Автоматизация технологических процессов. Инструментально-программный методический комплекс

1. Инструментально-программный методический комплекс

Автоматизация технологических процессов
Инструментально-программный
методический комплекс
ИЗМЕРЕНИЕ СОСТАВА
И ПАРАМЕТРОВ ВЕЩЕСТВА

2. ИЗМЕРЕНИЕ СОСТАВА И ПАРАМЕТРОВ ВЕЩЕСТВА

Задачи анализа веществ бывают связаны с определением
содержания как одного какого-либо компонента анализируемой смеси,
так и двух и более ее компонентов. Приборы для определения
состава называются анализаторами. Анализаторы,
предназначенные для определения содержания только одного
компонента в смеси, называют иногда также концентратомерами.
Свойства веществ характеризуются численными значениями
физических или физико-химических величин (например, плотности,
вязкости, электрической проводимости и т. п.), поддающихся
измерению.
Практическое выполнение аналитических измерений основано на
использовании взаимосвязи между составом анализируемого
вещества (концентрациями его компонентов) и величинами,
характеризующими его физические и физико-химические параметры:
у = f(С1, С2, … Ci,… Cn)
(9.1)
где у — измеряемый параметр анализируемого вещества; Ci, Сn —
концентрации компонентов; n—общее число компонентов.

3. ИЗМЕРЕНИЕ СОСТАВА И ПАРАМЕТРОВ ВЕЩЕСТВА

Для автоматического анализа газов (классификация по ГОСТ 13320—
81) :
•без предварительного преобразования пробы —
– абсорбционно-оптические (инфракрасного и ультрафиолетового
поглощения),
– термокондуктометрический,
– термомагнитный,
– пневматический;
•с предварительным преобразованием пробы —
– электрохимический (кондуктометрический, кулонометрический,
полярографический, потенциометрический),
– термохимический,
– фотоколориметрический,
– пламенно-ионизационный,
– аэрозольно-ионизационный,
– хроматографический,
– масс-спектрометрический.

4.

АНАЛИЗ ГАЗОВ
БЕЗ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ПРОБЫ

5. ОПТИКО-АБСОРБЦИОННЫЙ МЕТОД АНАЛИЗА ГАЗОВ

Абсорбционный метод спектрального анализа газов основан
на свойстве веществ избирательно поглощать часть проходящего
через них электромагнитного излучения. Спектры поглощения
различных веществ (газов, жидкостей, твердых тел) охватывают
все диапазоны электромагнитного излучения от γ-лучей до
радиоволн. Для газового анализа в настоящее время используют в
основном ультрафиолетовый (λ= 0,2...0,4 мкм) и инфракрасный (λ=
2...10 мкм) диапазоны электромагнитного спектра.
Количественное соотношение между концентрацией С
определяемого компонента и изменением интенсивности
поглощаемого этим компонентом излучения устанавливается
законом Бугера — Ламберта — Бера:
0 exp( Cl ),
(9.2)
где Φλ – монохроматический поток излучения, выходящий из
анализируемого слоя толщиной l; Φ0λ – монохроматический поток
излучения, входящий в анализируемый слой; ελ – коэффициент
поглощения излучения веществом.

6. ОПТИКО-АБСОРБЦИОННЫЙ МЕТОД АНАЛИЗА ГАЗОВ

Поток излучения, поглощенный анализируемым компонентом,
определяется безразмерной величиной
( 0 )
A (C )
1 exp( Cl ) 1 exp( D )
0
(9.3)
где Dλ — оптическая плотность вещества на длине волны λ.
Если анализируемое вещество является смесью нескольких
компонентов, поглощающих излучение на заданной длине волны λ, то
оптическая плотность смеси есть сумма оптических плотностей
компонентов
n
n
Dсм Di l i C i
i 1
i 1
(9.4)
где n — число компонентов смеси; ελi, Ci— коэффициент поглощения
и концентрации i-го компонента.

7. ОПТИКО-АБСОРБЦИОННЫЙ МЕТОД АНАЛИЗА ГАЗОВ

Из приведенных соотношений видно, что для измерения
концентрации определяемого компонента достаточно измерить либо
оптическую плотность вещества Dλ, либо безразмерную величину Аλ.
Структурная схема абсорбционного анализатора:
1 - источник; 2 – оптический фильтр; 3 – кювета; 4 – фотоприемник;
5 – усилитель; 6 – измерительный прибор

8. ОПТИКО-АБСОРБЦИОННЫЙ МЕТОД АНАЛИЗА ГАЗОВ

Измеряемый прибором сигнал у (С) можно представить в виде
у (С) = U [1 - Aλ (С)],
(9.5)
где U — обобщенный параметр анализатора.

9. ОПТИКО-АБСОРБЦИОННЫЙ МЕТОД АНАЛИЗА ГАЗОВ

Абсорбционному методу анализа свойственна широкая
универсальность, что подтверждается следующим:
•метод позволяет определять концентрации большей части
практически важных веществ за исключением некоторых
одноэлементных;
•чувствительность метода достаточна, чтобы перекрыть все
диапазоны изменения концентраций определяемых веществ от
микропримесей до 100 %;
• метод допускает относительно простое аппаратурное оформление,
что позволяет автоматизировать абсорбционные анализаторы и широко
использовать их в промышленности для непрерывного контроля
технологических процессов.

10.

Основные газы, анализируемые с помощью оптикоабсорбционного метода
Длина волны, нм
Рентген
овское
излучен
ие
10-2 ¸ 10
Основные
анализируемые
газы
H2S,
O2, O3,
газообр
SO2,
азные NH , Hg
3
кислоты
Следовые
количества
Высокие
концентрации
УФ
10 ¸ 5×
102
Видимо
е
5× 102 ¸
8× 102
ИК
8× 102 ¸ 106
Cl2,
ClO2,
NOx,
H2O
H2O, CO, CO2,
NO, N2O, NH3,
SO2, SO3,
алканы, алкены
—
NH3,
SO2, O3,
Hg
+
+
+
O3, SO2
+
+

11. ГАЗОАНАЛИЗАТОРЫ ИНФРАКРАСНОГО ПОГЛОЩЕНИЯ

Инфракрасные лучи поглощают все газы, молекулы которых состоят не
менее чем из двух различных атомов.
В газоанализаторах инфракрасного поглощения (оптикоакустических) прерывистый поток инфракрасного излучения, проходящего
через слой анализируемой газовой смеси, теряет в ней часть энергии,
пропорциональную содержанию определяемого компонента. Остаток
энергии поступает в приемник-преобразователь (лучеприемник). В качестве
лучеприемников чаще всего используют оптико-акустические
преобразователи, действие которых основано на способности газов
поглощать инфракрасные лучи. При облучении потоком инфракрасных
лучей газа, заключенного в замкнутый объем лучеприемника, давление газа
возрастает.
Газоанализаторы этого типа имеют различные пределы измерения — от
сотых долей процента до 100 % анализируемого компонента.

12. ГАЗОАНАЛИЗАТОРЫ ИНФРАКРАСНОГО ПОГЛОЩЕНИЯ

Источником инфракрасного излучения
являются два излучателя 1, помещенные в
фокусах металлических сферических зеркал.
Потоки излучения, отраженные зеркалами,
поступают в два оптических канала. Оба потока
излучения одновременно прерываются
обтюратором 2 с частотой 6 Гц. Правый
оптический канал состоит из рабочей камеры
(кюветы) 3, через которую непрерывно протекает
исследуемый газ, фильтровой камеры (кюветы) 4
и приемной камеры 8. Левый оптический канал
состоит из сравнительной камеры 5, фильтровой
камеры 6 и приемной камеры 8.
Сравнительная камера заполнена чистым сухим газом, не поглощающим излучение,
например, азотом, фильтровые камеры 4 и 6 — неопределяемыми элементами газовой
смеси, а приемные камеры 8 — определяемым компонентом газа. Например, при
определении СО фильтровые камеры заполняют смесью СО2 + СН4, а приемные камеры
— СО, при определении СО2 фильтровые камеры содержат смесь СО + СН4, а приемные
камеры – СО2.

13. ГАЗОАНАЛИЗАТОРЫ ИНФРАКРАСНОГО ПОГЛОЩЕНИЯ

• Окна всех камер оптических каналов изготовляют из материала,
прозрачного для инфракрасных лучей (флюорит, каменная соль,
слюда).
• При прохождении лучистого потока через рабочую камеру он
ослабляется из-за поглощения части энергии. Поток инфракрасного
излучения в левом оптическом канале, проходя через
сравнительную камеру, не ослабляется. При дальнейшем
прохождении обоих лучистых потоков в правом и левом каналах
через фильтровые камеры из них поглощаются лучи,
соответствующие спектральной области поглощения
неопределяемыми компонентами.
• В результате в приемную камеру 8 поступают потоки излучения,
разность энергии которых пропорциональна концентрации
анализируемого компонента. Возникающие в лучеприемнике
пульсации давления воспринимаются конденсаторным
микрофоном. Амплитуда колебаний микрофонной мембраны 7
зависит от разности давлений в правой и левой приемных камерах,
т.е. от концентрации определяемого компонента в газе.

14. ГАЗОАНАЛИЗАТОРЫ ИНФРАКРАСНОГО ПОГЛОЩЕНИЯ

15. ТЕРМОКОНДУКТОМЕТРИЧЕСКИЕ ГАЗОАНАЛИЗАТОРЫ

В основу работы термокондуктометрических газоанализаторов положен
метод, использующий зависимость электрического сопротивления проводника
с большим температурным коэффициентом сопротивления (терморезистора),
помещенного в камеру с анализируемой газовой смесью и нагреваемого током,
от теплопроводности окружающей терморезистор смеси. Закономерности,
связывающие теплопроводность газовой смеси с ее составом, проявляются
при условии сведения к минимуму (или поддержания постоянной) доли
теплоты, передаваемой от терморезистора конвекцией и излучением. Этого
условия достигают оптимизацией режима работы терморезистора, выбором
конструктивных характеристик терморезистора и камеры, ограничением
рабочей температуры терморезистора (как правило, не выше 200 °С).
Для практического применения зависимость теплопроводности смеси от
состава удовлетворительно описывается уравнением, аддитивным
относительно теплопроводностей отдельных компонентов смеси:
см С1 1 С 2 2 ... С n n
С1..., Сn — концентрации компонентов в долях единицы;λ1, λn —
теплопроводность компонентов.

16. ТЕРМОКОНДУКТОМЕТРИЧЕСКИЕ ГАЗОАНАЛИЗАТОРЫ

17. ТЕРМОКОНДУКТОМЕТРИЧЕСКИЕ ГАЗОАНАЛИЗАТОРЫ

18. ТЕРМОКОНДУКТОМЕТРИЧЕСКИЕ ГАЗОАНАЛИЗАТОРЫ

Основные причины погрешностей в термокондуктометрических
газоанализаторах:
•колебания температуры окружающей среды, вызывающие
изменение температуры стенки измерительных камер;
•колебания напряжения источника питания измерительного моста;
•изменение скорости продувки газовой смеси через рабочие камеры.
•наличие неанализируемых компонентов, в частности, водяных
паров.
Влияние температуры окружающей среды на показания
термокондуктометрических газоанализаторов снижают объединением
всех измерительных камер в массивном металлическом моноблоке с
достаточной поверхностью для отдачи теплоты, выделяемой
нагревательными элементами. В газоанализаторе обычно
предусматривают систему термостатирования блока преобразования.
Термокондуктометрические газоанализаторы применяют для
определения Н2, Не, СО2, SO2, NН3, Аг, Сl2, НСl в технологических
смесях различного состава.

19. ТЕРМОМАГНИТНЫЕ ГАЗОАНАЛИЗАТОРЫ

Кислород обладает особым физическим свойством —
парамагнетизмом.
Магнитные свойства веществ проявляются в способности
намагничиваться под действием внешнего магнитного поля. Для газов,
которые относятся к неферромагнитным веществам, намагниченность
J = кН, где Н — напряженность магнитного поля; к — коэффициент
пропорциональности, называемый объемной магнитной
восприимчивостью вещества. Для парамагнитных веществ, которые
притягиваются магнитным полем, к > 0, а для диамагнитных веществ,
которые выталкиваются из магнитного поля, к < 0.
Из всех газов наибольшей магнитной восприимчивостью обладает
кислород, магнитная восприимчивость которого на 2— 3 порядка
больше по сравнению с другими газами (кроме кислорода,
парамагнитными газами можно считать только NO и NO2, но эти газы
не подчиняются закону Кюри). Это позволяет использовать магнитные
свойства кислорода для избирательного измерения его концентрации
в промышленных газовых смесях.

20. ТЕРМОМАГНИТНЫЕ ГАЗОАНАЛИЗАТОРЫ

Из косвенных методов наибольшее применение получил
термомагнитный метод, основанный на использовании изменения
объемной магнитной восприимчивости кислорода при изменении
его температуры.
В основе термомагнитного метода лежит явление термомагнитной
конвекции, сущность которого заключается в следующем. Если
нагретый электрическим током проводник поместить в неоднородное
магнитное поле, то вследствие уменьшения объемной магнитной
восприимчивости кислорода, обусловленной нагреванием газовой
смеси вблизи проводника, создается движение газовой смеси в
направлении от больших напряженностей магнитного поля к меньшим.
Это приводит к возникновению вынужденного потока газовой смеси, в
котором нагретая газовая смесь непрерывно вытесняется холодной
смесью. Создающийся поток называют потоком термомагнитной
конвекции.

21. ТЕРМОМАГНИТНЫЕ ГАЗОАНАЛИЗАТОРЫ

Датчик газоанализатора состоит
из кольцевой камеры с
горизонтальной стеклянной
трубчатой перемычкой,
помещенной между полюсами
постоянного магнита так, что
магнитное поле создается на одной
стороне измерительной
перемычки. На стеклянную
перемычку навита двухсекционная
нагреваемая обмотка из тонкой
платиновой проволоки. Секции
обмоток представляют собой два
плеча неуравновешенного моста и
служат измерительными
элементами.

22. ТЕРМОМАГНИТНЫЕ ГАЗОАНАЛИЗАТОРЫ