Измерение физико-химического состава веществ

Министерство образования  и науки Российской Федерации

Федеральное Государственное  Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Обучения

«МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  УНИВЕРСИТЕТ ПИЩЕВЫХ ПРОИЗВОДСТВ»

 

 

 

Кафедра: Пищевая безопасность

 

 

Курсовая работа по дисциплине: «Методы и средства измерений, испытаний  и контроля» на тему: «Измерение физико-химического состава веществ»

                                                                                        

 

 

 

 

Выполнил студент: Утьянов Д.А.

Группы: 10-ИУК-20

Принял преподаватель: Дальская Т.А.

 

 

 

                                                  

 

Москва, 2013 г.

 

Под физико-химическими измерениями в системе Госстандарта РФ принято понимать все измерения, связанные с контролем состава веществ, материалов и изделий. Измерения химического состава веществ могут проводиться самими различными методами, поскольку в измерительном процессе в большинстве случаев измеряется какое-либо свойство материала, а затем состав находят из связи состав-свойство. Таким свойством могут быть механические свойства, электромеханические, тепловые, оптические. Из этого следует, что физико-химические измерения опираются в сути своей на уже рассмотренные виды измерений.

Основной отличительной  особенностью физико-химических измерений  является важная роль процесса подготовки пробы к анализу. В самом деле, при хранении пробы, при ее транспортировке  от места забора к аналитическому прибору и в самом процессе анализа возможны самые разнообразные  трансформации состава. К таким  трансформациям могут привести изменения  температурного режима, изменения влажности, давления. Важным моментом является так  называемое влияние третьей компоненты на результат анализа. В химии  хорошо известен каталитический эффект - т. е. влияние на скорость химических реакций веществ, не участвующих в химических превращениях, но изменяющих скорость их протекания, а в ряде случаев определяющих конечный результат химической реакции.

По этой причине нельзя отождествлять, например, собственно измерения  теплопроводности газов и анализ состава газовых смесей на хроматографе с детектором теплопроводности. То же самое относится к другому распространенному виду физико-химических измерений - масс-спектрометрам. Эти приборы являются средством измерения массы по траектории движения ионов различной массы в магнитном поле.

Указанная особенность физико-химических измерений приводит к двум очень  важным моментам. Первое - физико-химические измерения в сути своей используют весь арсенал приборов и методов  из других видов измерения. И второе - в физико-химических измерениях очень  большое значение имеет стандартизация методики измерений - последовательности действий, включая забор пробы, хранение, транспортировку, подготовку пробы  к анализу, получение аналитического сигнала и обработку результатов  измерений. В ряде случаев необходимая  информация о составе вещества может  быть получена только с использованием измерения нескольких свойств, например, массы и теплопроводности или  массы и показателя преломления.

 

 

Приборы, применяемые  используемые в измерении физико-химического  состава веществ.

Кондуктометры

Кондуктометры - средство для контроля удельной электропроводности (УЭП) растворов, количества растворенных солей. Кондуктометры  незаменимы для контроля промышленных сточных вод, определения содержания солей в нефтяной, химической промышленности.

 

 

PH-метры и  иономеры

PH-метры и иономеры - предназначены для измерения активности ионов водорода (рН), и других анионов и катионов (рХ) а также для измерения температуры контролируемых растворов (t).

 

      Фотоколориметры и спектрофотометры

Фотоколориметры и спектрофотометры предназначены для измерения  коэффициентов пропускания и  оптической плотности водных растворов, а также предназначены для  измерения скорости изменения оптической плотности вещества и определение  концентрации вещества в растворах.

Измерители  влажности, влагомеры

Измерители влажности, влагомеры  предназначены для измерения  и контроля объемной доли влагосодержания  в древесине, бетоне, песке, воздухе  и т.д. Принцип действия влагомеров основан на корреляционной зависимости  влагосодержания от диэлектрической  проницаемости материалов.

      Ареометр

Ареометр- прибор для измерений плотности жидкостей и твёрдых тел.

 

      Кислородомер

Кислородомер – прибор для измерения концентрации растворенного в воде молекулярного кислорода при контроле водно-химических процессов.

 

      Хроматографы

Хроматограф – прибор, функциональным предназначением которого стало  разделение смесей на составляющие и  определение процентного состава  компонентов в смеси.

      Измерение вязкости

Измерители вязкости предназначены  для автоматического измерения  вязкости масел и тяжелых топлив в широком диапазоне температур и давлений работающих тепловых двигателей, прежде всего двигателей внутреннего  сгорания. 

      Поляриметры

Предназначен для измерения угла вращения плоскости поляризации оптически активными прозрачными и однородными растворами и жидкостями. Применяется в лабораториях пищевой, химической промышленности и других отраслях науки и производства для определения концентрации растворов оптически активных веществ, таких, как сахар, глюкоза, белки по углу вращения плоскости поляризации. 

   

  Масс-спектрометры

Приборы для качественного  и количественного анализа состава  различных сред. Обеспечивают многокомпонентный  анализ в режиме реального времени.

 

В своей работе я хочу рассмотреть  хроматограф.

Перед тем как затронуть хроматограф, необходимо ознакомиться с хроматографией – динамическим методом разделения и анализа смесей веществ, а также  изучения физико-химических свойств  веществ. Метод основан на распределении  веществ между двумя фазами –  неподвижной (твердая фаза или жидкость, связанная на инертном носителе) и подвижной (газовая или жидкая фаза, элюент). В зависимости от подвижной фазы различают жидкостные и газовые хроматографы. Газовый хроматограф можно использовать для анализа газообразных, жидких и твёрдых веществ с молекулярной массой меньше 400, которые должны удовлетворять определённым требованиям, главные из которых — летучесть, термостабильность, инертность, лёгкость получения. Этим требованиям в полной мере удовлетворяют, как правило, органические вещества, поэтому газовую хроматографию широко используют как серийный метод анализа органических соединений. В качестве подвижной фазы газового хроматографа используют водород, гелий, азот, аргон, углекислый газ. Для жидкостного хроматографа в качестве подвижной фазы используется вода, органический растворитель и другие жидкости на водной основе. Главное требование в том, чтобы подвижная фаза не реагировала с неподвижной фазой и разделяемыми веществами. Газовый хроматограф необходим для проведения анализов в промышленных и учебных лабораториях. Основными элементами газового хроматографа являются: источник газа носителя, регулятор расхода газа носителя, устройство ввода пробы, хроматографическая колонка в термостате, детектор, электронный усилитель, регистрирующий прибор, расходомер. Хроматограф незаменим во многих областях деятельности человека: это экологический и санитарный контроль, биохимия, криминалистика, фармацевтика, клинический анализ, контроль качества пищевого сырья и ветеринария. Поверка и калибровка газовых хроматографов осуществляется с применением поверочных газовых смесей. Наибольшее применение находят серосодержащие (меркаптаносодержащие) газовые смеси и многокомпонентные газовые смеси – имитаторы состава природного газа, включающие до 20 компонентов. Серосодержащие (меркаптаносодержащие) газовые смеси предназначены для калибровки газовых хроматографов, применяемых при контроле содержания сероводорода и меркаптанов в нефти, газовых конденсатах, легких углеводородных фракциях. Газовые смеси с сероводородом и меркаптанами выпускаются в алюминиевых баллонах с мембранными запорными вентилями из нержавеющей стали. Газовые смеси – имитаторы природного газа предназначены для калибровки газовых хроматографов, применяемых при анализе природного газа. Компоненты газовых смесей – имитаторов природного газа: водород, кислород, азот, диоксид углерода, метан СН4, этан С2Н6, этилен С2Н4, пропан С3Н8, пропилен С3Н6, нормальный бутан С4Н10, изо-бутилен С4Н8, нормальный пентан С5Н12, изо-пентан, нео-пентан, нормальный гексан С6Н14, гептан С7Н16, октан С8Н18, нонан С9Н20, декан С10Н22.

 

Хроматографы  должны быть оснащены:

а) блоком управления;

б) хроматографическими колонками, изготовленными из инертного по отношению к

серосодержащим  компонентам ГГП материала.

При выполнении измерений допускается  использование любых хроматографических колонок

(насадочных, микронасадочных, капиллярных и др.), обеспечивающих удовлетворительное

разделение  серосодержащих компонентов ГГП;

в) пламенно-фотометрическим детектором (ПФД), пульсирующим пламенно-фотометрическим

детектором (ППФД), электрохимическим детектором (ЭХД), микрокатарометром или другими

детекторами, обеспечивающими необходимую чувствительность к серосодержащим компонентам;

г) термостатом, обеспечивающим программируемое  регулирование скорости подъема

температуры и поддержание заданной температуры  с погрешностью не более 0,1 °С во всем

интервале рабочих температур;

д) дозирующим устройством, обеспечивающим ввод пробы газа. Для потоковых хроматографов использование автоматического дозирующего устройства является обязательным, для лабораторных хроматографов - предпочтительным;

Рассмотрим на примере газового хромотографа Кристаллюкс-4000М

Газовый хроматограф «Кристаллюкс-4000М» полностью автоматизирован, начиная  от ввода пробы и заканчивая обработкой хроматографической информации, в т. ч. реализованы функции автоматического регулирования температуры термостатов, расходов и давления газа-носителя (система ЭУПГ), вспомогательных газов, автоматического поджига детекторов, контроль горения пламени в процессе работы, измерения сигналов детекторов с помощью 24-разрядного АЦП.

 

Газовый хроматограф включает более 30 основных моделей, каждая из которых может быть адаптирована под конкретную задачу потребителя. Хроматограф состоит из аналитического блока, станции управления, контроля и обработки хроматографической информации, в качестве которой используется персональный компьютер, и программы «NetChrom», работающей в среде Windows. Кроме того, поставляются дополнительные программы: расчет теплотворный характеристик природного газа, диагностика трансформаторного масла, расчет контрольных карт Шухарта, идентификация многокомпонентных смесей (например, растительного масла, коньяка, углеводородных топлив и др.), вывода данных на внешний монитор.

Один компьютер может  работать в реальном времени с несколькими аналитическими блоками (до восьми), а кроме того, управлять работой и обрабатывать сигналы от газового хроматографа«Кристалл-2000» и«Кристаллюкс-4000», обрабатывать сигналы хроматографов других марок через АЦП. Обмен информации между компьютером, аналитическими блоками и хроматографом осуществляется по стандартным интерфейсам типа RS-232C, USB. Возможно управление хроматографом с расстояния до 3000 м. Для задания режимов и обработки информации без помощи компьютера имеется выносная панель управления хроматографом на базе микрокомпьютера с OC Windows .

Аналитический блок имеет  до трех независимых каналов разделения и обработки информации и состоит из термостата колонок, сменного аналитического модуля и блока электронного управления потоками газов (ЭУПГ). Для запуска анализа в каждом канале предусмотрена кнопка «Старт», которая дублируется программной кнопкой.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Хроматограф выпускается  двумя моделями: с объемом термостата колонок 7 л (исполнение 1) или 14 л (исполнение 2). Термостаты позволяют разместить до четырех насадочных (металлических или стеклянных) или трех капиллярных колонок. Управление термостатом осуществляется с помощью нового высокоточного алгоритма термостатирования, позволяющего повысить точность поддержания температуры.

Для работы термостата в области отрицательных температур к термостату могут быть подключены одно из двух устройств криостатирования (с применением хладагента — жидкого азота, при этом достигается нижний предел температуры минус 100 °C и без применения хладагента — нижний предел температуры — до минус 15 °C). Возможен одновременный анализ на двух капиллярных колонках с независимым управлением потоками газа-носителя. Возможно деление потока после капиллярной колонки на два детектора и ввод пробы одновременно в две колонки.

 

 

 

 

Блок ЭУПГ управляет в зависимости от модели хроматографа от двух до семи потоками, в т. ч. водородом и воздухом, с помощью электронных регуляторов расхода газа и давления, при этом предусмотрен режим программирования расхода и давления газа-носителя. Для управления потоком в регуляторе расхода газаприменен новый надежный электромагнитный клапан.

Газовые хроматографы серии «Кристаллюкс» оснащены электронным регулятором давления, при помощи которого задается расход газа-носителя через капиллярную колонку. Сброс пробы из капиллярного инжектора (режимы split, split-splitless) осуществляется с помощью электронного регулятора расхода газа и ловушки, которая служит также буфером давления для испаренной пробы. Предусмотрена автоматическая отсечка буфера при выключении прибора с помощью клапана сброса. Возможно поддержание оптимального газового режима капиллярной колонки путем программирования потока газа-носителя по давлению, линейной скорости или массовому расходу. Предусмотрен режим экономии газа и режим «сна» хроматографа.

Входное давление газов стабилизируется  с помощью электронных регуляторов давления. Возможно использование двух газов-носителей, а также их переключение.

Газовый хроматограф  «Кристаллюкс-4000М»: технические характеристики

Наименование параметра	Значение
	Исполнение 1	Исполнение 2
Предел детектирования ПИД	2×10-12 гС/с по н-углеводородам	2×10-12 гС/с по н-углеводородам
Предел детектирования ДТП	1×10-9 г/мл по н-углеводородам	1×10-9 г/мл по н-углеводородам
Предел детектирования ЭЗД	2×10-14 г/с по линдану	2×10-14 г/с по линдану
Предел детектирования ПФД	1×10-13 гР/с по метафосу  1×10-12 гS/с по метафосу	1×10-13 гР/с по метафосу  1×10-12 гS/с по метафосу
Предел детектирования ТИД	2×10-14 гР/с по метафосу  3×10-13 гN/с по азобензолу	2×10-14 гР/с по метафосу  3×10-13 гN/с по азобензолу
Предел детектирования ТхД	5×10-10 г/мл по водороду	5×10-10 г/мл по водороду
Предел детектирования ФИД   Предел детектирования ГИД   Отношение сигнал/шум МСД	5×10-13 г/с по бензолу  3×10-13 г/с по углероду в метане  50:1 при вводе 1×10-12 г/мкл октафторнафталина в изооктане   <="" td="">	5×10-13 г/с по бензолу  3×10-13 г/с по углероду в метане  50:1 при вводе 1×10-12 г/мкл октафторнафталина в изооктане   <="" td="">
Линейный динамический диапазон ПИД   Линейный динамический диапазон ДТП	0,5×107   1×105	0,5×107   1×105
Объем термостата колонок	14 л	7 л
Температура колонок	от Токр.среды +4 °C до +400 °C  (по спец.заказу до 450 °C)  (по спец.заказу от -15 °C   с использ. холод. уст-ки)  (по спец.заказу от -100 °C   с использ. жид. N2)	от Токр.среды +4 °C до +400 °C  (по спец.заказу до 450 °C)  (по спец.заказу от -15 °C   с использ. холод. уст-ки)  (по спец.заказу от -100 °C   с использ. жид. N2)
Дискретность задания температуры	0,1 °C	0,1 °C
Температурная стабильность	0,01 °C	0,01 °C
Скорость программирования температуры	от 0,1 до 120 °C/мин.	от 0,1 до 120 °C/мин.
Максимальное количество изотерм  по спецзаказу	20  неограничено	20  неограничено
Скорость охлаждения термостата колонок   от 400 до 50 °C	5 мин.	5 мин.
Максимальная температура детектора  и испарителя   <="" td="">	450 °С	450 °С
Расход газа-носителя	от 0 до 100 мл/мин.  (по спец.заказу до 500 мл/мин.)	от 0 до 100 мл/мин.  (по спец.заказу до 500 мл/мин.)
Давление газа-носителя (для капилярной колонки)	от 0 до 0,40 Мпа  (по спец.заказу до 1 МПа)	от 0 до 0,40 Мпа  (по спец.заказу до 1 МПа)
Максимальное входное давление газа  по спецзаказу	0,5 МПА  1,25 МПА	0,5 МПА  1,25 МПА
Расход водорода   Расход воздуха	0-500   0-1000	0-500   0-1000
Габаритные размеры (ширина × глубина × высота)	550×500×500 мм	550×445×405 мм
Масса	39 кг	33 кг
Электрическое питание	от сети переменного тока напряжением (220 ) В, частотой (50±1) Гц	от сети переменного тока напряжением (220 ) В, частотой (50±1) Гц
Максимальная потребляемая мощность (в установившемся режиме)	900 ВА	900 ВА

 

Методика измерений.

Измерения молярной доли компонентов  в пробе ГГП выполняют газохроматографическим методом, основанным на разделении компонентов  в газоадсорбционном и/или газожидкостном вариантах хроматографии.

Для измерений молярной доли компонентов  ГГП используют лабораторные или  потоковые хроматографы.

Молярную долю азота, кислорода, гелия, водорода, диоксида углерода, предельных углеводородов до С₅, бензола и толуола измеряют индивидуально для каждого компонента, а молярную долю тяжелых углеводородов измеряют в виде псевдокомпонентов С₆, С₇ и С₈.

Метод применяют для анализа  газов, не содержащих углеводородного  конденсата.

Метод может быть реализован как  на лабораторных, так и на потоковых  хроматографах.

Метод может быть использован также  в тех случаях, когда один или  несколько компонентов в пробе  не измеряют. В этом случае информация о значении молярной доли неизмеряемого компонента должна быть получена из другого источника.

Хроматографическое разделение компонентов пробы газа может быть проведено с использованием насадочных или капиллярных колонок.

Порядок поверки газовых хроматографов

При проведении поверки выполняют  операции, указанные в таблице.

При проведении поверки применяют  следующие средства поверки:

секундомер класса точности 1 по ГОСТ 5072;

источник регулируемого напряжения типа ИРН-64, диапазон напряжений 0 - 100 мВ;

источник малых токов типа ИТ-12: погрешность ± (0,015 + 0,1   ) %, где I_k - верхний предел измерений по шкале; I _х - значение измеряемого тока;

цифровой вольтметр типа Щ1513: погрешность 0,02/0,005;

потенциометр типа ПП-63 класса точности 0,05 по ГОСТ 9245;

потенциометр типа КСП4 класса точности 0,5, диапазон измерений - 0,1 - 0,9 мВ;

металлическая линейка класса точности 1 по ГОСТ 427;

лупа типа ЛИ-3-10Х по ГОСТ 8309;

микрошприц типа "Газохром-101", объемы доз 0,5 × 10^-3 и 1,0 × 10^-3 см³, погрешность дозирования 2 %;

смесь пропана с гелием или азотом, диапазон объемной доли пропана 0,19 - 3,3 %, погрешность аттестации 10 %;

линдан ГСО 1855;

метафос ГСО 1854;

гексан по ТУ 6-09-3375;

гептан по ГОСТ 25828;

нонан по ТУ 6-09-3731-74.

Допускается применять другие средства поверки, метрологические характеристики которых соответствуют указанным в настоящем стандарте.

При проведении поверки применяют  следующие вспомогательные средства поверки:

бюретка типа 1-2-100-0,2 по ГОСТ 20292;

термометр типа ТЛ4 № 2 по ГОСТ 215;

психрометр типа ПБ-1БМ по ГОСТ 6353;

газохроматографическая колонка  по ГОСТ 16285;

газообразный гелий (99 - 99,5 %);

азот особой чистоты по ГОСТ 9293;

технический азот по ГОСТ 9293;

технический водород марки А по ГОСТ 3022;

технический воздух по ГОСТ 17433-80 или  ГОСТ 11882;

активная окись алюминия А-1 по ГОСТ 8136;

хроматон N = AW DMCS , фракция 0,25 - 0,3 мм;

жидкая фаза SE - 30.

Наименование операции	Обязательность проведения операции при
	выпуске из производства	выпуске из ремонта	эксплуатации и хранении
Внешний осмотр	Да	Да	Да
Опробование	Да	Да	Да
Определение метрологических характеристик:
определение относительного среднего квадратического отклонения выходного сигнала	Да	Да	Да2
определение изменения выходного  сигнала за 48 ч непрерывной работы хроматографа	Да1	Да	Да2
определение погрешности коэффициента деления выходного сигнала	Да	Да	Да2
определение погрешности результатов  измерений	Нет	Нет	Да3

1) Для хроматографов, подвергаемых  периодическим испытаниям.

2) При отсутствии нормативной  документации по ГОСТ 8.563 на методику  выполнения измерений хроматографом.

3) При наличии нормативной документации  по ГОСТ 8.563 на методику выполнения измерений хроматографом. 

 

 

 

Нормативно-справочные документы:

1. ГОСТ 17567-81 «Хроматография газовая. Термины и определения» 
2. ГОСТ Р 53367-2009. «ГАЗ ГОРЮЧИЙ ПРИРОДНЫЙ. Определение серосодержащих компонентов хроматографическим методом»
3. МИ 2402- 97.  ГСИ.  Хроматографы газовые аналитические лабораторные.  Методики поверки.
4. 640-84 ГСИ. Аттестация методик выполнения хроматографических измерений
5. 1007-85 ГСИ. Поверочная установка ПИК-02. Методика метрологической аттестации двухкомпонентных газовых смесей
6. 1223-86 ГСИ. Двухкомпонентные газовые смеси. Методика метрологической аттестации на поверочной установке "Кондуктор 1-11.01"