Измерение концентраций жидкостей и газов. Магнитные газоанализаторы и определение концентраций в жидкостях.

Чаще всего сырье или готовый продукт представляет собой смесь, которая состоит из двух и более составных частей, называемых компонентами.

Различают качественный и количественный состав смеси. Первый представляет собой информацию о том, какие компоненты входят в смесь, второй, кроме того, дает информацию о количестве этих компонентов в смеси. Количественный состав характеризуется концентрацией

Бинарная смесь – смесь, состоящая из двух компонентов.

Многокомпонентная смесь – смесь, состоящая из трех и более компонентов.

Псевдобинарная смесь – многокомпонентная смесь, которая при определенных условиях по некоторому физико-химическому свойству может рассматриваться как бинарная.

Измерение концентрации определяемого компонента в бинарных и псевдобинарных смесях жидкостей и газов – одна из наиболее распространенных задач автоматического контроля качества потоков химико-технологических процессов. В общем случае измерение концентрации определяемого компонента в бинарной смеси осуществляется путем измерения какого-либо физико-химического свойства этой смеси.

Магнитные газоанализаторы. Принцип действия основан на взаимодействии определяемого компонента анализируемой (в общем случае многокомпонентной) газовой смеси с магнитным полем.

Большинство газов является диамагнетиками, и они выталкиваются из магнитного поля. Количественно их магнитные свойства характеризуются объемной магнитной восприимчивостью χ _д, которая является отрицательной величиной. Газы, которые втягиваются в магнитное поле, называют парамагнитными и их магнитная восприимчивость χ _п является положительной величиной. Парамагнитными свойствами обладают кислород и оксиды азота. Кислород имеет точку Кюри 85ºС, при которой он из парамагнетика превращается в диамагнетик.

Аномальные магнитные свойства кислорода используются для получения измерительной информации о его концентрации в многокомпонентных смесях газов и паров. Наиболее распространенными являются термомагнитные газоанализаторы.

Анализируемый газ поступает из блока подготовки 1 с постоянным объемным расходом в кольцевую камеру 3. По диаметру этой камеры установлена тонкостенная стеклянная трубка 4 с намотанными на ней терморезисторами R ₁ и R ₂. Если в анализируемом газе отсутствует кислород, то при горизонтальном положении трубки 4 поток газа через нее отсутствует.

Когда в анализируемом газе имеется кислород, он втягивается в магнитное поле, создаваемое постоянным магнитом 2 около левого (на рисунке) конца трубки 4. Затем кислород нагревается терморезистором R ₁ до температуры выше точки Кюри, становится диамагнитным и выталкивается из магнитного поля. Возникает поток газа, протекающий по трубке 4. который измеряется расходомером. При этом R ₁ охлаждается, а R ₂ – нагревается.

Диапазоны измерений термомагнитного газоанализатора от 0 – 1 до 0 – 100%. Классы точности 2,5 – 5% (в зависимости от диапазона измерений).

Анализаторы жидкостей.

Принцип действия кондуктометрических анализаторов основан на зависимости электропроводности растворов электролитов от концентрации растворенных веществ. В этих растворах часть молекул диссоциирует на положительные и отрицательные ионы, которые соответственно называют катионами и анионами, что придает растворам способность проводить электрический ток. Если жидкость является частью электрической цепи, то она ведет себя как электрическое сопротивление, проводимость k которого определяется выражением:

где χ – удельная проводимость (электропроводность); S и l – площадь сечения проводника и его длина.

Чувствительные элементы кондуктометров называются электролитическими измерительными ячейками. По конструкции различают контактные и бесконтактные измерительные ячейки. В контактных измерительных ячейках в анализируемом растворе размещаются электроды, т. е, имеет место гальванический контакт с ним. В бесконтактных измерительных ячейках этот контакт отсутствует, а используется электромагнитное взаимодействие с анализируемым раствором.

По числу электродов в контактной измерительной ячейке различают двух-, трех- и четырехэлектродные ячейки.

Простейшей является двухэлектродная ячейка, которая представляет собой камеру с двумя инертными металлическими электродами, заполненную анализируемой жидкостью. Электрическое сопротивление измерительной ячейки определяется выражением

где К – константа измерительной ячейки, зависящая от площади поверхности электродов, расстояния между ними и их конфигурации, определяемая опытным путем.

Для уменьшения влияния внешних электромагнитных наводок на результат измерения применяют трехэлектродные ячейки, в которых средний электрод размещен между двумя внешними.

Для уменьшения погрешности, связанной с поляризацией электродов, применяют четырехэлектродные измерительные ячейки, в которых функции подвода электрической энергии к ячейке и съема сигнала измерительной информации разделены. В четырехэлектродной ячейке 1 к токовым электродам 2 и 5 подводится стабилизированное напряжение U от источника переменного или постоянного тока и между ними в анализируемой жидкости проходит ток. Электроды 3 и 4 служат зондами для измерения падения напряжения Ux, которое создается током на участке между этими электродами. При измерении указанного падения напряжения компенсационным методом ток в цепи электродов 3 и 4 практически не проходит и они не поляризуются.

Бесконтактные измерительные ячейки применяются при анализе жидких сред, содержащих взвеси, коллоиды, пленкообразующие и кристаллизующиеся компоненты.

Анализируемая жидкость поступает в трубку 3 из диэлектрика, на которую снаружи намотаны обмотки двух трансформаторов – возбуждающего Tp1 и измерительного Тр2. Обмотка 1 трансформатора Tp1 подключена к источнику переменного тока. Раствор анализируемого вещества в трубке 3 образует замкнутый жидкостной виток и является вторичной обмоткой трансформатора Tp1. Под действием ЭДС, наводимой первичной обмоткой 1 в замкнутом витке, в нем проходит ток. Сила этого тока пропорциональна электропроводности анализируемой жидкости. Для измерительного трансформатора Тр2 жидкостный виток служит первичной обмоткой.

ЭДС, наводимая в его вторичной обмотке 2, зависит от силы тока, проходящего по жидкостному витку, т.е. определяется электропроводностью анализируемой жидкости.

В практике автоматического аналитического контроля наиболее широкое применение имеют кондуктометры с контактными измерительными ячейками. Для измерения сопротивления электролитических измерительных ячеек применяются разные по схемам уравновешенные и неуравновешенные мосты переменного тока.

Кондуктометрические анализаторы используются для автоматического контроля концентрации растворов солей, кислот, щелочей и других сред. В зависимости от схемы и конструкции класс точности промышленных кондуктометров составляет 1 – 5%. Диапазон измерений по электропро­водности от 1•10 -8 до 1 См/см.

Потенциометрические анализаторы. Принцип действия потенциометрических анализаторов основан на измерении потенциала электрода, размещенного в электролите, который зависит от концентрации определяемого компонента.

В силу того, что электродный потенциал непосредственно измерить нельзя, его измеряют косвенным путем по ЭДС гальванического элемента, составленного из измерительного электрода 1 и сравнительного электрода 2.

Оба электрода погружены в исследуемую жидкость, протекающую через ячейку 3. Потенциал измерительного электрода Еи изменяется при изменении концентрации ионов в анализируемой среде, а потенциал сравнительного электрода Еср, не зависит от концентрации ионов в анализируемой среде и остается постоянным. ЭДС такого гальванического элемента Е определяется разностью потенциалов измерительного и сравнительного электродов: Е = Еи – Еср. Измерение этой ЭДС при постоянном потенциале Ecр позволяет получить информацию о концентрации определяемых ионов в анализируемой жидкости.

На практике потенциометрические анализаторы применяются в основном для контроля бинарных и псевдобинарных жидкостей.

Для измерения сигнала гальванического элемента потенциометрического анализатора используют измерительные приборы и нормирующие измерительные преобразователи.

Основное требование к приборам, измеряющим электродные потенциалы – наличие высокого входного сопротивления. Так, при измерении рН оно должно составлять 500 – 1000 Мом.

В потенциометрическом анализаторе (рис), который содержит гальваническую ячейку 3 с измерительным 1 и сравнительным 2 электродами, измерение 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. Разность напряжений подается на вход усилителя постоянного тока 5 с высоким входным сопротивлением. Постоянный ток преобразуется в переменный, усиливается усилителем 6 и управляет реверсивным двигателем, который перемещает подвижный контакт в сторону уменьшения разности напряжений.

Потенциометрические автоматические анализаторы рН имеют диапазон измерений от 0 – 1 до 0 – 14 рН и время реакции 15 – 30 с. Классы точности потенциометрических анализаторов 0,5 –10.

Конфликты в семейной жизни. Как это изменить? Редкий брак и взаимоотношения существуют без конфликтов и напряженности. Через это проходят все...

Система охраняемых территорий в США Изучение особо охраняемых природных территорий(ООПТ) США представляет особый интерес по многим причинам...

Что вызывает тренды на фондовых и товарных рынках Объяснение теории грузового поезда Первые 17 лет моих рыночных исследований сводились к попыткам вычис­лить, когда этот...

ЧТО ПРОИСХОДИТ ВО ВЗРОСЛОЙ ЖИЗНИ? Если вы все еще «неправильно» связаны с матерью, вы избегаете отделения и независимого взрослого существования...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: