Основные методы измерения состава и свойств веществ

Управление технологическими процессами только по таким параметрам, как давление, уровень, расход и температура, часто не гарантирует получение продуктов требуемого качества. Во многих случаях необходим автоматический контроль состава и свойств вырабатываемых продуктов. Приборы для такого контроля — это автоматические анализаторы влажности, вязкости, концентрации, плотности, прозрачности и т. п.

Большинство выпускаемых промышленностью автоматических анализаторов предназначено для определения состава и свойств бинарных и псевдобинарных смесей. Бинарной смесью называют газовую смесь, состоящую из двух газов, или жидкость, содержащую один растворенный компонент. Анализ бинарной смеси возможен при условии, что составляющие ее компоненты отличаются друг от друга какими-либо физическими или физико-химическими свойствами. Псевдобинарной называют многокомпонентную смесь, в которой неопределяемые компоненты резко отличаются по физическим или физико-химическим свойствам от определяемого компонента. Анализ такой смеси аналогичен анализу бинарной.

Анализ многокомпонентных смесей, содержащих три и более компонента, производят только после предварительного разделения смеси на отдельные компоненты.

Специфической особенностью аналитических измерений является сильное влияние на их результаты побочных факторов (температуры, давления, скорости движения вещества и т. п.). Эти факторы особенно влияют на точность таких аналитических приборов, принцип действия которых основан на использовании какого-либо одного свойства вещества (электропроводности, теплопроводности, магнитной или диэлектрической проницаемости и др.). Поэтому автоматические анализаторы обычно оснащены сложным дополнительным оборудованием для отбора пробы, подготовки ее к анализу, стабилизации условий измерений или автоматического введения поправки и т. п.

Многообразие анализируемых веществ и широкий диапазон их составов и свойств обусловили производство автоматических приборов с чрезвычайно разнообразными методами анализа.

Для анализа бинарных смесей в химической промышленности наибольшее применение получили аналитические приборы со следующими методами измерений:

механическим, основанным на механических свойствах газов и жидкостей или механических явлениях, протекающих в них;

тепловым, основанным на тепловых свойствах анализируемого вещества или тепловых явлениях, протекающих в нем;

магнитным, основанным на магнитных свойствах анализируемого вещества или магнитных явлениях, протекающих в нем;

электрохимическим, основанным на электрохимических явлениях в электродных системах, погруженных в анализируемое вещество;

спектральным, основанным на взаимодействии излучения с анализируемым веществом или на свойствах излучения самих веществ;

радиоактивным, основанным на поглощении или испускании радиоактивного излучения анализируемым веществом;

диэлькометрическим, основанным на измерении диэлектрической проницаемости анализируемого вещества;

химическим, основанным на протекании химических реакций.

Для анализа многокомпонентных смесей в автоматических анализаторах применяется метод разделения компонентов. Этот метод используется в хроматографах и масс-спектрометрах.

Поскольку для каждой отрасли химической промышленности характерны продукты, обладающие специфическими составами и свойствами, приборостроительная промышленность выпускает разнообразные автоматические анализаторы: плотномеры, вискозиметры, газоанализаторы, влагомеры, хроматографы, нефелометры и т.д. Если приборы для измерения таких общетехнических параметров, как давление, уровень, расход и температура, применяются практически во всех производствах, то анализаторы, напротив, как правило, для специфических задач конкретного производства.

Экспресс-влагомер ВИК-1 основан на инфракрасном методе определения влажности и предназначен для непрерывного бесконтактного измерения влажности движущихся текстильных основ на шлихтовальных машинах и тканей после сушки. Измерение осуществляется по отношению значений отражательной способности влажного материала при длинах волн 1,95 мкм и 1,75 мкм.

Влагомер состоит из оптического преобразователя, блока питания и измерения и реперного устройства.

Расстояние от источника излучения до приемника регулируется от 0,3 до 1,0 м. Выходной сигнал аналоговый, 0-5 мА. Возможна передача информации на расстояние до 300 м. Шкала прибора в относительных единицах.

Диапазон измерений 0,3-20% влагосодержания, основная погрешность измерения (при доверительной вероятности 0,9) не выше 10% от измеряемой величины.

Питание от сети переменного тока: напряжение 220В, частота 50 Гц, потребляемая мощность не более 100 Вт.

Габарит датчика 300х185х320 мм (масса не более 15,5 кг), габарит блока измерения и питания 380х220х170 мм (масса 20 кг).

Английским филиалом фирмы Анасон (США) разработан технологический анализатор влагосодержания (модель 1106), предназначенный для измерения влажности движущихся тканей.

В анализаторе используется новый принцип контроля соотношения энергии для повышения точности, устойчивости и воспроизводимости показаний в условиях нестабильной температуры окружающей среды и старения оптических и механических элементов прибора. При этом применяется двойная детекторная система контроля трех участков проецируемого инфракрасного луча: с эталонной, измерительной длинами волн и длиной волны нулевого канала.

Сигнал нулевого канала с датчика, изготовленного из сульфида свинца, образуется путем отделения части потока излучения и направления его на детектор, установленный на медной пластине (рис. 70), не показанной на рисунке, в положении "спина к спине" с другим датчиком, чтобы они имели одинаковую температуру. Пластина при помощи термоэлектрической системы поддерживается при постоянной температуре. Влагосодержание измеряется детектором сигнального канала, который ведет непрерывный контроль соотношения энергии излучений с волнами эталонной и измерительной длины.

Нулевой канал предназначен для контроля энергии, используемой для измерения, для поддержания ее на постоянном уровне независимо от изменений характеристик источника инфракрасного излучения и элементов оптической системы. Для этого инфракрасный луч анализируется вне этих элементов детектором нулевого канала, являющегося регулирующим напряжение питания ИК-источника элементом в контуре обратной связи, включающей инфракрасный источник.

Луч света от источника 12 попадает через объектив 11 на зеркало 10 и далее на диск с двумя фильтрами 8, приводимый в движение двигателем 9. Далее основной ИК-луч через объектив 7 попадает на зеркало 4 и делится на два - нулевой измерительный и эталонный; 2 последних через стеклянное окно 5 попадают на контролируемый материал 6 и отражаются (3 - детектор нулевого канала, 2 - детектор сигнального канала, 1 - вогнутое зеркало).

Рис. 70. Схема оптической части влагомера фирмы Anakon

Основные технические характеристики: диапазоны измерения 0-0,2% и 0-90% влагосодержания; погрешность и воспроизводимость 0,5% от заданного диапазона; расстояние измеряемого материала от измерительной головки 2,5-20 мм; выходные сигналы 0-10 В постоянного тока; 4-20 мА; 10-50 мА, 1-5 мА постоянного тока; цифровой выходной сигнал. Требуется одна калибровка каждые 60-90 дней. Дрейф менее 1% всей шкалы при изменении температуры больше чем на 22⁰С. Температура окружающего воздуха 0-67⁰С.

Имеются и другие модели - для более высокой и низкой температуры. Прибор имеет сервисное устройство индикации неисправностей: несоответствия скорости двигателя; отсутствия синхронизирующих импульсов; изменения коэффициента усиления; отклонения от заданной температуры детекторов; отклонения режима работы лампы и т.д.

В комплект прибора входят средства калибровки для работы с разными материалами, внешнее цифровое печатающее устройство, автоматические системы перемещения измерительной головки со скоростью 60 м/мин, аналоговые самопишущие приборы и регуляторы, пробоотборные системы, микрокомпьютерные системы, комплектные системы измерения влажности и исходной массы продукта.

Прибор модели 1106 может быть легко и быстро откалиброван на любой диапазон влагосодержания специальными средствами калибровки с помощью стандартных образцов материала. Абсолютная влажность этих образцов определяется гравиметрическим методом. Образцы обычно подготавливают с приблизительными значениями влагосодержания 0, 25, 50, 75 и 100% от исследуемого диапазона. Эти образцы затем кладут под измерительную головку, а регулятором чувствительности и нулевого значения настраивают так, чтобы все образцы давали отсчет на шкале и чтобы образцы низкого и высокого влагосодержания соответствовали нулевому и 100%-му выходному сигналу.

Показания прибора относительно каждого образца регистрируются, после чего на основе этих данных строится калибровочная кривая (показания прибора - значения относительного влагосодержания). Калибровку рекомендуется проводить один раз в неделю.

Опыт эксплуатации анализатора показал, что он работает более стабильно, относительная погрешность уменьшилась с 10 до 1%,снизился уровень сигнала шума, дрейф "нуля".

Радиоизотопный измеритель привеса типа РИП-2 предназначен для определения количества нанесенного на ткань вещества, величины отжима или разности влажности ткани по кромкам и устанавливается на технологических линиях крашения, беления или заключительной отделки.

Измеритель имеет стандартные сигналы и используется в качестве датчика в системах автоматического управления. Принцип действия основан на измерении степени ослабления интенсивности β-излучения изотопа криптона-85, прошедшего через измеряемый материал до и после его обработки в зависимости от поверхностной плотности (массы 1 м²) материала.

Измеритель состоит из двух датчиков, один из которых устанавливают до, а другой после пропиточной ванны, и электронного устройства. Если датчики устанавливают по кромкам ткани, то измеряется разнокромочность, определяющая в дальнейшем разнооттеночность и т.д.

Схема измерения дифференциальная (рис. 71).

Рис. 71. Функциональная схема прибора РИП-2

β-излучение от источника 1 проходит через измеряемый материал 2 и попадает в ионизационную камеру 3. Ионизационный ток камеры создает на высокоомном нагрузочном сопротивлении 4 падение напряжения, которое преобразуется с помощью динамического конденсатора и усиливается усилителем 5. Нагрузкой усилителя является потенциометр 6 установки заданного привеса, β -излучение источника 14, проходя через материал 2 после узла технологического воздействия 15, попадает в ионизационную камеру 13. Ионизационный ток камеры создает на нагрузочном высокоомном сопротивлении 16 падение напряжения, которое преобразуется и усиливается усилителем 12. Нагрузкой усилителя является потенциометр 10 и показывающий прибор 11. С движка потенциометра 6 поступает напряжение на нагрузочное высокоомное сопротивление 16, пропорциональное поверхностной плотности ткани и заданному значению привеса. Кроме того, это напряжение является управляющим для электродвигателя 7, механически связанного с потенциометром 10, меняющим глубину отрицательной обратной связи - чувствительность измерителя - в зависимости от величины поверхностной плотности ткани и заданного привеса. Таким образом, следящая система, состоящая из элементов 6, 10, 7 потенциометра 8 с источником питания 9, меняет чувствительность измерителя пропорционально поверхностной плотности ткани и установленного привеса и позволяет получить на показывающем приборе 11 отклонение привеса от заданного значения. Элементы I и II служат для первоначального выравнивания интенсивности β -излучения источников при отсутствии материала. Диапазон измеряемой поверхностной плотности: для сухой ткани 100-430, для влажной 100-600 г/м².

Диапазон измерения привеса 0-250 г/м².

Основная погрешность измерения в диапазоне 0-40 г/м² не более 5% верхнего значения диапазона, а в диапазоне 40-250 г/м² не более 5% от заданного привеса.

Стандартные выходные сигналы 100-0-100 мВ, 10-0-10 В.

Испытания приборов РИП-2 на красильной линии (определение влажности кромок) и на аппретурной линии (определение количества нанесенного вещества) комбината "Ригас мануфактура" показали, что приборы работают с допустимой погрешностью при холодных растворах. Состав пропиток не влияет на погрешность, зависящую в основном от неравномерности плотности ткани (погрешность остается в допустимых пределах благодаря усреднению плотности по длине).

При горячих обработках необходим обдув воздухом зоны измерения. Отмечено, что на показания влияет положение ткани в измерительном зазоре (8 мм), поэтому необходима стабилизация положения ткани при помощи дополнительных направляющих роликов.

Дата добавления: 2014-01-14