4.5. Методы и средства измерений состава вещества

Средства измерительной техники, предназначенные для ана­лиза состава вещества, называют анализаторами, а измеритель­ные преобразователи, входящие в их состав, аналитическими уст­ройствами. В подавляющем большинстве анализаторы представ­ляют собой сложные измерительные системы, в которые входят различные специальные блоки и устройства, связанные с отбо­ром проб, их подготовкой и перемещением, анализом, вычисле­ниями и др.

Автоматические анализаторы выпускаются в рамках государ­ственной службы приборов (ГСП) в составе агрегатного комплек­са средств аналитической техники (АСАТ). Комплекс состоит из ряда подкомплексов, построенных на различных принципах из­мерений. Примерный состав блоков подкомплексов АСАТ приве­ден на рис. 4.1.

Измерительные преобразователи и анализаторы, применяемые в АСАТ, позволяют анализировать вещества в газообразном, жид­ком, твердом, порошкообразном состояниях, а также в виде плазмы, суспензий и аэрозолей.

Агрегатный комплекс средств аналитической техники (АСАТ) состоит из следующих подкомплексов: фотометрических средств измерений (АСАТ-Ф), кондуктометрических средств измерений (АСАТ-К), потенциометрических средств измерений химического состава (АСАТ-П), диэлькометрических средств измерений соста­ва (АСАТ-Д), магнитных, термомагнитных средств измерений (АСАТ-М). Для контроля физико-механических параметров мате-

риалов, сырья и готовой продукции находят применение агрегат­ный комплекс средств испытаний материалов и готовой продук­ции на прочность (АСИП) и агрегатный комплекс средств нераз- рушающего контроля (АСНК).

4.5.1. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ ПОДКОМПЛЕКСА АСАТ-Ф

Подкомплекс фотометрических средств измерений включает оптические анализаторы, работающие в инфракрасной, видимой и ультрафиолетовой областях спектра. В них используются явле­ния поглощения, отражения и рассеяния излучения анализируе­мым веществом.

Спектральный анализ позволяет получить точные и однознач­ные характеристики вещества, отличается высокой избирательно­стью, универсальностью и производительностью. Анализы пище­вых продуктов производятся по спектрам поглощения в ультра­фиолетовом (УФ), видимом и инфракрасном (ИК) участках спектра (абсорбционный анализ), по спектрам люминесценции, комбинированного рассеяния (КР) и атомного эмиссионного анализа.

Оптические методы основаны на взаимодействии излучения с веществом. При поглощении света атомы и молекулы поглощаю­щих веществ переходят в новые, энергетически возбужденные со­стояния. Приобретенная атомами и молекулами избыточная энергия в одних случаях расходуется на повышение их внутрен­ней энергии, в других — на флуоресценцию или фосфоресценцию или расходуется в ходе фотохимических реакций.

Оптические анализаторы позволяют производить анализ как окрашенных, так и бесцветных веществ по избирательному по­глощению монохроматического света в видимой, ультрафиолето­вой и инфракрасной областях спектра и характеризуются высо­кой точностью (относительная погрешность измерения составляет 0,5 + 1,0%). Они обеспечивают решение следующих задач: коли­чественное определение содержания элементов и органических веществ (в том числе белков, углеводов и жиров) в широком ин­тервале длин волн от 185 до 1100 нм; количественный анализ многокомпонентных систем; определение состава светопогло- щающих комплексных соединений; изучение химических равно­весий и определение фотометрических характеристик светопогло- щающих соединений.

В УФ области спектра определяется содержание ряда групп атомов и исследуются превращения отдельных веществ, входящих в состав пищевых продуктов.

Метод ИК-спектроскопии является важнейшим физическим методом идентификации, изучения строения молекул и количест­венного анализа сложных пищевых сред.

Метод КР позволяет получать спектры не только прозрачных, а также дисперсных и капиллярно-пористых тел.

Перспективными являются метод спектроскопии- по нарушен­ному полному внутреннему отражению (НПВО) и метод неупру­гого рассеяния нейтронов (СНРН). Метод СНРН позволяет по­лучать высокое разрешение спектров в области (1,0+ 1000) см^-1 и не ограничен правилами отбора образца.

Атомный эмиссионный спектральный метод предназначен для проведения качественного и количественного анализа. Этот ме­тод применяется, в основном, для анализа неорганических эле­ментов в пищевых продуктах (рыбе, мясе).

Спектральный анализ основан на применении сложной изме­рительной аппаратуры. Она состоит из совокупности источников света, фотометрических преобразователей и устройств, а также электронной и вычислительной техники обработки и отображе­ния информации.

Главными задачами спектральной аппаратуры являются: полу­чение спектров поглощения или флуоресценции пищевых про­дуктов, их идентификация и расшифровка, запись значений кон­тролируемых компонентов, характеризующих пищевую ценность продукта.

Анализаторы дисперсных сред, основанные на явлении рассеива­ния света, называются турбидиметрами, если измеряемый световой поток проходит через анализируемую среду, и соответственно нефе­лометрами, если измеряется световой поток, отраженный этой сре­дой. Например, турбидиметрические анализаторы мутности воды (типа ТВ) имеют диапазоны измерений от 0 + 3 до 0 + 500 мг/л, ос­новная погрешность измерений +2%, а турбидиметрический анали­затор содержания частиц сажи в дымовых газах осуществляет изме­рения в диапазоне от 0 + 2 до 0 + 800 мг/м³, основная погрешность +2,5%.

Анализаторы селективного измерения поглощения ультрафио­летового излучения различными веществами являются ультрафио­летовыми анализаторами и используются для измерений концен­траций отдельных газов и паров (сероводород, озон, ртуть, сер­нистый ангидрид, четыреххлористый углерод и др.).

Оптические анализаторы, основанные на использовании излу­чений видимой части спектра, относятся к классам точности от 2,0 до 10.

Во всех фотометрических приборах используется несколько типовых оптических и электрических схем, различающихся у анализаторов одной группы лишь большей или меньшей степе­нью сложности. Существуют схемы, которые используются как в недисперсионных, так и в дисперсионных анализаторах. Для многих прикладных задач с применением дисперсионных анали­заторов удобнее и точнее зарегистрировать спектр поглощения, чем измерять интенсивность поглощения излучения в точке.

В последнее время анализаторы качества оснащаются микро­процессорной и вычислительной техникой, которая в автомати­ческом режиме реШгает вопросы идентификации, записи и рас­шифровки спектров с выдачей результатов анализа в цифровой форме.

Информацию о спектральных характеристиках многих пище­вых продуктов получают по спектрам поглощения нерассеиваю- щих сред и спектрам поглощения и отражения рассеивающих свет компонентов.

Интенсивность поглощения различна в разных областях спектра. Для ИК спектрофотометров характерна область X = 2,0 + 40 мкм или 5000 + 200 см¹. В спектрофотометры УФ и видимой областей спек­тра используется излучение с 0,2 + 1,1 мкм. Спектрофотометры КР работают в диапазоне 0,4 + 0,85 мкм.

Люминесценция, в основном, используется для анализа каче­ства пищевых продуктов животного и растительного происхожде­ния (определяется степень порчи). Спектры флуоресценции обычно охватывают диапазон 0,3+ 1,3 мкм. Анализаторы атомно­го эмиссионного анализа (спектроскопы) работают в диапазоне длин волн 0,39 + 0,7 мкм.

4.5.2. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ ПОДКОМПЛЕКСА АСАТ-К

Кондуктометрический подкомплекс основан на использова­нии электрохимических СИ — электрокондуктометрических ана­лизаторов (в дальнейшем кондуктометров). Принцип действия кондуктометров состоит в измерении электрической проводимо­сти электролитов, по величине которой определяется концентра­ция растворенных веществ. При проведении анализа газовых смесей их растворяют во вспомогательной жидкости, а затем из­меряют электропроводность раствора.

Существуют контактный и бесконтактный методы измерений. При этом различают контактные и бесконтактные измерительные ячейки (чувствительные элементы) и соответственно кондукто­метры. Простейшая двухэлектродная контактная ячейка состоит из камеры с двумя металлическими электродами, заполненной анализируемой жидкостью. Для уменьшения погрешности, свя­занной с поляризацией электродов, применяют четырехэлектрод- ные измерительные ячейки, в которых функции подвода элек­трической энергии к ячейке и съема сигнала измерительной ин­формации разделены. При этом измерение электропроводности растворов осуществляется на переменном токе. Бесконтактные кондуктометры подразделяются на низкочастотные (с частотой до 1 кГц) и высокочастотные (с частотой до сотен МГц). В высоко­частотных кондуктометрах используются емкостные и индуктив­ные первичные ИП, в низкочастотных — в основном емкостные.

Кондуктометрические анализаторы испольвуют для получения информации о массовой доле моющего средства в растворах, применяемых при мойке оборудования и тары, с содержанием моющего средства в диапазоне 0,1 + 2,0 % при температуре 50+ 70° С с погрешностью +0,1%.

Бесконтактные кондуктометры применяются при анализе рас­творов, содержащих взвеси, коллоиды, пленкообразующие и кри­сталлизующие вещества, а также для исследования агрессивных растворов солей, щелочей и кислот с высокой удельной электро­проводностью.

Концентратомер КАЦ-021 предназначен для автоматического дистанционного измерения приведенной к 25°С удельной элек­трической проводимости (УЭП) или концентрации водных рас­творов (NaCl, NaOH, H₂S0₄ и другие вещества).

Прибор состоит из безэлектродного первичного преобразова­теля и измерительного блока. Здесь обеспечиваются цифровая индикация и дистанционная передача результатов измерений удельной проводимости или концентрации, а также независи­мость показаний от температуры.

Технические характеристики

Диапазоны измерений УЭП 20...200 мСм/см

концентрации NaCl: 1,5... 15%

концентрации NaOH и H₂S0₄: 0,5...15%

Погрешность измерений УЭП: не более ±1,5%,

концентрации растворов не более ±3,0%.

Выходной сигнал: 0+5 мА, 0+20 мА, 4+20 мА.

Напряжение питания переменного тока: 220±20 В с частотой 50±5 Гц. Габариты: первичного преобразователя

(погружного): диаметр 120 на 150 мм

измерительного блока 135x205x240 мм

Анализатор жидкости кондуктометрический АЖК-3103 предна­значен для автоматического непрерывного контроля удельной электрической проводимости и концентрации растворов кислот, щелочей, солей и т. д. в химической и пищевой промышленно­сти. Анализатор состоит из первичного измерительного преобра­зователя (проточный или погружной) и измерительного прибора с цифровой светодиодной индикацией.

Технические характеристик

и

Диапазон измерения УЭП (в зависимости от модификации): концентрации NaCl или измерения УЭП при концентрации NaCl соответственно Погрешность измерений Выходной аналоговый сигнал Сигнализация заданного уровня Температура контролируемой среды Габариты цифрового прибора Изготовитель:

0+2, 0+100 и 0+1000 мСм/см; 0+5 0+50 0+500 мг/л; 0+5 0+50 мСм/см, 0+5 0+50 г/л

±2,0% 0+5 мА, 4+20 мА «сухой» контакт. +5...+95° С 48x96x160 мм НЛП «Автоматика», г. Владими

р

Концентратомер универсальный моющих растворов и сигнализатор раздела сред КУРС предназначен для автоматического контроля и регулирования концентрации моющих растворов, сигнализации об уровнях раздела сред «вода — молоко», «вода — моющий раствор» в процессах и оборудовании молочной, масложировой, пивобезал- когольной, винодельческой и ликероводочной промышленности.

Принцип действия концентратомера основан на кондуктомет- рическом методе. Прибор состоит из датчика проточного или по-

гружного типа, преобразователя сигналов, микропроцессорного измерителя-регулятора.

Технические характеристики

Диапазоны измерений УЭП:

каустическая сода 0,1+150 мСм/см

кальцинированная сода 0,5+50 мСм/см

азотная кислота 1+150 мСм/см

сульфаминовая кислота 0,5+60 мСм/см

вода — молоко — моющий раствор 0,15+8,0 мСм/см Преобразователь сигналов

настраивается на диапазоны: 0+199,9 мСм/см и 0+19,9 мСм/см

Точность измерений ±2% от диапазона

Измеритель-регулятор: два выходных релейных устройства

для сигнализации раздела сред

Давление измеряемой среды не более 0,5 МПа

Температура контролируемой среды: +5...50° С Габариты:

датчика 142x52x73 мм

преобразователя 165x110x90 мм микропроцессорного измерителя-регулятора 144x72x190 мм

Концентратомер — сигнализатор кондуктометрический АЖК-3120

предназначен для автоматического измерения концентрации рас­творов и сигнализации раздела фаз: «врда — молоко»; «вода — моющий раствор» в пищевой промышленности и состоит из проточного первичного преобразователя и цифрового прибора, имеющего сигнализацию о выходе измеряемого параметра за за­данные значения (нижний и верхний уровни).

Технические характеристики

Диапазон измерения:

молоко 1...6%

кальцинированная сода 0,2...2,0%

каустическая сода 0,1...1,0%

раствор щелочи NaOH 0,2...1,5%

раствор кислоты 0,2...1,0% Основная погрешность: ±4% от диапазона

Температура контролируемой среды +5 95° С

Сигнализация заданного уровня «сухой» контакт

Выходной сигнал 0+5 мА, 4+20 мА

Габариты цифрового прибора 48x96x160 мм Изготовитель: НЛП «Автоматика», г. Владимир

4.5.3. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ ПОДКОМПЛЕКСА АСАТ-П

Потенциометрический подкомплекс предназначен для изме­рения концентраций различных ионов в растворах (ионометрия) и для контроля окислительно-восстановительного потенциала (оксредметрия). Эти измерения можно производить и в газовых средах.

Потенциометрические анализаторы относят к электрохимиче­ским средствам измерений, принцип действия которых основан на определении потенциала измерительной ячейки, размещенной в электролите. Электродный потенциал измеряют косвенным ме­тодом по величине ЭДС измерительной ячейки, составленной из измерительного (индикаторного) и сравнительного (вспомогатель­ного, опорного) электродов. Электроды размещаются в ячейке, через которую пропускают анализируемую среду. Величина ЭДС измерительной ячейки формирует информацию о концентрации (активности) ионов в анализируемой среде, а также об ее окис­лительно-восстановительных свойствах.

Для определения активной концентрации различных ионов при потенциометрических измерениях используют показатель рХ (р — первая буква слова Protenz — степень, Л'—химический символ элемента по таблице Д.И. Менделеева), который определяется как отрицательный десятичный логарифм количества ионов элемента

_PX=-\ga_x, (4.1)

где а_х — количество -ионов элемента в 1 л раствора.

Известно большое количество разнообразных по конструкции индикаторных электродов для ионометрии, среди которых широ­кое применение нашли ионоселективные электроды, обладающие селективной избирательностью для конкретного типа ионов. Для измерения активности катионов и анионов К⁺, Са⁺², СГ, Г, СО3², NH4, SO^² и многих других изготавливают электроды на основе ионообменных мембран, специального стекла. Для измерения ак­тивности ионов водорода применяются стеклянные электроды, мембрана которых изготавливается из специального электродного стекла на основе окислов Na, К, Cs. Для измерения окислитель- но-восстановительного потенциала применяются платиновые элек­троды, используемые в качестве индикаторного электрода.

В качестве сравнительного (вспомогательного, опорного) в пищевой промышленности используется хлорсеребряный элек­трод, потенциал которого постоянен и составляет 201 мВ.

В качестве анализаторов величины рХ используются иономе- ры на диапазоны измерений от -20 до 20 рХ с погрешностью из­мерений ±0,01 рХ при постоянной времени до 40 с. Иономеры изготавливаются в лабораторном и промышленном вариантах, в стационарном или переносном исполнении.

Потенциометрические ионоселективные измерительные систе­мы решают вопрос автоматического контроля концентраций микроэлементов в пищевых продуктах.

рН-метр — иономер «ЭКОТЕСТ-120» (портативный микропро­цессорный) предназначен для измерения активности ионов водо­рода (рН), активности различных ионов (рХ), молярной и массо­вой концентраций одновалентных и двухвалентных анионов и катионов, а также для определения температуры водных раство­ров. В память прибора введены параметры 27 ионов, в том числе Н⁺, Mg⁺², К⁺, NH;, NO⁺, Са⁺² и др. Это позволяет подключить к прибору соответствующие ионоселективные датчики контроля этих ионов.

Достоинства прибора: представление результатов измерений в единицах мВ, рХ, моль/л, мг/л; измерение температуры; сохране­ние данных предыдущих калибровок; возможность работы с IBM совместимых компьютеров (связь осуществляется по каналу RS-232C); применение внешнего коммутатора каналов (это по­зволяет использовать прибор в качестве многоканального до 49 каналов); жидкокристаллический двухстрочный индикатор, удобное пользовательское меню, режим подсказок. •

Технические характеристики

Диапазон измерений преобразователя: '

активности от -20 до +20 рХ

ЭДС от -400 до +400 мВ

температуры от -20 до +150° С

Дискретность:

величины рХ 0,001

температуры 0,1° С

Основная абсолютная погрешность преобразователя +0,01 рХ

температуры ±0,5° С

Питание преобразователя от автономного источника питания