока через мост. Когда в ан. газе появляются горючие пары или газы, они сго­рают на поверхности Rи, что приводит к увеличению температуры этого элемента, а следовательно - к увеличению его электрического сопротивления. Сопротивление сравнительного чувствительно­го элемента остается при этом постоянным (этот элемент служит для исключе­ния влияния изменений температуры анализируемой смеси на сигнал датчика). В результате на измерительной диагонали ab возникает электриче­ский сигнал (разбаланс) U. Сигнал U неуравновешенного моста алгебраически складывается с сигна­лом, поступающим с компенсационного моста II. Сигнал моста II может изме­няться по знаку и значению (с помощью переменного резистора "установка ну­ля"), что позволит корректировать сигнал датчика так, чтобы в отсутствие го­рючих паров или газов сигнал на входе электронного усилителя 12 был бы ра­вен нулю. Суммарный сигнал датчика и компенсирующего моста II усиливается электронным усилителем 12. Выходной сигнал усилителя поступает на измери­тельный прибор и автоматический потенциометр III. Трансформатор 13 служит для питания узлов, входящих в блок II, пере­менным током. Термохимические озонолизные газоанализаторы. (Рис. 43) [45] Процесс пиролиза - высокотемпературное разложение тяжелых компонентов нефти. В результате получается газ – пирогаз, в составе которого имеются такие непредельные углеводороды как этилен, пропилен, бутилен - олефиновые углеводороды. Газ разделяют на соответствующих газофракционирующих установках и выделяют из него названные олефины. Затем из этих олефинов т.н. мономерами получают полимеры – полиэтилен, полипропилен. Для контроля техн. процессов, в которых получают и используют олефины, широкое применение имеют хроматографы. В тоже время, для контроля концентрации олефинов могут быть использованы озонолизные термохимические газоанализаторы. В основе их работы лежит химическая реакция, называющаяся озонолизом, в процессе которой под действием озона разрывается двойная углеродная связь олефиновых углеводородов. В результате выделяется теплота и продуктами реакции является озониды. Тепловой эффект реакции используется для получения информации о концентрации олефиновых углеводородов в многокомпонентных газовых средах. Предложены озонолизные термохимические газоанализаторы, которые способны измерять один из олефинов в многокомпонентной газовой среде, сумму олефинов или концентрацию наиболее важного олефина – этилена. Рис. а). Схема анализатора одного из олефинов в газовой среде, содержащей предельные углеводороды (метан, пропан). Используется циклический режим работы, при котором ан. газ из регулятора расхода 1 поступает в автоматический дозатор 4. В него же подается из регулятора расхода 2 воздух-носитель, который проходит через озонатор 3, где небольшая часть кислорода в воздухе за счет газового разряда преобразуется в озон О3. Периодически вводятся пробы постоянного по объему ан. газа. Олефин, содержащийся в пробе, вступает в реакцию с озоном О3, а при истечении из сопла 9, за счет реакции озонолиза изменяется температура термопары 6, сигнал которой измеряется потенциометром 7. Все элементы находятся в термостате 8 при температуре 80-100С. Рис. б). Анализатор обеспечивает получение информации о суммарной концентрации олефиновых углеводородов в многокомпонентных углеводородных газовых средах. Т.к. скорость реакции этилена, пропилена и бутилена с озоном различна, то для измерения общего количества теплоты вдоль потока движения в камере 5, расположено несколько термопар. В результате измеряется суммарный тепловой эффект реакции. Сигнал батареи термопар измеряется потенциометром 7. Рис. в). Для определения концентрации этилена в газовых средах, содержащих также пропилен и бутилен, а также предельный углеводород. Т.к. скорость реакции этилена с озоном наименьшая, то по мере движения пробы газа в струе, вытекающей из сопла 9, успевают завершится реакции бутилена и пропилена с озоном, а в зоне расположения термопары в нижней части камеры 5, еще продолжается реакция этилена с озоном. Это и позволяет получить информацию о концентрации этилена. Все эти приборы имеют сигнал в виде импульса. Диапазон измерения концентраций олефинов и углеводорода: 0-100 %. Класс точности: 2-3. Время цикла: 2-3 мин.
Термохимический анализатор жидких сред. (Рис. 44) [46] В основе работы лежит явление измерения температуры жидких сред при их смешивании. Т.е. теплоты смешивания. Данный анализатор - устройство непрерывного действия. Здесь ан. жидкость и реагент (вода) поступают соответственно в камеры 1 и 2, снабженные переливными трубками 3 и 4. Наличие этих трубок обеспечивает постоянный гидростатический набор воды. В камере смешения 5 эти два потока смешиваются, в результате выделяется теплота и жидкость нагревается. Эта жидкая смесь через переливную трубку 6 поступает в камеру измерения 8, далее температура жидкой среды измеряется в камере 8 с помощью термометра сопротивления 9, снабженного защитным чехлом 10. Сопротивление термометра измеряется электрическим мостом 11 и служит мерой концентрации определяемого компонента в ан. жидкости. Жидкая смесь выводится из анализатора по переливной трубке 7. Диапазон измерений: 0 - 0,1 %, 0 – 100 %. Класс точности: 2.
Электрокондуктометрические анализаторы. (Рис. 45) [47] Используются для автоматического контроля концентрации растворов солей, кислот, щелочей и других сред. Класс точности 1-5. Они могут быть использованы для анализа газовых смесей. Такой анализ базируется на предва­рительном растворении ан. газа во вспомогательной жидкости и измерении её электрической проводимости. Принцип действия электрокондуктометрических анализаторов состоит в измерении электрической прово­димости (электропроводности) растворов электролитов, по которой определя­ется концентрация растворённых веществ. На рис. измерительная ячейка 1 с измеряемым сопротивлением Rx, в которую из блока подготовки поступает анализируемая жидкость, является одним из плечей уравновешенного моста. Смежное плечо моста составлено из сопротив­ления R и переменной емкости С, служащей для компенсации реактивной (ем­костной) составляющей измерительной ячейки. Электронный усилитель 2 и реверсивный двигатель 3 служат для уравновешивания моста путем изменения сопротивлений плеч при перемещении движка реохорда Rp. Такой кондукто­метр может использоваться только при постоянной температуре анализируе­мой жидкости. В тех случаях, когда температура анализируемой жидкости из­меняется, используют схемы, показанные на рис. 3б). Здесь для компенсации влияния температуры используется сравнительная электролити­ческая ячейка 4 с сопротивлением Rcр, которая размещается в камере 4, и по­этому температура ее всегда равна температуре ан. жидкости. Сравнительная ячейка заполняется жидкостью, закономерность изменения электропроводности которой близка аналогичной закономерности для ан. жидкости (обычно при средней концентрации определяемого компо­нента в последней). Как видно из рисунка 3б, измерительная и сравнительная ячейки включены дифференциально, что и обеспечивает температурную ком­пенсацию с достаточной для практики точностью. Наибольшее распространение получили кондуктометры, в которых для температурной компенсации используются металлические терморезисторы (рис. Зв). Терморезистор Rt в чехле 3 размещается в анализируемой жидкости, ко­торая поступает в камеру 1. В силу того, что температурные коэффициенты электролитов и проводников противоположны по знаку, это позволяет при соответствующем подборе значения сопротивления Rt и сопротивления шунта Rш добиться постоянства общего сопротивления, включенного в измерительное плечо неуравновешенного моста, при изменениях температуры в заданном ин­тервале для некоторого, например, среднего значения концентрации опреде­ляемого компонента в ан. жидкости. В приведённой схеме разбаланс моста измеряется вольтметром 2, а резистор R0 служит для установки на­чального уровня сигнала. Потенциометрический газоанализатор. (Рис. 46) [48] Предназначен для измерения кон­центраций различных ионов в жидкостях (ионометрия) и контроля окисли­тельно-восстановительного потенциала (редоксметрия). Принцип действия основан на измерении потенциала электрода, размещенного в электролите, по которому определяется концентра­ция компонента анализируемого вещества. В потенциометрическом анализаторе, который содержит гальва­ническую ячейку 3 с измерительным 1 и сравнительным 2 электродами измере­ния сигнала последней осуществляется с помощью специального автоматического потенциометра с реохордом Rp , питающимся от стабилизированного ис­точника постоянного тока 4. При измерении сигнал гальванической ячейки сравнивается с падением напряжения на реохорде. Отличие этого потенциомет­ра от обычного состоит в том, что кроме усилителя переменного тока 6, ревер­сивного двигателя 7 и других узлов он содержит электрометрический усили­тель 5, имеющий входное сопротивление 600 МОм. Потенциометрический ана­лизатор (рис 36) содержит гальваническую ячейку 3 с измерительным 1 и сравнительным 2 электродами, сигнал которой в процессе измерения сравнивается с падением напряжения на сопротивлении R, создаваемом током I. Последний унифицирован по значению и возникает в выходной цепи усилителя 4, имею­щего высокое входное сопротивление. Таким образом, сигнал гальванической ячейки преобразуется в унифицированный сигнал промежуточным (норми­рующим) преобразователем. Унифицированный токовый сигнал измеряется вторичным прибором 5 (обычно автоматическим потенциометром). Потенциометрические автоматические анализаторы рН имеют диапазон измерений 0-1 .0-14 рН и время реакции 15 .30 с, а анализаторы рХ - диапа­зоны измерений 0-1 .0-5 рХ и время реакции 5 . 10 мин. Классы точности по­тенциометрических анализаторов 0,5-10. Пламенный – ионизационный анализатор. (Рис. 47) [49] Принцип действия: явление возникновения ионов в пламени при сгорании веществ, содержащих углерод. От регуляторов расхода 1, 2 и 3 поступают потоки воздуха, водорода и ан. газа. В камере 4 размещена миниатюрная горелка 5, в которой образуется водородное пламя. Для сжигания водорода в камеру вводится поток воздуха, который равномерно распределяется по сечению камеры с помощью рассекателя 12. Водород смешивается перед подачей в горелку с ан. газом. Над горелкой расположен коллектор 7. Как горелка, так и коллектор установлены на фторопластовых изоляторах 8 и 6, что необходимо для предотвращения утечек тока. При сгорании водорода ионов практически не образуется и сопротивление между горелкой и коллектором составляет 1014 Ом. При появлении в ан. газе углеводородов в пламени появляются ионы, а под действием электрического поля, создаваемого источником 9, между горелкой и коллектором протекает ионный ток. Во внешней цепи коллектора через резистор R протекает ток электронный. Ионы, попадая на коллектор, соединяются с электронами и образуют нейтральные атомы на молекулах. В результате на внутренней цепи анализатора течет ионный ток, а во внешней - ток электронный, который служит мерой ионного. При протекании электронного тока через резистор R на нем возникает падения напряжения, которое воспринимается и усиливается усилителем 10, сигнал последнего измеряется потенциометром 11. Усилитель способен измерять токи 10-8 – 10-14А. Данный анализатор является одним из наиболее чувствительных приборов. Он способен определять концентрацию углеводородов до 10-7 % водорода. Имеет погрешность 2-5 %. Сигнал анализатора описывается формулой: U = kni di, где k – коэффициент преобразования. ni – число атомов углерода в молекуле анализируемой углеводорода, di – объемная концентрация углеводорода.
Пламенный фотометрический анализатор. (Рис. 48) [50] Использует в своей работе явление э\м эмиссии, создаваемой атомами возбужденных элементов. Для возбуждения атомов элементов используется энергия пламени. Воздух, горючий газ и ан. газ или жидкость непрерывно подаются в анализатор через регуляторы расхода. Жидкость при подаче должна превращаться в аэрозоль. В камере 4 в горелке 5 создается пламя, а воздух подается через рассекатель потока 10. Поступающие в пламя атомы ан. элемента возбуждаются, излучают э\м волны и переходят в стационарное состояние. Э\м эмиссия от пламени через окно 6 и фильтр 7 направляется в фотоэлектрический умножитель 8. Последний преобразует излучение в электрический сигнал, который записывается и измеряется потенциометром 9. Длина волны и фильтр 7 выбираются так, чтобы при наличии атомов нескольких элементов их спектры излучений не перекрывались. Пламенный фотометрический анализатор обеспечивает измерение концентрации 80 элементов таблицы Менделеева, когда их концентрация составляет 10-3 – 10-5 мг/л. Класс точности: 1-2. Сигнал определяется формулой: I = acb, где: а и b постоянный коэффициент и степень; c – концентрация; I – интенсивность излучения.
Атомный абсорбционный анализатор. (Рис. 49) [51] Принцип действия основан на поглощении э\м излучения возбужденными атомами. В рассматриваемом приборе возбуждение осуществляется за счет энергии пламени. Спектры поглощения возбужденных атомов в большинстве случаев совпадают с их спектрами излучения. В этих приборах имеется возможность выбирать интенсивность э\м излучения, которым облучается пламя. Из источника 11 через оптическую систему 12 пламя просвечивается лучом света, а часть не поглощенного излучения попадает через светофильтр в фотоэлектронный умножитель. В камере 4 в горелке 5 создается пламя, а воздух подается через рассекатель потока 10. Поступающие в пламя атомы ан. элемента возбуждаются, излучают э\м волны и переходят в стационарное состояние. Э\м эмиссия от пламени через окно 6 и фильтр 7 направляется в фотоэлектрический умножитель 8. Последний преобразует излучение в электрический сигнал, который записывается и измеряется потенциометром 9. Возможность выбора интенсивности излучения обеспечивает увеличение чувствительности измерений на 2-3 порядка. Такие анализаторы способны измерить концентрацию элементов 10-4 – 10-8 мг/л. Хемилюминесцентные анализаторы. (Рис. 50) [52] В их работе используется явление люминесценции, которым сопровождаются химические реакции. Хемилюминесцентные анализаторы используются для контроля концентрации озона и окислов азота, когда их содержание соответствует предельно допустимым концентрациям. Рис. а). Анализатор используется для измерения концентрации озона в разных газах, например в воздухе. Ан. газ через стабилизатор расхода 6 подается в камеру 1. Параллельно через стабилизатор расхода 7 из газового баллона 8 подается с постоянным расходом этилен (C2H4). В камере 1 этилен вступает в химическую реакцию с молекулами озона (О3) и в результате образуются озониды и одновременно происходит люминесценция. Её интенсивность тем больше, чем больше концентрация озона в ан. газе. Возникающее э\м излучение через окно 2 направляется в фотоэлектронный умножитель 3, который преобразует это излучение в электрический сигнал. Этот сигнал дополнительно усиливается электронным усилителем 4, а результат измерения отображается на аналоговом или цифровом вольтметре 5. Диапазоны: 0-0,05 мг/м3; 0-1,5 мг/м3. Класс точности: 20. Рис. б). Анализатор окиси азота (NO). Все элементы, включая цифру 7, идентичны в схеме а). Ан. воздух, содержащий окислы азота, поступает в два канала. В верхнем канале он очищается от окисла азота в устройстве 10 за счет адсорбции, а затем, через регулятор расхода, поступает в озонатор, где часть кислорода в воздухе преобразуется в озон. Параллельно, по нижнему каналу, воздух подается в камеру 1. В камере, за счет реакции окиси азота (активное вещество) вступает в реакцию с молекулами озона. В результате возникает возбуждение молекул NO2, которые, переходя в стационарное состояние, излучают электромагнитные волны, т.е. люминесцируют. Диапазон измерений: 0-0,25 мг/м3; 0-7,5 мг/м3. Δ=20. Рис. в). Анализатор окислов азота, позволяющий получить полную информацию об их концентрациях. Это комплекс из 2х анализаторов окисла азота (рис.б), идентичных по конструкции. Анализатор 2 обеспечивает получение информации о концентрации окиси азота (NO), а для получения информации о концентрации двуокиси азота (NO2), используется дополнительный конвертер 1, в котором двуокиси азота каталитическим путем превращаются в окись азота. В результате в анализатор 3 окиси азота, идентичный анализатору 2, поступает суммарное соединение окиси азота (концентрация окиси азота, имеющегося в газе + концентрация, образовавшаяся за счет разложения двуокиси). Сигналы анализаторов 2 и 3 поступают в вычислительное устройство 4, которое формирует на выходе 3 сигнала: сигнал о концентрации окиси азота (NO), сигнал о суммарной концентрации окислов азота и сигнал о концентрации двуокиси азота (NO2), определяемый как разность первых двух сигналов. Классы точности: 1-й и 2- сигналы: 20, 3-й сигнал: 30. Диапазоны: 0-0,25 мг/м3; 0-7,5 мг/м3. Фотоэлектронный умножитель. (Рис. 51) [53] В работе применяется два физических закона: фотоэлектронная эмиссия и вторичная электронная эмиссия. Прибор представляет собой электронную лампу. Из внутренней полости выкачен воздух и остаточное давление = 10-7 – 10-8 мм рт. столба. Фотопоток попадает в ФЭУ 3 через окно 1, причем он направляется на фотокатод 2. Под действием энергии квантов э\м излучения из фотокатода вылетают электроны. Во внутренней полости ФЭУ также расположены диноды 6 и анод 7. Между динодами, с помощью источника питания 8 и делительного резистора R, создается разность потенциалов. Под действием этой разности потенциалов происходит ускорение электронов при помощи вторичной электронной эмиссии. На один попадающий на динод электрон выбивается от 3 до 10 вторичных электронов. На втором диноде явление повторяется, но уже с большим числом поступающих к нему электронов. Число динодов в ФЭУ может составлять 20-25 штук, поэтому к аноду 7 поступает приблизительно 106-107 электронов на один первичный электрон. Это характеризует коэффициент усиления ФЭУ. Анодный ток измеряется по падению напряжения на R, усиливается и регистрируется. ФЭУ является наиболее чувствительным приемником э\м излучения. Флуоресцентный анализатор. (Рис. 52) [54] Принцип действия основан на возникновении момента под действием ультрафиолетового излучения. В данном анализаторе излучение от ультрафиолетовой лампы 6 через кварцево- оптическую систему 5 направляется к кювете 1, снабженной кварцевыми окнами 2 и 3 и окном из обычного стекла 4. При освещении молекул ан. газа ультрафиолетовым излучением, возникает люминесценция. Фотопоток люминесценции посылается через 4 в ФЭУ 7, электронный усилитель 8 и вольтметр 9. Такие анализаторы используются для контроля микроконцентраций SO2. Диапазоны измерений: 0 – 0,5 мг/м3; 0 – 50 мг/м3 . Δ = 20.
Гальванический газоанализатор. (Рис. 53, 54) [55] Они относятся к электрохимическим анализаторам, а принцип действия их основан на явлении измерения тока во внешней цепи гальванического элемента под действием протекающей в нем электрохимической реакции. Чаще всего они используются для измерения концентрации кислорода в газовых средах. Катод: O2 + 2H2O + 4e = 4(OH)-. (1). Анод: 2Pb + 4(OH)- = 2Pb(OH)2 + 4e. (2). В данном анализаторе через камеру 1 прокачивается ан. газ, содержащий например кислород. В камере 1 расположено два электрода: серебряный катод 2 и свинцовый анод 3. Причем катод находится в полупогруженном состоянии на границе 3х фаз: газ, электролит, твердые вещества (катод). Происходит ионизация кислорода при поступлении из внешней цепи электронов. Реакция, протекающая на катоде, описываются формулой (1), а на аноде – формулой (2). Молекулы гидроксидов на аноде соединяются с молекулами свинца Pb, получается гидроксид свинца и 4 электрона посылается во внешнюю электрическую цепь, где они создают ток, который измеряется с помощью миллиамперметра 4. Чем больше концентрация О2 в газовой среде, тем больше ионов гидроксида образуется около катода, тем больше ток во внешней цепи. Этот ток служит мерой концентрации кислорода О2. Диапазоны измерений: 0-0,02 % об ; 0 – 0,001 % об. Δ = 5 - 10. При больших концентрациях сигнал такого анализатора входит в режим насыщения и практически постоянен. Известны более простые конструкции подобных анализаторов. Рис. а). Анализируемый газ поступает по трубке 6 с постоянным расходом и барбатирует через слой электролита 7, при этом пузырьки газа механически подхватывают частицы воды и транспортируют их вверх, насыщая слой ткани 3 электролитом. В качестве погруженного анода служит фольга 2 из свинца, а в качестве полупогруженного катода – серебряная сетка 4. Ток между катодом и анодом измеряется миллиамперметром 5. Работа и хар-ки аналогичны предыдущему. Рис. б). За счет применения диффузионного барьера (фторопластовая пленка 5) осуществляется «деление» кислорода в среде, омывающей барьер, в сотни и тысячи раз. Анализатор содержит трубку 1, во внутренней полости которой расположен диск из пластины 2, который прижат к мембране 5 резиновыми прокладками 3. Трубка – анод, диск – катод. Загущенный электролит 8. 6 – резиновое уплотнение фторопластовой пленки.
Анализаторы концентрации пыли. (Рис. 55, 56) [56] Пыль – дисперсная среда, состоящая из воздуха и механических частиц. Концентрация этих частиц в воздухе обычно составляет 0,1 – 600 мг/м3. Hазмеры частичек пыли от долей микрона до нескольких микрон. Частички воздействуют на кожу человека, проникают в легкие, поэтому их концентрация строго нормируется. Особенно опасны частички субмикронного размера (до 2 мкм). Они могут вызывать профессиональные заболевания. Для контроля концентрации пыли используется 2 принципа: 1) с предварительным осаждением пыли на бумагу или ткань. 2) без предварительного осаждения. Для автоматического контроля используется принцип без предварительного осаждения частиц пыли. Чаще других используется турбидиметрические дымомеры, радиоионизационный, электроиндукционный и электризационный принципы измерения. Рис. а). Радиоионизационный анализотор. Поток ан. воздуха перемещается по трубопроводу 1 под действием побудителя расхода (аспиратора) 4. Молекулы воздуха ионизируются тритиевым ионизатором 2. Образовавшиеся ионы абсорбируются частичками пыли, т. о. эти частички заряжаются. Между тритиевым анализатором и коллектором ионов 3 подключен источник постоянного напряжения 5. Под действием поля этого источника заряженные частички пыли движутся к коллектору. Здесь они получают электрон из внешней цепи и нейтрализуются. Т.о. по внутренней цепи протекает ионный ток, а по внешней цепи, через резистор R, протекает равный ему электронный ток. Падение напряжения на резисторе измеряется с помощью электрометрического усилителя 6 измеряется вольтметром 7. Недостаток: наличие источника радиоактивного бета-излучения. От этого минуса свободен анализатор на Рис. б). Он включает в себя идентичные элементы (до цифры 8 включительно), но в кач-ве источника ионизации здесь используется газовый разряд. Такой прибор называется электроразрядный анализатор. Газовый разряд создается между иглами 9, к которым подводится высоковольтное напряжение (до 4кВ) от источника 10. Недостаток: использование высоковольтного источника питания. Рис. в). Электризационный анализатор. Принцип действия основан на возникновении заряда под действием трения частиц пыли о металлическую трубку 2. Ан. поток газа подается в трубку 2 тангенциально, и под действием центробежной силы частицы отбрасываются к стенкам трубки 2. При трении частиц о поверхность трубки они заряжаются и заряжается трубка. Потенциал трубки по отношению к земле измеряется с помощью электрометрического усилителя 5, подключенного между трубкой и заземленным кожухом 3. Трубка 2 и кожух 3 укреплены на фторопластовом цилиндре 1. Сигнал усилителя регистрируется потенциометром 7. Класс точности анализаторов концентрации пыли в лучшем случае 10. Многопараметрические методы анализа состава многокомпонентных сред. Метод различных физико-химических величин.[57] Сущность этого метода состоит в измерении n-1 физической величины (для определения состава и компонентов среды). Составление и решение системы уравнений. Для простоты примем, что физико-химическая величина или свойство ан. среды является аддитивной. Тогда мы можем вычислить по значению физико-химических свойств и концентрацию компонентов: ПСМ = Сумм(от i=1 до n)ПiCi. Предположим, что имеется возможность с помощью n-1, измерить текущее значение физико-химических свойств анализируемой среды. После этого можно записать следующую систему уравнений. (1) U1 = K1ПСМ1 = K1Сумм(от i=1 до n)П1iCi. (2) U2 = K2ПСМ2 = K2Сумм(от i=1 до n)П2iCi. (3) …………………. (4) Un-1 = Kn-1ПСМn-1 = Kn-1Сумм(от i=1 до n)Пn-1iCi. (5) 1 = Сумм(от i=1 до n)Ci. U1i U2i Un-1 – сигналы 1,2 и n-1 анализатора. K1, K2, K n-1 – коэффициенты преобразования названных анализаторов. Псм1, Псм2, Псмn-1 – измеряемые различные физико-химические свойства анализируемой смеси (среды). П1i, П2i, П(n-1) – физико-химические свойства компонентов соответствующие физико-химическим свойствам среды. (они берутся из справочников по физико-химическим свойствам). Ci – концентрации (искомые) компонентов анализируемой среды. Как видно, данная система смесей имеет n уравнений, из которых при решении, можно определить концентрации всех компонентов. При таком измерении определяются сразу несколько однородных величин. В метрологии такой вид измерения называется совокупным. Концентрация i-го компонента определяется по формуле: Ci = Сумм(от i=1 до n-1)AiUi + Bi. Как видно, концентрация каждого из компонентов зависит от сигналов всех анализаторов, а коэффициенты Ai и свободные члены Bi, хотя и постоянны для каждой концентрации, однако включают в себя коэффициенты передачи и ф-х свойства отдельных компонентов. Из-за погрешности определения величин Ui погрешности калибровки, определяемой погрешностью определения коэффициентов Ki, не представляются возможным осуществить анализ сред содержащих более чем 3-4 компонента, так как погрешность измерения настолько большая, то анализ теряет смысл.
Многопараметрические методы анализа состава многокомпонентных сред. Метод измерения физических свойств, при различных условиях.[58] Этот метод позволяет использовать n-1 одинаковых по принципу действия анализаторов. Получив информацию от них, можно записать систему из n уравнений, из решения которой можно определить концентрацию всех компонентов: система: (1) U1 = K1(ПСМ)1 = K1Сумм(от i=1 до n)(Пi)1Ci. (2) U2 = K2(ПСМ)2 = K2Сумм(от i=1 до n)(Пi)2Ci. (3) …………………. (4) Un-1 = Kn-1(ПСМ)n-1 = Kn-1Сумм(от i=1 до n)(Пi)n-1Ci. (5) 1 = Сумм(от i=1 до n)Ci. В уравнениях: (ПСМ)1 и (ПСМ)2 - это одно и тоже ф-х свойство, при различных условиях. (Пi)1 и (Пi)2 – соответствующие ф-х свойства определяемых компонентов. Данная система смесей имеет n уравнений, из которых при решении, можно определить концентрации всех компонентов. Из-за погрешности определения величин Ui погрешности калибровки, определяемой погрешностью определения коэффициентов Ki, не представляются возможным осуществить анализ сред содержащих более чем 3-4 компонента, так как погрешность измерения настолько большая, то анализ теряет смысл.
Многопараметрические методы анализа состава многокомпонентных сред. Метод преобразования. [59] Сущность метода анализа многокомпонентных сред, состоит в том, что ан. среду подвергают последовательно преобразованиям и после каждого преобразования измеряют ф-х свойство или параметр ан. среды. Чаще всего используется разновидность этого метода – метод исключения. Сущность его состоит например в последовательном поглощении компонентов анализируемой среды: VСМ1 = V1 + V2 + V3. Обрабатывая ан. среду специально подобранным реагентом, поглощают например 1-ый компонент, а затем определяют объем: VСМ2 = V2 + V3. Затем обрабатывают полученную смесь другим селективно поглощающим реагентом и измеряют оставшийся объем: VСМ3 = V3. VСМ2 – VСМ3 = V2. C1 = V1/VСМ1 и т.д. для каждого компонента. Точность таких методов невысока, т.к. трудно подобрать реагенты, которые селективно поглощают анализируемый компонент. Хроматографический метод анализа многокомпонентных сред. (Рис. 58, 59) [60] Данный метод анализа состоит в разделении молекул жидкости или газа при их движении через слой сорбента, причем разделение осуществляется за счет различной степени сорбирования в названном слое. Хроматография была открыта в 1903 году русским биохимиком Михаилом Цветом, он же дал название методу анализа. Данный метод был переоткрыт в 40х годах для разделения газов и получил аналитическое применение. В настоящее время существует много разновидностей хроматографов. Наибольшее применение в промышленности имеет проявительный метод хроматографического анализа. Сущность его состоит в разделении многокомпонентной среды на отдельные компоненты в специальной трубке (колонке), наполненной сорбентом в потоке вещества-носителя. Wi = (1/Kудi)Wв-н. (1). tудi = L/Wi. (2). Ci = KSiSi. (3). Ci = KhiSi (4). Ci = (KiSi)/[Сумм(от i=1 до n)KiSi]. (5). Молекулы различных веществ в жидкой и газообразной форме способны задерживаться на поверхности твердых тел (абсорбция) или растворятся в жидких (адсорбция) под действием температуры или потоков жидкости или газов. Эти молекулы способны покидать поверхности твердых тел и жидкостей. Этот процесс называется десорбцией. Хроматография при проявительном анализе осуществляется в колонке 1, наполненной сорбентом 2. В зависимости от того, какой из названных процессов используется, различают: газовую хроматографию, при которой разделение газов и паров осуществляется при движении анализируемой среды через твердый сорбент (адсорбент); газожидкостную хроматографию, когда разделение паров и газов осуществляется при движении среды через слой нейтрального твердого вещества, покрытого жидкостью; жидкостно-твердую хроматографию, при которой разделение жидкости осуществляется на адсорбенте; жидкостно-жидкостную хроматографию, при которой разделение жидкого вещества осуществляется на слое твердого вещества, которое вводится в колонну в виде пробы, у одного из её концов. Через последнюю непрерывно прокачивается вещество-носитель (жидкость или газ). При проявительном анализе введенное в колонку в-во, состоящее например из 3-х компонентов А, B и С, частично сорбируется на «набивке», а часть переносится по ходу движения и сорбируется на следующих слоях сорбента. Из-за наличия между гранулами сорбента пустого пространства. В дальнейшем сорбированные молекулы веществом носителем вымываются с поверхности сорбента и переносятся в его следующий слой, т.е. процесс десорбции происходит за счет движения вещества-носителя. По мере движения по колонке, процессы сорбции и десорбции многократно повторяются. В результате однородная проба (рис. б) постепенно разделяется частично (рис. в), а затем и полностью (рис. г). На выходе колонки устанавливается какой-либо анализатор ф-х свойства 3 (детектор). Этот детектор непрерывно измеряет после ввода пробы ф-х свойства вещества-носителя. Когда вместе с веществом носителем из колонки поступает какой-либо компонент, ф-х свойства которого отличаются от ф-х свойств носителя, сигнал детектора изменяется (увеличивается) и записывается в виде импульса. Этот импульс принято называть пиком. Так во времени записываются импульсы, соответствующие трем компонентам A, B и C. Принципиальное число компонентов неограниченно. Такая запись называется хроматограммой (запись во времени сигнала детектора). Скорость движения i-го компонента Wi определяется формулой (1), где: Wв-н – скорость движения вещества-носителя. Кудi – коэффициент удерживания i-го компонента на данном сорбенте. Время движения i-го компонента по колонне длинной L характеризуется временем удерживания tудi и определяется формулой (2). Таким образом, чем легче компонент, тем быстрее он пробегает колонку. Для определения, какому элементу принадлежит тот или иной пик, проводят предварительный качественный анализ, при котором в колонку пускают чистые компоненты, и определяют их tуд, а затем сопоставляют с tуд компонентов. Затем осуществляется количественный анализ. Определяют коэффициент абсолютной чувствительности по площади KS или по высоте Kh. Для этого вводят пробы с известной концентрацией i-го компонента. Информативный параметр – либо S площадь, либо h высота i-го компонента (формулы (3) и (4)). Если известна математическая форма сигнала детектора, то можно рассчитать коэффициенты относительной чувствительности. Определение концентрации i-го компонента осуществляется по формуле 5. Другие методы анализа: Ректификация (используется в лабораторной практике). Масс-спектроскопия (используется в некоторых случаях, когда необходимо получать информацию о составе). Его минусы: высокая стоимость и сложность оборудования. Сущность состоит в ионизации молекул анализируемой среды. Разделение их по молекулярным массам в глубоком вакууме. Схема жидкостного хроматографа. (Рис. 60) [61] Прибор содержит 4 блока: I – блок подготовки газа; II – аналитический блок; III – блок обработки информации; IV - программатор (командный прибор). В блоке I, имеются: 1 – регулятор расхода жидкости носителя (различные, чистые органические вещества); 3 – насос высокого давления (15 – 16 МПа); Стабилизатор расхода 4. В режиме «подготовка» жидкость непрерывно подается в аналитический блок II, жидкость-носитель от регулятора расхода 1, подается в змеевик 12, где нагревается до температуры в аналитическом блоке, также через дроссель 13 она подается в сравнительную камеру 7 детектора 5. Температура в аналитическом блоке поддерживается постоянной с помощью регулятора температур 14. В режиме подготовки жидкость-носитель из змеевика 12, через автоматический дозатор, испаритель жидких проб 9, и хроматографическую колонку 8, непрерывно поступает в измерительную камеру 6 детектора 5. В этом режиме на хроматографе отображается нулевой сигнал (начальный уровень сигнала, нулевая линия), также в этом режиме ан. газ/жидкость проходит в дозаторе через дозирующий объем 11 и непрерывно промывает его. Этот режим длится 10-20 секунд. Затем по сигналу командного прибора IV дозаторы переключаются в режим «анализ». При этом жидкость-носитель (пунктирные линии) в дозаторе проходит через отображенный дозируемый объем 11 и подхватывает этот объем. Если прибор используется для анализа газовых сред, то отображенный объем непосредственно вводится в хроматографическую колонку 8, если же прибор предназначен для анализа, то отобранная проба поступает в испаритель 9, где преобразуется в газовую фазу. За счет нагрева, а затем поступает в колонку 8. В этой колонке компоненты отделяются друг от друга и в детектор они поступают по очереди. В зависимости от времени удержания при поступлении очередного компонента, в измерительную камеру детектора, формируется его сигнал, который воспринимается нормирующим преобразователем 15, и преобразователем в унифицированный электрический сигнал. (ток или напряжение). Этот сигнал направляется в интегратор 16, который определяет площади пиков и в электронный потенциометр 17, который записывает хроматограммы. В хроматографе снабженным компьютером сигнал преобразователя 15, отправляется в АЦП, после чего осуществляется его обработка на компьютере в соответствующей программе. По окончанию одного цикла измерений все операции повторяются. Колонками служат трубочки диной от 0,1 до 1 м, с внутренним диаметром 0,2 – 2 мм, заполненные специальными порошкообразными сорбентами с d гранул = несколько десятков микронов. Время анализа от 3-х до 60-ти минут. Преимущество жидкостной хроматографии по сравнению с газовой в том, что она обеспечивает наибольшее разделение компонентов. Т.к. коэффициент для жидких сред в тысячу раз меньше, чем коэффициент в газовой среде. Разделение жидких сред осуществляется без нагревания. Что исключает их деструкцию (распад). Недостатком является необходимость использования насосов высокого давления. Погрешность жидкостных и газовых хроматографов от 2 до 5%, причем это не класс точности.
Детекторы для жидкостных хроматографов. (Рис. 61, 62) [62] (Рис. 61, 62) 62 Чаще других в настоящее время применяются рефрактометрические и спектрофотометрические детекторы. U = k(ni – nЖ-Н)di. (1). Рис. а). Рефрактометрический детектор. Здесь луч света от источника 4 через оптическую систему 5 направляется в торец пластины 2, которая вместе с пластинками 1 и 3 образует две камеры (проточные): сравнительную 7 и измерительную 12, через которые прокачивается соответствующая сравнительная жидкость (например, жидкость-носитель) и поток жидкости-носителя из хроматографической колонки. Луч света, проходя кюветы 7 и 12, не отклоняются в том случае, если оптическая плотность жидкости в обеих кюветах одинакова. Если через 12 течет жидкость-носитель с каким-либо компонентом, имеющим большую оптическую плотность, луч света отклоняется и через щель диафрагмы 11 попадает в фотоприемник 8, сигнал с которого усиливается электронным усилителем 9 и регистрируется потенциометром 10. Он описывается формулой (1), где: k – коэффициент передачи детектора; ni – коэффициент рефракции i-го компонента; nЖ-Н – коэффициент рефракции жидкости-носителя; di – объемная концентрация i-го компонента. Длина стороны детектора 5мм, объем камеры 10 мкл. Такой малый объем необходим для того, чтобы обеспечить малоинерционное детектирование компонентов при расходе жидкости – носителя равных 0,5 – 2 мл. в минуту. Применяется в жидкостной хроматографии. Рис. б). Спектро-фото-колориметрический детектор. Здесь луч света от источника 1 через оптическую систему 2 поступает в кювету 3, через которую непрерывно протекает жидкость-носитель из хроматографической колонки. Лучи, выходящие из кюветы после поглощения, направляются в диспергирующий элемент 4 (призма, дифракционная решетка), где происходит разложение на спектры. Например, для видимого света от красного до синего, возникающей при этом пучок света направляется на фотодиодную матрицу 5, содержащую до 200 фотодиодов, которые через коммутатор (мультиплексор 6), подключенны к компьютеру 7. Такой прием позволяет сразу снимать 200 спектров поглощения излучения, что используется для идентификации веществ. Объем камеры детектора 5 мл, сигнал описывается формулой: U = k(Di – DЖ-Н)di, где: Di – оптическая плотность i-го компонента, DЖ-Н – оптическая плотность жидкости – носителя. Учитывается для каждой ихз длин волн.