Измерение концентрации веществ

Существует несколько методов измерения из которых самыми распространенными:

- кондуктометрический, который основан на измерении электропроводности жидкости;

- оптический – на законах поглощения и отражения световых лучей;

- электромагнитный – на измерении разницы потенциалов электродов в контролируемой среде.

Кондуктометрические приборы

Зависимость между удельной электропроводностью раствора, природы растворенного вещества и его концентрации определяется законом Кольрауша:

где - удельная электропроводность; - степень диссоциации; - мольная концентрация вещества; - соответственно движение ионов в электрическом поле при градиенте напряжения равным единице.

Зависимость удельной электропроводности некоторых электролитов от их концентраций приведена на рисунке.

Электропроводность раствора очень чувствительна к изменениям температуры. При повышении температуры на один градус приводит к повышению электропроводности примерно на 2 градуса Цельсия.

Для исключения поляризации электродов измерение осуществляется на переменном токе. В зависимости от способа взаимодействия с измеряемой средой кондуктометрические концентратомеры делятся на электродный и безэлектродный.

Для жидкостей которые имеют низкую электропроводность используют высокочастотный метод измерения на конденсаторных и индуктивных ячейках. В этом случае раствор находится в емкости с диалектриком. С внешних сторон емкости установлены или обкладки конденсаторы, или катушка индуктивности.

Оптические приборы

Коллометрический метод основан на зависимости поглощения света, которое проходит через контрольный раствор, его цвета в функции концентрации. Зависимость между интенсивностью света на входе в раствор и на выходе из него описывается уравнением:

где - молярный коэффициент поглощения; - толщина раствора; - концентрация.

Для регистрации величины используют различные типы фотоэлементов с целью выделения спектра, который больше всего поглощается раствором.

При рефрактометрическом методе используется зависимость показателя приломления контролируемого раствора от его концентрации. Наиболее распространенными методами определения показателей преломления является спектрометрический и метод полного внутреннего отражения.

Спектрометрический метод основан на определении показателя приломления по углу наименьшего отклонения луча света в стеклянных призмах, которые заполнены раствором.

1.2.5.1 а) Электрокондуктометрический метод анализа

Основан на зависимости удельной электропроводности различных растворов от их концентрации. Данная зависимость определяется законом Кальрауша:

=С

- удельная электропроводность раствора электролита

С - его концентрация

F - число Фарадея

- степень электролитической диссоциации

V_A_,V_K - абсолютная подвижность анионов и катионов

На практике принимаются полученные экспериметальным путем зависимости . В значительном диапозоне зависимость является линейной.

Положена в основу построения следующих датчиков: контактный с 2-х электродной ячейкой и с 4-х электродной ячейкой, бесконтактный низкочастотный и бесконтактный высокочастотный.

С 2-х электродной ячейкой.

Ячейка состоит из 2-х пластин площадью S и расстоянием между ними L. Сопротивление столба элект-ти между пластинами R_X= . R_X сопоставим с С. Для компенсации температурной погрешности в контролируемую среду помещают термосопротивление.

С 4-х электродной ячейкой

Измеряемая ячейка заполняется контролируемой средой и имеет 4 электрода. Электроды1 и 4 –токовые, 2.3-потенциометрические. Данная ячейка питается от вторичной обмотки W₃ транзистора Т.на электродах 2, 3 протекающим током создается U₂₃=I_яч*R_яч, сопоставимо С и .

Для измерения U₂₃ применяется компенсационная мостовая схема. Мостовая схема имеет две диагонали питающая - W₂ Т и измеряемая - а и в (U_ав). U₂₃сравнивается с U_ав, если не равны, то на вход усилителя поступает разность. Она усиливается и поступает на РД.РД приходит во вращение и перемещает стрелку. В некоторый момент U_ав= U₂₃.двигатель останавливается, шкала градуируется в единицах концентрации.

1.2.5.1 б) Низкочастотный безконтактный концентратомер

Изменение ячейки представляет собой виток W₂ через который пропускается контролируемая среда. Ячейка является вторичной обмоткой трансформатора Т₁. В данной ячейке трансформируется некоторая ЭДС Е_изм. Вторичная обмотка Т₁ W₁. По правилам трансформации U * W₁= Е_изм* W_2..W - число витков. Е_изм= данная Е_изм вызывает протекание тока по данной ячейке.I = .(L - длина ячейки) S- площадь сечения.

К_яч= L/S—(постоянная ячейки)

I_изм= U*W₁* /W₂*K_яч= К *

Величина I_изм сопоставима , сопоставима С

Для измерения I_изм применяется дополнительная компенсационная обмотка W_k и Т₂. В Т₂ первичной обмоткой W₂и W_k_,, вторичной - W₃. Каждая первичная обмотка создает свои магнитные токи, величина которых определяется ампервитками соответствующей обмотки т.е. I_изм* W₂- ампервитки обмотки W₂. Данные магнитные потоки, создаваемые обмотками направляются навстречу друг другу. Если данные ампервитки не равны, I_изм* W₂не = I_к*W_к, то в Т₂ появляется результирующий поток. При этом в обмотке W₃ наводится напряжении, зависящее от разности данных магнитных потоков. Данное направление усиливается в усилителе и поступает на РД, который приходит в движение, на его валу находится стрелка, и перемещается движок реохорда R_p изменяется I_к. В некоторый момент наступает равновесие.

I_изм* W₂=I_к*W_к

I_ксопоставима I_изм и сопоставима С

Для компенсации температурных погрешностей применяется мостовая схема, она питается вторичной обмоткой Т₁.

1.2.5.1 в) Высокочастотный бесконтактный концентратомер.

Ячейки: конденсаторного типа и индукционного типа.

Данные ячейки питаются от источников напряжения высоких частот 100 Гц-100 МГц. Полное сопротивление данных ячеек состоит из 2-х составляющих: активной и реактивной. Сопротивление и емкость которых зависят от электрохимических свойств контролируемой среды.

Ячейка 1 используется для измерения концентрации электролитов с малой удельной электропроводностью.

Ячейка 2 применяется для измерения концентрации электролитов с высокой удельной электропроводностью.

Плотномеры для жидкостей

1.2.5.2 а) Весовые плотномеры

Датчики для измерения плотности называются плотномерами. Плотность исследуемых сред зависит от их температуры. В качестве t градуирование применяют t=20. Если t среды отличается от t = 20, то плотность рассчитывают по формуле:

коэффициент температурного расширения жидкости.

По принципу действия плотномеры делятся:

- весовые; - поплавковые; - гидростатические; - радиоизотопные.

Весовой метод

Основан на изменении веса жидкости в постоянном V при изменении ее плотности. Вес жидкости:

G=V*p*g

если V=const, то G=p

1 - Петлеобразная труба, которая крепится на гибких манжетах 2

2 - с трубкой связана заслонка(3), состоящая из сильфона(5), пневмоусилитель-4

Схема:

В данной трубке протекает контролируемая среда. При увеличении плотности данной среды вес трубки увеличивается, трубка опускается вниз и опускается заслонка(3), прикрывая сопло. Через пневмоустройсто пробивается сжатый воздух и давление воздуха зависит от сопротивления пневмоконтакта (соплозаслонка). Чем ниже опустится заслонка, тем выше давление. Давление равно весу контролируемой среды плотности. Для измерения давления применяется сильфон.

Достоинство: простота, надежность в работе, в трубке не накапливаются осадки. Диапазон измеряемой плотности 0, 5 - 2, 5г/см³

1.2.5.2 б) Поплавковые плотномеры

Они подразделяются на плотномеры с плавающим поплавком (аэрометры постоянного веса) и плотномеры с полной погруженным поплавком (аэрометры постоянного объема).

Схема:

1. корпус; 2. металл. поплавок; 4. шток; 6. диф трансформатор

Через данный датчик протекает среда, уровень среды постоянный. При изменении плотности изменяется сила действия на поплавок. При увеличении плотности выталкивающая сила увеличивается, поплавок поднимается вверх, и вверх перемещается плунжер (6), изменяется ЭДС на вторичной обмотке данного преобразования. Данная ЭДС=p, вторичное преобразование градуируется в единицах плотности.

Аналогично устроены аэрометры постоянного объема. У них поплавок полностью погружается в контролируемую среду. При изменении плотности изменяется выталкивающая сила, изменяя его вес, выталкивающая сила преобразуется в инертный сигнал, который формируется на вторичной обмотке, деформация преобразователя. Данный датчик может быть выполнен с пневматическим преобразователем.

1.2.5.2 в) Гидростатические плотномеры

Принцип действия основан на измерении давления столба жидкости высот. Н и плотности р.

Р=рgH

Если Н=const, то Р р. В этих приборах измен. Разность давлений 2-х столбцов жидкости Н1 и Н2:

Это необходимо для обеспечения постоянства уровня контролируемой среды и температурной компенсации погрешности.

Схема:

1 - Основной резервуар с контролируемой средой с плотностью р;

2 - Резервуар заполнен жидкостью до уровня с известным р₀. В этот резервуар помещен пьезометр трубки(3) и (4). Эти резервуары соединены между собой трубкой(5). Трубки 3 и 4 соединены левым и правым коленями. Через пьезотрубку продувается сжатый воздух. Давление воздуха в левом колене: Р1=рgH; в правом Р2= р₀gH₀+pgH₂

Показания ДМ равно разности данных давлений:

Величина .

Температурный комплекс погрешности в данных плотномерах производится тем, что контрольный сосуд(2) помещен в контролируемую среду находящуюся в сосуде (1), тем самым обеспечивая одинаковые температурные условия.

1.2.5.2 г) Радиоизотопные плотномеры

Применяется для измерения плотности различных сред, в т.ч. вязких кристаллических и твердоподобных. Основано на поглощении излучения. Интенсивность гама излучения при прохождении его через слой вещества толщиной х и плотностью р определяется: