учебный план по программе наладчик кипиа. НКИПИА курс лекций. Учебный план Предисловие тема системы автоматического контроля и основы метрологии
 Скачать 7.3 Mb.
|
|
ТЕМА№ 7 Контроль качества и состава материалов § 7.1. Основные понятия В химической и смежных отраслях промышленности технологические процессы связаны с получением и пере- работкой многих газообразных и жидких веществ. Эти ве- щества характеризуются различными показателями, по ко- торым оценивают их качество. При измерении состава сред объект измерения рассмат- ривают как смесь, состоящую из нескольких (не менее двух) элементов, называемых компонентами. Под измере- нием состава понимают определение доли (концентрации) того или иного компонента в смеси. При определении кон- центрации одного компонента (даже если в смеси помимо определяемого компонента присутствует еще несколько) смесь называют бинарной (двойной); когда определяют концентрации нескольких веществ, смесь называют много- компонентной. Количественно состав характеризуют отношением ко- личества определяемого компонента к количеству всей взятой пробы и выражают в соответствии с РД 50-294–81 в массовой, объемной и молярной долях, т. е. в отношении массы, объема или количества вещества определяемого компонента соответственно к массе, объему или количе- ству вещества анализируемой пробы или в массовой и мо- лярной концентрациях (отношениях массы или количества вещества к объему анализируемой пробы). По ГОСТ 8.417–81 единицы измерения первых трех ве- личин безразмерны: доля (без обозначения), процент (обо- значение: %), тысячная доля (обозначение: русское тыс. −1 , латинское рт) и миллионная доля (обозначение: рус- ское млн −1 , латинское ррт) единица измерения массовой 181 концентрации — килограмм на метр кубический (обозна- чение кг/м 3 ) и дольные от нее единицы: г/м 3 , мг/м 3 , г/см 3 , г/мл; единица молярной концентрации — моли на метр кубический (обозначение русское моль/м 3 , моль/мл). Методы анализа состава вещества подразделяют на изби- рательные и интегральные. Избирательные методы позво- ляют избирательно (однозначно) получать информацию о количестве конкретного компонента в смеси. В инте- гральных или неизбирательных методах результаты изме- рения отражают количество некоторой группы веществ в смеси. Газоанализатор — прибор, предназначенный для полу- чения информации о значении концентрации измеряемого компонента или суммы компонентов в анализируемой газовой смеси. Анализируемая смесь — смесь газов и паров, которая должна быть проанализирована, т. е. должен быть опреде- лен ее качественный и количественный состав, или же в которой должны быть определены концентрации отдель- ных ее компонентов. Измеряемый компонент — один из газов, входящих в га- зовую смесь, подлежащий количественному определению. Нулевой газ — газ, который при прохождении через газоанализатор не вызывает отклонения указателя показы- вающего прибора. Поверочная газовая смесь (ПГС) — смесь нулевого газа с известным количеством измеряемого компонента, при- меняемая для градуировки и поверки газоанализатора. Газоанализаторы, используемые для контроля и регули- рования технологических процессов, градуируют в едини- цах объемной доли, а для высокоточных измерений — в единицах молярной доли. Газоанализаторы, которые применяют для контроля воздушной среды, градуируют в единицах массовой концентрации (кг/м 3 , мг/м 3 , мг/л). 182 Предельно допустимая концентрация (ПДК) — концен- трация токсичных веществ, содержащихся в воздухе, кото- рая при ежедневном воздействии в течение неограниченно продолжительного времени не может вызвать у работаю- щих профессиональных заболеваний. § 7.2. Измерение концентрации растворов Для контроля концентрации растворов наиболее широ- кое применение нашли следующие методы: кондуктометрический, основанный на измерении электропроводности электролитов; оптический, основанный на изменении оптических свойств жидкостей в зависимости от концентрации определяемого вещества; электрометрический, основанный на измерении разности потенциалов специальных электродов, погруженных в контролируемую среду, и завися- щий от ее кислотности или щелочности (рН- метрия). Кондуктометрический метод. Измерение концентра- ции растворов электролитов по их электропроводности (кондуктометрия) широко применяют как в лабораторной практике, так и при определении зависимости удельной электропроводности электролитов от концентрации для непрерывного автоматического контроля в промышленных условиях. При использовании кондуктометрического метода ана- лиза мерой концентрации раствора является электропро- водность. Для оценки электропроводности растворов раз- личных веществ В. Кольрауш ввел понятие эквивалентной электропроводности, которая определяется как электро- проводность раствора, содержащего 1 грамм-эквивалент вещества на 1 см 3 раствора: 183 = σ / ŋ , (7.1) где — эквивалентная электропроводность раствора; σ — удельная электропроводность раствора, См/см; ŋ — эквивалентная концентрация растворенного веще- ства, г-экв/см 3 Эквивалентная электропроводность всех электролитов увеличивается по мере разбавления раствора вследствие увеличения диссоциации. Предельного значения она до- стигает при полной диссоциации (т. е. при бесконечном разбавлении). Зависимость между удельной электропро- водностью раствора, природой растворенного электролита и его концентрацией определяется законом Кольрауша: σ = α ŋ (υ к − υ а ), где υ — подвижность ионов (катионов υ к и анионов υ а ) при бесконечном разбавлении, т. е. скорость их перемеще- ния в электрическом поле с градиентом напряжения 1 В/см, выраженная в см/с; α — степень электролитической диссоциации. На рис. 7.1 показана зависимость удельной электропро- водности от концентрации, характерная для большинства сильных электролитов. При увеличении концентрации удельная электропроводность раствора сначала быстро возрастает, достигая некоторой максимальной величины, зависящей от природы электролита, а затем уменьшается. Следовательно, для получения однозначной зависимости электропроводности от концентрации необходимо произ- водить измерения в пределах концентраций, расположен- ных с одной стороны от максимума. Из рассмотрения за- висимостей видно, что кривые слева от максимума имеют бо́льшую крутизну. Следовательно, в этой области концен- траций кондуктометрический метод имеет наибольшую чувствительность. Кроме того, в значительной области 184 измерения концентраций как слева, так и справа от макси- мума зависимости близки к линейным. Рис. 7.1. Зависимости удельной электропроводности электролитов от концентрации В электродной кондуктометрии применяют измеритель- ные ячейки, состоящие из двух электродов, установленных на определенном расстоянии один от другого в сосуде с кон- тролируемым раствором. Измерительная ячейка (рис. 7.2) характеризуется электрическим сопротивлением (в Ом): R = (I / σ) (L / S), (7.3) где S — площадь электродов; L — расстояние между электродами; σ — удельная электрическая проводимость раствора. В практике кондуктометрических измерений это отно- шение получило название константы измерительной ячей- ки К, которую определяют из опыта. Электропроводность можно измерять, используя как постоянный, так и пере- менный ток промышленной или повышенной частоты. 185 Рис. 7.2. Двухэлектродная измерительная ячейка Рис. 7.3. Четырехэлектродная измерительная ячейка Большинство отечественных промышленных кондукто- метров работают на токе промышленной частоты. Наряду с двухэлектродной измерительной ячейкой, которую при- меняют в большинстве кондуктометрических концентра- томеров, используют ячейки с четырьмя электродами (рис. 7.3). В этой ячейке два электрода являются токовыми, к ним подводится напряжение от внешнего источника, и между ними через раствор протекает ток. Два других электрода представляют собой потенциометрические зон- ды, которыми измеряется падение напряжения в опреде- ленном объеме контролируемого раствора. Падение нап- ряжения пропорционально сопротивлению контролируе- мого раствора, т. е. его концентрации. Использование та- кой ячейки и компенсационного метода измерения напря- жения позволяет почти полностью избавиться от влияния поляризации на получаемые результаты и практически устранить возникновение емкостной составляющей при измерении. Это обусловлено тем, что индикаторные элек- троды освобождены от токовой нагрузки и все связанные с ней побочные электрохимические прогрессы происходят на токовых электродах. 186 При использовании четырехэлектродной ячейки в каче- стве измерительных приборов служат серийные автомати- ческие потенциометры. Схема кондуктометра с использо- ванием уравновешенной мостовой измерительной схемы показана на рис. 7.4. Рис. 7.4. Схема кондуктометра с уравновешенной мостовой измерительной схемой В два смежных плеча моста включены постоянное соп- ротивление R 1 и сопротивление измерительной ячейки R х В два других плеча наряду с постоянными сопротивле- ниями R 2 и R 3 включен реохорд R р для уравновешивания моста. Напряжение с диагонали моста аb подается на вход элек- тронного усилителя ЭУ, выполняющего функции нуль- индикатора. Если мостовая схема находится в равновесии, сигнал на входе электронного усилителя равен нулю и включенный на его выходе реверсивный двигатель РД оста- ется неподвижным. При изменении концентрации контро- лируемого раствора изменяется сопротивление измеритель- ной ячейки и мост разбалансируется. Сигнал разбаланса, пропорциональный изменению концентрации, поступает на вход усилителя ЭУ и после усиления — на реверсивный двигатель. Двигатель перемещает движок реохорда до наступления нового состояния равновесия мостовой схемы. 187 При изменении температуры электролита изменяется на 1,5–2,5 % его удельная электропроводность. Температура большинства технологических растворов изменяется в до- вольно значительных пределах, поэтому все промышлен- ные кондуктометрические концентратомеры имеют авто- матические компенсаторы влияния температуры контро- лируемых растворов на результаты измерений. Оптические методы. Эти методы анализа растворов нашли широкое применение в химической промышленности. Они универсальны и высокочувствительны. Из большого числа оптических методов рассмотрим лишь основные. Колориметрический метод количественного анализа основан на свойстве окрашенных растворов неодинаково поглощать проходящий через них поток света. Количе- ственные соотношения определяются законом Ламберта — Бера. Фотоэлектрические колориметры предназначены для работы в видимом участке спектра. Концентрация измеря- ется по интенсивности окраски анализируемого вещества, отсюда и название приборов («колор» — цвет). Чтобы уве- личить чувствительность и избирательность измерений, в фотоколориметрах широко применяют светофильтры. Для регистрации интенсивности световых потоков в фото- электрических колориметрах в качестве приемников ис- пользуют фотоэлементы, фотосопротивления и фотоумно- жители различных типов. В автоматических фотоколориметрах обычно применя- ют двухканальные (дифференциальные) схемы. Эти схемы не чувствительны к колебаниям источника света, внешней освещенности и температуры, так как измерения произво- дятся сравнительным методом. В двухканальных фото- колориметрах (рис. 7.5) сравниваются величины фото- токов двух фотоэлементов, при этом один из токов про- порционален прошедшему через контролируемый раствор 188 световому потоку, а другой — световому потоку, прошед- шему через эталонный раствор. При равенстве оптических свойств эталонной и иссле- дуемой жидкостей освещенность обоих фотоэлементов одинакова и ток в диагонали моста отсутствует. Если кон- центрация исследуемой жидкости отличается от эталонной (жидкость слабее или сильнее окрашена), то в диагонали моста появляется ток, величина которого функционально зависит от концентрации. Рефрактометрический метод использует зависимость коэффициента преломления света, проходящего из воздуха в контролируемую среду, от концентрации анализируемо- го компонента в последней. Рис. 7.5. Принципиальная схема фотоколориметра Существует несколько методов определения показателя преломления, основными из которых являются спектро- метрический метод и метод полного внутреннего отраже- ния. Спектрометрический метод основан на определении по- казателя преломления по углу наименьшего отклонения све- тового потока в стеклянных призмах, заполненных контро- лируемым раствором. На рис. 7.6 показана принципиальная схема автоматического рефрактометра, в котором использо- вана кювета дифференциального типа. Луч от источника 189 света 1 проходит через конденсорную линзу 2, диафрагму 3 и попадает в кювету 4. Если концентрация контролируемого раствора равна концентрации сравнительного раствора, то луч проходит через кювету без отклонения и равномерно освещает оба фотосопротивления Ф1 и Ф2. При этом сигнал на выходе равен нулю. При изменении концентрации анали- зируемого раствора луч света отклоняется в ту или иную сторону, и равенство освещенностей фотосопротивлений нарушается. Рис. 7.6. Принципиальная схема автоматического рефрактометра В результате этого на вход электронного усилителя ЭУ подается сигнал, знак и величина которого определяются отклонением концентрации контролируемого раствора от концентрации сравнительного раствора. Этот сигнал уси- ливается в ЭУ и приводит во вращение реверсивный дви- гатель РД, который через систему передач поворачивает компенсационную пластину 5 до тех пор, пока равенство освещенностей не восстановится. При этом угол поворота пластины и связанной с ней отсчетной системы 6 прибора пропорционален изменению концентрации контролируе- мого раствора. Изменяя толщину пластины 5, можно изме- нять пределы измерения прибора. Кювета 4, состоящая из двух камер, автоматически обес- печивает температурную компенсацию результатов измере- ния, если сравнительная (эталонная) жидкость имеет тот же 190 температурный коэффициент показателя преломления, что и контролируемая. Поляриметрический метод. Этот метод определения концентрации основан на свойстве некоторых оптических активных веществ вращать плоскость поляризации прохо- дящего через них поляризованного света. Для растворов, содержащих оптически активные веще- ства, угол вращения плоскости поляризации пропорциона- лен концентрации при постоянной толщине слоя раст- вора. а = а 0 /С , (7.8) где а 0 — удельное вращение плоскости поляризации, зави- сящее от температуры и длины волны поляризован- ного света. Таким образом, зная величину а 0 , по измеренному значению угла вращения можно определить концентра- цию С. На рис. 7.7 показана принципиальная схема автоматиче- ского поляриметра. Обозначение ↑Е выражает состояние поляризации в разных точках оптической системы в поло- жении баланса. Рис. 7.7. Принципиальная схема автоматического поляриметра 191 Излучение от источника света 1, сформированное линзой 2 в пучок, близкий к параллельному, пройдя интерферен- ционный фильтр 3, становится монохроматическим. Поля- ризатор 4 превращает это излучение в линейно поляризован- ное с определенным азимутом. Модулятор 5 (например, ячейка Фарадея) изменяет азимут поляризации с частотой f на одинаковую величину от среднего положения. Анали- затор 7 установлен в скрещенное положение, т. е. под углом 90° к среднему положению азимута поляризации, и на фотоприемник 8 поступает излучение с амплитудной модуляцией удвоенной частоты (2f) изменения азимута поля- ризации. Фотоприемник преобразует излучение в электриче- ский сигнал. Питание фотоприемника осуществляет блок пи- тания 9. Если между модулятором и анализатором поместить оп- тически активный объект 6, то среднее положение азимута поляризации будет повернуто на определенный угол α, и на фотоприемник поступит излучение частоты f. Элек- трический сигнал частоты вызовет в электронной системе 10 сигнал рассогласования, который поступит в исполни- тельный механизм 11, имеющий жесткую связь с анализа- тором. В зависимости от фазы сигнала рассогласования исполнительный механизм будет поворачивать анализатор в ту или иную сторону вокруг оптической оси системы. Это будет продолжаться до тех пор, пока вновь не устано- вится скрещенное положение и частота излучения за ана- лизатором не станет равна 2f. Угол поворота анализатора равен углу вращения азимута поляризации оптически ак- тивным объектом. Результат измерения виден на отсчет- ном устройстве 12, связанном с анализатором через испол- нительный механизм. Поляризационно-оптические методы практически безынерционны и обладают высокой точно- стью. 192 Фотометрический мультиметр «Технофам-002.3» — профессио- нальное решение для измерения оптической плотности, коэффици- ентов пропускания и концентра- ции веществ в жидкостях. Лабораторные концентратоме- ры используются в лабораториях химического контроля на пред- приятиях теплоэнергетики, пище- вых, химических, фармацевтиче- ских и иных производствах. Фотометрический мультиметр «Технофам-002.3» предназначен для измерения коэффициентов пропускания, оптической плотности и кон- центрации веществ в жидкостях согласно сертифицированным мето- дикам пробоподготовки, обеспечивающим окраску анализируемой жидкости пропорционально концентрации определяемого вещества. Концентрация растворенных веществ определяется по интенсив- ности изменения окраски растворов при проведении специфических для данного вещества химических реакций. |