Министерство  образования и науки РФ

Федеральное государственное бюджетное образовательное  учреждение высшего профессионального  образования 

«СИБИРСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНДУСТРИАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» 

Кафедра управления качеством и документоведения 
 

РЕФЕРАТ

на тему:

«Методы и преобразователи для измерения  концентрации вещества»

                                                                           Выполнил: ст.гр. ЭУК-09

                                                                                            Харина Ирина

                                                                                Проверил: к.т.н., доцент

                                                                                                           Деев В.Б. 
 
 
 

                                                     Новокузнецк

2011

     Содержание

                                       Введение

     Преобразователи 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 практически являются 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. Так, для измерения влажности и концентрации ряда чистых веществ в производственных условиях требуются приборы с верхним пределом измерения 100%. При изготовлении полупроводниковых материалов, волоконных световодов и чистых металлов необходимо определять примеси, концентрация которых составляет 10^–6 – 10^–8 %. Развитие новых отраслей науки и техники, технология производства новых материалов и веществ с наперед заданными свойствами выдвигают все возрастающие требования к аналитическим измерениям. Например, при исследовании материалов для ядерной энергетики необходимо определять примеси, концентрация которых не превышает 10^–10 %.

     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.

     Ниже  рассмотрены некоторые, наиболее распространенные электрические методы анализа веществ  и соответствующие средства измерений, которые в зависимости от используемых физико-химических явлений или их сочетания разделяются на электрохимические, электрофизические, ионизационные, спектрометрические и комбинированные. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     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, потенциало-метрический и ряд их разновидностей, например полярографический, метод потенциометрического титрования и др.

     Кондуктометрический метод измерений  концентраций. 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 газоанализаторами 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.

     Более подробно рассмотрим метод кондуктометрический метод   измерений концентрации газов. Метод основан на измерении электропроводимости раствора, с которым реагирует определяемый компонент анализируемого газа. Так, для анализа газа CO₂ используется его реакция с водным раствором ВаСО₃:

      .

     Так как Ва(НСО₃)₂ более растворим, чем ВаСО₃, то электропроводимость раствора увеличивается. На рисунке 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. Кондуктометрические газоанализаторы используются для измерения малых концентраций широкого класса газов (CO₂, S0₂, H₂S, СОСl₂, NН₃, Н₂ и др.) и выпускаются с диапазонами измерений от 0 – 10^–6 до 0 – 0,5 % объемных. Газы СО и СН₄ перед анализом сначала сжигаются и переводятся в СО₂.

     Рисунок 1- Схема кондуктометрического газоанализатора

     Так, для анализа газа CO₂ используется его реакция с водным раствором ВаСО₃:

      .

     Так как Ва(НСО₃)₂ более растворим, чем ВаСО₃, то электропроводимость раствора увеличивается. На рисунке 2 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. Кондуктометрические газоанализаторы используются для измерения малых концентраций широкого класса газов (CO₂, S0₂, H₂S, СОСl₂, NН₃, Н₂ и др.) и выпускаются с диапазонами измерений от 0 – 10^–6 до 0 – 0,5 % объемных. Газы СО и СН₄ перед анализом сначала сжигаются и переводятся в СО₂.      

     Кулонометрический   метод. Метод основан на измерении тока или количества электричества при электролизе исследуемого вещества или вещества, реагирующего с измеряемым компонентом.

     Рисунок 2 - Схема кулонометрического газоанализатора для измерения концентрации S0₂ в газовых смесях

     На  рис. 2 показана схема кулонометрического газоанализатора для измерения концентрации S0₂ в газовых смесях. Анализируемый газ через фильтр 1 поступает в датчик 2, заполненный подкисленным водным раствором KI. Датчик имеет две пары электродов: 5 и 6 – электроды цепи электролиза KI и 3 и 4 – измерительные электроды, один из которых (4) из платины, а другой (3) представляет собой каломельный полуэлемент. Электроды 3 и 4 образуют гальванический преобразователь, ЭДС которого зависит от концентрации в растворе свободного йода, который образуется при электролизе KI. Действие газоанализатора основано на непрерывном титровании S0₂ йодом, который выделяется при электролизе в количестве, эквивалентном концентрации S0₂. Уравнение реакции титрования: . При изменении концентрации S0₂ происходит изменение концентрации йода и потенциала платинового электрода 4, что приводит к изменению тока электролиза, который измеряется регистрирующим прибором 7. Газоанализатор работает как система автоматического уравновешивания, поддерживающая скорость выделения йода и, следовательно, ток электролиза пропорциональными количеству S0₂, поступающему за единицу времени в датчик. Пределы измерений таких газоанализаторов 0 – 0,1;           0 – 0,5% объемных, основная погрешность ± 5% .

     На  этом же принципе основаны газоанализаторы  для измерения микроконцентраций  SO₂ (пределы измерений % объемных) с погрешностью  ± 2%, а также для измерения концентраций сероводорода, хлора, озона и др. Постоянная времени таких газоанализаторов около 1 мин. 
 

     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 вакууметрах 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.

     На  рисунке 3 показана электрическая схема термокондуктометрических газоанализаторов типа ТП. Для уменьшения погрешностей от изменения температуры и напряжения питания датчик газоанализатора содержит восемь терморезисторов, четыре (R1 – R4) из них образуют измерительный мост, a R5 – R8 – сравнительный  мост. Мосты конструктивно выполнены в одном металлическом блоке и питаются от двух вторичных обмоток одного и того же трансформатора. Терморезисторы, образующие плечи R2, R4, R6 и R8, запаяны в ампулы с газовой смесью, соответствующей по концентрации началу шкалы прибора, a R5 и R7 – со смесью, соответствующей концу шкалы; R1 и R3 – плечи моста, в которых терморезисторы омываются анализируемой газовой смесью. Напряжение на выходной диагонали измерительного моста, пропорциональное концентрации измеряемого газа, компенсируется напряжением на верхнем участке реохорда R_P, питаемого от выходной диагонали сравнительного моста.

     Рисунок 3- Электрическая схема термокондуктометрического газоанализатора типа ТП

     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 Q_P 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.

     По  температурам точки росы Q_P и исследуемого газа Q ( ) можно определить относительную влажность (в процентах)

      %

     где E(Q_P) и Е(Q) — упругости насыщенного пара соответственно при температурах Q_P и Q.

     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 (Q_c), находящегося в исследуемой газовой среде, и мокрого (Q_м), 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 Q_м. 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.

      На рисунке  4, а, б показаны конструкция датчика и схема измерительной цепи термомагнитного кислородомера. Датчик 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 4 - Конструкция датчика (а) и схема измерительной цепи термомагнитного кислородомера (б)

     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.

     Высокая точность измерения при больших  концентрациях кислорода достигается  в результате совместного применения теплового и термомагнитного методов измерений. Основанные на этом принципе газоанализаторы обеспечивают измерения концентрации кислорода в диапазоне 98—100 % объемных с абсолютной погрешностью 0,1 %.

     Магнитные кислородомеры применяются для  измерения концентраций кислорода в широком диапазоне от 0 до 100% объемных в различных газовых смесях с основной погрешностью 0,1 – 5 %. Постоянная времени таких газоанализаторов  10 – 90 с. 
 

     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 — от 0,1 до Па. На рисунке 5 оказана схема дифференциального ионизационного анализатора газов, состоящего из двух идентичных ионизационных камер 1 и 2, через одну из которых пропускается чистый газ-носитель (гелий или водород), а через другую – газ-носитель с анализируемым компонентом газа. Камеры имеют общий коллектор ионов 4 и идентичные источники β-излучения 3, выполненные в виде таблеток из ⁹⁰Sr, ⁸⁵Kr или, ¹⁴⁷Рm. Разностный ток ионизационных камер создает падение напряжения на высокоомном резисторе R, которое усиливается электрометрическим усилителем 6 и регистрируется самопишущим прибором 5.

      Рисунок 5 - Схема дифференциального ионизационного анализатора  газов

     Такие анализаторы имеют практически  линейную характеристику в широком диапазоне, малую инерционность, высокую чувствительность и способны работать при температурах до 300 °С.

     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. 

     Хорошими  метрологическими характеристиками   обладает триодный аргоновый датчик (рисунок 6), у которого, кроме анода 1, катода 2 и источника     β-излучения 3, имеется коллекторный электрод 4, сигнал с которого подается на электрометрический усилитель. Порог чувствительности такого датчика г/с, постоянная времени 1 – 5 с, нелинейность характеристики 1,2 %.

      Рисунок 6 - Триодный аргоновый датчик

     Ионизационно-пламенный метод (рисунок 7) 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 1 и 2 преобразователя резко падает. Вследствие этого увеличиваются ток и падение напряжения на резисторе R, которое через усилитель подается на самопишущий прибор.

     Рисунок 7 - Схема ионизационно-пламенного анализатора

     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 1 и 2 преобразователя резко падает. Вследствие этого увеличиваются ток и падение напряжения на резисторе R, которое через усилитель подается на самопишущий прибор. Метод диссоциаций и окисления происходит ионизация молекул газа и сопротивление между электродами 1 и 2 преобразователя резко падает. Вследствие этого увеличиваются ток и падение напряжения на резисторе R, 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. 

     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).