Измерение концентрации жидкости

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 приломления 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.

1.2.4.1 а) Электрокондуктометрический метод анализа.

Основан на зависимости удел.электропроводности различных рос-в от их концентрации. Данная зависимость опред-ся з-м Кальрауша =С

-УД.ЭЛЕКТРОПРОВ-ТЬ Р-РА ЭЛЕКТРОЛИТА

С- его концентрация

F- число Фарадея

-степень электролитической диссоциации

V_A,V_K-АБСОЛЮТНАЯ подв-ть анионов и катионов

На практике прин-ся полученные эксперимен-м путем зависимости .В ЗНАЧИТЕЛЬНОМ ДИАПОЗОНЕ ЗАВИСИМОСТЬ ЯВЛЯЕТСЯ ЛИНЕЙНОЙ.

Положена в основу построения следу-х датчиков:контактный с2-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 площ.S и расстоянием между нимиL. Сопротивление столба элект-ти между пластинами R_X= . R_X сопоставим с С.для компенсации температурной погрешности в контроли-ю среду помещают термосопротивление.

С 4-х электродной ячейкой

Измер.ячейка заполн-ся Конт-ой средой и имеет 4 электрода. Элнктроды1 и 4 –токовые, 2.3-потенциометрические. Данная ячейка питае-ся от вторичной обмоткиW₃ транзистора Т.на электродах 2,3 протекающим током созда-ся U₂₃=I_яч*R_яч,сопоставимо С и .

Для изм-ия U₂₃ примен-ся компенсационная мостовая схема. Мостовая схема имеет две диогонали питающая-W₂ Т и измер-ая- а и в (U_ав). U₂₃сравн-ся с U_ав если не равны то на вход усилителя поступает разность . она усил-ся и поступает на РД .РД приходит во вращение и перемещает стрелку. В некоторый момент U_ав= U₂₃.двигатель останавливается ,шкала градуир-ся в единицах концентрации.

1.2.4.1.а).1 Низкочастотный безконтактный концентрамер.

Изменение ячейки пред-т собой виток |W₂ через который проп-ся контрол-я среда. Ячейка явл-ся вторичной обмоткой трансформатора Т₁. в данной ячейке трансфом-ся 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 сопостовима сопостовима С

Для измерения I_изм прим-ся дополнительная компенсацион. Обмотка W_kи Т₂. В Т₂ первичной обмоткой W₂и W_k,, вторичной-W₃/ . Каждая первичная обмотка создает свои магн. Токи, величина кот. Опред-ся ампервитками соотв. обмотки т.е. I_ИЗМ* W₂- ампервитки обмотки W₂. Данные магн. Потоки,создаваемые обмотками направляются навстречу др.др. Если данные ампервитки не=, . I_ИЗМ* W₂не=I_к*W_к, то в Т₂ появл-ся результирующий поток. При этом в обмотке W₃ наводится напряжении, зависящее от разности данных магн. Потоков. Данное напр-е усил-ся в усилителе и поступоет на РД, котор. Прих-д в движение ,на его валу нах-ся стрелка и перемещается движок реохорда R_p изменяется I_к. В некоторый момент наступает равновесие.

I_ИЗМ* W₂=I_к*W_к

I_ксопостовима I_ИЗМ и сопоставима С

Для компенсации темпер.погрешностей прим-ся мостовая схема, она питае-ся вторичн. обмоткойТ₁.

1.2.4.1.а)2. Высокочастотный бесконтактный концентратомер.

Ячейки : конденсаторного типа и индукционного типа.

Данные ячейки пит-ся от ис-в напряжения высоких частот 100Гц-100МГц. Полное сопротивление данных ячеек состоит из 2-х состов-х: активной и реактивной. Сопротивление и емкость которых зависят от электрохим.св-в контролир.среды.

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

Ячейка 2 применя-ся для измерения конц.электролитов с высокой удельной электропроводностью.

1.2.5.А) Весовые плотномеры

Датчики для измерения плотности наз. плотномерами. Плотность исследуемых сред зав-т. от их темпер. В качестве t градуирование применяют t=20. Если t среды отлич. от t=20 то плотн. расч. по формуле:

темпр-ого расширения жд-и.

По принципу действия плотномеры делятся:

- весовые, поплавковые, гидростатические,радиоизотопные.

Весовой метод

Основан на измен. веса жд-и. пост V при измен. ее плотности. Вес жд-и.

G=V*p*g

если V=const, то G=p

1) Петлеобразная труба, кот. крепится на гибких манжетах (2

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

Схема:

В дан. трубку протек. контролир. среда. При увелич. плотности дан. среды вес трубки увелич. трубка опуск. вниз и опуск. заслонка(3), прикрыв. сопло. Через пновмоустройсто пробивается сжат. воздух и давление воздуха зависит от сопрот. пневмоконтакта (соплозаслонка). Чем ниже опустится заслонка, тем выше давление. Давление равно весу контролируемой среды плотности. Для измерения давления прим-ся сильфон.

Достоинство: простота, надежность в работе, в трубке не накапл. осадки. Диапозон измер. плотности 0,5-2,5г/см³

Б) Поплавковые плотномеры

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

Схема:

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

Через дан. датчик протекает среда, уровень среды постоянный. При измен. плотности измен. сила действия на поплавок. При увелич. плотности выталкивающая сила увелич., поплавок поднимается вверх, и вверх перемещается плунжер(6) зменяется ЭДС на вторичной обмотке дан. преобпазования. Дан.ЭДС=p, вторичное приобраз. градуируется в единицах плотности.

Аналогично устроены аэрометры постоянного объема. У них поплавок полностью погружается в контролируемую среду. При измен. плотности измен. выталкивающ. сила., измен.его вес, Выталкивающая сила преобразуется в инертный сигнал котор. формируется на вторичной обмотке, диформация преораз.преобразователя. Дан. датчик может быть выполнен с пневматическим преобразователем.

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 жд-и Н1 и Н2:

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

Схема:

1) Основной резервуар с контр. средой с плотн. р

2) Резервуар заполн. жд-и до уровня с извест. р₀ в этот резервуар помещен пьезометр трубки(3) и (4). Эти резервуары соеденины м/д собой трубкой(5). Трубки 3 и 4 соед. левым и правым коленями. Ч/з пьезотрубку продувается сжат. воздуха. Давление воздуха в левом колене: Р1=рgH; в правом Р2= р₀ gH₀+pgH₂

Показания ДМ равно разности данных давлений:

Величина .

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

Г) Радиоизотопные плотномеры.

Применяется для измерения плотности различных средв т.ч. вязких кристаллических и твердоподобных. Основано на поглощении излучения. Интенсивность гама излуч. При прохожд. его ч/з слой в-ва толщиной х и плотн. р определяется:

-инт-ть гама излуч. после прхожд. слоя.

-первоначальная инт-ть.

-коэф. Поглощ. Излучения

С- удельное содержание i-того компонента в материале

- коэф. поглощения

Если х и = const, то =р. В качестве излучения

Схема:

1) Ист-к гама излучения.

2) Приемник

3) Блок в который поступает сигнал преобразующих в электр. унифицир. сигнал.

Он усиливается в блоке (4) и величина плотности имеряется вторичными приборами(5) . Данная схема реализуется в пром-и в приборах ПИСР.