Главная | Обратная связь

Контроль состава и концентрации веществ

 

Применяется в технологических процессах, требующих непрерывного поддержания характеристик рабочих сред или продуктов, непосредственно влияющих на безаварийную работу технологической установки.

Многообразие анализируемых веществ и широкий диапазон концентраций обусловили возникновение многочисленных и чрезвычайно разнообразных методов, основанных на использовании различных физико-химических явлений и свойств веществ, наибольшую чувствительность и избирательность среди которых позволяют обеспечить внутриатомные и внутриядерные эффекты и свойства.

К числу наиболее распространенных методов относятся электрохимические и электрофизические методы.

Электрохимические методы основаны на применении электрохимических преобразователей и принципов автоматического титрования.

Электрохимические методы широко применяются для анализа веществ в жидких средах, для измерения концентраций ряда газов и влажности. Эти методы особенно пригодны для автоматического анализа веществ поскольку используют относительно простые средства измерений, выходной величиной которых являются электрический ток или напряжение. При этом в ряде случаев не требуется внешних источников питания. Основными электрохимическими методами являются кондуктометрический, кулонометрический и потенциалометрический методы.

Кондуктометрический метод измерений концентраций электролитов основан на зависимости электропроводности электролитов от их состава и концентрации отдельных компонентов. Приборы, основанные на этом методе, называются кондуктометрическими концентратомерами, соленомерами, газоанализаторами и влагомерами. В качестве преобразователей в этих приборах используются электролитические резистивные преобразователи, в зависимости от которых приборы разделяются на контактные и безэлектродные (емкостные и индуктивные).

Кондуктометрический метод измерений концентрации газов использует свойство изменения электропроводности раствора, с которым реагирует определяемый компонент анализируемого газа, а измерений влажности – изменения активного сопротивления преобразователя, между электродами которого размещается контролируемое вещество.

Кулонометрический метод основан на измерении тока или количества электричества при электролизе контролируемого вещества или вещества, реагирующего с ним. На его основе построены кулонометрические приборы – влагомеры (гигрометры) и газоанализаторы. Разновидностью кулонометрических анализаторов являются полярографы, основанные на электролизе исследуемого вещества с помощью полярографических преобразователей, использующих явление поляризации на одном из электродов электролитической ячейки. Суть явления поляризации заключается в изменении электродных потенциалов вследствие изменения приэлектродной концентрации при протекании через электролитическую ячейку электрического тока от внешнего источника.

Потенциалометрический метод предполагает измерение электродных потенциалов гальванических преобразователей, принцип действия которых основан на зависимости э.д.с. в гальванической цепи от концентрации ионов в электролите и окислительно-восстановительных процессов, происходящих на электродах. Этот метод широко применяется для измерения активности водородных ионов в растворах и пульпе, концентрации ионов химических элементов, титрования, анализа газов, измерения влажности.

Электрофизические методы основаны на использовании зависимости физических свойств веществ (тепловых, диэлектрических, магнитных, плотности, вязкости, упругости, массы и др.) от их состава и концентрации отдельных компонентов или воздействий анализируемых компонентов на измеряемый физический параметр чувствительного элемента.

Тепловые методы анализа основаны на измерении тепловых свойств вещества или на определении температурных изменений при различных физико-химических и фазовых превращениях контролируемого вещества. Они применяются для анализа газов, измерения вакуума, влажности газов. Для измерения концентрации окиси углерода, водорода, металла, этилена, паров бензина и других горючих веществ применяются термохимические газоанализаторы, основанные на измерении с помощью термопреобразователей повышения температуры за счет окисления (горения) анализируемого вещества. Для измерения влажности газов используются основанные на тепловом методе электрические психрометры и гигрометры точки росы.

Магнитный метод широко применяется для измерения концентрации кислорода в газовых средах, определения магнитных включений в немагнитных материалах, в дефектоскопии, магнитном структурном анализе и других областях.

Диэлектрический или емкостной метод основан на зависимости диэлектрических свойств веществ от их состава и концентрации отдельных компонентов. Он широко применяется для измерения концентрации и влажности различных сред. Измерение сводится к определению емкости конденсатора, между обкладками которого помещается контролируемое вещество, выполняющее роль диэлектрика.

Широко распространены ионизационные методы, основанные на ионизации анализируемого вещества и измерении ионного тока, пропорционального концентрации определяемого компонента, а также спектроскопические методы, использующие избирательную способность различных веществ поглощать, излучать, отражать, рассеивать или преломлять различного рода излучения. В качестве примера на рис. 2.19 показана принципиальная схема датчика, в котором реализован метод ионизации метастабильными атомами, позволяющий измерять концентрации широкого класса веществ. В датчике, показанном на рисунке, в электрическом поле с помощью b- излучения происходит ионизация атомов газа- носителя аргона, вследствие чего создаётся большая концентрация метастабильных атомов аргона, т.е. атомов, находящихся в возбуждённом состоянии, характеризуемым большим временем жизни атома в нём, которые, в свою очередь, ионизуют молекулы анализируемого компонента. Сигнал снимается с коллекторного электрода и подаётся на электрометрический усилитель. В практике измерений широко используются другие варианты реализации ионизационных методов.

К числу спектрометрических методов относятся электроакустический, радиоспектроскопические, электрооптические и радиоактивные методы.

Электроакустический метод, основанный на различии в затухании или скорости распространения ультразвуковых колебаний в различных жидкостях и газах, применяется для анализа бинарных газовых и жидких смесей и измерения влажности. Радиоспектрометрические методы используют явления ядерного магнитного резонанса, электронного парамагнитного резонанса и микроволновой спектроскопии. Электро-оптические методы основаны на избирательном поглощении, излучении или рассеянии компонентами анализируемого вещества светового излучения в видимом, инфракрасном и ультрафиолетовом диапазонах волн, а радиоактивные методы- на различии в интенсивности поглощения или отражения ими рентгеновского и радиоактивного излучений. Область применения методов та же, что и электроакустического метода. В практике измерений находят применение и комбинированные методы.

При необходимости получения высокой точности измерений используется радиоактивационный метод, основанный на использовании внутриядерных явлений.

При диагностике протекания опасных технологических процессов нередко возникает необходимость в контроле уровней рабочих сред, течей и акустических шумов.

Методы контроля уровней рабочих сред, как правило, основаны на применении масштабных и емкостных преобразователей, позволяющих перекрывать диапазон от долей до нескольких метров.

Для своевременного предотвращения аварий важно обнаружить малые течи на работающем оборудовании. Обнаружить малую течь, определить её место и величину позволяет метод акустической эмиссии.

Контроль акустических шумов позволяет надёжно определить отклонения в поведении конструкций и деталей технологической установки и при необходимости срочно задействовать другие методы диагностики и контроля или принять меры к её остановке. Для контроля шумов используются различные типы приборов, которые носят название шумомеров. Шумомеры состоят из акустического датчика (микрофона), усилителя и регистрирующего прибора. Анализ частотного спектра, который изменяется при появлении отклонений в работе технологической установки, осуществляется с помощью приборов, носящих название частотных анализаторов, либо спектрометров. Для спектрального анализа шума анализаторы оснащены набором фильтров.

Наличие опасных веществ, излучений и других опасностей для человека, имеющих место при эксплуатации опасных технологических установок, делает невозможным использование методов, требующих его присутствия в зоне контроля. В этих случаях используют методы, позволяющие осуществлять дистанционную диагностику с применением телевидения, телеуправления, телеконтроля и вычислительной техники. К числу таких методов, например, относятся визуальный контроль с помощью волоконно-оптических линий видеосвязи, ультразвуковые системы контроля и аппаратура с использованием источников ионизирующего излучения с дистанционным управлением.