Понятие температурной компенсации

ИЗМЕРЕНИЕ СОСТАВА ВЕЩЕСТВА

Анализаторы жидкостей

В оптических анализаторах используется связь между составом анализируемой жидкости и законами распространения через нее света. Наиболее распространенными оптическими анализаторами являются рефрактометры и колориметры.

В рефрактометрах для анализа используется способность света изменять свое направление при переходе из одной среды в другую вследствие различия их оптических свойств. Если оптические свойства одной среды остаются неизменными (эталонная среда), а другой — зависят от концентрации одного из компонентов жидкости, то по отклонению луча света можно измерять концентрацию этого компонента. Рефрактометры применяют для анализа бензина, керосина, соляной и азотной кислот, спиртов и других жидкостей. Конструкция кювет некоторых рефрактометров позволяет использовать их для агрессивных, токсичных, полимеризующихся и высокотемпературных сред.

Действие колориметрических анализаторов основано на поглощении или рассеивании светового потока, проходящего через жидкость, например суспензию, образованную частицами определяемого вещества в жидкой фазе. Анализаторы, измеряющие концентрацию по интенсивности света, прошедшего через слой дисперсной системы, называются турбидиметрами, а по интенсивности рассеянного дисперсной системой света — нефелометрами. Колориметрические анализаторы применяют для измерения концентрации твердых частиц в технологических растворах (пульпы, эмульсии, взвеси), а также для анализа качества воды в системах водоподготовки и водоочистки (мутномеры).

Наиболее широкое распространение получили кондуктометрические и потенциометрические методы количественного и качественного анализа.

 

Кондуктометрическое приборы

Кондуктометрический метод анализа основан на измерении электропроводности растворов электролитов, в которых перенос тока происходит за счет движения ионов. Электропроводность характеризует суммарную концентрацию ионов в растворе. Зависимость электропроводности от концентрации носит сложный характер: с увеличением концентрации электропроводность раствора сначала увеличивается, а затем уменьшается. Поэтому для каждого кондуктометрического концентратомера установлены свои пределы измерений в единицах электропроводности (См/см) или концентрации (г/л).

Для измерения концентрации растворов по их электропроводности используют приборы с погруженными электродами и безконтактные измерители электропроводности.

Электродные датчики концентратомера представляет собой четырехэлектродную ячейку, через которую непрерывно протекает анализируемый раствор. Через внешние электроды ячейка подключена к источнику питания, который поддерживает в ней постоянную силу тока. В этом случае напряжение между внутренними электродами будет зависеть от электропроводности анализируемого раствора, т. е. от его концентрации. Это напряжение измеряют автоматическим потенциометром.

На сегодняшний день производится большое количество кондуктометрических датчиков, отличающихся конструкцией, материалом электрода (нержавеющая сталь, платина, хастеллой, графит) и константой.

рис. 1

Современная конструкция двухэлектродного датчика представлена на рис. 1. Основной областью применения является измерение чистых и сверхчистых вод. Такой анализ будет точным при четко определенной константе ячейки и высоком сопротивлении раствора.

Измерительная схема двухэлектродной кондуктометрической ячейки (рис. 2) включает R1, R2 и R3 - постоянные манганиновые резисторы; Rр – переменный компенсирующий резистор (КПР); Rx – сопротивление раствора кондуктометрической ячейки. При изменении концентрации котнтролируемого раствора меняется сопротивление Rx и на вершинах моста ab возникает разность потенциалов. Сигнал разбаланса, пропорциональный по величине изменению концентрации, усиливается электронным усилителем ЭУ и поступает на реверсивный двигатель РД, который перемещает движок КПР, стрелку и перо прибора. В плечо, смежное с Rx, включен параллельно постоянному резистору R1 конденсатор C.

Рис. 2. Измерительная схема двухэлектродной измерительной ячейки

 

Для компенсации температурной погрешности в автоматических приборах используют обычно автоматические температурные компенсаторы электрического типа и использованием металлических термометров сопротивления (рис. 3).

 

 

Рис. 3. Схема кондуктометрической ячейки с металлическим термометром сопротивления

 

Для температурной компенсации необходимо обеспечить равенство температурных коэффициентов сопротивления измерительной ячейки Rx, ячейки (т.е. контролируемого раствора) и термометра сопротивления Rt. Для этого параллельно Rx включают шунтирующий резистор Rш с низким температурным коэффициентом (например, из манганиновой проволоки). Благодаря этому температурный коэффициент сопротивления параллельной цепи Rx – Rш значительно снижается по сравнению с температурным коэффицентом раствора и приближается к температурному коэффициенту термометра сопротивления Rt, но имеет противоположный знак. Таким образом, общее сопротивление всей цепи почти не изменяется при колебаниях температуры контролируемого раствора, т. к. изменение сопротивления Rx – Rш компенсируется равным по величине и обратным по знаку изменением сопротивления Rt.

Четырехэлектродные датчики

В отличии от «классических» датчиков, четырехэлектродные измерительные ячейки обладают некоторыми существенными преимуществами за счет того, что поляризация происходит на одной паре электродов, а измерение сигнала осуществляется на центральной паре электродов.

Основными особенностями таких датчиков являются:

•	широкий диапазон измерения с одной константой ячейки;
•	отсутствие поляризации на измерительных электродах;
•	более широкие возможности очистки датчика по сравнению с двухэлектродными.

Кроме того, фактически измеряемым параметром является не сопротивление (как в случае двухэлектродных датчиков) а падение напряжения, это обеспечивает большую точность измерения, и, как следствие, возможность применения таких датчиков при определении концентрации щелочей, кислот и различных солей.

 

рис. 4

 

 

На рис. 5 показана схема кондуктометра с четырехэлектродной измерительной ячейкой.

 

Рис. 5. Схема кондуктометра с четырехэлектродной измерительной ячейкой

 

Ток в растворе протекает между двумя внешними электродами 1 и 4, подключенными к источнику напряжения U1. Благодаря большому ограничивающему сопротивлению резистора R сила тока I в цепи ячейки остается постоянной независимо от изменения сопротивления раствора. Два внутренних электрода 2 и 3 выполняют функции потенциометрических и предназначены для измерения падения напряжения в растворе. Разность потенциалов между электродами 2 и 3 однозначно определяется концентрацией контролируемого раствора. Измеряемая величина ∆U_2,3 сравнивается с разностью потенциалов U_ab на вершинах a и b уравновешивающего моста. Если U_a,b≠∆U_2,3, то на вход электронного усилителя ЭУ поступает сигнал разбаланса ∆U_x=∆U_ab-U_2,3. В момент равновесия U_ab=∆U_2,3, при этом ток в цепи электродов 2 и 3 отсутствует. Автоматическую компенсацию температурных погрешностей осуществляет металлический термометр сопротивления R_t, включенный в одно из плеч уравновешивающего моста. При изменении температуры контролируемого раствора изменяется и сопротивление R_t, в результате чего разность потенциалов U_ab также меняется. Приращение ∆U_ab (∆t) при изменении R_t должно быть равно по величине и обратно по знаку приращению ∆U_2,3 (∆t), вызванному изменением (∆t) температуры контролируемого раствора. Этого равенства достигают путем подбора компенсационного моста (сопротивлений резисторов R1, R2, R3) и напряжения U2.

 

Основным недостатком погруженных электродов является контакт последних с агрессивной средой, особенно при повышенных значениях температуры, а также загрязнение электродов осадками. На рис. 3. 23 приведена схема более надёжного бесконтактного метода измерения электропроводности жидкости.

Безэлектродные датчики используются для измерения растворов, способных загрязнять электроды. Индуктивные (или «безэлектродные») датчики проводимости состоят из двух концентрических катушек индуктивности в корпусе из диэлектрического полимерного материала. При наложении переменного напряжения на первичную обмотку датчика создается магнитное поле. В таком датчике анализируемый раствор протекает по кольцевой пластмассовой трубе.

Датчики такого типа обладают следующими преимуществами:

•	отсутствие поляризации как таковой;
•	полная изоляция измерительной части датчика от контакта с внешней средой;
•	отсутствие влияния на результат измерения таких явлений как загрязнение датчика, образование пленок или иных отложений;
•	возможность работы датчика в агрессивных средах и очень концентрированных растворах.

 

На рис. 3.23 показана конструкция бесконтактного измерителя электропроводности.

 

 

Как было отмечено выше, по трубке из диэлектрического материала непрерывно протекает контролируемая жидкость (электролит), концентрацию которого необходимо определить. Трубка с электролитом образуют замкнутый контур (виток), играющий роль вторичной обмотки трансформатора возбуждения Тр1 и одновременно первичной обмотки измерительного трансформатора Тр2. В зависимости от электропроводности раствора в контуре, как в замкнутом проводнике, индуцируется э.д.с., создавая в ней ток. Это напряжение будет тем больше, чем больше концентрация анализируемого раствора. В свою очередь, этот ток является мерой концентрации раствора. Поправка на температуры измеряемой концентрации раствора вводится по показаниям терморезистора R_t.

Влияние температуры. Все датчики работают в широком диапазоне температур. При этом необходимо помнить, что подвижность ионов (и, соответственно, электропроводность) в водных растворах возрастает с увеличением температуры. Электропроводность раствора может быть рассчитана для любой температуры в том случае, если заранее известен температурный коэффициент α, отражающий изменение электропроводности на 1°С (значение коэффициента, как правило, не выходит за пределы 1-6 %/°C).
Такой температурный эффект – увеличение электропроводности с ростом температуры – выражен более ярко в случае сверхчистых вод, нежели концентрированных растворов.

Помимо концентрации растворенных веществ, электропроводность раствора зависит от природы этих веществ.

 

Анализаторы газов

В ходе химико-технологических процессов, например, термокаталитической переработки нефти образуются газы и их смеси. Специальные приборы – газоанализаторы позволяют осуществлять их количественный и качественный анализ По назначению газоанализаторы можно разделить на приборы технологического контроля и приборы контроля воздушной среды. Принцип действия газоанализаторов основан на индивидуальных физико-химических свойствах газов, что обуславливает разнообразие их конструкций. Количественный анализ позволяет определить концентрацию отдельных компонентов в газовых смесях, а качественный – их состав. Концентрации измеряют в объемных процентах, если они малые (микро концентрация) то в миллионных долях объемного процента (ppm). Отбираемый для анализа газ очищается от механических примесей, осушают, охлаждают, стабилизируют его расход и давление. При необходимости из газа удаляют вредные примеси, например, сернистые соединения, оксид углерода дожигают до диоксида и т. д. Ниже рассмотрим наиболее популярные газоанализаторы, применяемые в нефтепереработке и химической промышленности.

Рис.. Измерительная схема ТКГ

 

Прибор работает следующим образом, от источника тока спирали нагреваются, и тепло от них передается стенкам камер, имеющим более

низкую температуру, при этом теплопередача зависит от теплопроводности газа в камерах. Перед измерением через измерительные камеры пропускают такой же газ, которым заполнены сравнительные камеры и после стабилизации теплового режима в камерах мост уравновешивается перемещением движка по реохорду RP, таким образом, устанавливается стрелка милливольтметра на начальную отметку шкалы (режим «Контроль»). Затем измерительные камеры подключаются к линии анализируемого газа (режим «Анализ»). Если концентрация больше начального значения, то теплопередача в камерах R1 и R3 возрастает, а температура и сопротивление спиралей уменьшается. Равновесие моста нарушается и на выходе его появится напряжение, величина которого зависит от концентрации анализируемого газа. Использование двух противоположных плеч моста в качестве измерительных обеспечивает высокую чувствительность прибора.

Тепловой режим в камерах может нарушаться также в результате изменения питающего мост напряжения, расхода и температуры газа.

В промышленных ТКГ влияние перечисленных выше факторов значительно ослаблено, что достигается использованием компенсационного метода измерения по схеме двойного моста.

 

Термохимические газоанализаторы (ТХГ)

Термохимические газоанализаторы, как правило, используют для определения и сигнализации наличия в воздухе закрытых производственных помещений довзрывоопасных концентраций горючих газов, паров и их смесей: ацетона, бензина, спиртов, эфиров и т. п. Обычно сигнализатор автоматически включает аварийный сигнал, когда концентрация газа в контролируемом воздухе достигает 20 % нижнего концентрационного предела воспламенения. Их применение регламентируется соответствующими нормативными докумен­тами. В частности, требования к установке датчиков газоанализаторов-сигнализаторов довзрывоопасных концен­траций изложены в технических условиях ТУ ГАЗ—75.

В термохимических газоанализаторах концентрация определяемого компонента газовой смеси измеряется по количеству тепла, выделившегося при химической реакции — каталитическом окислении. В качестве катализаторов обычно используют нагретую платиновую нить, помещенную в камеру, через которую пропускают газовую смесь. Температура и, следовательно, сопротивление нити будут изменяться при изменении количества тепла, которое, в свою очередь, будет зависеть от концентрации определяемого компонента. Чем она больше, тем больше выделяется тепла в ходе реакции, тем выше температура нити. Датчик термохимического газоанализатора аналогичен по устройству датчику термокондуктометрического газоанализатора. Температуру нити измеряют также мостовой схемой по ее сопротивлению. Схема, одного из таких приборов, СВК-ЗМ1 упрощенно изображена на рис. 3.2.

 

Рис. 3.2. Схема термохимического газоанализатора-сигнализатора:

 

1 — эжектор; 2— дроссель; 3 — ротаметр; 4— камера; 5 — воронка; 6 — электронный блок; 7 миллиамперметр; 8— устройство звуковой и световой сигнализации

 

Прибор представляет собой неуравно­вешенный мост, в двух смежных плечах, которого находятся платиновые термо­резисторы R1 (сравнительный) и R2 (измерительный), нагреваемые током от источника питания моста. Оба этих терморезистора размещены в проточной камере датчика 4. Терморезистор R1 закрыт защитным колпачком, а нить терморезистора R2 находится под слоем специального катализатора, который, в свою очередь, нагревается полу­чаемым от нити теплом.

Сигнализаторы подготавливаются к работе в режиме «Контроль», при этом через датчик пропускают чистый воздух из сети пневмопитания. После стабилизации теплового режима мост уравновешивают перемеще­нием движка переменного резистора RP «Установка нуля», добиваясь установки стрелки миллиамперметра на нулевую отметку.

Затем датчик сигнализатора переключают на режим «Анализ» (показанный на схеме), в котором под действием разрежения, создаваемого воздушным эжекто­ром 1, в датчик 4 засасывается анализируемый воздух. Он отбирается через пробоотборную воронку 5, установленную во взрывоопасном помещении и соединенную с датчиком трубной линией. Расход воздуха устанавли­вается по показанию ротаметру 3 с помощью дросселя 2.

При движении через датчик воздух сначала омывает колпачок термо­резистора R1, а затем проходит к R2. Это уменьшает зависимость выходно­го напряжения моста от температуры анализируемого воздуха и его расхода.

Появившиеся в воздухе горючие газы или пары соприкасаются с нагретым катализатором и сгорают на его поверхности. Выделяющееся при этом тепло дополнительно нагревает катализатор, что приводит к повы­шению температуры и электрического сопротивления платиновой нити терморезистора R2. Равновесие моста нарушается, и в конечном итоге появляется ток на выходе электронного блока 6.

Сила тока пропорциональ­на концентрации анализируемого компонента в воздухе и измеряется миллиамперметром 7. Зона его шкалы, выделенная красным цветом, соответствует концентрации, при которой сигнализатор должен срабаты­вать от 5% до 50 % НПВ (нижнего предела воспламеняемости). Каждый сигнализатор калибруется по контрольной смеси, вводимой в датчик.

 

Оптические анализаторы

Оптические методы анализа разнообразны. Они основаны на использовании явлений, связанных с прохождением светового потока через раствор. Эти методы бесконтактные, что обеспечивает высокую надежность анализаторов.

 

Фотоколориметры

Функционируют фотоколориметры на основе сорбционно-оптического метода, в котором используется свойство растворов сорбировать (поглощать) световой поток в зависимости от их концентрации. Фотоколориметры работают в видимой части спектра оптического излучения.

Принцип работы фотоколориметров состоит в следующем, пропущенный через раствор световой поток с начальной интенсивностью Ф₀ ослабляется до значения Ф в результате частичного поглощения его раствором. Связь между интенсивностью ослабленного потока и концентрацией С раствора для монохроматического излучения (длиной волны λ = ______) выражается через закон Бугера – Ламберта – Бера:

,

где l –толщина слоя раствора; ε_λ – коэффициент поглощения светового излучения раствором для данной длины волны.

Фотоколориметры применяют для измерения концентрации окрашенных растворов, в том числе степени осветления. Один из вариантов фотоколориметра приведен на рис. 3.30.

 

 

Свет от источника 1 призмой 2 и зеркалами 3 и 4 делится на два равных световых потока. Один из них проходит через измерительную кювету 5, а другой – через сравнительную кювету 6, заполненную эталонным раствором. Световые потоки попадают на фоторезисторы 7 и 8 мостовой измерительной схемы. На рис. 3.30 отсутствуют световые фильтры перед кюветами, светофильтры необходимы для монохроматизма светового потока.

Перед началом работы фотоколориметра, через измерительную кювету пропускают раствор с той же концентрацией, что и в сравнительной кювете, это необходимо для установления мостовой измерительной схемы в равновесие, при этом поглощение светового потока обеими кюветами одинаково.

Изменения светопоглощения контролируемым раствором в зависимости от его концентрации вызывает изменение освещенности фоторезистора 7. Сопротивление этого фоторезистора отреагирует следующим образом, если концентрация раствора увеличится, то освещенность уменьшится, а электрическое сопротивление фоторезистора 7 увеличится и наоборот. Таким образом, концентрация находится в обратной зависимости от освещенности и в прямой – от величины электрического сопротивления фоторезистора. Возникшее на выходе мостовой измерительной схемы напряжение после его усиления в усилителе 9 отражается при помощи показаний измерительного прибора 10.

 

 

Газовые хроматографы

Все рассмотренные типы газоанализаторов позволяют определять концентрацию только одного компонента газовой смеси. В отличие от них хроматографические газоанализаторы (хроматографы) способны производить полный анализ газовой смеси, т. е. определять концентрации всех газов, составляющих эту смесь.

Процесс измерения в хроматографе происходит в две стадии: сначала смесь разделяется на отдельные компоненты, а затем измеряется содержание каждого компонента смеси.

Качественный и количественный анализ сложных газо­вых смесей осуществляется методами хроматографии. В их основу поло­жено разделение смеси на компоненты под воздействием одновременно протекающих массообменных процессов — сорбции (поглощения газа сорбентом) и десорбции (выделения) с последующим анализом разделен­ных компонентов. Для этого анализируемую смесь пропускают через сорбент, перемещая ее потоком газа-носителя, химически нейтрального по отношению как к компонентам смеси, так и к сорбенту. Из ряда методов можно выделить газо-адсорбционную хроматографию (сорбент — твердое пористое вещество) и газо-жидкостную (сорбент — жидкий нелетучий растворитель). Приборы, на которых реализуются хроматографические методы анализа, называются хроматографами. Упрощенно схема хроматографа показана на рис. 3.4.

 

 

Рис. 3.4. Блок-схема хроматографа: 1 — дозатор; 2 — колонка; 3 — детектор; 4 — регистратор; 5 — дроссель; 6 — ротаметр

 

Через дозатор 1 отбирается калиброванный объем анализируемой смеси, который захваты­вается потоком газа-носителя и переносится в разделительную колонку 2, заполненную сорбентом. Колонка — это трубка диаметром 4 - 6 мм из нержавеющей стали, длиной до нескольких метров.

 

 

 

Рис. 3.5. Схема, поясняющая процесс разделения смеси в колонке

 

Работу колонки можно пояснить на примере разделения условной трехкомпонентной газо­вой смеси А+B+С (см. рис. 3.5). Колонка показана также условно в разные моменты времени: в момент, ввода пробы (1), на стадии разделения (2)и в момент выхода первого компонента (3). Вследствие различной степени поглощения сорбентом компоненты перемещаются вдоль колонки газом-носителем с разными скоростями и в результате разделяются. Они обра­зуют с газом-носителем бинарные смеси и выходят из колонки в определен­ной последовательности — сначала «легкие», т. е. менее сорбируемые (компонент А), а затем более «тяжелые» (В и С). Бинарные смеси разде­ляются зонами чистого газа-носителя. Чем больше различаются компонен­ты по сорбируемости, тем меньшей длины потребуется колонка для их разделения.

Эффективность работы колонки зависит также от ее температуры, типа сорбента, газа-носителя и его расхода. Компоненты анализируемой смеси обнаруживаются детектором 3 (см. рис. 3.4), в который они пооче­редно поступают из колонки.

 

Принципы работы мутномеров

Для регистрации рассеянного света используются турбидиметрические системы, работающие по различному принципу:

1. При высоком и среднем содержании взвешенных частиц (от 1 г/л до 4000FTU или 250 г/л) используются датчики InPro 8050, InPro 8100, InPro 8200, соединительный оптоволоконный кабель и трансмиттер Trb 8300. Источник света установлен непосредственно в трансмиттер и излучает свет с длиной волны, лежащей в ближней ИК области — 880 нм. Использование света такой длины волны позволяет пренебречь окраской среды. Данный свет по оптоволоконному кабелю через турбидиметрический датчик проецируется в измеряемую среду и рассеивается во всех направлениях взвешенными частицами. Отраженный под углом 180° свет регистрируется датчиком (InPro 8050 или InPro 8100) и по тому же оптоволоконному кабелю от датчиков поступает в трансмиттер, в котором установлен фотодиод, преобразующий световой поток в электрический ток. Величина тока пропорциональна концентрации частиц в среде и отображается на ЖК дисплее в заданных единицах.

Преимущества метода измерения по отражению света

Для работы в среднем диапазоне определения используется двухволоконная система (InPro 8200). По одному волокну происходит проецирование света в среду, по другому — регистрация отраженного света.

Для минимизации ошибок результатов измерений рекомендуется устанавливать датчик на расстоянии не менее 10 см от стенок трубопровода или реактора.
Этот метод позволяет получать линейную зависимость сигнала от концентрации взвешенных частиц, по сравнению, например, с абсорбционным методом. Использование специальной калибровочной насадки CaliCap дает возможность проводить настройку системы с использованием специальных стандартов в сосудах небольшого размера.
2. Для работы в нижнем и среднем диапазоне концентрации (до 400 FTU или 1,0 г/л) используются мутномеры, состоящие из датчиков InPro 8400, InPro 8500 и трансмиттера Trb 8300 F/S.

Конструктивно эти датчики состоят из источника света и одного или двух приемников света. Свет проходит через специальные сапфировые окна, расположенные у источника и приемников света.

В основе метода лежит «принцип компенсации измерения» — определение отношения величин светового потока, рассеянного частицами под углом 12°, к потоку нерассеянного света, прошедшего через раствор (см. рисунок выше). Для разделения этих световых потоков и их раздельной регистрации служат два фотодатчика и специальная линза. Чем выше концентрация взвешенных частиц, тем больше поток рассеянного света по сравнению с нерассеянным. По отношению этих потоков судят о концентрации взвешенных частиц. На этом принципе основано действие датчика 8400.

Принцип работы датчика 8500

Кроме того, данный метод измерений позволяет оценить распределение взвешенных частиц по размерам. Обнаружено, что для частиц размером более 0,3 мкм наибольшая интенсивность рассеянного света регистрируется под углом 12°. Для частиц размером менее 0,3 мкм интенсивность рассеяния света одинакова практически во всех направлениях. Если при помощи второго приемника света регистрировать свет, рассеянный под углом 90°, и сравнивать его с потоком, рассеянным под углом 12°, то можно оценить и распределение частиц по размерам в анализируемом растворе (см. рисунок ниже).
Максимум информации можно получить, наблюдая за процессом в динамике и контролируя увеличение или уменьшение размеров частиц во времени. Возможность одновременного контроля за количеством и размером дисперсных частиц реализована в устройстве датчика InPro 8500.

ИЗМЕРЕНИЕ СОСТАВА ВЕЩЕСТВА

Анализаторы жидкостей

В оптических анализаторах используется связь между составом анализируемой жидкости и законами распространения через нее света. Наиболее распространенными оптическими анализаторами являются рефрактометры и колориметры.

В рефрактометрах для анализа используется способность света изменять свое направление при переходе из одной среды в другую вследствие различия их оптических свойств. Если оптические свойства одной среды остаются неизменными (эталонная среда), а другой — зависят от концентрации одного из компонентов жидкости, то по отклонению луча света можно измерять концентрацию этого компонента. Рефрактометры применяют для анализа бензина, керосина, соляной и азотной кислот, спиртов и других жидкостей. Конструкция кювет некоторых рефрактометров позволяет использовать их для агрессивных, токсичных, полимеризующихся и высокотемпературных сред.

Действие колориметрических анализаторов основано на поглощении или рассеивании светового потока, проходящего через жидкость, например суспензию, образованную частицами определяемого вещества в жидкой фазе. Анализаторы, измеряющие концентрацию по интенсивности света, прошедшего через слой дисперсной системы, называются турбидиметрами, а по интенсивности рассеянного дисперсной системой света — нефелометрами. Колориметрические анализаторы применяют для измерения концентрации твердых частиц в технологических растворах (пульпы, эмульсии, взвеси), а также для анализа качества воды в системах водоподготовки и водоочистки (мутномеры).

Наиболее широкое распространение получили кондуктометрические и потенциометрические методы количественного и качественного анализа.

 

Кондуктометрическое приборы

Кондуктометрический метод анализа основан на измерении электропроводности растворов электролитов, в которых перенос тока происходит за счет движения ионов. Электропроводность характеризует суммарную концентрацию ионов в растворе. Зависимость электропроводности от концентрации носит сложный характер: с увеличением концентрации электропроводность раствора сначала увеличивается, а затем уменьшается. Поэтому для каждого кондуктометрического концентратомера установлены свои пределы измерений в единицах электропроводности (См/см) или концентрации (г/л).

Для измерения концентрации растворов по их электропроводности используют приборы с погруженными электродами и безконтактные измерители электропроводности.

Электродные датчики концентратомера представляет собой четырехэлектродную ячейку, через которую непрерывно протекает анализируемый раствор. Через внешние электроды ячейка подключена к источнику питания, который поддерживает в ней постоянную силу тока. В этом случае напряжение между внутренними электродами будет зависеть от электропроводности анализируемого раствора, т. е. от его концентрации. Это напряжение измеряют автоматическим потенциометром.

На сегодняшний день производится большое количество кондуктометрических датчиков, отличающихся конструкцией, материалом электрода (нержавеющая сталь, платина, хастеллой, графит) и константой.

рис. 1

Современная конструкция двухэлектродного датчика представлена на рис. 1. Основной областью применения является измерение чистых и сверхчистых вод. Такой анализ будет точным при четко определенной константе ячейки и высоком сопротивлении раствора.

Измерительная схема двухэлектродной кондуктометрической ячейки (рис. 2) включает R1, R2 и R3 - постоянные манганиновые резисторы; Rр – переменный компенсирующий резистор (КПР); Rx – сопротивление раствора кондуктометрической ячейки. При изменении концентрации котнтролируемого раствора меняется сопротивление Rx и на вершинах моста ab возникает разность потенциалов. Сигнал разбаланса, пропорциональный по величине изменению концентрации, усиливается электронным усилителем ЭУ и поступает на реверсивный двигатель РД, который перемещает движок КПР, стрелку и перо прибора. В плечо, смежное с Rx, включен параллельно постоянному резистору R1 конденсатор C.

Рис. 2. Измерительная схема двухэлектродной измерительной ячейки

 

Для компенсации температурной погрешности в автоматических приборах используют обычно автоматические температурные компенсаторы электрического типа и использованием металлических термометров сопротивления (рис. 3).

 

 

Рис. 3. Схема кондуктометрической ячейки с металлическим термометром сопротивления

 

Для температурной компенсации необходимо обеспечить равенство температурных коэффициентов сопротивления измерительной ячейки Rx, ячейки (т.е. контролируемого раствора) и термометра сопротивления Rt. Для этого параллельно Rx включают шунтирующий резистор Rш с низким температурным коэффициентом (например, из манганиновой проволоки). Благодаря этому температурный коэффициент сопротивления параллельной цепи Rx – Rш значительно снижается по сравнению с температурным коэффицентом раствора и приближается к температурному коэффициенту термометра сопротивления Rt, но имеет противоположный знак. Таким образом, общее сопротивление всей цепи почти не изменяется при колебаниях температуры контролируемого раствора, т. к. изменение сопротивления Rx – Rш компенсируется равным по величине и обратным по знаку изменением сопротивления Rt.

Четырехэлектродные датчики

В отличии от «классических» датчиков, четырехэлектродные измерительные ячейки обладают некоторыми существенными преимуществами за счет того, что поляризация происходит на одной паре электродов, а измерение сигнала осуществляется на центральной паре электродов.

Основными особенностями таких датчиков являются:

•	широкий диапазон измерения с одной константой ячейки;
•	отсутствие поляризации на измерительных электродах;
•	более широкие возможности очистки датчика по сравнению с двухэлектродными.

Кроме того, фактически измеряемым параметром является не сопротивление (как в случае двухэлектродных датчиков) а падение напряжения, это обеспечивает большую точность измерения, и, как следствие, возможность применения таких датчиков при определении концентрации щелочей, кислот и различных солей.

 

рис. 4

 

 

На рис. 5 показана схема кондуктометра с четырехэлектродной измерительной ячейкой.

 

Рис. 5. Схема кондуктометра с четырехэлектродной измерительной ячейкой

 

Ток в растворе протекает между двумя внешними электродами 1 и 4, подключенными к источнику напряжения U1. Благодаря большому ограничивающему сопротивлению резистора R сила тока I в цепи ячейки остается постоянной независимо от изменения сопротивления раствора. Два внутренних электрода 2 и 3 выполняют функции потенциометрических и предназначены для измерения падения напряжения в растворе. Разность потенциалов между электродами 2 и 3 однозначно определяется концентрацией контролируемого раствора. Измеряемая величина ∆U_2,3 сравнивается с разностью потенциалов U_ab на вершинах a и b уравновешивающего моста. Если U_a,b≠∆U_2,3, то на вход электронного усилителя ЭУ поступает сигнал разбаланса ∆U_x=∆U_ab-U_2,3. В момент равновесия U_ab=∆U_2,3, при этом ток