Физические основы измерения состава и концентрации вещества

Автоматический анализ качественного и количественного состава твердых, жидких, газообразных, сыпучих и пр. материалов имеет решающее значение для управления многими технологическими процессами. Задача обычно осложняется тем, что измерения необходимо проводить в сложных многокомпонентных средах при различных температурах, давлениях, скоростях перемещения и др. Диапазон изменения измеряемой концентрации достаточно широк – например, определение микроконцентраций хлора, ацетилена, токсичных газов в производственных условиях необходимо осуществлять в пределах до 10^-4% объемной концентрации, а при производстве сверхчистых металлов и полупроводников необходимо измерять содержание примесей с концентрацией не более 10^-8%. Многообразие измеряемых веществ и широкий диапазон измерений обусловили использование многочисленных методов.

Электрохимические методы используют зависимости состав–сигнал или свойство–сигнал, наиболее распространенными из них являются кондуктометрический, потенциометрический, кулонометрический и полярографический методы.

Кондуктометрический метод основан на измерении электропроводности растворов и применяется для измерения концентрации в них солей, а также для определения концентрации газов по изменению электропроводности растворов при введении в них проб анализируемого газа (например, при вводе СО₂ в водный раствор КОН образуется соль К₂СО₃ и это приводит к изменению электропроводности раствора).

Потенциометрический метод основан на измерении электродных потенциалов и широко применяется в рН-метрах (приборах для измерения активности водородных ионов) и в газоанализаторах.

Кулонометрический метод основан на измерении количества электричества или тока при электролизе исследуемого вещества. Например, кулонометрический гигрометр представляет собой изоляционную трубку, на внутренней поверхности которой (покрытой тонкой пленкой фосфорного ангидрида Р₂О₅ с большим сопротивлением в сухом виде и малым при увлажнении) расположены два спиральных электрода; исследуемый газ с постоянной скоростью подается через трубку, вызывая поглощение влаги пленкой с образованием фосфорной кислоты и электролиз воды с регенерацией фосфорного ангидрида:

Р₂О₅ + Н₂О→2HPO₃

4HPO₃→2H₂↑ + O₂ + 2P₂O₅.

Установившийся ток электролиза будет пропорционален абсолютной влажности газа.

Полярографический метод предусматривает снятие вольтамперной характеристики (полярограммы) при электролизе исследуемого раствора в специальном преобразователе с одним электродом большой площади и вторым – малой. При наличии в растворе различных ионов полярограмма представляет собой ступенчатую кривую, величины токов зависят от концентрации соответствующих ионов и используются для количественного анализа, а напряжения в точках скачка токов соответствуют потенциалам выделения ионов и используются для качественного анализа. Наиболее распространены полярографы ртутно-капельного типа (анод – ртуть на дне преобразователя, катод – ртутная капля диаметром 1 мм, периодически вытекающая из капилляра) и твердоэлектродные полярографы с электродами из платины, золота, никеля. Порог чувствительности полярографов – 10^-9 моль/л.

Ионизационные методы основаны на ионизации анализируемого вещества и измерении ионного тока, пропорционального концентрации ионизированного вещества. Применяются в вакуумметрах, масс-спектрометрах, ионизационно-плазменных анализаторах.

Спектрометрические методы основаны на избирательной способности различных веществ поглощать, излучать, отражать, рассеивать или преломлять различного рода излучения. При этом используется широкий спектр длин волн от звукового диапазона 10 кГц до рентгеновских и гамма-излучений 10¹⁸ Гц. Эти методы и подразделяются в зависимости от диапазона длин волн:

Электроакустический метод основывается на зависимости скорости звука от состава и концентрации вещества в исследуемой среде; применяется для анализа бинарных смесей газов, например кислорода с азотом, и для измерения влажности.

Ультразвуковой метод основан на различии в затухании или скорости распространения ультразвуковых колебаний в различных жидкостях или газах; применяется для анализа органических смесей или водородосодержащих газов (в водороде ультразвук распространяется в 4 раза быстрее, чем в воздухе).

Радиоспектрометрические методы – метод ядерного магнитного резонанса и электронного парамагнитного резонанса, микроволновая спектроскопия. Эти методы требуют слишком много времени и места для их изложения и рассматриваются в соответствующих курсах физики, а здесь мы ограничимся только их упоминанием.

Электрооптические методы основаны на избирательном поглощении, излучении или рассеянии различными компонентами анализируемого вещества светового излучения в видимом, инфракрасном, ультрафиолетовом диапазонах. Например, метод инфракрасной спектроскопии (оптико-акустический метод) использует избирательное поглощение различными газами инфракрасной радиации, модулированной низкой частотой, и преобразование возникающих акустических колебаний в электрические сигналы с помощью микрофона; метод широко применяется для анализа большинства двухатомных газов и паров (кроме Н₂, О₂, N₂, Cl₂).

Радиоактивные методы основаны на различии в интенсивности поглощения или отражения рентгеновского и радиоактивного излучений компонентами анализируемого вещества; используются для определения состава бинарных жидкостей, концентрации тяжелых элементов в растворах, измерения влажности грунтов, торфа, стройматериалов. Для измерения влажности часто используют нейтронный метод, основанный на способности ядер водорода замедлять быстрые нейтроны (излучаемые, например, полоний-бериллиевым источником), превращая их в тепловые, регистрируемые, например, с помощью газоразрядных счетчиков.

Тепловые методы анализа основаны на измерении тепловых свойств вещества или на определении температурных измерений при различных физико-химических превращениях вещества. Наиболее распространен метод теплового газового анализа, использующий зависимость теплопроводности газовой смеси от состава и концентрации компонентов. Его применяют для измерения концентрации Н₂, Не, СО₂, SO₂, Cl₂, теплопроводность которых значительно отличается от теплопроводности других газов; метод применим для измерения одного компонента при неизменном составе остальных. В качестве измерительных преобразователей газоанализаторов обычно применяют нагреваемые электрическим током платиновые терморезисторы – изменение концентрации измеряемого компонента приводит к изменению теплоотдачи, температуры и сопротивления резистора. Схема такого газоанализатора приведена на рисунке: терморезисторы R₁, R₃ помещены в камеры и обтекаются газом, а в другие плечи моста включены такие же терморезисторы, но помещенные в герметические камеры с газовой смесью с известной концентрацией измеряемого компонента, соответствующей началу шкалы прибора.

Магнитные методы анализа применяются для определения концентрации компонентов с отличающимися от остальных компонентов смеси магнитными свойствами – например, для анализа кислорода, обладающего повышенной магнитной восприимчивостью, выпускают магнитные газоанализаторы.

Дата добавления: 2015-07-25