مجسات وأجهزة قياس لتحديد تركيبة وخصائص المواد

السمة الرئيسية لتصنيف أجهزة التحكم ومعدات التشغيل الآلي هي دورها في أنظمة التنظيم والتحكم الأوتوماتيكية من حيث تدفق المعلومات.

مهام الوسائل التقنية للأتمتة بشكل عام هي:

• الحصول على المعلومات الأولية ؛

• تحولها

• انتقاله

• معالجة ومقارنة المعلومات الواردة مع البرنامج ؛

• تشكيل معلومات القيادة (السيطرة) ؛

• نقل معلومات القيادة (التحكم) ؛

• باستخدام معلومات الأمر للتحكم في العملية.

مجسات لخصائص وتكوين المواد تلعب دورًا رائدًا في نظام التحكم الآلي ، فهي تعمل على الحصول على المعلومات الأولية وتحديد جودة نظام التحكم الآلي بالكامل إلى حد كبير.

دعنا نضع بعض المفاهيم الأساسية.ما هو القياس والخصائص وتركيب الوسيط؟ يتم تحديد خصائص البيئة من خلال القيم العددية لواحد أو أكثر من الكميات الفيزيائية أو الفيزيائية الكيميائية التي يمكن قياسها.

القياس هو عملية الكشف من خلال التجربة عن النسبة الكمية لكمية فيزيائية أو كيميائية فيزيائية معينة تميز خصائص وسيط الاختبار والكمية المقابلة للوسيط المرجعي. تُفهم التجربة على أنها عملية موضوعية للتأثير النشط على البيئة المختبرة ، ويتم إنتاجها بمساعدة الوسائل المادية في ظل ظروف ثابتة.

تكوين البيئة ، أي المحتوى النوعي والكمي للمكونات المكونة لها ، يمكن تحديدها من اعتمادها المعروف على الخصائص الفيزيائية أو الفيزيائية - الكيميائية للبيئة وعلى الكميات التي تميزها ، مع مراعاة القياس.

كقاعدة عامة ، يتم تحديد خصائص الوسط وتكوينه بشكل غير مباشر. من خلال قياس الكميات الفيزيائية أو الفيزيائية الكيميائية المختلفة التي تميز خصائص البيئة ، ومعرفة العلاقة الرياضية بين هذه الكميات ، من ناحية ، وتكوين البيئة ، من ناحية أخرى ، يمكننا تقدير تكوينها إلى أكبر أو درجة أقل من الدقة.

بمعنى آخر ، من أجل اختيار أو بناء جهاز قياس ، على سبيل المثال ، لتحديد التركيب الكامل لوسط متعدد المكونات ، من الضروري أولاً تحديد الكميات الفيزيائية أو الفيزيائية الكيميائية التي تميز خصائص هذا الوسيط و ، ثانيًا ، للعثور على تبعيات الشكل

ki = f (C1، C2،… Cm) ،

حيث ki - تركيز كل مكون من مكونات البيئة ، C1 ، C2 ، ... سم - الكميات الفيزيائية أو الفيزيائية الكيميائية التي تميز خصائص البيئة.

وبناءً على ذلك ، يمكن معايرة الجهاز المستخدم للتحكم في تكوين الوسط بوحدات تركيز مكون معين أو خصائص الوسط ، إذا كانت هناك علاقة لا لبس فيها بينهما ضمن بعض الحدود.

أجهزة NSD للتحكم الآلي في الخصائص الفيزيائية والكيميائية وتركيب المواد هي أجهزة تقيس الكميات الفيزيائية أو الفيزيائية الكيميائية المنفصلة التي تحدد بشكل لا لبس فيه خصائص البيئة أو تكوينها النوعي أو الكمي.

ومع ذلك ، تظهر التجربة أنه من أجل تنفيذ التنظيم الآلي أو التحكم في عملية تكنولوجية مدروسة بشكل كافٍ ، ليس من الضروري الحصول على معلومات كاملة عن تكوين المنتجات الوسيطة والنهائية وعن تركيز بعض مكوناتها في أي لحظة. عادة ما تكون هذه المعلومات مطلوبة عند الإنشاء والتعلم وإتقان العمليات.

عندما يتم تطوير اللوائح التكنولوجية المثلى ، تم إنشاء علاقات لا لبس فيها بين مسار العملية والكميات الفيزيائية والكيميائية الفيزيائية القابلة للقياس التي تميز خصائص المنتجات وتكوينها ، ثم يمكن تنفيذ العملية ، معايرة مقياس الجهاز مباشرة في تلك الكميات التي يقيسها ، على سبيل المثال ، في وحدات درجة الحرارة ، والتيار الكهربائي ، والسعة ، وما إلى ذلك ، أو في وحدات الخاصية المحددة للوسيط ، على سبيل المثال ، اللون ، التعكر ، التوصيل الكهربائي ، اللزوجة ، ثابت العزل ، إلخ

نناقش أدناه الطرق الرئيسية لقياس الكميات الفيزيائية والكيميائية الفيزيائية التي تحدد خصائص وتكوين البيئة.

تتضمن تسميات المنتجات القائمة تاريخيًا المجموعات الرئيسية التالية من الأجهزة:

• أجهزة تحليل الغاز ،

• مكثفات السوائل ،

• مقاييس الكثافة ،

• مقاييس اللزوجة

• مقياس الرطوبة ،

• مطياف الكتلة

• كروماتوغرافيا ،

• مقاييس الأس الهيدروجيني ،

• أجهزة القياس ،

• عدادات السكر إلخ.

يتم تقسيم هذه المجموعات ، بدورها ، وفقًا لطرق القياس أو وفقًا للمواد التي تم تحليلها. إن التقارب الشديد لمثل هذا التصنيف وإمكانية تعيين أجهزة متطابقة هيكليًا لمجموعات مختلفة يجعل من الصعب دراسة الأجهزة واختيارها ومقارنتها.

تشمل أجهزة القياس المباشر تلك التي تحدد الخصائص الفيزيائية أو الفيزيائية الكيميائية وتركيب المادة المختبرة مباشرة. في المقابل ، في الأجهزة المدمجة ، تتعرض عينة مادة الاختبار لتأثيرات تغير بشكل كبير تركيبها الكيميائي أو حالة تجميعها.

في كلتا الحالتين ، يمكن الإعداد الأولي للعينة من حيث درجة الحرارة والضغط وبعض المعلمات الأخرى. بالإضافة إلى هاتين الفئتين الرئيسيتين من الأجهزة ، هناك أيضًا تلك التي يمكن فيها إجراء كل من القياس المباشر والمجمع.

أدوات القياس المباشر

في أجهزة القياس المباشر ، يتم تحديد الخصائص الفيزيائية والكيميائية للوسط عن طريق قياس الكميات التالية: الميكانيكية ، الديناميكية الحرارية ، الكهروكيميائية ، الكهربائية والمغناطيسية ، وأخيراً الموجة.

للقيم الميكانيكية بادئ ذي بدء ، يتم تحديد الكثافة والجاذبية النوعية للوسط باستخدام أدوات تعتمد على طرق القياس العائمة والجاذبية والهيدروستاتيكية والديناميكية.يتضمن ذلك أيضًا تحديد لزوجة الوسط ، مقاسة بمقاييس اللزوجة المختلفة: شعري ، دوار ، بناءً على طرق الكرة الساقطة وغيرها.

من الكميات الديناميكية الحرارية التأثير الحراري للتفاعل المقاس بأجهزة حرارية كيميائية ، ومعامل التوصيل الحراري الذي يقاس بأجهزة التوصيل الحراري ، ودرجة حرارة الاشتعال للمنتجات البترولية ، وضغط البخار ، إلخ. وجدت التطبيق.

تطوير مكثف لقياس تكوين وخصائص المخاليط السائلة وكذلك بعض الغازات الناتجة الأجهزة الكهروكيميائية… وهي تشمل قبل كل شيء أجهزة قياس الجهد ومقاييس الجهدأجهزة مصممة لتحديد تركيز الأملاح والأحماض والقواعد عن طريق التغيير التوصيل الكهربائي قرارات. هذه هي ما يسمى ب مُكثِّفات قياس الموصلية أو مقاييس موصلية التلامس وعدم التلامس.

وجدت موزعة على نطاق واسع جدا مقاييس الأس الهيدروجيني - أجهزة تحديد حموضة الوسط بجهد القطب.

يتم تحديد انزياح جهد القطب الناتج عن الاستقطاب في أجهزة تحليل الغازات الجلفانية وإزالة الاستقطاب، التي تعمل على التحكم في محتوى الأكسجين والغازات الأخرى ، والتي يؤدي وجودها إلى إزالة استقطاب الأقطاب الكهربائية.

إنها واحدة من أكثر الأشياء الواعدة طريقة القياس الاستقطاب، والذي يتكون من التحديد المتزامن لإمكانات إطلاق الأيونات المختلفة على القطب والكثافة الحالية المحدودة.

يتم قياس تركيز الرطوبة في الغازات عن طريق طريقة coulometricحيث يتم تعريفه معدل التحليل الكهربائي للماءيمتص من الغاز من خلال فيلم حساس للرطوبة.

الأجهزة على أساس لقياس الكميات الكهربائية والمغناطيسية.

تأين الغاز مع القياس المتزامن لتوصيلها الكهربائي ، يتم استخدامها لقياس التركيزات المنخفضة. يمكن أن يكون التأين حراريًا أو تحت تأثير الإشعاعات المختلفة ، ولا سيما النظائر المشعة.

يستخدم التأين الحراري على نطاق واسع في كاشفات التأين باللهب للكروماتوغرافيا… يتم استخدام تأين الغازات بأشعة ألفا وبيتا على نطاق واسع في أجهزة الكشف الكروماتوغرافي (ما يسمى بكاشفات "الأرجون") ، وكذلك في محللات غاز التأين ألفا وبيتابناءً على الاختلاف في مقاطع التأين العرضية للغازات المختلفة.

يمر غاز الاختبار في هذه الأجهزة عبر غرفة تأين ألفا أو بيتا. في هذه الحالة ، يتم قياس تيار التأين في الغرفة ، والذي يميز محتوى المكون. يستخدم تحديد ثابت العزل الكهربائي لوسط ما لقياس محتوى الرطوبة والمواد الأخرى عن طريق أنواع مختلفة مقاييس الرطوبة السعوية وعدادات العزل الكهربائي.

ثابت العزل يتم استخدام فيلم ماص يتم غسله بواسطة تيار غاز ، يميز تركيز بخار الماء فيه مقياس الرطوبة.

تجعل الحساسية المغناطيسية المحددة من الممكن قياس تركيز الغازات البارامغناطيسية ، وخاصة الأكسجين ، عن طريق أجهزة تحليل الغازات المغناطيسية الحرارية ، والانصباب المغنطيسي ، والميكانيكية المغناطيسية.

أخيرًا ، يتم تحديد الشحنة المحددة للجسيمات ، والتي تعد إلى جانب كتلتها السمة الرئيسية للمادة ، بواسطة مطياف الكتلة وقت الرحلة ، أجهزة تحليل الكتلة المغناطيسية وعالية التردد.

قياس كميات الأمواج - أحد أكثر الاتجاهات الواعدة في بناء الأجهزة ، بناءً على استخدام تأثير تفاعل البيئة المختبرة مع أنواع مختلفة من الإشعاع. لذا ، شدة الامتصاص من البيئة الاهتزازات فوق الصوتية يجعل من الممكن تقدير لزوجة وكثافة الوسط.

يعطي قياس سرعة انتشار الموجات فوق الصوتية في وسط فكرة عن تركيز المكونات الفردية أو درجة بلمرة اللاتكس والمواد البوليمرية الأخرى. يستخدم المقياس الكامل للتذبذبات الكهرومغناطيسية تقريبًا ، من ترددات الراديو إلى الأشعة السينية وأشعة جاما ، في أجهزة الاستشعار لخصائص وتركيب المواد.

وهي تشمل أكثر الأدوات التحليلية حساسية التي تقيس شدة امتصاص الطاقة من التذبذبات الكهرومغناطيسية في نطاقات الطول الموجي القصير والسنتيمتر والمليمتر ، بناءً على الرنين المغناطيسي الكهرومغناطيسي والنووي.

الأكثر استخدامًا هي الأجهزة التي تستخدم تفاعل البيئة مع الطاقة الضوئية. في الأجزاء المرئية والأشعة فوق البنفسجية من الطيف… يتم قياس كل من انبعاث وامتصاص الضوء بشكل متكامل وشدة الخطوط المميزة ونطاقات أطياف الانبعاث والامتصاص للمواد.

يتم استخدام الأجهزة القائمة على التأثير الصوتي البصري ، والتي تعمل في منطقة الأشعة تحت الحمراء من الطيف ، ومناسبة لقياس تركيز الغازات والأبخرة المتعددة الذرات.

معامل انكسار الضوء في الوسط تستخدم لتحديد تكوين الوسائط السائلة والغازية بواسطة مقاييس الانكسار ومقاييس التداخل.

يتم استخدام قياس شدة دوران مستوى استقطاب الضوء بواسطة محاليل المواد الفعالة بصريًا لتحديد تركيزها بواسطة قطبية.

تم تطوير طرق قياس كثافة وتكوين الوسائط المختلفة ، بناءً على التطبيقات المختلفة لتفاعل الأشعة السينية والإشعاع المشع مع الوسط ، على نطاق واسع.

الأجهزة المجمعة

في عدد من الحالات ، يمكن أن يؤدي الجمع بين التحديد المباشر للخصائص الفيزيائية والكيميائية للبيئة مع العمليات المساعدة المختلفة التي تسبق القياس إلى توسيع إمكانيات القياس بشكل كبير وزيادة الانتقائية والحساسية ودقة الطرق البسيطة. نسمي هذه الأجهزة مجتمعة.

تشمل العمليات المساعدة في المقام الأول امتصاص الغاز من سائل, تكثيف البخار وتبخر السائلالسماح باستخدام طرق قياس تركيز السوائل في تحليل الغازات ، مثل قياس الموصلية ، وقياس الجهد ، والقياس الضوئي ، إلخ.والعكس صحيح لقياس تركيز السوائل المستخدمة طرق تحليل الغاز: قياس التوصيل الحراري ، قياس الطيف الكتلي ، إلخ.

واحدة من أكثر طرق الامتصاص شيوعًا هي كروماتوغرافيا، وهي طريقة قياس مجمعة يتم فيها تحديد الخصائص الفيزيائية لوسط الاختبار مسبوقًا بعملية الفصل الكروماتوجرافي إلى مكوناته المكونة. هذا يبسط عملية القياس ويوسع بشكل كبير حدود إمكانيات طرق القياس المباشرة.

أدت القدرة على قياس التركيب الكلي للخلائط العضوية المعقدة والحساسية العالية للأجهزة إلى التطور السريع لهذا الاتجاه في الأدوات التحليلية في السنوات الأخيرة.

تم العثور على تطبيق عملي في الصناعة كروماتوغرافيا الغازيتكون من جزأين رئيسيين: عمود كروماتوغرافي مصمم لفصل خليط الاختبار وكاشف يستخدم لقياس تركيز المكونات المفصولة للخليط. هناك مجموعة متنوعة من التصميمات لأجهزة كروماتوغرافيا الغاز ، سواء من حيث النظام الحراري لعمود الفصل أو مبدأ تشغيل الكاشف.

في كروماتوغرافيا الوضع متساوي الحرارة ، يتم الاحتفاظ بدرجة حرارة ترموستات العمود ثابتة أثناء دورة التحليل ؛ في الكروماتوغرافيا مع برمجة درجة الحرارة ، يتغير الأخير بمرور الوقت وفقًا لبرنامج محدد مسبقًا ؛ في كروماتوغرافيا الوضع الديناميكي الحراري ، أثناء دورة التحليل ، تتغير درجة حرارة أجزاء مختلفة من العمود على طول طوله.

من حيث المبدأ ، يمكن استخدام كاشف كروماتوغرافي أي جهاز لتحديد الخصائص الفيزيائية والفيزيائية الكيميائية لمادة معينة. تصميمه أبسط من تصميم الأدوات التحليلية الأخرى ، حيث يجب قياس تركيزات المكونات المنفصلة بالفعل للخليط.

تستخدم حاليا على نطاق واسع كواشف تعتمد على قياس كثافة الغاز والتوصيل الحراري (ما يسمى "مقاييس إعتام عدسة العين") ، والتأثير الحراري لاحتراق المنتجات ("الكيميائية الحرارية") ، والتوصيل الكهربائي للهب الذي يدخل فيه خليط الاختبار ("تأين اللهب") ، والتوصيل الكهربائي لل الغاز المتأين بالإشعاع المشع ("تأين -ارجون") وغيرها.

نظرًا لكونها عالمية جدًا ، فإن الطريقة الكروماتوغرافية تعطي التأثير الأكبر عند قياس تركيز الشوائب في مخاليط الهيدروكربون المعقدة بنقطة غليان تصل إلى 400-500 درجة مئوية.

يمكن استخدام العمليات الكيميائية التي تجلب الوسيط إلى المعلمات التي يمكن قياسها بطرق بسيطة مع جميع طرق القياس المباشرة تقريبًا. يتيح الامتصاص الانتقائي للمكونات الفردية لخليط الغاز بواسطة سائل قياس تركيز مواد الاختبار عن طريق قياس حجم الخليط قبل الامتصاص وبعده. يعتمد تشغيل أجهزة تحليل الغازات الحجمية على هذا المبدأ.

مختلف تفاعلات اللون، قبل قياس تأثير التفاعل مع مادة انبعاث الضوء.

وهذا يشمل مجموعة كبيرة مما يسمى ب مقاييس ضوئية الشريط، حيث يتم قياس تركيز مكونات الغاز عن طريق قياس درجة سواد الشريط الذي سبق أن طبقت عليه مادة تعطي تفاعلًا لونيًا مع مادة الاختبار. تستخدم هذه الطريقة على نطاق واسع لقياس التراكيز الدقيقة ، ولا سيما التركيزات الخطرة للغازات السامة في هواء المباني الصناعية.

ردود الفعل اللونية تستخدم أيضا في مقاييس ضوئية سائلة لزيادة حساسيتها ، لقياس تركيز المكونات عديمة اللون في السوائل ، إلخ.

إنه أمر واعد قياس شدة التألق للسوائلبسبب التفاعلات الكيميائية. واحدة من أكثر الطرق الكيميائية التحليلية شيوعًا هي المعايرة... تتكون طريقة المعايرة من قياس الكميات الفيزيائية والكيميائية الفيزيائية المتأصلة في وسط سائل يتعرض لعوامل كيميائية أو فيزيائية خارجية.

في لحظة انتقال التغييرات الكمية إلى التغييرات النوعية (نقطة نهاية المعايرة) ، يتم تسجيل الكمية المستهلكة من المادة أو الكهرباء المقابلة لتركيز المكون المقاس. إنها في الأساس طريقة دورية ، ولكن هناك إصدارات مختلفة منها تصل إلى مستمرة. الأكثر استخدامًا كمؤشرات لنقطة نهاية المعايرة هي مجسات قياس الجهد (pH-metric) والمستشعرات الضوئية.

أجهزة استشعار Arutyunov OS لتكوين وخصائص المادة