Методы химического анализа

4. Поверхность контакта чувствительного элемента должна всегда оставаться чистой и неизменной во времени.

В зависимости от решаемых задач и структуры автоматизированной системы информация от чувствительного элемента через датчик передаётся на расстояние по специальным коммуникациям связи к приборам, где обрабатывается, при необходимости усиливается и отображается на индикаторе.

2.3.4. Структуры приборов автоматизированного

аналитического контроля

В зависимости от исполнения аналитические приборы могут изготавливаться в виде единой конструкции и в виде комплекта, состоящего из различных блоков, каждый из которых выполняет определённую функцию: обработки, измерения, нормирования усиления и отображения измеренных величин.

Общий принцип работы аналитического прибора заключается в следующем Первым в измерительной цепи аналитического прибора размещается первичный измерительный преобразователь. К нему подведён определяемый физический параметр, зарегистрированный чувствительным элементом датчика. Физический параметр в первичном измерительном приборе преобразуется в выходной электрический сигнал. В последующих блоках сигнал соответствующим образом преобразуется (усиливается, нормируется, видоизменяется и т. д.) в удобную для контроля форму. Контролируется сигнал посредством измерения его величины с помощью применения электронных автоматических мостов и потенциометров.

Потребности практики химико- технологических производств удовлетворяются изготовлением жёстких и гибких структур приборов для автоматизированного аналитического контроля, рис.2.4.

Рис. 2.4. Классификация структур автоматизированных систем

К жёстким системам относятся следующие типы структур: одноканальная, дифференциальная (двухканальная), компенсационная.

Одноканальная структура обеспечивает непосредственный отсчёт параметров состава или свойств анализируемого вещества. В ней последовательно располагаются основные и вспомогательные элементы, участвующие в процессе контроля технологической среды, рис 2.5.

Рис. 2.5. Схема одноканальной структуры x-входные параметры (состав или свойства);

1-первичный измерительный преобразователь (ПИП);

y-выходной сигнал удобный для дальнейшего преобразования в системе;

2.-нормирующий преобразователь;

3.-вторичный прибор;

y1, y2-преобразованные во втором и третьем приборах сигналы.

Основным недостатком одноканальной структуры является отсутсвие управляющего воздействия. Это приводит к нарушению гибкости структуры по информативному каналу, что снижает её метрологические и эксплуатационные свойства .

Одноканальная структура (непосредственного отсчёта)исторически рассматривается как прообраз других структур.

Структура двухканальная дифференциального типа включает рабочий и сравнительный каналы, рис. 2.6.

Основное достоинство структур дифференциального типа состоит в том, что второй (сравнительный) канал позволяет повысить информационный уровень первого (рабочего) канала и снизить влияние помех на процесс контроля. Метрологические характеристики двухканальной структуры выше, чем у структуры непосредственного отсчёта.

Рис. 2.6. Схема двухканальной структуры дифференциального типа

1, 11 -первичный измерительный прибор;

2, 21 -нормирующий преобразователь;

3 -блок сравнения

4 -вторичный прибор.

Основными недостатками структуры являются: низкая скорость анализа и отсутствие управляющих воздействий , что снижает гибкость метода контроля.

Управляющие воздействия на процесс анализа реализуются в структурах аналитических приборов компенсационного типа, рис. 2.7.

В данной структуре реализован принцип компенсации. Он заключается в компенсации неизвестного значения информационного сигнала о составе или свойствах анализируемого вещества известным значением, полученным с помощью специальных средств. В момент компенсации отсчитывается значение информационного сигнала.

Эта структура превосходит по своим показателям предыдущие структуры, но не обеспечивает достаточную гибкость режимов контроля и управления. В целом гибкость определяется наличием следящих операционных систем, чем их больше, тем выше гибкость структуры.

7

7

Рис. 2.7. Схема структуры компенсационного типа

1, 11 -первичный измерительный прибор;

2, 21 -нормирующий преобразователь;

3 -блок сравнения;

4 -усилитель;

5 -блок управления;

6 -вторичный прибор;

7 -операционная система.

Повышение гибкости достигается за счёт внедрения в структуру аналитического прибора микропроцессорных средств, обеспечивающих автоматизацию процесса определения контролируемого свойства вещества или параметра его состава, а также проведение вычислительных операций.

Гибкая структура (рис.2.8) аналитического прибора позволяет учитывать влияние параметров окружающей среды на точность измерений и получать информацию о составе и свойствах анализируемых веществ в режиме реального времени.

Рис. 2.8. Обобщённая схема гибкой структуры аналитического прибора

1 -информационный канал;

х -входные параметры, определяющие состав и свойства анализируемых веществ;

2 -корректирующий канал;

х1 -входные параметры, которыми могут быть неконтролируемые компоненты анализируемых веществ;

3 -микропроцессорный блок.

Влияние параметров окружающей среды изучается в ходе разработки технологии или производства конкретной продукции и учитывается при создании методики её аналитического контроля. Полученные результаты реализуются в аналитических приборах с гибкой структурой проведения аналитического контроля.

2.3.5 Требования, предъявляемые к приборам аналитического контроля

В основу требований, предъявляемых к приборам, положен принцип, направленный на обеспечение эффективного использования разработанного метода аналитического контроля. Он может быть реализован при условии, если приборы будут отвечать статическим и динамическим критериям эффективности. К основным из них относятся:

точность и чувствительность (как метода так и прибора);

надёжность (как работы прибора так и проведенных измерений);

быстродействие.

На практике для выбора прибора с реализованным в нём методом применяется комплексный критерий качества, который может быть рассчитан по выражению 2.3.

Ккач = к1*Кточн + к2*Кнадёжн + к3*Кчувствит + к4*Кбыстрод , (2.3)

где: к1, к2, к3, к4 - вес каждого критерия, их сумма ровняется единице;

К - базовый критерий, отражающий точность (надежность, чувствительность, быстродействие). Выбор базовых критериев осуществляется путём экспертных оценок, либо решением задачи оптимизации.

Точность прибора зависит от внутренних и внешних факторов, влияющих на измерительный процесс, рис.2.9.

Внешние факторы:

-состояние коммуникаций;

-электрические и магнитные поля;

-персонал.

Рис. 2.9. Факторы, влияющие на качество работы аналитического прибора

Температура является одним из главных управляющих воздействий на состояние объекта контроля. Она влияет на измерения характеристик состава и свойств веществ и выражается температурной погрешностью. Повышение точности измерения достигается за счёт компенсации температурной погрешности.

Учёт температурной погрешности в автоматизированных системах возможен аппаратными и программными средствами, которые разрабатываются после изучения влияния температуры на процесс измерения. С этой целью снимаются зависимости изменения косвенных параметров от температуры и строятся соответствующие графики.

На графике, представленном в виде прямой ( y = T ), влияние температуры на процесс измерения не отмечается, поэтому в структуре аналитического прибора система компенсации температурной погрешности не предусматривается.

Из анализа других графиков следует, что влияние температурной погрешности значительное, а значит, в цепь анналитического прибора должен встраиваться соответствующий компенсатор, учитывающий температурные условия протекания технологических процессов. Встроенный компенсатор перед началом измерений всегда настраивается первым до задания режима работы аналитического канала.

Для компенсации температурной погрешности в аналитических приборах применяются три способа: классический, эталонный, программный.

Классический способ устранения температурной погрешности состоит в измерении температуры и параметра xi, расчёте по математической модели погрешности ?х ср. и значения параметра х ,выражение 2.3.

x = xi - ?х ср (2.3)

Для реализации этого способа аналитический прибор содержит усилитель с переменным температурным резистором (рис. 2.11), который преобразует величину выходного сигнала.

При реализации этого способа в микропроцессорном аналитическом приборе в него встраивается термодатчик, преобразующий температуру в код F, рис. 2.11,а. Информация в цифровой форме заводится в микропроцессор (МП), в котором по математическим моделям рассчитывается измеренное значение xi и погрешность ?х. Искомый параметр х отображается на индикаторе аналитического прибора. При наличии обратной связи погрешность используется для аппаратной компенсации измеренного значения.

Второй способ (эталонный) термокомпенсации заключается в использовании двухканальной структуры, один канал в ней является «эталонным» (сравнительным), рис. 2.12. Измеренные параметры по двум каналам сопоставляются между собой для исключения погрешности.

В микропроцессорном аналитическом приборе во второй канал включается первичный измерительный преобразователь с веществом, параметры которого нормированы.

Способ программного типа состоит из сопоставления исследуемого параметра с расчетом его по математической модели. При этом в математической модели могут использоваться температурные зависимости любого из ранее перечисленных способов (классического или «эталонные»), который подходит для данного процесса.

Для реализации третьего способа требуется достаточно мощное программное обеспечение, но он отличается точностью и скоростью получения результата.

3. Оптические методы анализа

Оптические методы аналитического контроля относятся к группе спектрометрических методов (см. тему 1). Они основаны на использовании известных законов распространения света - поглощения, рассеяния, свечения, преломления. Явления и эффекты, возникающие при взаимодействии анализируемого вещества, и электромагнитного излучения регистрируются электронными оптическими приборами - спектрофотометрами, фотоколориметрами, нефелометрами, флуориметрами, рефрактометрами, поляриметрами.

С помощью оптических методов определяются в лабораториях и контролируются на технологических линиях концентрации растворов различных веществ.

3.1 Общие сведения о спектроскопии

В основе спектроскопии лежит явление испускания электромагнитного излучения атомами или молекулами определяемого вещества.

Спектр электромагнитного излучения в зависимости от длины волн делят на ультрофиолетовую-180-400 нм (1 нанометр=10-9м), видимую-400-700нм, ближнюю инфрокрасную-700-1100нм области.

Электромагнитное излучение - свет - имеет двойственную природу - волновую и корпускулярную (волна - частица) и для его описания используют два вида характеристик - волновые и квантовые.

К волновым характеристикам относятся частота колебаний, длина волны, волновое число, а к квантовой характеристике относится энергия квантов,

Частота колебаний - н - показывает число колебаний электромагнитного излучения (света) в 1 секунду, измеряется в с-1.

Длина волны л - это путь, который проходит волной за время полного периода колебаний.

Длина волны измеряется в метрах и его долях: сантиметрах - см; миллиметрах-мм; микронах-м; миллимикронах - mм; наномикронах - нм (1нм =10-9 м = 10-7 см = 10-6 мм). Например, зеленый свет представляет собой электромагнитные излучения с длиной волны л == 500 - 550 нм или 5,0 · 10 -5 - 5,5 · 10 -6 см.

Частота колебаний и длина волны связаны между собой выражением 3.1;

(3.1)

где: С - скорость света = 3 · 108 м/с = 3 · 1010 см/с

Величина, обратная длине волны называется волновым числом - н и может быть рассчитана по выражению 3.2.

(3.2)

Для зеленого света волновое число составит

Если скорость света выражена в см/сек, длина волна в см - то частота колебаний будет выражена в герцах -- Гц.

Для зеленого света:

Энергия электромагнитного излучения определяется по выражению 3.3

E = h · н , (3.3)

где h - постоянная Планка, равная 6,62 · 10-34 Дж с

3.2 Атомные спектры

Испускание света атомами происходит, за счет изменения энергии атомов. Атомы могут обладать только строго дискретными запасами внутренней энергии: Е0, Е1, Е2 и т.д., т.е. атомы не могут иметь энергию, промежуточную между Е0 и Е1 или между Е1 и Е2. В невозбужденном, т. е. нормальном состоянии атомы обладают минимальной энергией Е0. При подведении энергии, достаточной для возбуждения атома -- электроны атома переходят на более высокий энергетический уровень Е1, Е2 и т.д. и через очень короткое время ~ 10-8 с они самопроизвольно возвращаются в нормальное состояние и освобождающая при этом энергия излучается в виде светового кванта hн.

Совокупность излучаемых частот связана с энергетическими состояниями атома. Чем меньше длина волны, тем больше волновое число или частота, тем больше энергия электромагнитного излучения.

Наблюдаемые в природе электромагнитные излучения охватывают диапазон волн от десятков километров до тысячных долей ангстрема, распределение энергий излучения по длинам волн представляет спектр, который подразделяется на ряд областей, при взаимодействии с веществом излучение каждой области изменяет состояние молекулы по-разному. Это объясняется тем, что волны разных областей спектра имеют разную энергию, эта энергия действует на атом или молекулу, находящуюся в нормальном, невозбужденном состоянии и возбуждают их.

Характер спектров, наблюдаемых при взаимодействии электромагнитного излучения и строением энергетических уровней атомов и молекул исследуемых веществ, различен.

Основными характеристиками спектров является положение линий или полос, в шкале длин волн, а также их форма и интенсивность.

Положение спектральных линий и полос зависит от расстояния между энергетическими уровнями, переходы между этими уровнями обуславливают эти линии и полосы.

Строение энергетических уровней является индивидуальной характеристикой молекул (атомов, ионов) данного вещества, поэтому по положению тех или иных линий и полос в спектре можно судить о природе вещества, взаимодействующего с излучением.

Интенсивность спектральных линий и полос определяется тем, сколько квантов излучения данной частоты поглощается, испускается или рассеивается веществом в единицу времени, т.е. сколько молекул вещества участвуют в данном квантовом переходе. Это позволяет проводить количественные определения различных веществ по интенсивности линий и полос спектра.

Таким образом, действуя на вещество электромагнитным излучением, обладающим достаточной энергией, способной возбудить атомы - можно получить через короткий промежуток времени излучение в виде светового кванта hv (ДЕ = hн )

Каждая спектральная линия отражает переход с одного энергетического уровня на другой.

Наиболее яркой в спектре будет линия, отвечающая переходу с первого возбужденного уровня на основной уровень. Линия, отвечающая этому переходу, называется резонансной. Например, у натрия

11Na Is22s22p63s1

При возбуждении атома натрия (нагревании, облучении и т.д.) валентный электрон (3s1) может переходить на уровни р и d, находиться на них очень короткое время и возвращаться вновь на основной. Этим переходам отвечают линии с длиной волны 588, 996 и 589, 593 нм. Это излучение окрашивает пламя в желтый цвет при введении солей натрия в пламя.

Это свойство атомов и ионов излучать свет в газообразном состоянии положено в основу методов эмиссионного и спектрального, где анализ основан на измерении длины волны, интенсивности и других характеристик излучений, испускаемых атомами за счет изменения их энергии.

Совокупность пространственно разделенных линий называют спектром.

Спектр, излучаемый раскаленными газами и парами, называется линейчатым или прерывистым, а спектр, который испускают раскаленные жидкие и твердые тела - сплошной.

Линейчатый спектр каждого элемента содержит ряд спектральных линий, соответствующих испускаемым лучам, характеризующихся определенной длиной волны л или частотой колебания н.

Наличие в спектре излучения таких линий дает возможность судить о наличии искомых элементов в исследуемом веществе, а интенсивность этих линий характеризует их количественное содержание. Цвет испускаемого или поглощаемого света зависит от длины волны. Например, наибольшая длина волны видимого света соответствует красному, а наименьшая - фиолетовому свету.

При проведении качественного спектрального анализа пользуются атласом спектральных линий.

В количественном анализе рассматривается связь между интенсивностью спектральной линии и концентрацией элемента в пробе.

3.3 Молекулярный спектр

Появление полос поглощения обусловлено дискретностью энергетических состояний частиц, которые поглощают энергию, а также от природы электромагнитного излучения. Интенсивно поглощаются кванты света, которые соответствуют энергии возбуждения частицы.

Любая молекула, в соответствии с квантовыми законами, является устойчивой в определенных стационарных состояниях. Переход молекулы из одного состояния в другое связан с получением и отдачей энергии (также как у атома).

Молекула сложная система, в молекуле имеют место различные виды движения составляющих ее частиц - колебательные и вращательные. Если молекуле сообщать разные количества энергии, действуя электромагнитным излучением, то каждому из этих количеств Е=hv - будут соответствовать различные виды спектров.

В отсутствии внешнего магнитного поля энергию молекулы можно представить выражением 3.4:

Е = Еэл + Екол + Евр , (3.4)

где:

Еэл -- электронная энергия молекулы, обусловлена движением электронов, принимающих участие в образовании связей, так и локализованных вокруг ядра.

Екол -- колебательная энергия молекулы, обусловленная колебательным движением молекул, когда при неизменном положении центра тяжести молекул - периодически изменяется положение ядер и составляющих ее частиц.

Евр -- вращательная энергия молекулы, обусловленная вращательным движением молекулы, когда периодически происходит изменение ориентации молекулы в пространстве и ее частей относительно друг друга.

Электронная энергия значительно превышает колебательную, а колебательная - вращательную.

Еэл·>> Екол > Евр

По порядку величин отношение этих энергий составляет:

,

где: mе- масса электрона;

М -масса молекулы .

Для большинства молекул mе =10-4 М = 10-5-10-5

Еэл : Екол : Езр = ~1 : 10-2 : 10-4

На основании этого можно представить энергетические уровни молекул, когда каждому электронному состоянию отвечает своя система колебательных уровней, а каждому колебательному своя система вращательных уровней:

0  Еэл

вр кол

вр кол

0 Еэл1

Чисто вращательные переходы, т.е. переход между вращательными уровнями соответствует наименьшему изменению энергии от единиц до сотен Дж /моль или 10-5 -10-3 Дж/моль.

ДЕвр = 10-5 · 10-3 Дж/моль

При этих переходах возникает чисто вращательный спектр, которому соответствует излучение микроволновой и части дальней ИК-области шкалы электромагнитных волн.

Переходам между колебательными уровнями одного и того же электронного состояния соответствует изменению энергии от единиц до сотен десятков КДж/м.

При этих переходах наблюдается колебательные спектры в ближней и дальней ИК - области.

Обычно при таких переходах изменяется и вращательная энергия молекул и происходит много переходов между вращательными подуровнями нижнего и верхнего колебательных уровней. В результате таких явлений в спектре возникает не одна линия, а совокупность близкорасположенных линий - образуя вращательную структуру колебательных полос (вращательно-колебательные спектры).

Переход молекулы из одного электронного состояния в другое составляет сотни КДж/моль, при этом возникают электронные спектры, наблюдаемые в видимой части спектра, а также в УФ - ближней и дальней.

Изменение электронного состояния молекулы сопровождается изменением колебательной и вращательной энергии, поэтому электронный молекулярный спектр состоит из совокупности колебательных полос, каждая из которых имеет вращательную структуру.

Из-за существования в молекуле переходов электронного, колебательного, вращательного - возникают и соответствующие спектры (молекулярные), они называются полосатыми.

Электронные спектры атомов газообразных веществ состоят из отдельных линий. Объясняется это тем, что атом не имеет колебательных и вращательных уровней энергии, а разрешенные значения электронной энергии - дискретны.

Спектры атомов более просты по сравнению со спектрами молекул.

Возвращение электрона в атоме из возбужденного состояния (с более высокого энергетического уровня на основной) в стабильное сопровождается выделением кванта энергии примерно равного поглощенному. Спектральные линии таких переходов лежат в области больших частот и малых длин волн.

Поглощение или испускание энергии можно определить по энергетическому состоянию молекулы в начальном и конечном энергетическом переходах, выражение 3.5.

ДЕ = Е1 - Е2 = h · v, (3.5)

где: Е1 -- начальное состояние молекулы;

Е2 -- конечное состояние молекулы;

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11