Дәріс №13. Газдар мен сұйықтардың талдауыштары

Газдар мен сұйықтардың автоматты талдауыштарының сыныптамасы. Газдар мен сұйықтардың автоматты талдауыштарына қойылатын талаптарға сәйкес, олар өлшеу шектері мен диапазондары, дәлдік сыныптары, рауалық көлбеу бұрышы, тұрақтылығы, динамикалық қасиеттері және қыздырылу уақыты бойынша сыныпталады.

Газталдауыштардың өлшеу шегі регламенттелмеген, өлшеудің жоғарғы шегі бойынша олар келесідей болып бөлінеді: макроконцентрациялар (көлемі бойынша жоғарғы шегі 10^-2-нен 100% дейін), микроконцентрациялар (көлемі бойынша 10^-4-нен 10^-2% дейін) және ультрамикроконцентрациялар (көлемі бойынша 10^-4% аз) үшін.

Сұйықтардың талдауыштары үшін өлшеудің төменгі және жоғарғы шектерін басымдылықтағы сандардың R10 қалыпты қатарынан таңдайды.

Автоматты талдауыштардың дәлдік сыныбы келесі қатарда жатуы керек:

- газталдауыштар үшін – 1,0; 1,5; 2,0; 2,5; 4,0; 5,0; 6,0; 10,0; 15,0; 20,0;

- сұйықтар талдауыштары үшін – 0,1; 0,15; 0,2; 0,25; 0,4; 0,5; 0,6; 1,0; 1,5; 2,0; 2,5; 4,0; 6,0; 10,0; 15,0.

Рауалық аспаптың қалыпты жағдайынан көлбеу бұрышының мәніне байланысты анализаторлар тәуелсіз (рауалық бұрышы 5⁰ жоғары, газталдауыштар үшін – 20⁰ дейін), тәуелді (бұрышы 5⁰ дейін) және көлбеуі болмайтын (деңгей дәлдігі шегінде) болып бөлінеді.

Тұрақтылы бойынша автоматты талдауыштар рауалық негізгі келтірілген қателігі кезінде көрсету тұрақтылығын сақтау уақыты бойынша бес топқа бөлінеді. Мысалы, СП-1 тобы үшін көрсетуді сақтау уақыты 30 тәуліктен жоғары, СП-2 – 15…30 тәулік, СП-5 – 1…3 тәулік.

Динамикалық қасиеттері бойынша автоматты талдауыштар шапшаң әрекетті (өтпелі процесінің уақыты 10 с көп емес), аз инерциялы (10…30 с), инерциялы (газталдауыштан үшін 30…60 с, сұйық талдауыштары үшін – 30…80 с), улкен инерциялы (газталдауыштан үшін 60…120 с), баяу әрекетті (газталдауыштан үшін 120 с жоғары, сұйық талдауыштары үшін – 180 с жоғары) болып бөлінеді.

Талдауыштар үшін маңызды динамикалық көрсеткіштердің бірі қыздырылу уақыты, сондай-ақ аспаптың жылулық тепе-теңдігінің орнау уақыты болып табылады. Бұл көрсеткіші бойынша газталдауыштар үш топқа бөлінеді: іс жүзінде алдын-ала қыздыруды қажет етпейтін аспаптар (қыздырылу уақыты – 10 мин көп емес), алдын-ала қыздырылатын аспаптар (60 мин дейін), ұзақ қыздырылатын аспаптар (180 мин дейін).

Газдар талдауыштары. Механикалық газталдауыштар талданатын қоспаның молекулалық-механикалық параметрлерінің күйінің немесе қасиеттерінің өзгеруіне негізделген. Бұндай аспаптардағы белгілі компоненттердің концентрациясын сипаттаушы шамалар болып табылатындар:

- белгілі компонентке химиялық әсер ету нәтижесінде газ қоспасы сынамасының көлемінің немесе қысымының өзгеруі (тұрақты көлем немесе қысым кездерінде);

- газ қоспасының тұтқырлығы;

- газ қоспасының тығыздығы және тығыздыққа тәуелді кейбір қасиеттері, мысалы, дыбыстың және ультрадыбыстың таралу жылдамдығы, диффузия жылдамдығы.

Механикалықтарға, мысалы газ қоспасындағы құрамында компоненттері жоқ, күкірт қышқылымен әрекеттесуге қабілетті аммиактың, концентрациясын циклдік өлшеуге арналған, көлемдік-жұтқыштық газталдауыштар (13.1-сурет) жатады.

13.1-сурет – Көлемдік-жұтқыштық газталдауыштың сұлбасы

 

Талданатын газ реперлік құрылғы 1 арқылы, тұрақты көлемдегі сынаманы дискретті таңдап және оны анықталатын компонент жұтқышпен реакцияға түсетін және онымен жұтылатын, реакторға 3 белгілі жылдамдықпен айдайтын мөлшерлегішке (дозаторға) беріледі. Жұтылмаған газ реактордың шығуында сүзгімен 4 жұтқыш буларынан тазартылып, сынаманың жұтылмаған бөлігі көлемі белгілі сыйымдылыққа жұтылмаған газды ығыстыру жолымен қысымға айналдырылатын түрлендіргішке 5 беріледі.

Шығу сигналдарын масштабтау және сақтау түйінінде 6 үрлендіргіштен шығатын сынама газдың бір бөлігі таңдалып алынады. Ол талдаудың кезекті циклінде сақталып,белгілі коэффициентпен қысымның шығу сигналына түрлендіріледі.

Барлық түйіндердің синхронды жұмысы дискреттік басқарушы сигналдар қалыптастыратын әмірлік (командалық) құрылыммен 7 қамтамасыз етіледі. Газталдауыштың жұмыс істеуіне қажетті тіректік қысым тіректік қысымдарды тұрақтадырғышпен 8 қойылады.

Көлемдік-химиялық газталдауыштар тобынан ең көп тарағаныгаздарды үш компонентке – СО₂, О₂ Со – талдау кезінде қолданылатын тасымалданатын газталдауыштар. Олардың жұмыстары химиялық реакциялардың жүруі кезінде талдауға алынған газ сынамасынан талданатын компоненттерді біртіндеп алып тастауға негізделген.

Термокондуктометрлік газталдауыштардың әрекет принципі талданатын газ қоспасының жылуөткізгіштігін өлшеуге негізделген. Ол қоспадағы анықталатын компоненттің концентрациясына тәуелді. Газдардың абсолюттік жылуөткізгіштігінің мәні өте аз болатындықтан, оны тікелей өлшеу қиындықтар туғызады, сондықтан термокондуктометрлік газталдауыштарды салыстырмалы өлшеулер жүргізіледі.

Талдаудың термохимиялық әдісі талданатын қоспаның анықталатын компоненті қатысатын катализдік тотығу реакциясының жылулық әсеін өлшеуге негізделген. Бұл әдіс оттегі асқындығында жанғыш газдардың (сутегінің, метанның және т.б.) концентрациясын өлшеу кезінде, сондай-ақ оттегінің қатысуымен көміртек тотығының концентрациясын және жанғыш газдар асқындығында оттегі концентрациясын өлшеу кездерінде кең қолданыс тапты.

Термохимиялық талдауыштар екі негізгі типте шығарылады:

- бірінші типке катализдік тотығу реакциялары қатты түйіршіктелген катализаторларда өтетін аспаптар жатады. Бұл кезде реакцияның жылулық пайдалы әсері катализатор қабатында температураның өзгеруі бойынша кедергі термометрлерімен немесе басқа жылусезгіш элементтермен өлшенеді;

- екінші типтегі аспаптарға компоненттің катализдік тотығу реакциясы қыздырылған катализдік белсенді жіптің бетінде жүретін, сонымен қатар бұл жіп реакцияның пайдалы жылулық әсерін өлшеуге арналған жылусезгіш элементі болып табылатындар жатады. Термомагниттік газталдауыштар магнитті қабылдағыштық шамасымен бағаланатын, әртүрлі газдардың магниттік қасиеттеріне негізделген. Парамагниттік газдар (О₂, NO, ауа) үшін олардың магнитті қабылдағыштығы - оң шама (газ магнитке тартылуға қабілетті), ал диамагниттік газдар (N₂, H₂, CH₄, CO₂) үшін магнитті қабылдағыштығы – теріс шама (газ магниттен тебіледі).Термомагнитті газталдауыштың негізгі түйіні - өлшеуіш ұяшық. Жылуалмасу тәсіліне тәуелді өлшеуіш ұяшықтарды сыртқы және ішкі конвекциялы деп бөледі.

13.2-суретте өлшеуші тізбек пен ішкі конвекциялы сақиналық камераның (термомагнитті газталдауыштың) сұлбасы кескінделген. Камера 2 жұқа қабырға түріндегі диаметрлік арналы 1 қуыс металл сақина болып табылады. Оның ішінде көпірлік өлшеу сұлбасына кіретін және электр тоғымен қыздырылатын жіңішке платина сымдардан жасалған термоэлементтер R_x және R₂ орналасқан. Термоэлемент R₁ тұрақты магнит 3 өрісінде орналасқан. Сақиналық камера арқылы талданатын газ айдалады, оның шығыны ротаметрмен 4 тұрақты етіп ұсталады. Талданатын газ қоспасындағы оттегінің парамагниттік қасиеттерінің

13.2-сурет – Термомагнитті газталдауыштың өлшеуші тізбегінің сұлбасы

 

арқасында, газ магнит өрісінің әсерінен көлденең түтіктерге тартылады. Оттегі сол жақтағы қыздырылатын термоэлемент аймағына түсіп, қызады және оның магниттік қасиеттері кемиді. Бұның нәтижесінде қыздырылған газдың бөліктері магнит өрісінен суық газбен ығыстырылады және көлденең түтңкте солдан оңға қарай газ ағыны түзіледі. Термомагниттік конвекция деген пайда болады. Талданатын газ қоспасындағы оттегінің мөлшеріне тәуелді көлденең түтіктегі газ қозғалысының жылдамдығы өзгереді, демек, термоэлементтер мен газ арасындағы жылуалмасу да өзгереді. Сол жақтағы термоэлемент R₁ суйды, ал оң жақтағы термоэлемент R₂ қызады.

Термоэлементердің температураларының өзгеруі, дәрежесі талданатын газ қоспасындаңы оттегінің концентрациясына тәуелді болатын, көпірдің тепе-теңдігінің бұзылуына әкеледі. Теңсіздік шамасын өлшеуші аспап тіркейді. Талданатын газда оттегі жоқ кезде көлденең түтікте газ ағыны болмайды және термоэлементтер кедергісінен R₁ және R₂, тұрақты кедергілерден R₃ және R₄, ток шамасын қою кедергісінен R₀ ж»не нөлге қою кедергісінен R тұратын көпір тепе-теңдікте болады.

Инфрақызыл жұтылу газталдауыштары абсорбциялық оптикалық талдауыштар тобына жатады. Олардың әрекет принциптері талданатын зат қабаты арқылы өтетін электромагниттік сәулелердің энергияларының жұтылу дірежесін өлшеуге негізделген. Әрбір газ белгілі, өзіне тән спектр аймағында инфрақызыл сәулелерді жұтады. Мысалы, көміртек тотығы спектрдің инфрақызыл аймағындағы толқын ұзындығы 4,7 мкм, көміртек қостотығы – 2,7 және 4,3 мкм, метан – 3,3 және 7,6 мкм және т.с.с. сәуле энергияларын жұтады.

Гигрометрлер – су буының құрамын өлшеуге арналған газ талдауыштары. Қазіргі кезде келесі типтердегі гигрометрлерді пайдаланады: шықтану нүктесінің (конденсациялық), кулонометрлік, қыздырылатыг электролиттік сезімтал элементті (гигрометрлік тепе-теңдікті), электролиттік сезімтал элементті, психометрлік.

Шықтаны нүктесінің гигрометрлері. Бұл типтегі гигрометрлердің әрекет принциптері қанықпаған газды тұрақты қысымда қанығу күйіне дейін суыту,а және қанығу күйіне жеткізілетін (ылғал тамшылары таматын) температураны өлшеуге негізделген. Тәжірибеде, шықтану нүктесінің температурасының анықтамасындағыдай, конденсация су бетінде емес, ал талданатын ылғалды газ атмосферасында суытылатын, жазық металл бетінде жүреді.

Кулонометрлік гигрометрлердің (ылғалөлшегіштердің) әрекет принципі талданатын газдың ылғалын дәл мөлшерленген газ көлемінің гидрофильдік затының (фосфор бестотығының) пленкасымен үздіксіз жұтылуына және бір мезгілде айналыстағы фосфор қышқылының ерітіндісін электролиздеуге негізделген. Екіншілікті аспаппен тіркелетін электролиздің ток күші ылғалдық өлшеуіші қызметін атқарады.

Психометрлік гигрометрдің жұмысы біреуі ылғал матамен оралған екі термометрмен газ ортасының температурасын өлшеуге негізделген. Бқл екі термометрлердің көрсетулері әртүрлі болады. Ылғылдағы термлометрдің температурасының төмендеуі қоршаған ортаға сұйықтың булануына жылу шығындалуы нәтижесінде жүреді. Қоршаған ортаның ылғалдылығы неғұрлым төмен болса, соғұрлым ылғалданған термометр бетінен ылғалдың булануы қарқынды жүреді. Демек, құрғақ және ылғалданған термометрлердің көрсетулерінің айырмашылыңы соғұрлым үлкен, неғұрлым өлшеу нүктесіндегі ылғалдылық төмен болса. Психометрлік айырмашылық деп аталатын температуралар айырмашылығы (t _с - t_m) және құрғақ термометр температурасы t _с бойынша кестелердің (қолдан ылғалдылықты анықтау тәсілінде) немесе сәйкес электрондық сұлбалардың (автоматты анықтау) көмегімен талданатын газдың ылғалдылығы жөнінде біледі.

Хроматографтар газ қоспаларының, булардың және буланатын сұйықтардың сандық құрамын анықтауға арналған. Хроматографтардың басқа талдауыштардан ерекшелігі құрамында екі түрлендіргішінің болуы: біреуі күрделі қоспаларды жеклеген компоненттерге жіктеуді (хроматографтық тізбек), ал екіншісі - әрбір компоненттәі құрамын анықтауды (детекторлық жүйе) қамтамасыз етеді. Әрбір түрлендіргіштердің қасиеттерін таңдап, көптеген өндірістік қоспаларды жіктеуге және құрамын анықтауға болады.

Төрт компонент-тен А, В, С және D тұратын талданатын газды хроматограф-тық бөлу принципі 13.3-суретте көрсе-тілген. Талданатын газдың сынамасы хроматографтық тізбекке 1 енгізіліп, тізбек толтырушысы (сорбенті) қабаты арқылы газтасымалдағышпен жылжытылады. Егер газ

13.3-сурет – Хроматографтың сұлбасы

 

компоненттерінің А, В, С және D тізбек толтырушысына қатысты жұтылғыштығы әртүрлі болса, онда бұл компоненттердің жылжу жылдамдықтары да әртүрлі болады. Ең төмен жылдамдықпен ең жұтылғыш компонент жылжиды. Біршама уақыттан соң аз жұтылғыштығы арқасында компонент В алға кетеді, одан кейін D, соңында жұтылғыштықтары жоғары, сондықтан жылдамдықтары төмен А және С жылжиды. Әрі қарай жылжығанда компоненттер түпкілікті ажырайды, нәтижесінде хроматографтық тізбектен газ қоспасының компонеттері жекелеп, әлде газ-тасымалдағыш, әлде бинарлық қоспа газ-тасымалдағыш-компонент шығады.

Газ-тасымалдағыш ретінде сорбентке қатысты алғанда инертті газ (ауа, азот, сутегі, аргон, гелий) қолданылады. Сорбент ретінде газсорбенттік хроматографтарда кеуекті заттар. Активтелген көмір, силикагель, алюмений тотығы және т.б. қолданылады. Тізбектің шығуында жіктелген компоненттерді шығу реті бойынша анықтайтын детектор 2 орналасады. Тіркеуші аспап 3 детектор сигналын диаграммаға (хроматограммаға) 4 жазады. Өлшеуші тізбек ішкі диаметрі 4...8 мм, ұзындығы 1...3 м болып, иректік немесе U-тәрізді түрлерде жасалады.

Сұйықтарды талдауыштар. Сұйық қоспасының сандық құрамын анықтау үшін технологиялық қондырғыларда, әрекет принциптерінің газ хроматографтарынан айырмашылығы жоқ, автоматты хроматографтар кеңінен қоданыс тапты. Талданатын сұйықтың сынамасы булану температурасына дейін қыздырылып, өзгерген агрегаттық күйде (газ күйінде(газтасымалдағыш ағынымен хроматографтық тізбекке енгізіледі.

Кондуктометрлер электролит ерітінділерінің (талданатын сұйықтардың) электр өткізгіштігін өлшеуге негізделген. Олар агрессивтік және агрессивтік емес сұйық орталарының (тұзсызданған және дистилденген судың, тұз ерітінділерінің, қышқылдар мен негіздердің, контрацияланған және ластанған электролиттердің және т.б.) концентрациясын және өзіндік электр өткізгіштігін өлшеу үшін қолданылады.

Сезімтал элементінің (өлшеуші ұяшығының) типі бойынша өзіндік электр өткізгіштікті өлшеу әдістері жанасулы және жанасусыз болып бөлінеді. Қарапайым сезімтал элемент болып екі электродты ұяшық табылады. Ол өлшенетін параметрді – ерітіндінің өзіндік электр өткізгіштігін – кедергіге айналдырады:

,

мұнда R – кедергі, Ом; - өзіндік электр өткізгіштік, См/м; к - өлшеуші ұяшығының тұрақтысы, м; U – электродтар түсіретін кернеу, В; I – тізбектегі электродтардың ток күші, А.

Потенциометрлік талдауыштар электролиттер ерітіндісіндегі иондардың активтілігін анықтау, сондай-ақ әртүрлі орталардың қышқылдық-қалпына келтірулік потенциалын өлшеу принциптеріне негізделген. Олар жиі сулы ерітінділердің қышқылдығын немесе негіздік қасиеттерін анықтауға, сондай-ақ шайынды сулардың тазалығын бақылауға қоданылады.

Фотометрлік талдауыштар сәуле шығару спектрінің кейбір аймақтарында ерітілген затпен анықталатын, салдарлық таңдау жұтылуының сәуле шығаруының әлсіреуін өлшеуге негізделген. Мұндай талдау әдісі тағы абсорбтік спектрлік талдау деп те аталады. Оларды спектрофотометрлік (монохроматикалық сәуле шығаруда) және фотометрлік (сәуле шығару кейбір спектрлік интервалмен шектелгенде) иалдау әдістеріне бөледі.

Сұйықтың құрамын анықтауда кең қолданыс тапқандары спектрдің ультракүлгін (200...400 нм) және көрінетін (400...800 нм) аймақтары. 13.4-суретте коммунальдық шаруашылық, мұнайхимиясы, химиялық және басқа қндіріс салаларының кәсіпорындарында шайынды суды биологиялық тазалау станцияларында микробиологиялық сузпензияның (активті тұнбаның) оптикалық тығыздығын өлшеуге арналған фотометрдің функциялық сұлбасы көрсетілген.

13.4-сурет – Фотометрдің функциялық сұлбасы

 

Жұмысшы арнаның жарықтандыру лампасының жарық ағыны линзалардың 2 көмегімен параллель шоқтарға фокустеледі.Жалпы спектрден түсті сүзгілердің 3 көмегімен қажетті 700..800 нм спектрлік аймақ бөлінеді. Әрі қарай жарық ағыны оптикалық сынаны 7, қлшеуші камераны 8 өтіп, жарыққабылдаушы 10 орнатылған интегральдаушы фотометрлік шарға 9 беріледі.

Салыстыру арнасының ұқсас жарық ағыны лампадан 1 линза 2 және сүзгілер 3 арқылы өтіп, айнадан 4 шағылысып, бейтарап жарықсүзгісі 5 және оптикалық сына 6 арқылы өтіп, жарыққабылдағышқа 11 жетеді. Бастапқы қал-пында жұмысшы және салыстырушы арналар-дың жарыққабылда-ғыштарына 10 және 11 түсетін жарық ағында-ры теңдестірілген.

Өлшенетін ортаның оптикалық тығыздығы өзгерген кезде өлшеуші камерадағы 8 жарық ағындарының теңдестігі бұзылады, ол жұмысшы арнаның жарыққабыл-дағышының 10 жарық-тануын өзгертеді.нәтижесінде аспатың өлшеу сұлбасының балансы бұзылып, электр сигналы пайда болады. Ол жоғарғы омдық өлшеу сұлбасын төменгі омдық реверсивтік күшейткіш 13 енуімен келістіретін, келістіруші күшейткішке 12 түседі. Реверсивтік күшейткіш білігінде қлшеуші оптикалық сына 7, аспап шкаласы 18 және калибрлік сигнал көзінің реостаты 15 бекітілген қозғалтқышты 17 айналымға келтіреді.

Электрқозғалтқыш жұмысшы және салыстырушы арналардың жарық ағындары теңдескенше оптикалық сынаны 7 айналдырады.оптикалық сынаның 7 бұрылу бұрышы аспап шкаласында 18 оптикалық тығыздық бірлігімен көрсетіледі.

Негізгі әдебиет: 1

Қосымша әдебиет: 8

Бақылау сұрақтары:

1. талдауыш деген не және ол қандай көрсеткіштерді бағалайды?

2. Газдар мен сұйықтардың құрамы жіне физика-химиялық қасиеттері немен сипатталады?

3. Автоматты талдаушылардың құрамына қандай блоктар кіреді?

4. Өндірісте газдың қандай талдауыштары қолданыс тапты?