Capteurs et appareils de mesure pour déterminer la composition et les propriétés des substances

La principale caractéristique de la classification des appareils de contrôle et des équipements d'automatisme est leur rôle dans les systèmes de régulation et de contrôle automatique en termes de flux d'informations.

Les tâches des moyens techniques d'automatisation en général sont:

• obtenir des informations primaires ;

• sa métamorphose ;

• sa transmission ;

• traitement et comparaison des informations reçues avec le programme ;

• formation d'informations de commande (contrôle);

• transmission d'informations de commande (contrôle);

• utiliser les informations de commande pour contrôler le processus.

Capteurs pour les propriétés et la composition des substances jouent un rôle de premier plan dans le système de contrôle automatique, ils servent à obtenir des informations primaires et déterminent en grande partie la qualité de l'ensemble du système de contrôle automatique.

Établissons quelques concepts de base.Quelle est la mesure, les propriétés, la composition du milieu? Les propriétés du milieu sont déterminées par les valeurs numériques d'une ou plusieurs grandeurs physiques ou physico-chimiques mesurables.

La mesure est un processus qui révèle par une expérience le rapport quantitatif d'une certaine quantité physique ou physico-chimique caractérisant les propriétés du milieu d'essai et la quantité correspondante du milieu de référence. Une expérience est comprise comme un processus objectif d'impact actif sur l'environnement testé, produit à l'aide de moyens matériels dans des conditions déterminées.

La composition de l'environnement, c'est-à-dire le contenu qualitatif et quantitatif de ses éléments constitutifs, peut être déterminée à partir de sa dépendance connue aux propriétés physiques ou physico-chimiques du milieu et aux grandeurs qui les caractérisent, soumises à mesure.

En règle générale, les propriétés et la composition du milieu sont déterminées indirectement. En mesurant diverses grandeurs physiques ou physico-chimiques caractérisant les propriétés du milieu, et connaissant la relation mathématique entre ces grandeurs, d'une part, et la composition du milieu, d'autre part, on peut estimer sa composition à un degré supérieur ou égal à moindre degré de précision.

En d'autres termes, pour choisir ou construire un appareil de mesure, par exemple pour déterminer la composition complète d'un milieu multicomposant, il faut d'abord établir quelles grandeurs physiques ou physico-chimiques caractérisent les propriétés de ce milieu et, deuxièmement, pour trouver des dépendances de forme

ki = f (C1, C2, … Cm),

où ki — concentration de chaque composant de l'environnement, C1, C2, ... Cm — grandeurs physiques ou physico-chimiques caractérisant les propriétés de l'environnement.

En conséquence, le dispositif utilisé pour contrôler la composition du milieu peut être calibré en unités de concentration d'un certain composant ou propriétés du milieu, s'il existe une relation non ambiguë entre eux dans certaines limites.

Les appareils de contrôle automatique des propriétés physiques et physico-chimiques et de la composition des substances sont des appareils qui mesurent des grandeurs physiques ou physico-chimiques distinctes qui déterminent sans ambiguïté les propriétés de l'environnement ou sa composition qualitative ou quantitative.

Cependant, l'expérience montre que pour la mise en place d'une régulation ou d'un contrôle automatique d'un procédé technologique suffisamment étudié, il n'est pas nécessaire de disposer à tout moment d'informations complètes sur la composition des produits intermédiaires et finaux et sur la concentration de certains de leurs composants. Ces informations sont généralement nécessaires lors de la création, de l'apprentissage et de la maîtrise des processus.

Lorsque les réglementations technologiques optimales ont été élaborées, des relations non ambiguës entre le déroulement du procédé et les grandeurs physiques et physico-chimiques mesurables caractérisant les propriétés et la composition des produits ont été établies, alors le procédé peut être mis en œuvre, étalonnage de l'échelle de l'appareil directement dans les grandeurs qu'il mesure, par exemple, en unités de température, de courant électrique, de capacité, etc., ou en unités de la propriété spécifiée du milieu, par exemple, la couleur, la turbidité, la conductivité électrique, la viscosité, la constante diélectrique, etc n.

Les principales méthodes de mesure des grandeurs physiques et physico-chimiques qui déterminent les propriétés et la composition du milieu sont décrites ci-dessous.

La nomenclature de produits existante historiquement établie comprend les principaux groupes d'appareils suivants :

• analyseurs de gaz,

• concentrateurs de liquide,

• densimètres,

• viscosimètres,

• hygromètres,

• spectromètres de masse,

• chromatographes,

• pH-mètres,

• solinomètres,

• compteurs de sucre etc.

Ces groupes, à leur tour, sont subdivisés selon les méthodes de mesure ou selon les substances analysées. L'extrême conventionnalité d'une telle classification et la possibilité d'affecter des dispositifs structurellement identiques à différents groupes rendent difficile l'étude, la sélection et la comparaison des dispositifs.

Les appareils de mesure directe comprennent ceux qui déterminent les propriétés physiques ou physico-chimiques et la composition de la substance directement testée. En revanche, dans les dispositifs combinés, l'échantillon de la substance d'essai est exposé à des influences qui modifient considérablement sa composition chimique ou son état d'agrégation.

Dans les deux cas, une préparation préliminaire de l'échantillon en termes de température, de pression et de certains autres paramètres est possible. En plus de ces deux principales classes d'appareils, il existe également ceux dans lesquels des mesures directes et combinées peuvent être effectuées.

Instruments de mesure directe

Dans les appareils de mesure directe, les propriétés physiques et physico-chimiques du milieu sont déterminées par la mesure des grandeurs suivantes : mécanique, thermodynamique, électrochimique, électrique et magnétique, et enfin ondulatoire.

Aux valeurs mécaniques tout d'abord, la densité et la gravité spécifique du milieu sont déterminées à l'aide d'instruments basés sur des méthodes de mesure au flotteur, à la gravité, hydrostatiques et dynamiques.Cela comprend également la détermination de la viscosité du milieu, mesurée avec différents viscosimètres : capillaire, rotatif, basé sur les méthodes de chute de billes et autres.

A partir des grandeurs thermodynamiques l'effet thermique de la réaction, mesuré avec des appareils thermochimiques, le coefficient de conductivité thermique, qui est mesuré avec des appareils thermoconducteurs, la température d'inflammation des produits pétroliers, la pression de vapeur, etc. ont trouvé une application.

Développement approfondi pour mesurer la composition et les propriétés des mélanges liquides ainsi que certains gaz résultants appareils électrochimiques… Ils comprennent avant tout conductimètres et potentiomètresdispositifs conçus pour déterminer la concentration de sels, d'acides et de bases en changeant conductivité électrique les décisions. Ce sont les soi-disant concentrateurs conductimétriques ou conductimètres avec et sans contact.

Trouvé très largement distribué pH-mètres — dispositifs de détermination de l'acidité du milieu par le potentiel de l'électrode.

Le décalage de potentiel d'électrode dû à la polarisation est déterminé dans les analyseurs de gaz galvaniques et dépolarisants, servant à contrôler la teneur en oxygène et autres gaz dont la présence provoque une dépolarisation des électrodes.

C'est l'un des plus prometteurs méthode de mesure polarographique, qui consiste en la détermination simultanée des potentiels de libération des différents ions sur l'électrode et de la densité de courant limite.

La mesure de la concentration d'humidité dans les gaz est réalisée au moyen de méthode coulométrique, où est défini taux d'électrolyse de l'eauadsorbé du gaz à travers un film sensible à l'humidité.

Appareils basés sur pour mesurer des grandeurs électriques et magnétiques.

Ionisation gazeuse avec mesure simultanée de leur conductivité électrique, permet de mesurer de faibles concentrations. L'ionisation peut être thermique ou sous l'influence de diverses radiations, notamment d'isotopes radioactifs.

L'ionisation thermique est largement utilisée dans les détecteurs à ionisation de flamme des chromatographes… L'ionisation des gaz par les rayons alpha et bêta est largement utilisée dans les détecteurs chromatographiques (détecteurs dits "argon"), ainsi que dans les analyseurs de gaz à ionisation alpha et bêtabasé sur la différence des sections efficaces d'ionisation des différents gaz.

Le gaz d'essai de ces instruments traverse une chambre d'ionisation alpha ou bêta. Dans ce cas, le courant d'ionisation dans la chambre est mesuré, ce qui caractérise le contenu du composant. La détermination de la constante diélectrique d'un milieu est utilisée pour mesurer la teneur en humidité et autres substances au moyen de différents types humidimètres capacitifs et compteurs diélectriques.

La constante diélectrique on utilise un film absorbant lavé par un courant gazeux, caractérisant la concentration de vapeur d'eau qu'il contient hygromètres diélométriques.

La sensibilité magnétique spécifique permet de mesurer la concentration de gaz paramagnétiques, principalement l'oxygène, au moyen de analyseurs de gaz thermomagnétiques, magnétoeffusion et magnétomécaniques.

Enfin, la charge spécifique des particules, qui, avec leur masse, est la principale caractéristique d'une substance, est déterminée par spectromètres de masse à temps de vol, analyseurs de masse haute fréquence et magnétiques.

Mesure des grandeurs d'onde — l'une des directions les plus prometteuses dans la construction d'instruments, basée sur l'utilisation de l'effet de l'interaction de l'environnement testé avec différents types de rayonnement. Ainsi, l'intensité de l'absorption par l'environnement vibration ultrasonique permet d'estimer la viscosité et la densité du milieu.

La mesure de la vitesse de propagation des ultrasons dans un milieu donne une idée de la concentration des composants individuels ou du degré de polymérisation des latex et autres substances polymères. Presque toute l'échelle des oscillations électromagnétiques, des radiofréquences aux rayons X et au rayonnement gamma, est utilisée dans les capteurs pour les propriétés et la composition des substances.

Ils comprennent les instruments analytiques les plus sensibles qui mesurent l'intensité de l'absorption d'énergie des oscillations électromagnétiques dans les gammes de longueur d'onde courte, centimétrique et millimétrique, sur la base de la résonance électromagnétique et magnétique nucléaire.

Les plus utilisés sont les appareils qui utilisent l'interaction de l'environnement avec l'énergie lumineuse. dans les parties infrarouge, visible et ultraviolette du spectre… L'émission et l'absorption intégrales de la lumière ainsi que l'intensité des raies et bandes caractéristiques des spectres d'émission et d'absorption des substances sont mesurées.

Des dispositifs basés sur l'effet optique-acoustique sont utilisés, fonctionnant dans la région infrarouge du spectre, adaptés à la mesure de la concentration de gaz et de vapeurs polyatomiques.

Indice de réfraction de la lumière dans le milieu utilisé pour déterminer la composition des milieux liquides et gazeux par réfractomètres et interféromètres.

La mesure de l'intensité de rotation du plan de polarisation de la lumière par des solutions de substances optiquement actives permet de déterminer leur concentration par polarimètres.

Des méthodes de mesure de la densité et de la composition de divers milieux, basées sur les diverses applications de l'interaction des rayons X et du rayonnement radioactif avec le milieu, ont été largement développées.

Appareils combinés

Dans un certain nombre de cas, la combinaison de la détermination directe des propriétés physiques et physico-chimiques de l'environnement avec diverses opérations auxiliaires précédant la mesure peut élargir considérablement les possibilités de mesure, augmenter la sélectivité, la sensibilité et la précision de méthodes simples. Nous appelons ces dispositifs combinés.

Les opérations annexes comprennent principalement absorption d'un gaz à partir d'un liquide, condensation de vapeur et évaporation de liquidepermettant l'utilisation de méthodes de mesure de la concentration des liquides dans l'analyse des gaz, telles que conductométrie, potentiométrie, photocolorimétrie, etc.et vice versa, pour mesurer la concentration des liquides utilisés méthodes d'analyse des gaz : conductométrie thermique, spectrométrie de masse, etc.

L'une des méthodes de sorption les plus courantes est chromatographie, qui est une méthode de mesure combinée dans laquelle la détermination des propriétés physiques du milieu d'essai est précédée du processus de sa séparation chromatographique en ses composants constitutifs. Cela simplifie le processus de mesure et élargit considérablement les limites des possibilités des méthodes de mesure directe.

La capacité de mesurer la composition totale de mélanges organiques complexes et la grande sensibilité des appareils ont conduit au développement rapide de cette direction dans les instruments analytiques ces dernières années.

Une application pratique a été trouvée dans l'industrie chromatographes en phase gazeusecomposé de deux parties principales : une colonne chromatographique conçue pour séparer le mélange d'essai et un détecteur utilisé pour mesurer la concentration des composants séparés du mélange. Il existe une grande variété de conceptions de chromatographes en phase gazeuse, tant en termes de régime thermique de la colonne de séparation que de principe de fonctionnement du détecteur.

Dans les chromatographes en mode isotherme, la température du thermostat de la colonne est maintenue constante pendant le cycle d'analyse ; dans les chromatographes à programmation de température, celle-ci évolue dans le temps selon un programme prédéterminé ; dans les chromatographes en mode thermodynamique, au cours du cycle d'analyse, la température des différentes parties de la colonne change sur sa longueur.

En principe, un détecteur chromatographique peut être utilisé tout appareil permettant de déterminer les propriétés physiques et physico-chimiques d'une substance donnée. Sa conception est encore plus simple que celle des autres instruments d'analyse, car les concentrations des composants déjà séparés du mélange doivent être mesurées.

Actuellement largement utilisé détecteurs basés sur la mesure de la densité de gaz, de la conductivité thermique (les soi-disant "cataromètres"), l'effet thermique de la combustion des produits ("thermochimique"), la conductivité électrique de la flamme dans laquelle pénètre le mélange d'essai ("flame-ionization"), la conductivité électrique de la gaz ionisé par rayonnement radioactif (« ionisation -argon ») et autres.

Étant très universelle, la méthode chromatographique donne le plus grand effet lors de la mesure de la concentration d'impuretés dans des mélanges d'hydrocarbures complexes avec un point d'ébullition allant jusqu'à 400 - 500 ° C.

Les processus chimiques qui amènent le milieu à des paramètres qui peuvent être mesurés de manière simple peuvent être utilisés avec presque toutes les méthodes de mesure directe. L'absorption sélective des composants individuels d'un mélange gazeux par un liquide permet de mesurer la concentration des substances d'essai en mesurant le volume du mélange avant et après absorption. Le fonctionnement des analyseurs volumétriques de gaz est basé sur ce principe.

Différent réactions de couleur, précédant la mesure de l'effet de l'interaction avec la substance de l'émission lumineuse.

Cela comprend un grand groupe de soi-disant photocolorimètres à bande, dans lequel la mesure de la concentration des composants gazeux est effectuée en mesurant le degré de noircissement d'une bande sur laquelle une substance qui donne une réaction colorée avec la substance d'essai a été préalablement appliquée. Cette méthode est largement utilisée pour mesurer les microconcentrations, en particulier les concentrations dangereuses de gaz toxiques dans l'air des locaux industriels.

Les réactions colorées sont également utilisées dans les photocolorimètres liquides pour augmenter leur sensibilité, pour mesurer la concentration de composants incolores dans les liquides, etc.

C'est prometteur mesurer l'intensité de la luminescence des liquidescausées par des réactions chimiques. L'une des méthodes chimiques d'analyse les plus courantes est titrage... La méthode de titrage consiste à mesurer des grandeurs physiques et physico-chimiques inhérentes à un milieu liquide exposé à des facteurs chimiques ou physiques externes.

Au moment du passage des changements quantitatifs aux changements qualitatifs (le point final du titrage), la quantité consommée de substance ou d'électricité correspondant à la concentration du composant mesuré est enregistrée. Fondamentalement, c'est une méthode cyclique, mais il en existe différentes versions, jusqu'à continue. Les plus largement utilisés comme indicateurs du point final du titrage sont capteurs potentiométriques (pH-métriques) et photocolorimétriques.

Arutyunov OS Capteurs pour la composition et les propriétés de la matière