Физико-механические методы. Методы определения концентраций анализируемых веществ
 Скачать 449.89 Kb.
|
|
МИНОБРНАУКИ РОССИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Пензенский государственный технологический университет» (ПензГТУ) РЕФЕРАТ по дисциплине: «Физико-механические методы» На тему: «Методы определения концентраций анализируемых веществ». Выполнила: студент группы Гр. 20БТ1м Алмазбекова Д. Проверил: Декан, к.т.н., доцент Кузьмин А.А. Пенза 2022 СОДЕРЖАНИЕВВЕДЕНИЕ Приборы, задачей которых является определение состава и концентрации веществ, широко применяются для контроля технологических процессов, в химических, биологических, геологических, космических исследованиях, в сельском хозяйстве, медицине, криминалистике и в ряде других областей. Объектами рассматриваемых измерений являются практически все существующие вещества и химические элементы, которые могут находиться в различных агрегатных состояниях. О масштабности аналитических измерений говорит тот факт, что только в химической промышленности необходимо производить анализ более 75 тысяч различных веществ и материалов. Особое значение аналитические измерения имеют для охраны труда и решения проблемы охраны среды обитания. Диапазон измеряемых концентраций чрезвычайно широк. Развитие новых отраслей науки и техники, технология производства новых материалов и веществ с наперед заданными свойствами выдвигают все возрастающие требования к аналитическим измерениям. Регулирование ряда сложных технологических процессов по косвенным параметрам (расход, температура, давление) уже недостаточно эффективно — требуются быстродействующие и точные средства измерений, которые в составе автоматизированных систем управления технологическими процессами обеспечивали бы измерения параметров, непосредственно определяющих состав и свойства вырабатываемых материалов. Множество анализируемых веществ и широкий диапазон измеряемых концентраций обусловили возникновение многочисленных и чрезвычайно разнообразных методов, основанных на использовании различных физико-химических явлений и свойств вещества. 1. ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ Электрохимические методы анализа основаны на применении электрохимических преобразователей. Эти методы широко применяются для анализа веществ в жидких средах, для измерения концентраций ряда газов и влажности. При измерениях электрохимическими методами используются относительно простые средства измерений, выходным сигналом которых является электрический ток или напряжение. Наиболее распространенными электрохимическими методами являются кондуктометрический, кулонометрический, потенциалометрический и ряд их разновидностей, например полярографический, метод потенциометрического титрования и др. Кондуктометрический метод. Этот метод основан на зависимости электропроводимости веществ от их состава и концентрации отдельных компонентов. Метод широко применяется для измерения концентрации солей, оснований и кислот в жидких растворах и расплавах, для измерения солености воды для измерения концентрации газов по изменению электропроводимости раствора при поглощении им пробы анализируемого газа, а также для измерения влажности в твердых, газообразных и жидких средах. Приборы, основанные на этом методе, называются кондуктометрическими концентратомерами, соленомерами, кондуктометрическими газо-анализаторами и кондуктометрическими влагомерами. В зависимости от используемых типов электрохимических резистивных преобразователей кондуктометрические приборы разделяются на контактные и неконтактные (емкостные и индуктивные). Последние, в свою очередь, делятся на низкочастотные и высокочастотные. Емкостные высокочастотные кондуктомеры целесообразно использовать для измерения слабых концентраций электролитов, а индуктивные — для сильных. Высокочастотные кондуктомеры можно также применять для измерения концентраций твердых частиц в жидкости, особенно в непрозрачных и густоокрашенных жидких средах, которые нельзя исследовать с помощью оптических методов [1]. Для примера рассмотрим кондуктометрический метод измерений концентрации газов. Метод основан на измерении электропроводимости раствора, с которым реагирует определяемый компонент анализируемого газа. На рис. 1 показана схема кондуктометрического газоанализатора, который состоит из дифференциального электролитического преобразователя, помещенного для выравнивания температур плеч в масляный термостат (1), и мостовой измерительной цепи. Электропроводимость раствора между электродами (2) и (3) постоянная, а между (7) и (8) она изменяется в зависимости от концентрации определяемого компонента газа, который поглощается раствором в змеевике (4). Непрореагировавшая часть газа отделяется от жидкости в газоотделителе (5) и удаляется вместе с раствором через выход (6).  Рисунок 1 – Схема кондуктометрического газоанализатора Кондуктометрические газоанализаторы используются для измерения малых концентраций широкого класса газов (CO2, S02, H2S, СОСl2, NН3, Н2 и др.) [4]. Кулонометрический метод. Метод основан на измерении тока или количества электричества при электролизе исследуемого вещества или вещества, реагирующего с измеряемым компонентом. Метод кулонометрического анализа разделяют на две группы: метод кулонометрического титрования и метод кулонометрии при контролируемом потенциале. Обе группы имеют одну принципиальную основу, но различаются по аппаратурному оформлению и технике определений. Метод кулонометрического титрования состоит в электрохимическом получении некоторого промежуточного компонента (титранта), способного быстро и в соответствии со стехиометрическим соотношением реагировать с анализируемым компонентом газовой смеси. По силе тока генерирования титранта судят о концентрации. Такие газоанализаторы предназначены для определения малых концентраций сернистых соединений в анализируемой смеси или в воздухе производственных помещений [1]. На рис. 2 дана схема электрохимической ячейки газоанализатора (ЭХГ) для непрерывного определения малых концентраций SO2 в газовых смесях.  Рисунок 2 – Схема ячейки электрохимического газоанализатора Анализируемый газ непрерывно барботирует через ячейку (1) газоанализатора, заполненную подкисленным раствором KJ. В раствор опущены две пары идентичных электродов: индикаторный платиновый (5) и каломельный сравнительный (6). Электроды служат для измерения окислительно-восстановительного потенциала, по величине которого контролируют процесс титрования. Два одинаковых платиновых электрода (2) подключены к источнику постоянного тока и служат для электролиза раствора KJ. В результате электролиза выделяется титрант – молекулярный йод, который окисляет SO2 с образованием серной кислоты. Если количество SO2, поступающего с потоком пробы в ячейку в единицу времени, эквивалентно количеству J2, получаемого от электролиза, то окислительно-восстановительный потенциал системы соответствует конечной точке титрования. При этом сила тока электролиза пропорциональна концентрации SO2. для измерения силы тока предназначен стандартный автоматический электронный потенциометр. При нарушении эквивалентности между количествами поступившего SO2 и выделившегося J2 изменяется окислительно-восстановительный потенциал системы и по сигналу потенциометрического датчика (4) регулирующее устройство (3) изменит силу тока электролиза [3]. Метод кулонометрии при контролируемом потенциале состоит в измерении силы тока при электролизе раствора, содержащего определяемое вещество, причем потенциал измерительного электрода во время электролиза поддерживают в таких пределах, что определяемый компонент реагирует полностью. Примером реализации этого метода является газоанализатор для анализа микроконцентрации сернистого газа.  Рисунок 3 – Схема ячейки кулонометрического газоанализатора Ячейка анализатора (рис 3) содержит измерительный электрод (1) и два вспомогательных электрода (6). Вспомогательные электроды отделены ионообменными мембранами (5) от измерительного электрода и от камеры (2) с запасным электролитом, в которой находится электрод очистки (3). Соединительные каналы а) и б) обеспечивают поддержание уровня электролита в камере измерительного электрода. Анализируемая смесь подается в камеру измерительного электрода через отверстие, радиально расположенные в нижней части трубки (4). На дне камеры под электродом всегда находятся несколько кусочков элементарного йода, где они медленно растворяются. При барботировании газовой смеси через электролит сернистый газ восстанавливает йод до йодида, который затем окисляется на измерительном электроде. В качестве электролита используют 5%-ный раствор серной кислоты [3]. 2. ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ Электрофизические методы основаны на использовании зависимостей физических свойств веществ от их состава и концентрации отдельных компонентов или воздействий анализируемых компонентов на измеряемый физический параметр чувствительного элемента. Для измерений концентраций веществ наиболее широкое применение получили методы и приборы, основанные на использовании тепловых, магнитных, диэлектрических свойств веществ. Тепловой метод. Тепловой метод анализа основан на зависимости тепловых свойств вещества, главным образом его теплопроводности, от его состава и концентрации отдельных компонентов, а также на определении температурных коэффициентов при различных физико-химических фазовых превращениях вещества. Наиболее широкое применение получил метод анализа, основанный на различии теплопроводности компонентов, входящих в анализируемую газовую смесь. Термокондуктометрические газоанализаторы, или катарометры, особенно пригодны для анализа газов Н2, Не, С02, SO2, Сl2, которые значительно отличаются по теплопроводности от других газов, а также для измерения вакуума, т. е. абсолютной концентрации газов безотносительно к их составу. В качестве чувствительных элементов в термокондуктометрических газоанализаторах и вакуумметрах обычно используются нагреваемые электрическим током платиновые или полупроводниковые терморезисторы. Изменение концентрации измеряемого компонента газовой смеси, пропускаемой через камеру, где помещен терморезистор, приводит к изменению теплоотдачи и температуры терморезистора, что вызывает изменение его электрического сопротивления. Измерительная цепь таких газоанализаторов обычно представляет собой автоматическую мостовую или компенсационную цепь (рис. 3) [1].  Рисунок 3 – Термокондуктометрический газоанализатор Термокондуктометрический газоанализатор представляет собой:1 – источник стабилизированного напряжения; 2 – вторичный прибор; R1 и R3 – рабочие терморезисторы; R2 и R4 – сравнительные терморезисторы; R0 и Rg потенциометры; вход и выход анализируемой газовой смеси показаны стрелками. Чувствительные элементы R1 и R3 (рабочие терморезисторы) омываются анализируемой смесью; сравнит. терморезисторы R2 и R4 помещены в герметичные ячейки, заполненные сравнит. газом точно известного состава. Потенциометры R0 и Rg предназначены для установки нулевых показаний и регулировки диапазона измерения. Мера концентрации определяемого компонента - электрический ток, проходящий через Rg, который измеряется вторичным (т.е. показывающим или регистрирующим) прибором. Термокондуктометрические газоанализаторы широко применяют для контроля процессов в производстве H2SO4, NH3, HNO3, в металлургии и др [3]. Для измерения концентрации компонентов в дисперсных средах (суспензия, пульпа) применяется калориметрический метод, основанный на зависимости теплофизических параметров дисперсной среды от соотношения ее фаз. Обычно измеряется при стабильной скорости потока. По схемным и конструктивным решениям калориметрические концентратомеры аналогичны тепловым расходомерам. На тепловом методе основаны электрические гигрометры и психрометры точки росы, применяемые для измерения влажности газов. Измерение влажности газа по точке росы заключается в определении температуры поверхности воды, при которой устанавливается динамическое равновесие между количеством влаги, испаряющейся с поверхности, и осаждаемой обратно из газа. При практическом осуществлении метода измеряют температуру QP поверхности твердого тела (металлического зеркала), которое охлаждают до тех пор, пока не появится конденсат (роса). С помощью терморегулятора поддерживают температуру поверхности таким образом, чтобы количество конденсата не менялось. Известны гигрометры, в которых охлаждение зеркала производится с использованием эффекта Пельтье. Достоинствами гигрометров точки росы являются относительно высокая точность и возможность измерения влажности воздуха и различных газов при низких температурах (—160 °С) и высоких давлениях ( Па), недостатками — сложность конструкции и дополнительные погрешности от загрязнения зеркала содержащимися в газах примесями (пыль, агрессивные газы и т. п.). Психрометрические гигрометры основаны на измерении разности температур двух термопреобразователей (терморезисторы, термопары): сухого (Qc), находящегося в исследуемой газовой среде, и мокрого (Qм), который смачивается водой и находится в термодинамическом равновесии с газовой средой. Чем меньше влажность этой среды, тем сильнее испаряется влага с поверхности мокрого термопреобразователя и тем ниже его температура Qм. Психрометрические гигрометры в основном используются для измерения влажности газовых сред при температурах 0 — 100 °С. Измерительная цепь таких гигрометров обычно представляет собой автоматический мост или компенсатор. Разновидностью теплового метода анализа является термохимический метод, применяемый для определения суммарной концентрации примесей в органических веществах или для определения чистоты таких веществ. Метод основан на зависимости температуры кристаллизации вещества от суммарного содержания примесей и позволяет определять содержание примесей в диапазоне 0,5 — 1 % с погрешностью 20 %. Магнитный метод. Этот метод получил широкое применение для измерения концентрации кислорода в газовых средах, поскольку из всех газов кислород обладает наибольшей магнитной восприимчивостью. Магнитные методы применяются для поисков полезных ископаемых, определения магнитных включений в немагнитных материалах, в дефектоскопии и магнитном структурном анализе [1]. На рис. 3 показаны конструкция термомагнитного газоанализатора. Он представляет собой кольцевую камеру с горизонтальной трубкой, на которую намотана нагревающая платиновая обмотка, разделенная на две секции R1 и R2. У левого конца горизонтальной трубки расположены полюсные наконечники магнита NS, поэтому парамагнитный газ всасывается с левой стороны в горизонтальную трубку и в ней подогревается.  Рисунок 3 – Принципиальная схема термомагнитного газоанализатора У левого конца горизонтальной трубки расположены полюсные наконечники магнита NS, поэтому парамагнитный газ всасывается с левой стороны в горизонтальную трубку и в ней подогревается. Так как при нагревании газа его магнитная восприимчивость падает, то холодный газ, втягиваясь в магнитное поле, будет выталкивать нагретый газ. В результате в горизонтальной трубке газ движется слева направо со скоростью, пропорциональной концентрации кислорода в испытуемой газовой смеси. Левая секция R1 охлаждается холодной смесью, поступающей из камеры. В правую половину горизонтальной трубки газовая смесь поступает уже нагретой, благодаря чему охлаждение правой секции обмотки R2 значительно меньше, чем левой. Обе секции обмотки включены в два соседних плеча моста [3]. преобразователь электрохимический тепловой ионный 3. ИОНИЗАЦИОННЫЕ МЕТОДЫ Ионизационные методы основаны на ионизации анализируемого вещества и измерении ионного тока, пропорционального концентрации определяемого компонента. Они широко применяются в вакуумметрах, ионизационных газоанализаторах, в масс-спектрометрах, а также для измерения аэрозолей, влажности газов и др. Существуют разнообразные способы ионизации анализируемого вещества. Наибольшее применение для целей анализа получили: а). ионизация газов электронами, возникающими вследствие автоэлектронной эмиссии (преобразователи с холодным катодом) и термоэлектронной эмиссии (преобразователи с горячим катодом); б). электроразрядный способ ионизации, основанный на зависимости характеристик электрического разряда в газах от их состава; в). ионизация за счет облучения анализируемого вещества радиоактивным и рентгеновским излучением; г). термическая ионизация молекул в пламени водорода; д). ионизация с помощью лазерного излучения. Наряду с указанными методами ионизации для анализа находят также применение и ряд других способов, таких, как окислительно-ионизационный, способ поверхностной ионизации, эмиссия положительных ионов, захват электронов, фотоионизационный и др. Ионизация атомов и молекул электронами, возникающими вследствие авто- и термоэлектронной эмиссии, широко применяется в вакуумметрах и масс-спектрометрических анализаторах. Датчик такого ионизационного вакуумметра обычно представляет собой вакуумный триод с патрубком для присоединения объекта, где измеряется вакуум. При постоянных значениях анодного напряжения и тока накала значение ионного тока, проходящего через сетку, зависит от абсолютной концентрации газа в межэлектродном пространстве. Диапазон измерений таких вакуумметров составляет Па. При больших давлениях может перегореть катод. Чувствительность датчика 75 мкА/Па. На 1—2 порядка больше чувствительность и верхний предел измерений у вакуумметров с магнитоэлектроразрядным датчиком, в котором под действием магнитного поля увеличивается длина пробега электронов и соответственно ионный ток. Недостатком таких вакуумметров является зависимость показаний от рода газа и внешних магнитных полей. Ионизационный метод с использованием радиоактивного излучения применяется в вакуумметрах, газоанализаторах и детекторах хроматографов. Для ионизации газа обычно используются α (ядра атомов гелия)- и β (электроны, позитроны)-излучения, обладающие большой ионизирующей способностью. Наиболее распространенными разновидностями этого метода являются методы, непосредственной ионизации, атомов и молекул анализируемого газа радиоактивным излучением и ионизация с помощью метастабильных атомов. Первый способ ионизации, в частности, применяется в радиоактивных ионизационных вакуумметрах, состоящих из ионизационной камеры и измерительной цепи, входной усилитель которой монтируется в одном корпусе с преобразователем и обычно представляет собой электрометрический усилитель. Источник α-излучения и коллектор ионов расположены внутри камеры, которая при помощи патрубка соединяется с объектом, где измеряется вакуум. Такие вакуумметры характеризуются хорошей воспроизводимостью результатов измерений (разброс не более 1 — 2 %) и практически линейной зависимостью между ионным током и давлением газа (а, следовательно, и абсолютной концентрацией газа) в широком диапазоне. Метод ионизации метастабильными атомами, который можно назвать методом двойной ионизации, применяется в аргоновых и гелиевых анализаторах для измерения концентрации широкого класса веществ. Метод заключается в том, что в электрическом поле с помощью β-излучения происходит ионизация атомов газа-носителя аргона, вследствие чего в ионизационной камере создается большая концентрация метастабильных атомов аргона с энергией 11,8 эВ, которые, в свою очередь, ионизируют молекулы анализируемого компонента. Для анализа веществ, имеющих более высокий потенциал ионизации, в качестве газа-носителя применяется гелий, энергия метастабильного состояния атомов которого равна 19,8 эВ. Ионизационно-пламенный метод основан на ионизации молекул исследуемого вещества в водородном пламени. Чистый водород, сгорая в воздухе, почти не образует ионов, поэтому водородное пламя имеет очень большое сопротивление (1012—1014 Ом). Если вместе с водородом в преобразователь подступает исследуемый горючий газ, то в результате термической диссоциации и окисления происходит ионизация молекул газа и сопротивление между электродами преобразователя резко падает. Вследствие этого увеличиваются ток и падение напряжения на резисторе, которое через усилитель подается на самопишущий прибор (рис. 5) [2].  Рисунок 5 – Схема ионизационно-пламенного преобразователя Если вместе с водородом в преобразователь поступает исследуемый горючий газ, то в результате термической диссоциации и окисления происходит ионизация молекул газа и сопротивление между электродами преобразователя резко падает. Вследствие этого увеличиваются ток и падение напряжения на резисторе, которое через усилитель подается на самопишущий прибор. Метод позволяет обнаруживать микроконцентрации органических соединений, поступающих в преобразователь со скоростью 10—12 — 10—14 г/с. Чувствительность анализаторов составляет 104 — 105 , постоянная времени 1 мс. Линейный рабочий диапазон 106 — 107, рабочая температура до 400° С [3]. 4. СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКИЕ (ВОЛНОВЫЕ) МЕТОДЫ Спектрометрические методы основаны на избирательной способности различных веществ поглощать, изучать, отражать, рассеивать или преломлять различного рода излучения. Эта группа методов включает в себя многочисленные методы, в которых используется широкий спектр длин волн — от звукового диапазона (103 Гц) до рентгеновских и гамма-излучений (1018 Гц). Электроакустический метод. Метод основан на различии в затухании или скорости распространения ультразвуковых колебаний в различных жидкостях и газах, применяется для анализа бинарных газовых и жидких смесей, а также для измерения влажности. Приборы, в которых используется этот метод, обычно состоят из акустического или ультразвукового излучателя и приемника— преобразователя звуковых колебаний в электрические сигналы. Исследуемая смесь пропускается между излучателем и приемником. Радиоспектрометрические методы. К ним относятся методы ядерного магнитного резонанса (ЯМР), электронного парамагнитного резонанса (ЭПР), СВЧ и микроволновая спектроскопия. В последнее время эти методы получили широкое распространение для исследования свойств ядер, молекул, кристаллов и для других физико-химических исследований. Метод ядерного магнитного резонанса. Основан на использовании магнитных свойств атомных ядер, большинство из которых обладает магнитным моментом. Взаимодействие магнитных моментов ядер с внешними магнитными моментами других частиц (ионы, атомы, электроды и др.) дает возможность определять структуру сложных соединений, а также проводить качественный и количественный анализ различных веществ. Особенно эффективен метод ЯМР для исследования соединений сложной структуры. Вследствие так называемого химического сдвига между резонансными частотами ядер одного и того же элемента, входящих в химически неэквивалентные соединения, происходит расщепление сигнала ЯМР и он приобретает мультиплетную структуру. Измеряя интенсивность отдельных составляющих сигнала ЯМР от ядер компонентов сложной смеси, можно определить концентрацию компонентов, содержащих ядра одного вида. На рис. 6 приведена схема влагомера ЯМР. Цилиндрический сосуд (4) с исследуемым образцом помещен между полюсами (2) и (5) постоянного магнита, создающего в образце МП определенной напряженности. Сосуд с образцом находится во внутренней полости катушки (3), входящей в параллельный резонансный контур; последний питается током высокой частоты от генератора (9).  Рисунок 6 – Схема влагомера ЯМР Полюсы постоянного магнита снабжены развертывающими катушками (1) и (6). Радиочастотный сигнал усиливается и детектируется блоком (7), а затем регистрируется вторичным измерительным прибором (8). Прибор градуируют по материалу с известной влажностью. Недостатки метода – необходимость отбора пробы и сложность аппаратуры [3]. Метод электронного парамагнитного резонанса (ЭПР). Является одним из наиболее чувствительных методов для анализа малых количеств парамагнитных веществ. Метод ЭПР широко применяется для обнаружения и измерения концентрации ионов переходных элементов, примесей в полупроводниках, свободных радикалов, облученных кристаллов и других элементов и соединений, содержащих не спаренные электроны. Метод ЭПР весьма сходен с методом ЯМР, но поскольку магнитный момент электрона примерно в 1000 раз больше магнитных моментов ядер, а спин электрона равен 1/2, то электронный резонанс обычно наблюдается в диапазоне сантиметровых и миллиметровых длин волн. Так как энергия, поглощаемая электронами, на несколько порядков больше энергии, поглощаемой ядрами при ЯМР, то для получения сигналов ЭПР достаточно весьма малое количество исследуемого вещества — порядка 10—12 г. Анализаторы ЭПР, предназначенные для анализа свободных радикалов, парамагнитных ионов и радиационных дефектов в твердых и жидких средах, при комнатной температуре и температуре жидкого гелия имеют порог чувствительности 10—11 моль/л. Для непрерывного автоматического измерения концентрации парамагнитного вещества в жидких средах разработаны анализаторы с порогом чувствительности моль/л. Их основная приведенная погрешность ± (2 — 5) % [2]. Сверхвысокочастотная (СВЧ) спектроскопия. Широко применяется для измерения влажности в различных веществах. Измерение влажности осуществляется по ослаблению уровня или сдвигу фазы СВЧ - колебания при их прохождении через исследуемое вещество. Достоинствами метода являются неограниченный верхний предел измерений (до W = 100 %), высокая чувствительность в широком диапазоне измерений влажности, относительно малое влияние неравномерного распределения влаги и электролитов, бесконтактный способ измерения, а также возможность получения информации об интегральной влажности объектов большого объема. На результат измерения сильно влияют толщина и плотность исследуемого материала, а также температура, влияние которой особенно велико при использовании в качестве информативного параметра изменения амплитуды СВЧ - колебаний. На рис. 7 показаны структурные схемы СВЧ – влагомеров, основанных на принципе ослабления радиоволны (а) и фазового сдвига (б).  Рисунок 7 – Структурные схемы СВЧ - влагомеров, основанных на принципе ослабления радиоволны (а) и фазового сдвига (б) 1 – СВЧ - генератор; 2 – модулятор; 3 – передающая антенна; 4 – образец влажного материала; 5 – приемная антенна; 6 – измерительный аттенюатор; 7 – полупроводниковый диод; 8 – усилитель низкой частоты; 9 – микроамперметр; 10 – фазовращатель; 11, 12 – делители. СВЧ - влагомеры успешно используются для измерения влажности движущихся материалов в непрерывных технологических процессах [3]. Электрооптические методы. Эти методы основаны на избирательном поглощении, излучении или рассеянии компонентами анализируемого вещества светового излучения в видимом инфракрасном и ультрафиолетовом диапазонах длин волн. Успешному развитию электрооптических методов способствует применение лазерных источников излучения. Метод инфракрасной спектроскопии (ИК). В этом методе используется избирательное поглощение различными веществами излучения в инфракрасной области спектра. Для анализа газов широкое распространение получила разновидность ИК - спектроскопии — оптико-акустический метод, основанный на избирательном поглощении различными газами модулированного низкой частотой инфракрасного излучения и преобразовании возникающих акустических колебаний в электрические сигналы. Высокая чувствительность и избирательность метода обусловлены тем, что приемник излучения, прошедший через анализируемую газовую смесь, заполнен именно тем газом, концентрация которого измеряется. Этот метод широко применяется для анализа большинства двухатомных газов и паров, которые имеют характерные полосы поглощения в инфракрасной области спектра (λ = 0,74 мкм ... 2 мм). Для анализа О2, N2, Сl2 и паров ртути используется избирательное поглощение этими веществами радиации в ультрафиолетовой области спектра. Лазерное излучение по сравнению с другими позволяет на несколько порядков повысить чувствительность оптико-акустических анализаторов, что дает возможность применять их для исследования широкого класса веществ с коэффициентами поглощения 10—10 — 105 см—1, находящимися в различных агрегатных состояниях в диапазоне температур 2 — 1000 К. ИК - оптико-акустическая спектроскопия может быть также успешно использована для определения концентрации твердых и жидких веществ на основе измерения объемного коэффициента поглощения непрозрачных материалов. На рис. 10 показана схема прибора для измерения концентрации сульфатов, которые играют значительную роль в загрязнении водной и воздушной среды. Метод электронной спектроскопии. Метод основан на «вырывании» связанных электронов с внешней валентной или внутренних оболочек атомов и измерении энергии испускаемых частиц, энергетический спектр которых несет информацию о структуре и химическом составе вещества. Электронная спектроскопия дает возможность определить химические сдвиги, на основании которых можно проводить анализ молекулярного и элементного состава и концентрации различных веществ. Достаточно большие сдвиги (свыше 10 эВ) обнаруживаются для всех элементов, что указывает на универсальность этого метода. Достигнутое разрушение составляет 0,2 эВ в газах и 0,5 эВ в твердых веществах. Радиоактивные методы. Эти методы основаны на различии в интенсивности излучения, поглощения или отражения рентгеновского и радиоактивного излучений компонентами анализируемого вещества. Определение состава и концентрации производится по спектрам собственного излучения вещества, по поглощению радиоактивного излучения, по спектрам вторичного излучения, возникающего при взаимодействии нейтронов, β- и γ-излучений с веществом. Радиоактивные методы широко применяются для экспертного анализа многокомпонентных сред (например, руд), для анализа бинарных жидкостей, для определения концентрации тяжелых элементов в растворах, а также для измерения влажности грунтов, торфа и строительных материалов, для измерения примесей в сверхчистых веществах. Радиоактивационный метод анализа является наиболее чувствительным методом измерений концентрации веществ. Этот метод основан на активации исследуемого вещества с помощью интенсивных потоков нейтронов, γ-квантов или заряженных частиц с последующим измерением вторичных радиоактивных излучений, испускаемых ядрами определяемых компонентов вещества. Существуют разновидности радиоактивационного метода, которые отличаются типом первичного излучения и особенностями возникающих ядерных реакций, например нейтронно-радиационные методы, нейтронно-нейтронные методы, γ-резонансный метод и др. Метод о наряду с высокой чувствительностью может при использовании соответствующих средств измерений обеспечить высокую точность определения концентрации [2]. 5. КОМБИНИРОВАННЫЕ МЕТОДЫ Из многочисленных комбинированных методов для анализа многокомпонентных веществ наиболее широкое применение получили масс-спектрометрический и хроматографический методы, а также их сочетания с другими методами. Масс-спектрометрический метод. Метод основан на ионизации анализируемого вещества и разделении ионов на отдельные пучки по компонентам, отличающимся отношением массы иона к его заряду. В зависимости от способа разделения ионов масс-спектрометры делятся на магнитные с разделением ионов в магнитном поле, времяпролетные с разделением ионов по времени их пролета от источника до коллектора ионов и радиочастотные с разделением ионов под воздействием высокочастотных электрических полей. На рис.8 показана схема масс-спектрометра с разделением ионов в однородном магнитном поле.  1 – ионизационная камера; 2 – камера анализатора; 3 – коллектор; 4 – усилитель постоянного тока; 5 – вторичный измерительный прибор Рисунок 8 – Схема масс-спектрометра с разделением ионов в однородном магнитном поле Основными параметрами масс-спектрометров являются диапазон массовых чисел, который лежит в пределах 1 — 600 м. е. (массовых единиц), разрешающая способность (выражаемая числом различных градаций в рабочем диапазоне массовых чисел) и порог чувствительности. Порог чувствительности масс-спектрометров лежит в пределах 0,1 — 0,0001 %. Погрешности различных масс-спектрометрических анализаторов составляют от ±1 до ±10 %. Наибольшее распространение в настоящее время получили динамические масс-спектрометры, в которых используется ловушечный механизм разделения заряженных частиц по удельным зарядам (е/т) в поперечном гиперболическом высокочастотном поле [3]. Хроматографический метод. Используется для анализа сложных смесей широко. Основан на предварительном разделении исследуемого вещества на составные компоненты с последующим определением концентрации анализируемых элементов с помощью рассмотренных выше методов анализа. В зависимости от используемого способа разделения компонентов различаются методы ионообменной, гелийпроникающей и адсорбционной хроматографии. Наиболее развит адсорбционный хроматографический метод на основе использования явления сорбции.  Рисунок 9 – Схема хроматографического анализа Доза исследуемой смеси А+В строго определенного объема вводится дозатором (1) в поток подвижной фазы С и попадает в хроматографическую колонку (2), где в следствии взаимодействия с неподвижной фазой D компоненты А и В замедляют движение и приобретают разные скорости. Это приводит к образованию зон бинарных смесей (компонент + подвижная фаза), разделенных чистой подвижной фазой II. При дальнейшем перемещении компонентов по колонке зона чистой подвижной фазы между ними увеличивается до тех пор, пока компоненты не выйдут с потоком подвижной фазы из колонки ( III, IV). После этого компоненты поступают в детектор (3). Этот сигнал регистрируется вторичным прибором (4) в виде графика (хроматограммы) [3]. Существует ряд разновидностей хроматографического метода анализа. Газоадсорбционный метод применяется для анализа смесей, содержащих низкокипящие газы (Н2, СО, СН4). В качестве сорбента используется твердая пористая шихта (огнеупорный кирпич). В газожидкостном методе используется сорбент в виде нелетучих жидкостей, нанесенных на твердые пористые вещества. Метод применяется для анализа сложных смесей, содержащих компоненты с близкими температурами кипения. При хроматермографическом методе анализ производится при разных температурах колонки, что увеличивает избирательность и чувствительность метода. Хроматографический метод позволяет измерять концентрации различных сложных смесей, содержащих до сотни компонентов веществ, с относительной погрешностью 5 — 10 %. При использовании хроматографов высших классов точности с соответствующими стандартными образцами и методиками измерения погрешность составляет 0,5 — 2 %. Хроматографический метод и его сочетания с масс-спектрометрическим, спектрометрическим, ионизационным и другими методами лежат в основе ряда комбинированных методов измерений, которые являются наиболее перспективными для повышения точности аналитических измерений [2]. ЗАКЛЮЧЕНИЕ В данном реферате рассмотрены методы и преобразователи для измерения концентраций веществ, которые необходимы для регулирования сложных технологических процессов (ТП). Обычно в таких ТП требуются быстродействующие и точные средства измерений, которые в составе автоматизированных систем управления технологическими процессами обеспечивали бы измерения параметров, непосредственно определяющих состав и свойства вырабатываемых материалов. Каждый метод применяется в той сфере, где он рационален и дает наиболее точные результаты измерений для их последующей обработки и использовании как раз в тех самых ТП. К примеру, при измерениях электрохимическими методами используются относительно простые средства измерений, выходным сигналом которых является электрический ток или напряжение. В ряде случаев не требуется внешнего источника питания, поскольку сам электрохимический преобразователь является источником выходного электрического сигнала, используемого в качестве сигнала измерительной информации. Эти методы особенно пригодны для автоматического анализа веществ, для которых другие методы не обеспечивают нужной чувствительности или требуют более сложных и дорогостоящих средств измерений. Преобразователи, основанные на том или ином методе, имеют свой диапазон измерений, рабочие условия, степень надежности др. не менее важные характеристики. Поэтому при выборе метода и преобразователя необходимо исходить из того, какой нужен диапазон измерений, какая точность, условия работы, динамические качества и т. д. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Спектор С.А. Электрические измерения физических величин: Методы измерений: Учеб. пособие для вузов. Л.: Энергоатомиздат. Ленинградское отделение, 1987. — 320 с.: ил. 2. Электрические измерения неэлектрических величин/А. М. Туричин, П. В. Новицкий, Е.С. Левшина и др.;Под общ. ред. П. В. Новицкого. Л.: Энергия, 1966 3. Кулаков М.В. Технологические измерения и приборы для химических производств: Учебник для вузов. 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Машиностроение, 1983. – 424 с., ил. 4. Методы и средства измерений, испытаний и контроля: конспект лекций/ Л.Н. Тюленев, В.В. Шушерин, А.Ю. Кузнецов. Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ УПИ, 2005. Ч.2. 76 с. |