1.2.5 Датчики для автоматического анализа состава материала

Существует несколько методов измерения, из которых наиболее распространены кондуктометрический, основан на измерении электропроводности жидкости, оптический – на законах поглощения и отражения световых лучей, электромагнитный – на измерении разности потенциалов специальных электродов в контролируемой среде.

Кондуктометрические приборы. Зависимость между удельной электропроводностью раствора, природой растворенного вещества и его концентрацией определяется законом Кольрауша: , где -удельная электропроводность , -степень диссоциации, -мольная концентрация вещества, - подвижность ионов в электрическом поле при градиенте напряжения, равном единице. Электропроводность очень чувствительна к изменению температуры. Для исключения поляризации электродов измерение проводят на переменном токе, В зависимости от метода взаимодействия с измеряемой средой кондуктометрические концентратомеры делятся на электродные и безэлектродные.

Оптические методы. Нашли широкое применение в лабораторной практике. Калориметрический метод основан на зависимости поглощения света, которое проходит через контрольный раствор, его цвета в функции концентрации. Зависимость между интенсивностью света на входе и выходе из раствора описывается: , где - молярный коэффициент гашения, l - толщина раствора, С - концентрация. Для регистрации величины I используют разные типы фотоэлементов с целью выделения спектра, который наиболее всего поглощается раствором.

Измерение состава газовых смесей. Для измерения состава газовых смесей наибольшее распространение получили газоанализаторы, которые позволяют количественно оценить содержание измеряемого компонента в газовой смеси. Термокондуктометры основаны на том, когда теплопроводность всех компонентов смеси, кроме анализируемой, одинакова, то общая теплопроводность будет зависеть от концентрации определяемого компонента. Измерительная часть газоанализатора неуравновешенный мост, плечи которого образованы одинаковыми ячейками. Каждая ячейка – цилиндрическая камера, по оси которой натянута платиновая нить. Платиновая нить одновременно является и нагревательным элементом и термометром сопротивления. Через две ячейки пропускают анализируемый газ, две другие заполнены чистым воздухом. Если компонента нет, то мост уравновешен, когда компонент появляется мост разбалансируется.

1.2.5.1 Измерение концентрации веществ Существует несколько методов измерения из которых самыми распространенными:- кондуктометрический, который основан на измерении электропроводности жидкости;- оптический – на законах поглощения и отражения световых лучей;- электромагнитный – на измерении разницы потенциалов электродов в контролируемой среде.Кондуктометрические приборыЗависимость между удельной электропроводностью раствора, природы растворенного вещества и его концентрации определяется законом Кольрауша: ,где - удельная электропроводность; - степень диссоциации; - мольная концентрация вещества; - соответственно движение ионов в электрическом поле при градиенте напряжения равным единице.Зависимость удельной электропроводности некоторых электролитов от их концентраций приведена на рисунке.Электропроводность раствора очень чувствительна к изменениям температуры. При повышении температуры на один градус приводит к повышению электропроводности примерно на 2 градуса Цельсия.

Для исключения поляризации электродов измерение осуществляется на переменном токе. В зависимости от способа взаимодействия с измеряемой средой кондуктометрические концентратомеры делятся на электродный и безэлектродный.

Для жидкостей,кот. имеют низкую электропроводность используют высокочастотный метод измерения на конденсаторных и индуктивных ячейках. В этом случае раствор находится в емкости с диалектриком. С внешних сторон емкости установлены или обкладки конденсаторы, или катушка индуктивности.Оптические приборы.Коллометрический метод основан на зависимости поглощения света, которое проходит через контрольный раствор, его цвета в функции концентрации. Зависимость между интенсивностью света на входе в раствор и на выходе из него описывается уравнением: ,где - молярный коэффициент поглощения; - толщина раствора; - концентрация.Для регистрации величины используют различные типы фотоэлементов с целью выделения спектра, который больше всего поглощается раствором.При рефрактометрическом методе используется зависимость показателя приломления контролируемого раствора от его концентрации. Наиболее распространенными методами определения показателей преломления является спектрометрический и метод полного внутреннего отражения.Спектрометрический метод основан на определении показателя приломления по углу наименьшего отклонения луча света в стеклянных призмах, которые заполнены раствором.

1.2.5.1 а) Электрокондуктометрический метод анализа.Основан на зависимости удельной электропроводности различных растворов от их концентрации. Данная зависимость определяется законом Кальрауша:

=С

- удельная электропроводность раствора электролита;С - его концентрация;F - число Фарадея; - степень электролитической диссоциации;V_A,V_K - абсолютная подвижность анионов и катионов

На практике принимаются полученные экспериметальным путем зависимости . В значительном диапозоне зависимость является линейной.Положена в основу построения следующих датчиков: контактный с 2-х электродной ячейкой и с 4-х электродной ячейкой, бесконтактный низкочастотный и бесконтактный высокочастотный.

С 2-х электродной ячейкой.Ячейка состоит из 2-х пластин площадью S и расстоянием между ними L. Сопротивление столба элект-ти между пластинами R_X= . R_X сопоставим с С. Для компенсации температурной погрешности в контролируемую среду помещают термосопротивление.

С 4-х электродной ячейкой.Измеряемая ячейка заполняется контролируемой средой и имеет 4 электрода. Электроды1 и 4 –токовые, 2.3-потенциометрические. Данная ячейка питается от вторичной обмотки W₃ транзистора Т.на электродах 2,3 протекающим током создается U₂₃=I_яч*R_яч, сопоставимо С и .

Для измерения U₂₃ применяется компенсационная мостовая схема. Мостовая схема имеет две диагонали питающая - W₂ Т и измеряемая - а и в (U_ав). U₂₃ сравнивается с U_ав, если не равны, то на вход усилителя поступает разность. Она усиливается и поступает на РД .РД приходит во вращение и перемещает стрелку. В некоторый момент U_ав= U₂₃.двигатель останавливается, шкала градуируется в единицах концентрации.

1.2.5.1 в) Высокочастотный бесконтактный концентратомер.Ячейки : конденсаторного типа и индукционного типа.Данные ячейки питаются от источников напряжения высоких частот 100 Гц-100 МГц. Полное сопротивление данных ячеек состоит из 2-х составляющих: активной и реактивной. Сопротивление и емкость которых зависят от электрохимических свойств контролируемой среды. Ячейка 1 используется для измерения концентрации электролитов с малой удельной электропроводностью.Ячейка 2 применяется для измерения концентрации электролитов с высокой удельной электропроводностью.

1.2.5.1 б) Низкочастотный безконтактный концентратомер.Изменение ячейки представляет собой виток W₂ через который пропускается контролируемая среда. Ячейка является вторичной обмоткой трансформатора Т₁. В данной ячейке трансформируется некоторая ЭДС Е_изм. Вторичная обмотка Т₁ W₁. По правилам трансформации U * W₁= Е_изм * W_2..W - число витков. Е_изм= данная Е_изм вызывает протекание тока по данной ячейке.I = .(L - длина ячейки) S- площадь сечения.

К_яч = L/S—(постоянная ячейки)

I_изм = U*W₁* /W₂*K_яч = К *

Величина I_изм сопоставима , сопоставима С

Для измерения I_изм применяется дополнительная компенсационная обмотка W_k и Т₂. В Т₂ первичной обмоткой W₂и W_k,, вторичной - W₃. Каждая первичная обмотка создает свои магнитные токи, величина которых определяется ампервитками соответствующей обмотки т.е. I_изм* W₂- ампервитки обмотки W₂. Данные магнитные потоки, создаваемые обмотками направляются навстречу друг другу. Если данные ампервитки не равны, I_изм* W₂ не = I_к*W_к, то в Т₂ появляется результирующий поток. При этом в обмотке W₃ наводится напряжении, зависящее от разности данных магнитных потоков. Данное направление усиливается в усилителе и поступает на РД, который приходит в движение, на его валу находится стрелка, и перемещается движок реохорда R_p изменяется I_к. В некоторый момент наступает равновесие.

I_изм* W₂=I_к*W_к

I_к сопоставима I_изм и сопоставима С

Для компенсации температурных погрешностей применяется мостовая схема, она питается вторичной обмоткой Т₁.