КВП / Тема 8(5)

8.18 МЕТОДИ ТА ПРИЛАДИ ДЛЯ ВИМІРЮВАННЯ СКЛАДУ,

КОНЦЕНТРАЦІЇ ТА ЯКОСТІ ПРОДУКЦІЇ

Визначення складу та концентрації речовин – це вимірювання, які широко застосовуються для контролю багатьох технологічних процесів у промисловості та сільськогосподарському виробництві, у хімічних та біологічних дослідженнях. Об’єктом вимірювання є речовини, які можуть знаходитись у різних агрегатних станах. Для вимірювання концентрації найбільше застосування знайшли методи, принцип дії яких заснований на залежності фізичних властивостей багатокомпонентних середовищ від змісту їх компонентів. Найбільше просто концентрація визначається в системі, яка складається з двох компонентів. У цьому випадку досить визначити відносний зміст однієї речовини, тоді зміст іншої буде дорівнювати (1 - х). Для визначення концентрацій використовуються залежності фізичних властивостей речовин: щільність, в’язкість, електропровідність, теплопровідність, залежність від складу даної системи компонентів. Визначення складу багатокомпонентної системи – це більш складний процес, оскільки фізичні величини, що характеризують властивості всієї системи, у загальному випадку залежать від усіх складових. Для спрощення задачі вимірювання необхідно знайти таку фізичну властивість величини, що сильно залежить від концентрації тільки однієї складової.

Методи для визначення хімічного складу та концентрації середовищ поділяються на:

- електрохімічні, які поділяються на: кондуктометрічні, потенціалометричні, кулометрічні, полярографічні.

- електрометричні;

- спектрометричні;

- електрооптичні;

- електрофізичні.

Розглянемо електрохімічні та спектрометричні методи більш детально (див. таблицю 1).

Найменування методу та приладу	Характеристика методу та приладу
Кондуктометричний метод	Принцип дії таких перетворювачів заснований на залежності опору електролітичної чарунки від складу та концентрації електроліту, виходячи з аналітичного виразу: , де к – питома електропровідність розчину; γ – коефіцієнт активності; С – концентрація розчину; L – відстань між електродами; S – площа електродів. Схема кондуктометричного приладу для вимірювання концентрації проточної рідини має вигляд:

Найменування методу та приладу	Характеристика методу та приладу
	В залежності від концентрації рідини змінюється опір резистивного перетворювача, автоматичний міст врівноважується та вторинний прилад показує концентрацію рідини. Для зменшення температурної похибки паралельно плечу R2 вмикається терморезистор, який розташований у середовищі, концентрацію якого вимірюють.
Безконтактний прилад для вимірювання концентрації розчину	Конструктивна схема приладу має вигляд: Виток труби, по якій тече рідина, з’єднує осердя трансформаторів ТV1 та ТV2. при постійній напрузі живлення значення струму витка залежить від концентрації розчину. Так як виток є первинною обмоткою трансформатора ТV2, тоді струм у його вторинній обмотці та показання вимірювального приладу залежать від концентрації розчину.
Найменування методу та приладу	Характеристика методу та приладу
Потенціалометричний метод	Використовуються гальванічні перетворювачі, принцип дії яких заснований на залежності потенціалу електрода від концентрації розчину іонів. Металевий електрод, який занурений у розчин електроліту та частково у ньому розчиняється. Позитивні іони металу переходять у розчин, а електрод одержує негативний заряд. Різниця потенціалів між електродом та розчином перешкоджає переходу іонів металу, розчинення електрода припиняється. При цьому рівновага електричного потенціалу електрода залежить від концентрації іонів у розчинах та може служити для визначення їх концентрації. Конструктивно гальванічний перетворювач складається з двох напів елементів, що гальванічно з’єднані між собою електричним ключем, а саме: 1, 2 – напів елемент; 3 – електричний ключ Напів елемент – це ємність з розчином електроліту, у який занурений металевий електрод. В одному напів елементі знаходиться розчин, концентрація якого вимірюється, а в другому – розчин з відомою концентрацією.
Найменування методу та приладу	Характеристика методу та приладу
	Електричний ключ – це рубка, яка заповнена розчином хлориду калію та закрита з двох сторін пробками. ЕРС перетворювача, яка вимірюється між двома електродами, пропорційна концентрації розчину. ЇЇ величина надходить на вторинний прилад, шкала якого має одиниці концентрації розчинів.
Кулометричний метод	Метод заснований на використанні явища електролізу відповідно до закону Фарадея: зв'язок між кількістю електричних зарядів та кількістю речовини, що виділяється в результаті електролізу, характеризується рівнянням: , де q –кількість електричних зарядів; m - маса речовини від електролізу; n - валентність іонів; A - атомна маса речовини; F - постійна Фарадея
Полярографічний метод	Один з надчутливих електрохімічних методів, так як дає змогу аналізувати багатокомпонентні суміші без їх попереднього поділу. Аналіз здійснюється на основі полярограми – вольт – амперної характеристики електролізу розчину в спеціальному перетворювачі. Полярограма має вид східчастої кривої, кожна ступінь якої характеризує наявність іонів певного виду.
Спектрометричний метод	Методи засновані на здатності речовини поглинати, випромінювати, розсіювати, відбивати різного роду випромінювання. Ця група вимірювань мітить у собі методи, що використовують широкий спектр довжин хвиль від звукового діапазону (10^3 Гц) до рентгенівських та гама – випромінювань (10^18Гц). У залежності від довжини хвиля ці методи поділяються на електроакустичні, радіометричні, електрооптичні.

Найменування методу та приладу

Характеристика методу та приладу

Електроакустичний метод заснований на різниці в затуханні або швидкості розповсюдження ультразвукових коливань в різних рідинах або газах. Прилади, в яких реалізований цей метод, складаються з акустичного (ультразвукового) випромінювача та приймача – перетворювача коливань в електричні сигнали. Речовина, що досліджується, пропускається між випромінювачем та приймачем. Електрооптичні методи засновані на вибірковому поглинанні, випромінюванні та розсіюванні компонентами речовини, що досліджується, світлового випромінювання в інфрачервоному, ультрафіолетовому та видимому діапазоні довжини хвиль.

Розглянемо електрооптичні та електрофізичні методи більш детально.

Електрооптичні методи засновані на виборчому поглинанні, випромінюванні або розсіюванні компонентами аналізованої речовини світлового випромінювання у видимому, інфрачервоному й ультрафіолетовому діапазоні довжин хвиль.

- метод інфрачервоної спектроскопії:

У цьому методі використовується виборче поглинання різними речовинами світлового випромінювання в інфрачервоній області спектра

Розглянемо прилад для визначення жирності молока

Конструктивна схема має вид (див. рисунок 4):

Рисунок 4 – Конструктивна схема приладу для вимірювання жирності молока:

1 – джерело інфрачервоного опромінювання;

2 – заливний отвір;

3 – світлофільтр;

4 – збірні лінзи;

5 – фотоелемент.

Тому що оптичні властивості молока залежать від жирності, то на фотоелемент попадає світловий потік різної інтенсивності в залежності від жирності молока. Вторинний вимірювальний прилад на шкалі має позначки відсотків жирності.

- фотоколориметричний метод, при якому концентрація визначається за інтенсивністю фарбування аналізованої речовини чи індикатора. Інтенсивність фарбування виміряється за допомогою фотоелемента або фото резистора.

Промисловістю випускається білкомір молока БМЦ-1 – фотоколориметричний цифровий електронний прилад. Прилад складається з джерела живлення, фотоперетворювача та пристрою для перетворення сигналу з ПВП у цифровий код.

Принцип дії приладу заснований на взаємодії 1 мл молока і 20 мл кислотного барвника. При цієї взаємодії барвник випадає в осад, тому що білок зв’язується з барвником, і зменшуються оптичні властивості розчину пропорційно кількості білка. Продуктивність приладу 100 аналізів у годину, діапазон виміру змісту білка 2,5…5,5%, абсолютна похибка дорівнює +0,2%.

- люмінесцентний аналіз заснований на здатності речовини світиться при опромінені його світлом. Такою властивістю володіють жирові кульки. Принцип дії приладу ФЖМ-8 заснований на інтенсивності світіння жирової фази молока при обробці його спеціальним барвником. Інтенсивність світіння перетвориться в електричний сигнал і надходить на ВВП.

Існують також електрооптичні прилади для визначення концентрації речовин, які засновані на вимірюванні прозорості речовини – нефелометри; на вимірі коефіцієнта переломлення світла – рефрактометри.

Електрофізичні методи засновані на використанні залежностей фізичних властивостей речовин від їхнього складу і концентрації окремих компонентів.

Для вимірювання концентрацій речовин найбільш широке застосування одержали методи і прилади, які засновані на використанні теплових, магнітних, діелектричних властивостей речовин. Для аналізу використовуються такі параметри речовин, як щільність, в’язкість, маса, частота власних коливань.

- тепловий метод аналізу заснований на вимірі теплових властивостей речовини.

Як приклад розглянемо газоаналізатор для визначення процентного умісту водню в газовій суміші. У цьому приладі використовується залежність теплопровідності газової суміші від змісту водню. Газоаналізатор складається з двох неврівноважених мостів - вимірювального 1 та порівняльного 11, що живиться від одного джерела живлення змінного струму. (див. рисунок 5)

Рисунок 5 – Конструктивна схема газоаналізатору

Фізичні основи методу: зміна концентрації газової суміші, що пропускається через балончики з терморезистором, приводить до зміни тепловіддачі і температури терморезистора

Термоелектричні резистори виконані з платинового проводу і розміщенні в скляні балончики, які розташовані в одному металевому блоці. Робочі термоелектричні резистори R1, R4 омиваються аналізованою сумішшю. Резистори R2, R3, R6, R7, знаходяться в запаяних балончиках і наповнені газовою сумішшю, що містять водень у кількості, що відповідає нижній межі вимірювання приладу. Резистори R5, R8 також знаходяться в балончиках зі складом газової суміші, що відповідає верхній межі вимірювання приладу. Міст порівняння постійно знаходиться в неврівноваженому стані.

Вимірювальний міст врівноважується при пропущенні через 1 і 4 балончики газової суміші з воднем. Зі збільшенням змісту водню в газовій суміші вимірювальний міст виходить з рівноваги і на його діагоналі (на резисторі R_навант) з’являється напруга, що надходить на підсилювач У та електродвигун М, Що обертаючи, пересуває реохорд доти, поки міст не зрівноважиться.

Отже, кожному значенню компонента в аналізованій газовій суміші відповідає певне положення рухливого контакту реохорда, а отже, і положення покажчика.

Межі вимірювання: 0…3; 0…20; 0…30%, основна похибка - +1%.

Міст порівняння виключає вплив на результат виміру деяких зовнішніх факторів: температури, напруги живлення.

- магнітний метод набув широкого застосування для виміру концентрації кисню в газових середовищах, оскільки з усіх газів кисень володіє найбільшою магнітною сприйнятливістю. Розглянемо датчик і термомагнітний прилад для вимірювання кисню (див. рисунок 6 ).

Датчик – це кільцева камера з горизонтальною трубкою, на яку намотана нагрівальна платинова обмотка, розділена на дві секції. В одного з кінців горизонтальної трубки розташовані полюсні наконечники постійного магніту. Газ усмоктується з лівої вертикальної трубки в горизонтальну трубку й у ній підігрівається. Тому що при нагріванні газу його магнітна сприйнятливість падає,тоді холодний газ, втягуючись у магнітне поле, буде виштовхувати нагрітий га

В результаті в горизонтальній трубці газ рухається зі швидкістю зліва праворуч, пропорційно концентрації кисню в досліджуваній газовій суміші

Рисунок 6 - Датчик і термомагнітний прилад для вимірювання

кисню

- ємнісний (діелектричний) метод заснований на залежності діелектричних властивостей речовин від його складу і концентрації окремих компонентів. Вимірювання концентрації при використанні цього методу звичайно зводиться до визначення ємності конденсатора, між обкладинками якого міститься випробувана речовина, що виконує роль діелектрика. Для реалізації ємнісного методу розроблений прилад конструкції Газимова, у якому в залежності від змісту жиру в молоці змінюється його діелектрична проникність і, як наслідок, змінюється ємність між обкладинками конденсатора, яка розділена шаром молока. Вимірювання ємності здійснюється чуттєвими мостовими схемами і резонансними вимірювальними колами.