Измерительные преобразователи и приборы для измерения состава и свойств сред

• Измерительные преобразователи и приборы для измерения состава и свойств сред

• Измерение параметров, характеризующих состав и свойства продуктов, позволяет судить о режиме этих процессов непосредственно, так как именно они характеризуют качество продукции.

• Средства измерений для получения измерительной информации о составе или свойствах анализируемых веществ называются анализаторами.

• Измерение плотности жидкостей

Измерения, связанные с анализом состава и свойств веществ, основаны на использовании зависимостей между составом анализируемого вещества (или концентрациями его компонентов) и величинами, характеризующими его физические или физико-химические параметры.

Плотность жидкости является одним из показателей (параметров), характеризующих ее свойства.

Плотность – это масса вещества, заключенная в единице объема.

Весовые плотномеры. Эти приборы основаны на измерении массы анализируемой жидкости определенного объема, которая является функцией ее плотности. Конструктивно они выполняются в виде мерной камеры определенного объема, масса которой измеряется.

Весовой плотномер с U-образной трубкой 2 в качестве чувствительного элемента снабжен пневматическим преобразователем. По сообразной трубке непрерывно протекает анализируемая жидкость, подводимая к ней через специальные безмоментные подводы — гибкие рукава 1 (резиновые трубки,

сильфоны и т. п.).

Изменение массы чувствительного элемента, пропорциональное изменению плотности жидкости, передается с помощью тяги 3 на левое плечо рычага 4. На правое плечо

того же рычага действуют противовес 5 и усилие сильфона обратной связи 6. Перемещение рычага 4 преобразуется в пневматический сигнал с помощью пневмопреобразователя типа сопло – заслонка 7. Этот сигнал поступает к измерительному пневматическому прибору и в сильфон обратной связи 6.При

равновесии рычага 4 выходной пневматический сигнал пропорционален плотности анализируемой жидкости. Настройка прибора на необходимый диапазон измерения осуществляется перемещением груза 5.

• Поплавковые плотномеры.

Приборы основаны на изменении степени погружения поплавка, являющейся функцией плотности анализируемой жидкости. При погружении в жидкость полупогруженного тела (поплавка) согласно закону Архимеда на него будет действовать выталкивающая сила, равная массе вытесненной им жидкости.

В практике широко используются поплавковые приборы, предназначенные для эпизодических измерений, так называемые ареометры. Они могут быть стеклянными или металлическими и самой разнообразной формы. В промышленности применяется большая группа плотномеров автоматических, использующих поплавковый (ареометрический) принцип измерения .

Автоматический поплавковый плотномер

В поплавковом плотномере анализируемая жидкость подводится в измерительную камеру 1 через входной патрубок и отводится через выходной сливной. Поплавок 2, полностью погруженный в жидкость, с помощью штока 3 соединен с торсионной трубкой (пружиной) 4. Усилие, создаваемое на ней, уравновешивает выталкивающую силу поплавка. Торсионная трубка соединена также с сердечником электрического преобразователя 5 , к которому подключается измерительный прибор.

• Гидростатические плотномеры.

Принцип их действия основан на измерении давления столба однородной анализируемой жидкости определенной высоты, пропорционального ее плотности. При неизменной высоте столба жидкости Н давление Р является мерой ее плотности. Известны гидростатические плотномеры с чувствительными элементами в виде мембран или сильфонов и с продувкой воздухом, называемые пневмометрическими . Гидростатические пневмометрические плотномеры с продувкой воздухом основаны на следующем принципе . Через трубку, погруженную открытым концом в анализируемую жидкость на постоянную глубину Н, продувают (барботируют) воздух. К трубке подключен измерительный прибор – чувствительный манометр, давление в котором прямо пропорционально плотности контролируемой жидкости.

• Радиоизотопные плотномеры.

Измерение плотности различных сред этими плотномерами основано на зависимости степени ослабления ионизирующего излучения, прошедшего через анализируемую среду, от плотности этой среды. В радиоизотопном плотномере пучок γ −излучения от источника 1 проходит через анализируемую жидкость 2, протекающую по трубопроводу или находящуюся в сосуде, и попадает на приемник излучения (детектор) 3. При изменении плотности жидкости изменяется интенсивность излучения, попадающего на приемник 3. олученный сигнал далее подается на усилитель 4, а затем и на измерительный прибор 5.

• Измерение вязкости жидкостей

Вязкость жидкостей характеризуется динамическим коэффициентом вязкости — величиной, равной отношению силы внутреннего трения, которая действует на поверхности слоя жидкости при градиенте скорости, равном единице, к площади этого слоя.

Для измерения вязкости служат

вискозиметры.

• Капиллярные вискозиметры.

Их действие основано на использовании закона Пуазейля для истечения жидкости из капиллярных трубок.

В капиллярном вискозиметре постоянство значения расхода обеспечивается шестеренным насосом 1 . Анализируемая жидкость проходит через капиллярную трубку 3 диаметром d и длиной L. Перепад давления между входом и выходом трубки измеряется чувствительным дифманометром 2, отградуированным в единицах вязкости.

• В основе принципа их действия лежит теория Стокса, справедливая в применении к движению шариков малого диаметра в жидкостях и заключающаяся в том, что шар, падающий в достаточно вязкой среде, приобретает постоянную скорость движения за сравнительно короткий промежуток времени.

• Шариковые вискозиметры.

• Ротационные вискозиметры.

Принцип их действия основан на измерении моментов сопротивления или крутящих моментов, передаваемых анализируемой жидкостью чувствительному элементу, которые являются функцией вязкости жидкости. Чаще других применяются приборы с коаксиальными цилиндрами, вращающимися телами и вращающимися параллельными дисками, погружаемыми в анализируемую жидкость.

Вискозиметр с коаксиальными цилиндрами представляет собой два цилиндра, между которыми помещается анализируемая жидкость. При вращении внешнего цилиндра 2 с постоянной скоростью от электродвигателя 1 жидкость приходит в стационарное вращательное движение и передает момент вращения внутреннему цилиндру 3. Для сохранения этого цилиндра в покое к нему должен быть приложен противоположный по знаку и равный по величине момент силы, создаваемый, как показано на рисунке, грузом 4.

• Анализаторы состава жидкостей представляют собой средства измерений, предназначенные для получения измерительной информации о количестве вещества или его концентрации, а в некоторых случаях – о сумме компонентов веществ в анализируемой жидкости.

• Измерение содержания веществ, растворенных в жидкостях

• Кондуктометрические приборы.

Принцип их действия основан на измерении электропроводности анализируемых растворов. Удельная

электропроводность (удельная электрическая проводимость)

жидкостей в зависимости от концентрации и природы

растворенных в них веществ может изменяться на несколько

порядков, от 10–4 (чистая вода) до 100 См/м (сильные

электролиты), что позволяет в ряде случаев просто и с высокой степенью точности контролировать концентрацию компонентов в растворах.

Чувствительный элемент этих приборов – измерительная

ячейка – состоит из двух электродов, помещаемых в

анализируемый раствор на определенном расстоянии один от другого (рис. 3.25). Сопротивление ячейки определяется электропроводностью раствора. При площади электродов S , расстоянии между электродами L и удельной теплопроводности раствора σ , сопротивление измерительной ячейки (в Ом): R = L / σS = К / σ. Измерение электропроводности может производиться как на постоянном, так и на переменном токе.

• Оптические анализаторы.

• Эти приборы относятся к классу спектральных анализаторов, в которых значение выходного сигнала измерительной информации зависит от взаимодействия потока излучения с анализируемой жидкостью или от свойств излучения анализируемой жидкости. В оптических приборах, как правило, в качестве измерительных преобразователей оптических величин в электрические применяются различные фотоэлектрические преобразователи.
• Рефрактометрический метод анализа жидких сред основан на использовании зависимости показателя преломления света при переходе его из одной среды в другую. В проточном рефрактометре (рис. 3.26) использована дифференциальная измерительная кювета.

Световой поток от источника 1 проходит через коллиматор 2 и направляется на измерительную кювету 3, состоящую из двух частей: одна заполнена эталонной жидкостью, а через другую протекает анализируемый раствор. Пройдя через измерительную кювету, световой поток попадает на блок дифференциального фотоприемника 4, состоящего из двух одинаковых фоторезисторов. Если коэффициенты преломления контролируемой и образцовой жидкостей одинаковы, то и обе половины фотоприемника освещены одинаково. При этом сигнал разбаланса, подаваемый на электронный усилитель 5 , равен нулю. При изменении концентрации анализируемой жидкости меняется коэффициент ее преломления, и луч света отклоняется вверх или вниз, что поведет к изменению освещенности частей фотоприемника. В результате на входе усилителя 5 появляется сигнал разбаланса, который после усиления будет подан к реверсивному электродвигателю 6, изменяющему положение блока фотоприемника до наступления нового состояния равновесия. Одновременно производится перестановка стрелки показывающего или пера записывающего устройства 7 .

Автоматический рефрактомер

• Измерение влажности газов, твердых и сыпучих материалов

Содержание влаги (воды) в воздухе и других газовых средах, а также в твердых, вязкопластичных и сыпучих материалах является весьма важной характеристикой, определяющей как протекание многих технологических процессов, так и качество исходного сырья и готовой продукции.

Методы измерения влажности газов. Влажность воздуха (газа) – это содержание в нем водяного пара; абсолютная влажность – масса водяного пара, содержащаяся в единице объема влажного или сухого газа; влагосодержание – отношение массы водяного пара к массе сухого газа в том же объеме.

1. Психрометрический метод измерения влажности основан на использовании зависимости между упругостью водяного пара в газовой среде и показаниями сухого и влажного термометров, помещенных в эту среду.

Простейший психрометр состоит из двух одинаковых жидкостных стеклянных палочных термометров, расположенных рядом. Баллончик с ртутью одного из термометров покрывается тканью, конец которой опускается в резервуар с водой. На основании показаний обоих термометров по соответствующим таблицам определяют влажность воздуха или газа. Психрометрический метод положен в основу построения ряда автоматических промышленных приборов, предназначенных для непрерывного измерения влажности воздуха и газов.

• 2. Конденсационный метод измерения влажности газов, или метод точки росы, основан на использовании следующей зависимости: φ = Е τ / Е t , где Е τ – упругость насыщенного пара при температуре точки росы τ , Па;

Е t упругость насыщенного пара при температуре t, Па.

Зная температуру точки росы τ и температуру исследуемого газа t, можно определить его относительную влажность.

3. В основе сорбционного метода измерения влажности лежит способность некоторых веществ, имеющих пористую структуру, адсорбировать влагу на своей поверхности.

В сорбционных электролитических влагомерах влагочувствительный элемент представляет собой жидкую или сухую пленку электролита, наносимую на неэлектропроводную основу (подложку), которая обладает свойством поглощать влагу из окружающей среды до тех пор, пока не установится динамическое равновесие между давлением водяного пара непосредственно над поверхностью электролита и давлением пара окружающей среды.

Сопротивление электролитической пленки чувствительного элемента влагомера изменяется в зависимости от концентрации растворенного вещества и температуры. В качестве электролитов, применяемых в электролитических датчиках, используются водные растворы хлорита лития (LiCl), смесь поваренной и сегнетовой солей и др.

• Измерение состава газов

В промышленности газоанализаторы используются для анализа топочных газов при сжигании разных видов топлива, а также для контроля концентрации предельных значений в пожаро- и взрывоопасных производствах и помещениях, где возможно скопление газов, вредных для здоровья обслуживающего персонала. В комплект газоаналитических приборов наряду с датчиком и измерителем выходных сигналов входит, как правило, ряд вспомогательных узлов, обеспечивающих нормальную работу устройства в целом. Основными вспомогательными узлами являются приспособления для отбора, очистки, транспортирования и подготовки к анализу проб газовой смеси.

Механические газоанализаторы. Приборы, основанные на использовании различных химических реакций и связанных с ними изменений объема или давления анализируемой газовой смеси после удаления из нее анализируемого компонента с помощью специальных поглотителей.

Тепловые газоанализаторы. В газоанализаторах этого типа осуществляется измерение относительного изменения теплопроводности анализируемой газовой смеси, сравниваемой с теплопроводностью эталонной смеси известного состава.

Такое сравнение осуществляется с помощью измерительного преобразователя – мостовой электрической схемы. Измерительный мост образован двумя одинаковыми чувствительными элементами (резисторами)R а и R э , выполняющими роль нагревателей и термопреобразователей сопротивления

одновременно, и двумя одинаковыми постоянными резисторами R 1 и R 2 .

Один из чувствительных элементов R а помещен в рабочую камеру, через которую непрерывно протекает анализируемая газовая смесь, а второй R э – в закрытую сравнительную камеру, заполненную эталонным газом известного состава. Обычно температура нагрева чувствительных элементов R a и R э в термокондуктометрических газоанализаторах составляет 100—120 °С.

• Если теплопроводность анализируемого и эталонного газов одинакова, нагреваемые в одинаковых условиях резисторы R а и R э будут иметь одинаковую температуру и электрические сопротивления, а следовательно, мост будет находиться в равновесии. При отклонении теплопроводности анализируемой газовой смеси от этого значения мост выйдет из равновесия и в диагонали его появится напряжение разбаланса ∆U, которое служит мерой концентрации определяемого компонента.

• Измерение состава газов и жидкостей методом хроматографии

Хроматография представляет собой физико-химический метод разделения сложных газовых или жидкостных смесей, при котором разделяемые компоненты распределяются между двумя фазами, одной из которых является движущийся поток анализируемого газа или жидкости – подвижная фаза, а второй – неподвижный сорбент с развитой поверхностью – неподвижная фаза, через которую движется анализируемый поток.

Проявительный метод хроматографического разделения получил наибольшее распространение. Он состоит в том, что через неподвижный сорбент непрерывно протекает несорбирующийся поток подвижной среды, в которую периодически вводится анализируемое вещество. Это вещество представляет собой смесь сорбирующихся компонентов, подлежащих определению.

Б В. Так как компоненты смеси имеют разную сорбируемость или растворимость, то движение их в колонке замедляется по-разному. Через некоторое время вперед уйдет компонент В, как менее сорбирующийся, за ним будет располагаться компонент Б и, наконец, А, более сорбирующийся и потому движущийся медленнее других компонентов. Затем компоненты разделяются полностью, а при дальнейшем движении между их слоями оказывается слой чистого носителя. . Таким образом, разделительную колонку покидают последовательно чистый носитель и бинарная смесь (носитель + анализируемый компонент). Бинарная смесь поступает в специальный анализатор-детектор, выходной сигнал которого прямо пропорционален концентрации анализируемого компонента " width="640"

Процесс разделения компонентов при проявительной хроматографии

Порция исследуемой смеси, состоящая, например, из компонентов А, Б и В, вводится в разделительную колонку, заполненную сорбентом – неподвижной фазой, и перемещается вдоль нее с помощью потока инертного (по отношению к сорбенту и компонентам смеси) носителя. При этом будем считать, что сорбируемость компонентов смеси характеризуется рядом А Б В. Так как компоненты смеси имеют разную сорбируемость или растворимость, то движение их в колонке замедляется по-разному. Через некоторое время вперед уйдет компонент В, как менее сорбирующийся, за ним будет располагаться компонент Б и, наконец, А, более сорбирующийся и потому движущийся медленнее других компонентов. Затем компоненты разделяются полностью, а при дальнейшем движении между их слоями оказывается слой чистого носителя. .

Таким образом, разделительную колонку покидают последовательно чистый носитель и бинарная смесь (носитель + анализируемый компонент). Бинарная смесь поступает в специальный анализатор-детектор, выходной сигнал которого прямо пропорционален концентрации анализируемого компонента

Хроматографическая разделительная колонка представляет собой трубку, в которую помещают неподвижную фазу, прохождения газового потока.

Важнейшей частью любого хроматографа является детектор, предназначенный для преобразования концентрации компонентов газа, выходящего из хроматографической разделительной колонки, в соответствующий электрический или другого вида сигнал, удобный для дальнейшего использования в системе автоматического контроля или регулирования.

От совершенства детектора во многом зависят чувствительность и точность хроматографической установки в целом. Наибольшее практическое применение в газовой хроматографии получили детекторы по теплопроводности (термокондуктометрические детекторы, или катарометры), ионизационные и пламенные.

Детекторы по теплопроводности по принципу действия аналогичны соответствующим газоанализаторам