Общие сведения о методах анализа состава и измерения параметров продукции


В основе определения состава и свойств продукции лежит химический анализ. Он связан с проведением качественного и количественного анализа состава продукции и сравнением полученных результатов с установленными нормативно-технической документацией требованиями.


Химический анализ в широком смысле этого понятия, включающий физические и физико-химические методы, является составной частью метрологии. Его особенностью является предварительное проведение качественного анализа, т. е. идентификации химических частиц различного рода (атомов, молекул, ионов, радикалов) с последующим определением их количества (качественный анализ) в анализируемом продукте.


Цели, с которыми проводится качественный или количественный химический анализ состава продукции разнообразны. В зависимости от решаемых задач и глубины проверки продукции результаты могут быть получены проведением следующих анализов: атомного, молекулярного, функционального и валового.

Атомный (элементный) и молекулярный анализы заключаются в контроле состава веществ на уровне атомов или молекул. Функциональный анализ заключается в определении состава функциональных групп в химических соединениях. Валовой анализ применяется в случае проверки сложных смесей веществ (горные породы, цемент), когда состав пробы выражается в виде условно выбранных соединений, например оксидов.


Состав продукции проверяется измерением количества или физических свойств, входящих в неё веществ. Измерения производятся непосредственно или же после соответствующей подготовки продукции (разделение, концентрирование, перевод в удобную для измерения форму и др.). Процесс завершается измерением величины аналитического сигнала. Для получения аналитического сигнала, как правило, используются три группы методов: химические, физические и физико-химические.


Химические методы основаны на химических реакциях определяемого компонента с реагентом. Эффектом реакции может быть образование малорастворимого осадка, малодиссациированного соединения или прочного комплексного соединения.


В физических методах измеряется свойство (интенсивность излучения света, радиоактивного излучения и др.), непосредственно зависящее от природы атомов и их концентрации в веществе. При этом химические реакции или совсем не играют роли, или имеют второстепенное значение.


В физико-химических методах анализа определяются изменения физических свойств системы (коэффициента преломления света, электрической проводимости, поглощения света и др.), происходящие в результате химических или электрохимических реакций. Интенсивность физического сигнала зависит от концентрации определяемого компонента.


Между химическими и физико-химическими, физическими и физико-химическими методами анализа не всегда можно провести чёткую границу. Например, измерение электрической проводимости растворов (кондуктометрия) не требует проведения химических реакций и относится к физическим методам, тогда как определение изменения электрической проводимости при титровании кислоты щёлочью (кондуктометрическое титрование) является физико-химическим методом. Иногда физические и физико-химические методы объединяются под общим названием инструментальные методы, так как для измерения сигналов используется прецизионная аппаратура.


Физико- химические методы анализа и их место в системе контроля качества продукции.


Свойства веществ и материалов, производимой и реализуемой продукции, изучаются с использованием методов современной аналитической химии, которые направлены на решение задач управления качеством продукции.
Физические и физико-химические методы анализа являются естественным продолжением курса химических методов анализа, и основывается на регистрации аналитических сигналов, появление которых зависит от физико-химических свойств вещества, его природы и содержания в анализируемом продукте.


Классические методы анализа применяются в специализированных аналитических лабораториях. Их проведение связано с периодическим отбором проб анализируемых продуктов, что не всегда удобно, эффективно и не обеспечивает высокую скорость получения результата. Вместе с тем, они не в состоянии удовлетворить многообразные запросы науки, техники, промышленности и социальной жизни людей. Этих недостатков лишены физические и физико-химические методы, а доступность аппаратуры делает их востребованными в практике всех сфер деятельности людей.
Современные отрасли производства и социальной жизни людей ставят свои специфические задачи перед физическими и физико – химическими методами анализа по контролю качества продукции.
Выплавляя чугун или сталь, металлург должен знать качественный и количественный состав плавок. Вместе с содержанием основного металла в сплаве ему необходимы данные о составе используемых исходных веществах и их свойствах. Контроль этих параметров позволяет непосредственно судить о режиме плавки, так как они характеризуют качество получаемых сплавов, а также при необходимости производить соответствующие корректировки технологических процессов. Например, жаропрочные сплавы металлов теряют свои свойства, если количество “запрещенных” примесей в них превысит 10-5%. Вместе с тем, определение малых концентраций примесей практически невозможно химическими методами. Поэтому для решения задач такого рода применяются физические и физико-химические методы анализа, обладающие самым низким пределом обнаружения примесей.
В ходе протекания химико-технологических процессов производства продукции изменяются химический состав перерабатываемых веществ и их свойства. Контроль этих параметров позволяет непосредственно судить о режиме процесса, составе получаемых продуктов, а скорость получения данных своевременно вносить соответствующие корректировки. Поэтому на химических предприятиях применяются методы автоматизированного контроля, которые реализуются с применением приборов называемых анализаторами.
Наряду с черной и цветной металлургией, химической промышленностью и другими традиционными отраслями большое значение стали иметь отрасли по освоению атомной энергии в мирных целях, связанные с ракетостроением, освоением космоса, развитием полупроводниковой промышленности, электроники, компьютеров, чистых и сверхчистых веществ.
Впечатляют примеры, показывающие связь свойств с загрязнением примесями полупроводниковых материалов, из которых изготавливаются радиоэлектронные элементы с загрязнением исходных материалов, используемых для их изготовления «вредными» примесями. Германий, применяемый в электронной промышленности, утрачивает свои полупроводниковые свойства, если загрязнен фосфором или мышьяком в пределах 10-10%. Цирконий, являющийся конструкционным материалом для ядерной промышленности, при наличии в нем примеси гафния в пределах 10-5%, недопустим к применению.
Подобные примеры можно приводить и с лекарственными препаратами, продукцией парфюмерной, пищевой и текстильной промышленности. Наличие вредных примесей в них может негативно повлиять на состояние здоровья людей. Поэтому без применения физических и физико-химических методов анализа сложно контролировать выпуск продукции, проверить качество поступившей в продажу продукции, а значит и разрешать возникающие спорные вопросы между покупателем и продавцом.
Особенное значение приобрели физико-химические методы анализа для решения задач экологической направленности, а также в медицинской и судебно-экспертной практике, так как только с их помощью можно быстро получить достоверные результаты.
Нельзя обойти стороной применение физических и физико-химических методов анализа в военном деле и гражданской обороне. Методы, реализованные в средствах радиационной, химической и биологической разведки позволяют оперативно проводить проверку зараженности атмосферы, техники, имущества, продуктов питания и идентифицировать токсичные вещества. Войсковые газоанализаторы позволяют определять в атмосфере токсичные вещества в концентрациях до 10-5%. Индикаторы для определения сильнодействующих ядовитых веществ и токсичных примесей в испарениях ракетного топлива реагируют на концентрации10-5–10-7%, что многократно превышает предельно-допустимые нормы.
Важной задачей физических и физико-химических методов анализа является также разработка экспресс методов обнаружения и количественного определения отдельных элементов в составе выпускаемой продукции. Всё перечисленное активизировало развитие аналитического приборостроения, инициировало разработку методов автоматизации контроля химико - технологических процессов, связанных с производством продукции и обеспечения безопасности жизнедеятельности людей. Современное лабораторное аналитическое оборудование позволяет быстро выявить изменения в продукции предназначенной для длительного хранения или, хранящейся с нарушением установленных требований, а также разрешить возникающие спорные вопросы между производителем и потребителем.


Управление технологическими процессами только по таким параметрам, как давление, уровень, расход и температура, часто не гарантирует получение продуктов требуемого качества. Во многих случаях необходим автоматический контроль состава и свойств вырабатываемых продуктов. Приборы для такого контроля — это автоматические анализаторы влажности, вязкости, концентрации, плотности, прозрачности и т. п.


Большинство выпускаемых промышленностью автоматических анализаторов предназначено для определения состава и свойств бинарных и псевдобинарных смесей. Бинарной смесью называют газовую смесь, состоящую из двух газов, или жидкость, содержащую один растворенный компонент. Анализ бинарной смеси возможен при условии, что составляющие ее компоненты отличаются друг от друга какими-либо физическими или физико-химическими свойствами. Псевдобинарной называют многокомпонентную смесь, в которой неопределяемые компоненты резко отличаются по физическим или физико-химическим свойствам от определяемого компонента. Анализ такой смеси аналогичен анализу бинарной.
Анализ многокомпонентных смесей, содержащих три и более компонента, производят только после предварительного разделения смеси на отдельные компоненты.


Специфической особенностью аналитических измерений является сильное влияние на их результаты побочных факторов (температуры, давления, скорости движения вещества и т. п.). Эти факторы особенно влияют на точность таких аналитических приборов, принцип действия которых основан на использовании какого-либо одного свойства вещества (электропроводности, теплопроводности, магнитной или диэлектрической проницаемости и др.). Поэтому автоматические анализаторы обычно оснащены сложным дополнительным оборудованием для отбора пробы, подготовки ее к анализу, стабилизации условий измерений или автоматического введения поправки и т. п.


Многообразие анализируемых веществ и широкий диапазон их составов и свойств обусловили производство автоматических приборов с чрезвычайно разнообразными методами анализа.
Для анализа бинарных смесей в химической промышленности наибольшее применение получили аналитические приборы со следующими методами измерений:
- механическим, основанным на механических свойствах газов и жидкостей или механических явлениях, протекающих в них;
- тепловым, основанным на тепловых свойствах анализируемого вещества или тепловых явлениях, протекающих в нем;
- магнитным, основанным на магнитных свойствах анализируемого вещества или магнитных явлениях, протекающих в нем;
- электрохимическим, основанным на электрохимических явлениях в электродных системах, погруженных в анализируемое вещество;
- спектральным, основанным на взаимодействии излучения с анализируемым веществом или на свойствах излучения самих веществ;
- радиоактивным, основанным на поглощении или испускании радиоактивного излучения анализируемым веществом;
- диэлькометрическим, основанным на измерении диэлектрической проницаемости анализируемого вещества;
- химическим, основанным на протекании химических реакций.


Для анализа многокомпонентных смесей в автоматических анализаторах применяется метод разделения компонентов. Этот метод используется в хроматографах и масс-спектрометрах.
Поскольку для каждой отрасли химической промышленности характерны продукты, обладающие специфическими составами и свойствами, приборостроительная промышленность выпускает разнообразные автоматические анализаторы: плотномеры, вискозиметры, газоанализаторы, влагомеры, хроматографы, нефелометры и т.д. Если приборы для измерения таких общетехнических параметров, как давление, уровень, расход и температура, применяются практически во всех производствах, то анализаторы, напротив, как правило, для специфических задач конкретного производства.


Газоанализаторы. 

Приборы для контроля за составом и свойствами газов (газоанализаторы) подразделяют по принципу действия на термокондуктометрические, магнитные, электрохимические, оптические и др.

Для контроля за составом газов и жидкостей широко применяют хроматографы.


Термокондуктометрические газоанализаторы действуют на основе измерения теплопроводности газовой смеси, которая зависит от компонентов.
Измеряемый газ подается в камеру с платиновым проводником, включенным в мостовую схему. Ток, проходящий по проводнику, нагревает проводник, а омывающий газ охлаждает. В аналогичную камеру подается эталонный газ. Компенсационная мостовая схема воспринимает разность охлаждений, пропорциональную теплопроводности, и через усилитель подает сигнал на вторичный прибор. Показания снимаются визуально или записываются. В некоторых газоанализаторах для определения содержания аммиака в воздухе имеются контакты двухпозиционного устройства, которые выдают сигнал при превышении допустимой концентрации.


Магнитные газоанализаторы действуют на основе определения магнитной восприимчивости газовых смесей в зависимости от содержания кислорода. Кислород и двуокись азота в отличие от других газов обладают положительной магнитной восприимчивостью.
При увеличении концентрации кислорода в газовой смеси усиливается движение потока газа вблизи резистора, по которому протекает ток. Интенсивное охлаждение резистора вызывает изменение его сопротивления и величины тока, подающего сигнал на вторичный прибор. Шкала прибора градуируется на процентное содержание кислорода по объему.
Конструктивно газоанализатор оформлен в виде отдельных узлов (приемник, блок очистки, показывающий прибор и др.), установленных на щите. Отбор газа для анализа осуществляется с помощью керамического фильтра, установленного в газоходе, и блока очистки.
Действие электрохимических газоанализаторов основано на реакции, вызывающей образование тока в электролите при взаимодействии кислорода с материалом электрода. Величина тока, протекающего во внешней цепи электролита, пропорциональна концентрации кислорода в газовой смеси.


В оптических газоанализаторах используются свойства газов поглощать ультрафиолетовые и инфракрасные лучи или вступать в реакцию, изменяя цвет индикатора, которым пропитывают хлопчатобумажную ленту.


Принцип действия хроматографов основан на разделении компонентов смеси газов с помощью сорбента, то есть вещества, поглощающего молекулы газа или раствора. Испытуемая проба продувается через слой сорбента с помощью газоносителя (азот). При этом каждый газ растворяется и меняет скорость перемещения в зависимости от степени поглощения. Различие в скоростях приводит к разделению газов. Очередность выхода каждого из компонентов является качественным показателем хроматографического анализа.
Определяют концентрацию отдельных компонентов детектором. Выходной электрический импульс детектора передается на электронный автоматический прибор, записывающий хрома-тограмму, состоящую из ряда отклонений, каждое отклонение соответствует определенному компоненту анализируемой смеси.


Измерения относительной влажности воздуха.


Влажность воздуха оценивается абсолютной или относительной величиной. Измерение влажности производится различными методами: психрометрическим, гигроскопическим, электролитическим и др.


Психрометрический метод измерения влажности воздуха основан на зависимости интенсивности испарения воды от влажности воздуха. Чем меньше влажность воздуха в помещении, тем быстрее будет испаряться вода из внесенного в него сосуда и тем ниже будет температура воды по сравнению с окружающей средой. На этом принципе работают приборы, называемые психрометрами.
Психрометр состоит из «сухого» термометра 1 и «увлажненного» 3, укрепленных на панели 4. Чувствительный элемент «увлажненного» термометра обернут тканью (батист), часть которой помещена в резервуар 2 с водой. По разности показаний «сухого» и «увлажненного» термометров можно определить относительную влажность воздуха.
Психрометры широко применяются для контроля влажности в инкубаторах и животноводческих помещениях.
Электронный психрометр ПЭ имеет психрометрический ПИП и электронный самопишущий или регулирующий вторичный прибор.


Электролитический метод измерения влажности воздуха основан на изменении электропроводности некоторых солей при изменении влажности воздуха.


Гигроскопический метод определения влажности воздуха основан на способности некоторых материалов приводить свою влажность в состояние одинаковое с влажностью воздуха. Изменение влажности гигроскопических материалов сопровождается изменением их размеров.


Наиболее распространенными приборами такого рода являются гигрометр и метеорологический гигрограф. В сельскохозяйственной практике гигрограф применяются для непрерывной регистрации изменений во времени относительной влажности воздуха теплиц, складских и животноводческих помещений в пределах 30-100% при температуре до +45° С.
Чувствительным элементом гигрографа является пучок (35-40 шт.) обезжиренных человеческих волос, укрепленных в кронштейне, как тетива в луке. Средняя часть пучка Натягивается крючком, который через систему рычагов соединен со стрелкой. Стрелка с помощью пера при вращении барабана регистрирует показания на диаграммной ленте. Вращение барабана осуществляется часовым механизмом с недельным или суточным заводом, который помещается внутри барабана. При увеличении или уменьшении относительной влажности воздуха пучок волос удлиняется и стрелка с пером перемещается.


Понятие о концентрации растворов и суспензий, приборы.


Концентрацией раствора называют содержание растворенного вещества в единице объема или массы раствора.
Природная вода, особенно доставляемая из скважин, представляет собой раствор различных солей. Ее можно использовать для питья и технологических нужд, если концентрация солей находится в определенных пределах. Так, использование воды с большой концентрацией соли в котлах теплоэнергетических установок приведет к быстрому образованию накипи на стенках, что снижает экономичность котла, а также может быть причиной аварии.


Суспензией называют взвесь, состоящую из двух фаз — твердой и жидкой, где мелкие твердые частицы взвешены в жидкости. Суспензией, например, является жидкий корм для свиней, состоящий из комбикорма, разбавленного водой в соотношении 1:3. Влажность его, то есть соотношение массы жидкости к массе сухого материала, составляет 75-78%. Процессы соковыделения и пищеварения животных в значительной степени зависят от влажности корма. Измерять концентрацию растворов и влажность суспензий нужно для того, чтобы обеспечить правильное протекание технологических процессов на комплексах.
В настоящее время влажность кормов контролируют в основном термографическим методом, то есть высушивают пробу и определяют массу высушенной навески. Влажность корма определяют, вычитая массу навески из массы образца.Этот метод обеспечивает высокую точность, но на него затрачивается много времени.
Имеется ряд методов, когда влажность определяют по физическим свойствам или величинам, функционально связанным с влажностью. К ним относятся электрофизические методы, основанные на таких свойствах материалов, как диэлектрическая проницаемость, электропроводность и т. п.
При утилизации навозных стоков необходимо измерять содержание кислорода и показатель рН, характеризующий концентрацию ионов водорода в растворах и суспензиях.


Состав и свойства жидких сред определяют специальными приборами: солемерами, концентратомерами, рH-метрами, кислородомерами и др.


Солемеры.

Их действие основано на зависимости электропроводности измеряемой среды от концентрации солей в растворе. Солесодержание определяют кондуктометрическим способом, замеряя сопротивление электролитической ячейки, заполненной контролируемым раствором. Ячейка включается в плечо равновесного моста переменного тока. Концентрацию поваренной соли в корме определяют с помощью концентратомера (солемера) КСМ-01. В комплект прибора входит ПИП, вторичный преобразователь и блок питания. ПИП выполнен в виде стержня из нержавеющей стали с пластмассовым наконечником, в который вмонтированы два цилиндрических электрода (чувствительные элементы) с терморезистором, который обеспечивает температурную компенсацию и позволяет измерять температуру корма.


Потенциометрические анализаторы (рН-метры).

При производстве молочно-кислых продуктов или хранении молока важным показателем является кислотность.
При подготовке воды, поступающей в теплоэнергетические установки, необходимо измерять не только концентрацию солей, но и кислотность или щелочность. Кислотность или щелочность растворов измеряют специальными приборами рH-метрами. Кислотность раствора обычно выражают через концентрацию водородных ионов, обозначая эту величину рН. Водородный показатель рН для химически чистой воды при температуре 22° С равен 7. Увеличение рН означает повышение щелочности раствора. Если рН становится меньше 7, то это означает, что кислотность раствора возрастает.
Первичные измерительные преобразователи рН-метров представляют собой специальные электроды, в которых создается электродвижущая сила, пропорциональная активности ионов водорода в растворах. Э.д.с. измеряется приборами и по ее значению определяют рН.
Активный электрод 2 рН-метра имеет шарик 1 из специального стекла, заполненный раствором, рН которого известна. При погружении электрода в испытуемый раствор между поверхностью стекла и раствором происходит обмен ионами, что приводит к возникновению потенциала, величина которого определяется активной концентрацией ионов водорода. Второй электрод 4 представляет собой электролитический ключ — трубку 5, заполненную насыщенным раствором хлористого калия, который непрерывно протекает через пористую перегородку 6 (10-30 мл/сут). При этом создается четкая граница между контролируемым раствором и раствором хлористого калия. Измерительный ток на своем пути должен проходить через стенки стеклянного преобразователя, его сила чрезвычайно мала. Э.д.с. электрода в выходной сигнал преобразуется с помощью миллиамперметра, шкала которого проградуирована в рН. Например, рН-метр марки рН-222.1 для контроля кислотности молока и кисло-молочных продуктов имеет предел измерений 0-8 рН, а прибор рН-201 для контроля воды в котельных — 4-14 рН.

Измерения плотности.

Одним из основных показателей качества жидких продуктов и используемых в народном хозяйстве жидкостей является их плотность. Под плотностью вещества р понимается физическая величина, определяемая отношением массы вещества к его объему, то есть ρ = т/V, (кг/м3). Диапазон значений плотности жидкостей применяемых в народном хозяйстве, составляет 650-2000 кг/м3.
Плотность вещества существенно зависит от температуры и давления окружающей среды. С увеличением температуры плотность вещества, как правило, уменьшается. Это явление объясняется увеличение объема тела вследствие теплового расширения. Исключение составляет вода. Ее плотность имеет максимум при t = 3,98°С и уменьшается как с повышением, так и с понижением температуры.


Применяются методы измерений плотности: ареометрический, циклометрический и метод гидростатического взвешивания. В последнее время успешно развиваются автоматические методы: вибрационные, ультразвуковые, радиоизотопные, гидростатические и др. Автоматические плотномеры используются в качестве рабочих средств измерений и применяются преимущественно в технологических процессах.
Наиболее распространенными средствами измерений плотности являются ареометры, так как они просты и удобны в обращении.
Современные ареометры выпускаются по ГОСТ 18481-81 „Ареометры и цилиндры стеклянные. Технические условия", регламентирующий их форму (колба 3), типы, основные параметры и размеры.
При первичной поверке ареометров, при выпуске их из производства необходимо следить за состоянием груза 1 и связующего вещества — смолки 2. От их положения может смещаться центр тяжести ареометра, вследствие чего свободно плавающий ареометр может отклоняться от вертикального положения Допустимое ГОСТ 18481-81 отклонение ареометра от вертикали не должно вызывать разности показаний при отсчетах по концам одной и той же отметки по отношению к уровню жидкости более 0,1 цены деления шкалы 4. Наличие в ареометрах незакрепленного балласта или связующего вещества, а также разрывов между ними, приводит к появлению погрешности показаний.
Психрометры применяют для автоматического измерения влажности газов. Два термометра, один из которых обернут влажной материей, будут иметь разные показания. Это явление объясняется тем, что при испарении влаги затрачивается энергия, и температура влажного предмета становится ниже. Кроме того, испарение идет тем интенсивнее, чем ниже влажность окружающей среды (больше ее влагопоглощающая способность). Следовательно, разница в показаниях сухого и мокрого термометров будет тем больше, чем ниже влажность в измеряемой точке.


Буйковый плотномер.

Принцип действия основан на законе Архимеда. Конструкция чувствительных элементов таких плотномеров аналогична конструкции буйковых уровнемеров, буек которых полностью погружен в жидкость (затоплен). В этом случае на тягу со стороны буйка будет действовать сила F.
Измеряя изменение силы F, измеряют пропорциональное изменение плотности жидкости.


Концентратомер.

Принцип действия основан на измерении электропроводности растворов.