Фарзане Н.Г., Илясов Л.В. Технологические измерения и приборы

Подождите немного. Документ загружается.

311

Это вызывает уменьшение входного сигнала регулятора и отключение или

уменьшение (в зависимости от принятого закона регулирования) напряжения

питания термопары 1. За счет теплоты, вносимой в камеру 3 потоком

анализируемого газа, зеркальце и холодный спай постепенно нагреваются. При

этом конденсат с поверхности зеркальца испаряется и световой поток,

поступающий к фотоприемнику, восстанавливается до начального значения.

Регулятор 8 подключает или увеличивает напряжение питания термопары и

холодный спай ее начинает опять охлаждаться. Таким образом, температура

зеркальца автоматически поддерживается равной температуре точки росы. Эта

температура преобразуется в унифицированный сигнал с помощью

термоэлектрического чувствительного элемента 6 и нормирующего

преобразователя 5. Гигрометры точки росы обычно имеют диапазон измерений

от —80 до + 40°С при давлении анализируемого газа 0,05—10 МПа. Абсолют-

ная погрешность измерения ±0,5°С.

Известны конструкции конденсационных газоанализаторов,

обеспечивающие измерение температуры точки росы по воде, углеводородам и

температуры начала гидратообразования.

§ 11.7. Диэлькометрические анализаторы

Принцип действия диэлькометрических анализаторов состоит в измерении

диэлектрической проницаемости s среды, заполняющей электрический

конденсатор, емкость которого определяется выражением

C = kε, (11.29)

где k — постоянный коэффициент, который определяется размерами

конденсатора и его конструкцией.

Эти анализаторы применяются для анализа состава бинарных или

псевдобинарных смесей газов и жидкостей. На рис. 11.6, а показана схема

диэлькометрического гигрометра, в котором измерение диэлектрической

проницаемости используется совместно с явлением сорбции паров воды из

анализируемого газа. В этом гигрометре анализируемый газ прокачивается с

постоянным объемным расходом через камеру 1, в которой размещен

алюминиевый стержень 2, по поверхности которого сделана нарезка и нанесен

оксид алюминия. В нарезку уложена никелевая проволока 3. Стержень 2 и

проволока 3 образуют конденсатор, емкость которого увеличивается при

сорбции паров воды оксидом алюминия. Последняя вызывает увеличение

емкости конденсатора, которая измеряется неравновесным электрическим

мостом переменного тока и вторичным прибором (вольтметром) 4.

Существуют схемы диэлькометрических гигрометров с равновесным

электрическим мостом.

Обычно гигрометры рассмотренного типа обеспечивают измерение

относительной влажности в пределах 20—100%. Известны диэлькометрические

гигрометры, в которых поры оксидной пленки

312

заполнены насыщенным раствором гигроскопической соли. Они обеспечивают

измерение микроконцентраций влаги в газах, начиная с 1·10

-4

% об.

Диэлькометрические анализаторы находят широкое применение для

автоматического контроля концентрации воды в нефтях. Нефть, содержащая

воду, по диэлектрической проницаемости может рассматриваться как

псевдобинарная смесь (см. § 11.1) ввиду того,

Рис. 11.6. Схемы диэлькометрических анализаторов

что диэлектрическая проницаемость воды составляет 81, а для углеводородов,

входящих в состав нефтей, 2—2,6. Схема диэлькометрического

дифференциального влагомера нефти показана на рис. 11.6, б. Анализатор

содержит два цилиндрических конденсатора 1 и 9. Конденсатор 1 установлен в

трубопроводе 10, по которому протекает анализируемая нефть, а конденсатор 9

установлен в емкости 8, которая периодически заполняется нефтью, очищенной

в устройстве 7 от воды и механических примесей. Конденсаторы 1 и 9

включены в колебательные контуры генераторов 2 и 6. Частоты колебаний

последних пропорциональны емкостям конденсаторов 1 и 9. Входные сигналы

генераторов поступают в смеситель 3. Выходной сигнал смесителя

определяется разностью частот колебаний генераторов, которая в соответствии

с выражениями (11.18) и (11.29) определяется концентрацией воды в нефти.

Сигнал смесителя в преобразователе 4 преобразуется в унифицированный сиг-

нал постоянного тока, который измеряется и регистрируется автоматическим

потенциометром 5. Необходимость использования дифференциальной схемы

связана с тем, что при малых концентрациях воды дополнительная

погрешность, вызванная различием в значениях диэлектрических

проницаемостей нефтей из различных месторождений, становится

существенной. Диэлектрические влагомеры нефти имеют классы точности 4—6

и обеспечивают измерение концентрации воды в диапазоне от 0—3 до 0—60 %

об.

313

§ 11.8. Оптические анализаторы, в работе которых

используется излучение видимой части спектра

Для измерения концентраций в настоящее время используется излучение

практически всего спектра электромагнитных колебаний, начиная с радиоволн

и кончая γ-излучениями. Наиболее широкое применение имеют излучения

инфракрасной, видимой и ультрафиолетовой областей спектра. Анализаторы,

работающие с излучениями этих областей спектра, называют

фотометрическими (от греч. photos — свет и metréo — измеряю). В

анализаторах используются явления поглощения, отражения и рассеяния

электромагнитного излучения анализируемым веществом. Поглощение (аб-

сорбция) электромагнитного излучения количественно описывается законом

Бугера — Ламберта — Бера:

= I

-kδ

-ελδ

(11.30)

где I

0λ

и I

— интенсивность монохроматического излучения с длиной волны λ,

входящего в слой анализируемого вещества и выходящего из него (под

интенсивностью излучения понимают полный поток энергии излучения,

проходящий за единицу времени через единицу площади и направленный

нормально к ней); k — показатель поглощения излучения веществом на длине

волны λ; δ — толщина слоя вещества; с — концентрация поглощающего

компонента; ε

— коэффициент, зависящий от длины волны излучения.

Выражение (11.30) обычно представляют в виде:

ln(I

0λ

) = ε

δс= D

(11.31)

ln(I

0λ

) = -ε

δс=T

(11.32)

Величины D

и T

в приведенных выражениях называют соответственно

оптической плотностью или экстинкцией (ослаблением) и прозрачностью

(пропусканием) слоя вещества толщиной δ на длине волны λ. Из выражений

(11.31) и (11.32) следует, что если значение I

0λ

поддерживать постоянным, то

при постоянных ε

и δ интенсивность I

однозначно определяется концентрацией

с поглощающего компонента в анализируемой смеси. Если анализируемое

вещество содержит несколько (например, п) компонентов, поглощающих

излучение с длиной волны λ, то суммарная оптическая плотность определяется

выражением

∑

λΣλ

εδ=

1.33)

где ε

λi

и c

— постоянный коэффициент и концентрация i-ro компонента.

Анализаторы, основанные на явлении поглощения электромагнитного

излучения, называют абсорбционнооптическими и

абсорбционнометрическими.

314

Поглощение излучения видимой части спектра связано с переходами

между энергетическими уровнями валентных электронов атомов или молекул

поглощающего вещества.

Анализаторы жидкостей и газов, основанные на явлении поглощения

электромагнитного излучения видимой части спектра, называются

колориметрами или фотоколориметрами (от лат. color — цвет и от греч.

metréo — измеряю).

Излучение видимой части спектра используется также для измерения

концентрации жидких или твердых частиц в газе (дым, туман), твердых или

форменных частиц в жидкостях (суспензия, эмульсия). Газы или жидкости,

содержащие различные частицы, называют дисперсными средами.

При прохождении потока света через дисперсную среду имеет место его

рассеяние, которое при прочих постоянных условиях зависит от соотношения

размеров частиц и длины световой волны. Если последняя значительно больше

размера частиц, то имеет место дифракция световой волны, т. е. огибание

волной частицы. Если же размеры частицы больше длины волны, то имеет

место преломление и отражение света на границе фаз.

Рассеяние света в дисперсной среде описывается выражением по формуле,

совпадающей с выражением для закона Бугера — Ламберта — Бера, а именно

интенсивность излучения:

−

eII

1.34)

где k

— показатель рассеяния излучения, зависящий от концентрации частиц,

их размера и формы, а также от коэффициента преломления материала частиц

и среды.

Рассеяние света дисперсной средой принято характеризовать мутностью

последней.

Анализаторы дисперсных сред, основанные на явлении рассеяния света и

измерении светового потока, проходящего через анализируемую среду,

называются турбидиметрами (от лат. turbineus — вихреобразный и от греч.

metréo — измеряю). Интенсивность I

отраженного света в отличие от

интенсивности I света, прошедшего через слой анализируемой среды, нахо-

дится в линейной зависимости от концентрации частиц в этой среде:

= аI

с, (11.35)

где а — коэффициент, зависящий от длины световой волны, плотности

материала частиц, их объема, показателей преломления материала частиц и

среды, угла между падающим и отраженным потоками света, размеров слоя

анализируемой среды.

Анализаторы дисперсных сред, основанные на явлении рассеяния света и

измерении отраженного этой средой светового потока, Называют

нефелометрами (от греч. nephele — облако, туча и metréo— измеряю).

В силу того, что свет разных длин волн имеет различные коэффициенты

преломления при разработке фотоколориметрических,

315

турбидиметрических и нефелометрических анализаторов, для обеспечения

требуемой чувствительности применяют фильтры, что позволяет использовать ту

часть спектра, которая в наибольшей степени изменяется при прохождении через

анализируемую среду.

Схемные и конструктивные решения анализаторов, в работе которых

используется излучение видимой части спектра, весьма разнообразны.

Колориметрические анализаторы классифицируют в зависимости от числа

источников и приемников излучения, числа используемых лучей и наличия

предварительного преобразования анализируемого вещества. На рис. 11.7 приведены

схемы колориметрических, турбидиметрических и нефелометрических

анализаторов

Колориметрический анализатор (рис. 11.7, а) имеет один источник (лампа 1) и

два приемника (фотоэлементы 6 и 9) излучения и является двухлучевым.

Излучение, выходящее из источника 1,

Рис. 11.7. Схемы фотометрических анализаторов видимого излучения

пройдя через фильтр 2, разделяется на два луча, которые через зеркала 4

поступают в измерительную 5 и сравнительную 10 кюветы. Через измерительную

кювету прокачивается анализируемое вещество, а сравнительная обычно

заполняется образцовым веще-

316

ством (вещество с известной или равной нулю концентрацией определяемого

компонента). Фотоэлементы 6 и 9 включены на вход усилителя 7 встречно,

поэтому разность их сигналов, преобразованная в этом усилителе в

унифицированный сигнал, однозначно зависит от концентрации определяемого

компонента в анализируемом веществе. Выходной сигнал усилителя 7

измеряется и регистрируется вторичным прибором 8.

Колориметрический анализатор (рис. 11.7, б) является двухлучевым и

имеет один источник и один приемник излучения. Излучение от лампы 1,

пройдя фильтры 2, с помощью призмы 3 и зеркал 4 разделяется на два луча,

поступающих в измерительную 5 и сравнительную 12 кюветы. С помощью

обтюратора (от лат. obturare — закрывать выход) 14, который представляет

собой диск с отверстиями, приводимый во вращение синхронным двигателем

13, лучи, поступающие в кюветы, поочередно перекрываются. Таким образом,

к фотоэлементу 8 через линзы 6 и зеркала 7 одновременно поступает

излучение, вышедшее из какой-то одной кюветы. Если излучения,

поступающие из измерительной и сравнительной кювет различны, то на

выходе усилителя 9 формируется сигнал, который заставляет реверсивный

двигатель 10 перемещать заслонку 11, перекрывающую фотопоток, выходящий

из сравнительной кюветы, до тех пор, пока не восстановится равенство

излучений, поступающих к фотоэлементу из кювет 5 и 12. Таким образом,

колориметр реализует метод уравновешивающего преобразования (см. гл. 2).

Угол поворота ротора реверсивного двигателя 10 и перемещение связанной с

ним стрелки по шкале однозначно зависят от концентрации определяемого

компонента в анализируемом веществе.

На рис. 11.7, в приведена схема турбидиметрического погружного

анализатора мутности жидкостей. В этом анализаторе источник и приемник

излучения размещены в герметичных боксах 3 и 12, укрепленных на держателе

4. Источник света содержит лампу 2 и линзу 1, а приемник — линзу 11,

светофильтр 10, диафрагму 9 и фотоэлемент 8. Во внутренней полости

держателя 4 размещен блок 6, который служит для питания источника

излучения и усиления сигнала фотоэлемента. Выходной сигнал блока 6

измеряется вторичным прибором 7. Держатель 4 прикреплен к подвеске 5, на

которой анализатор подвешивается при погружении в анализируемую

жидкость.

На рис. 11.7, г показана схема турбидиметрического анализатора

содержания частиц сажи в дымовых газах (дымомер). Источник 1 и приемник

излучения 3 размещены в этом анализаторе напротив друг друга вне

трубопровода 2, с тем чтобы уменьшить загрязнение стеклянных окон

источника и приемника. Сигнал приемника излучения воспринимается

вторичным прибором 4. Шкала вторичного прибора обычно разделена на

несколько делений, характеризующих степень загрязненности дымовых газов

взвешенными частицами. При постоянных скорости движения газового потока,

размерах и плотности взвешенных частиц шкала вторичного

317

прибора может быть проградуирована в массовых или объемных

концентрациях.

Схема нефелометра, построенного по методу уравновешивающего

преобразования, показана на рис. 11.7, д. Излучение от источника 2

разделяется на два потока. Поток отраженного в кювете 1 анализируемой

средой света через линзу 13 и полупрозрачное зеркало 12 поступает в

фотоэлемент 10. Второй поток попадает в этот фотоэлемент через линзу 3,

диафрагму, зеркала 7 и 12 и линзу 11, Названные потоки поочередно

перекрываются обтюратором 6, который вращается синхронным двигателем 5.

Световые потоки сравниваются между собой, и в случае их различия

электронный усилитель вырабатывает сигнал, управляющий работой

реверсивного двигателя 8, который перемещает заслонку 4 до тех пор, пока не

восстановится равенство световых потоков, поступающих в фотоэлемент.

Мерой концентрации взвешенных частиц в анализируемом веществе служит

перемещение стрелки, связанной с ротором двигателя.

Информационные возможности рассмотренных анализаторов су-

щественно расширяются, когда в их состав включено устройство

предварительного воздействия на анализируемое вещество. Схемы

анализаторов такого типа показаны на рис. 11.8. В качестве вспомогательного

воздействия используются химические реакции и преобразование фазы

анализируемого вещества.

На рис. 11.8, а показана схема колориметрического анализатора

жидкостей циклического действия, основанного на окрашивании

анализируемой жидкости после добавления к ней специально подобранного

(колориметрического) реагента. Интенсивность окраски зависит от

концентрации определяемого компонента. Анализатор содержит емкость 1, в

которую поступает анализируемая жидкость, и емкость 4, заполненную

колориметрическим реагентом. Число емкостей со вспомогательным

реагентом в зависимости от решаемой задачи может доходить до пяти.

Периодически по сигналам управляющего устройства 9 (связи его с

остальными устройствами анализатора для упрощения рисунка не показаны) в

соответствующем порядке переключаются электроуправляемые клапаны 2 и

постоянные объемы анализируемой жидкости и реагента из дозаторов 3 и 5

вводятся в емкость 7, снабженную мешалкой 6. После перемешивания

жидкость из емкости 7 переливается в кювету 8, где с помощью колориметра

осуществляется измерение интенсивности окраски жидкости.

Анализаторы такой конструкции применяются для измерения жесткости

воды, концентрации в ней кремниевой кислоты, фосфатов, гидразина, сахара,

растворенных в жидкостях газов и др. Измеряемые концентрации составляют

от долей до нескольких десятков миллиграммов в литре.

Для измерения микроконцентраций газов находят применение ленточные

газоанализаторы (рис. 11.8, б). В них реакция анализируемого газа с жидким

реагентом происходит на индикаторной

318

бумажной или текстильной ленте 5, которая с помощью роликов 4 и 7,

приводимых в движение от привода, с постоянной скоростью протягивается

через кювету 6. Через эту же кювету с постоянным объемным расходом

прокачивается анализируемый газ. Лента заранее пропитана или периодически

смачивается реагентом, который способен вступать в реакцию

Рис. 11.8. Схемы фотометрических анализаторов видимого излучения с

предварительным преобразователем анализируемого вещества

с определяемым компонентом анализируемой газовой смеси с образованием

окрашенных продуктов. Излучение от источника 1 поступает к ленте двумя

лучами. Последние отражаются от поверхности ленты до и после прохождения

ею кюветы 6. Соответственно отраженные лучи поступают в фотоэлементы 8 и

3, включенные дифференциально на вход электронного усилителя 2. Выходной

сигнал последнего определяется разностью сигналов фотоэлементов, которые

однозначно зависят от интенсивности окраски индикаторной ленты, т. е. от

концентрации определяемого компонента.

Известны колориметрические анализаторы, основанные на пред-

варительном преобразовании жидкого анализируемого вещества в аэрозоль, а

также анализаторы, в которых аэрозоль или иней (рис. 11.5, в) образуются в

результате конденсации определяемого компонента из анализируемого газа.

Оптические анализаторы, в работе которых используется излучение

видимой части спектра, в зависимости от схемы и конструкции имеют классы

точности 2—20.

319

§ 11.9. Абсорбционные ультрафиолетовые и инфракрасные

анализаторы

Большинство газообразных и жидких веществ обладает способностью

поглощать ультрафиолетовое излучение (УФ-излучение), однако спектры

поглощения этого излучения для многих веществ существенно перекрываются.

Это определяет возможность селективного измерения по поглощению УФ-

излучения концентрации весьма ограниченного числа веществ. Способностью

поглощать УФ-излучение обладают ароматические и гетероциклические

соединения. Углеводороды парафинового ряда практически не поглощают УФ-

излучение. Абсорбционные ультрафиолетовые анализаторы на химико-

технологических процессах применяются в основном для измерения

концентрации газов и паров, а именно: диоксида азота, озона, ртути,

сернистого ангидрида, сероводорода, сероуглерода, формальдегида, фосгена,

хлора, четыреххлористого углерода и др. В последнее время абсорбционные

ультрафиолетовые анализаторы с миниатюрными (в несколько микролитров)

оптическими кюветами находят применение в промышленных жидкостных

хроматографах (см. гл. 12).

Конструктивно абсорбционные ультрафиолетовые анализаторы,

выполняемые однолучевыми и двухлучевыми, реализуют методы прямого или

уравновешивающего преобразований, т. е. по схемам они аналогичны

анализаторам (см. § 11.7), в работе которых используется излучение видимой

части спектра. Особенностью абсорбционных ультрафиолетовых анализаторов

является необходимость применения в их оптических системах элементов,

изготовленных из кварца. В качестве источника УФ-излучения в этих

анализаторах применяются ртутные, ртутно-кадмиевые, кадмиевые,

водородные и ртутные газоразрядные лампы, и в качестве лучеприемников —

фотоэлементы, фотосопротивления, фотоумножители, чувствительные к УФ-

излучению. Обычно используется УФ-излучение с длиной волны 0,254 мкм.

Абсорбционные ультрафиолетовые анализаторы позволяют измерять

концентрацию в диапазонах от 0—10

-4

до 0—100% об. в зависимости от типа

определяемого компонента и имеют классы точности 2—10.

Способностью поглощать инфракрасное излучение (ИК-излучение)

обладают вещества, молекулы которых состоят не менее чем из двух

различных атомов. Это определяет возможность применения абсорбционных

инфракрасных анализаторов для измерения концентраций самых

разнообразных веществ. На рис. 11.9, а приведены спектры поглощения ИК-

излучения для некоторых газов. На рисунке можно выделить длины волн, на

которых имеет место селективное поглощение ИК-излучения, например, для

СО

, СО, СН

и С

, что определяет возможность селективного измерения их

концентраций в многокомпонентных газовых смесях. Такие газы, как азот,

кислород, водород, гелий, аргон и другие, не поглощают ИК-излучение.

320

В последнее время разработано несколько схем инфракрасных

анализаторов, в работе которых используется метод прямого или

уравновешивающего преобразования. Как правило, эти схемы являются

дифференциальными и двухлучевыми. В качестве источников излучения

используются излучатели из хромоникелевой проволоки (нихром) диаметром

0,3 мм, нагретой до 700— 800°C.

Приемниками излучения служат

болометры (от греч. bole— лучи и

metréo — мера) с батареей

термоэлектрических чувствительных

элементов или терморезисторов, фо-

торезисторы и так называемые

конденсаторные микрофоны.

Инфракрасные газоанализаторы, в

которых в качестве приемника излу-

чения используется конденсаторный

микрофон, называют оптико-акусти-

ческими по той причине, что

первоначально при их разработке

частота колебаний мембраны конден-

сатора составляла 200 Гц, т. е.

располагалась в области звуковых

частот. Впоследствии эти частоты были

снижены до 6 Гц, однако перво-

начально принятое название

газоанализаторов пока применяется часто.

На рис. 11.9, б показана одна из

распространенных схем оптико-

акустических газоанализаторов. Здесь

инфракрасное излучение (2—8 мкм) от

источников 1, расположенных в сферических отражателях 2 и нагреваемых

током источника питания 3, направляется в измерительный канал через

фильтровую кювету 6, измерительную кювету 7 и отражатель 8 к нижней

камере луче- приемника 9, а в сравнительном канале — через сравнительную

кювету 18 и компенсационную отражающую кювету 16 к верхней камере луче-

приемника 9. Обтюратор 5, приводимый в движение синхронным двигателем 4,

осуществляет поочередное прерывание потока излучения в измерительном и

сравнительном каналах. Через измерительную кювету 7 непрерывно

прокачивается анализируемый газ. Сравнительная кювета 18 заполняется

газовой смесью, в состав ко-

Рис. 11.9. Спектры поглощения ИК-

излучения

газами (а) и схема инфракрасного анализатора (б)