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.