книги / Методы и автоматизированные системы аналитического контроля технологических процессов и окружающей среды. Методы и автоматизированные системы промышленного аналитического экологиче

Окончание табл. 6

Примеры применения методов жидкостной хроматографии приведены в табл. 6 [3].

4.5. Многопараметрические методы и средства автоматического анализа состава

Современные методы автоматического анализа состава многокомпонентных жидких и газообразных сред (смесей) подразделяют на два класса: многопараметрические методы и методы разделения.

К многопараметрическим методам анализа состава относят метод различных свойств, метод различных условий, метод преобразований и метод исключения.

В общем случае анализ состава многокомпонентной анализируемой смеси многопараметрическими методами представляет собой совокупные измерения, при которых осуществляют по меньшей мере (п – 1) прямых измерений свойств анализируемой смеси. При этом под свойством понимают физико-химическое свойство или параметр анализируемой смеси. Результаты этих измерений, т.е. выходные сигналы используемых средств измерений, являются той измерительной информацией, которая необходима для выполнения анализа состава многопараметрическими методами. Эта измерительная информация, а также найденные путем предварительных исследований зависимости сигналов средств измерений от концентраций компонентов анализируемой смеси позволяют составить в общем виде следующую систему нелинейных уравнений:

где U1, U2, …, Uj, …, U(n–1) – сигналы средств измерений, используемых для прямых измерений свойств анализируемой смеси; C1, C2, ..., Ci, ..., Сп – концентрации компонентов анализируемой смеси; F1, F2,…, Fj, …, F(n–1) – символы функций, выражающих

132

зависимость сигналов средств измерений от концентраций компонентов анализируемой смеси.

В результате решения системы уравнений (74) находят концентрации компонентов анализируемой смеси, т.е. определяют ее состав:

где f1, f2, ..., fi, …, f(n–1) – символы функций, найденных при решении системы.

Для многокомпонентной смеси газов или жидкостей, параметры которой являются аддитивными, запишем

i =1

где Псм – свойство многокомпонентной смеси; Пi – аналогичное свойство i-го компонента.

Как и в случае анализа бинарных смесей, аддитивными обычно считают физико-химические свойства или параметры многокомпонентных смесей газов и жидкостей в том случае, когда концентрация компонентов изменяется в узком диапазоне.

При условии, что все используемые для анализа свойства многокомпонентной смеси аддитивны, система уравнений (74) обращается в систему линейных алгебраических уравнений. Решение этой системы уравнений для концентрации любого из определяемых компонентов имеет вид

i=1

где Ai и Bi – постоянный коэффициент и величина для i-гo компонента, определяемые расчетным путем по значениям коэффициентов системы линейных уравнений.

Для решения указанной системы уравнений используются цифровые вычислительные машины.

133

Метод различных свойств. Сущность данного метода состоит в том, что состав многокомпонентной смеси определяется путем совокупных измерений, базирующихся на прямых измерениях нескольких (в зависимости от числа компонентов) различных физико-химических свойств или параметров анализируемой многокомпонентной смеси. Система уравнений в случае, если используемые для измерения свойства являются аддитивными, имеет вид

i =1

где K1, ..., Kj, ..., K(n-1) – коэффициенты преобразования измерительных устройств, используемых для прямых измерений свойств анализируемой смеси; П1см, …, Пjсм, …,П(n-1)см – различные свойства смеси, измеряемые средствами измерений; П1i, …, Пji, …,П(n-1)i – свойства i-го компонента, соответствующие выбранным для анализа свойствам анализируемой смеси и определяемые предварительно из справочных данных или экспериментальным путем.

Рассмотренный метод анализа состава многокомпонентной смеси находит применение чаще других многопараметрических методов.

Определенным эксплуатационным неудобством измерительных установок и систем, реализующих метод различных свойств, является необходимость использования в их составе различных по принципу действия и конструкции анализаторов.

Метод различных условий. Сущность данного метода состоит в том, что состав многокомпонентной смеси определяется путем совокупных измерений, базирующихся на прямых измерениях одного и того же физико-химического свойства или параметра анализируемой смеси при нескольких (в зависимости от числа компонентов) условиях. Система уравнений в случае, если при всех принятых условиях выбранное свойство является аддитивным, имеет вид

134

n

U j = K j (Псм ) j = K j ∑(Пi ) j Ci ; j =1, n −1 , (79)

i=1

где K1, ..., Kj, ..., K(n-1) – коэффициенты преобразования измерительных устройств, используемых для прямых измерений свойства анализируемой смеси при различных условиях; (Псм)1, …, (Псм)j, …, (Псм)(n-1) – одно и то же свойство анализируемой смеси при (п – 1) условиях измерения; (Пi)j – свойство i-гo компонента при j-м условии, аналогичное свойству анализируемой смеси при этом же условии измерений.

Определенным преимуществом данного многопараметрического метода анализа состава по сравнению с предыдущим является однородность используемых автоматических анализаторов, что упрощает эксплуатацию измерительной установки или системы.

Разработан ряд новых автоматических анализаторов состава, реализующих метод различных условий и основанных на явлении диффузии. Особенностями этих анализаторов являются простота создания различных условий и вытекающая из этого простота конструкции в сочетании с современными информаци- онно-программными компьютерными средствами.

Метод преобразований. Сущность метода состоит в том, что состав многокомпонентной смеси определяется путем совокупных измерений, базирующихся на прямых измерениях одного и того же физико-химического свойства или параметра анализируемой смеси до и после ее нескольких (в зависимости от числа компонентов) преобразований, осуществляемых с помощью химических реакций.

Преобразование анализируемой смеси сводится к превращению ее компонентов в другие химические соединения или к последовательному поглощению компонентов.

Анализ, осуществляемый в соответствии с первым из названных преобразований, описывается в общем случае системами уравнений (74) и (75). Измерительные установки и системы для его реализации, базирующиеся на проведении химических

135

реакций, получили распространение за рубежом. В нашей стране они не нашли применения из-за сложности конструкции и эксплуатации.

Метод исключения. Анализ осуществляется путем последовательного поглощения компонентов. Метод более прост в технической реализации и применяется в отечественном приборостроении для создания средств автоматического анализа состава многокомпонентных жидкостей и газов.

Для анализа n-компонентной смеси рассматриваемым методом необходимо осуществить поглощение компонента (п–1), что позволяет получить следующую систему уравнений:

где U0 – сигнал средства измерений свойства анализируемой смеси до поглощения; Uj – сигнал средства измерений свойства анализируемой смеси после i-гo поглощения; Fj – символ функции.

Решение системы уравнений (80) позволяет определить

где Ui–1, Ui – сигналы средства измерений свойства анализируемой смеси до и после поглощения i-го компонента соответственно; fi – символ функции.

136

5. АСК ЗАГРЯЗНЕНИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Рассмотрим известные отечественные и зарубежные АСК загрязнения воды, воздуха и почвы, включая системы контроля промышленных выбросов.

Разделение рассматриваемых АСК по типу анализируемой среды достаточно условно, и ряд фирм в России, США, Германии, Австрии, Франции и других странах, использующих системный подход к охране окружающей среды, выпускают аналитические модули систем, позволяющие контролировать атмосферный воздух, воду и почвы и реализованные конструктивно, как правило, с использованием микропроцессорных систем (МПС). Современный этап развития приборостроения характеризуется широким применением в составе средств измерений цифровых вычислительных устройств (ЦВУ). Применением таких систем в измерительных устройствах достигают двух целей: расширяют функции измерительных устройств и улучшают их характеристики.

Наиболее эффективным применением ЦВУ считается их использование в средствах аналитической техники, где наряду с измерением основного и ряда вспомогательных параметров требуется осуществлять управление (логическое и аналоговое) узлами аналитического устройства и проводить в большом объеме вычисления, связанные с обработкой информации.

Рассмотрим схемы анализаторов качества окружающей среды. На рис. 34 показана обобщенная структурная схема автоматического анализатора качества. В анализаторах, осуществляющих измерение одного параметра (рис. 34, а), основной сигнал измерительной информации формируется в аналитическом устройстве (АУ) с помощью того или иного детектора (Д).

137

Рис. 34. Структурные схемы анализаторов качества со встроенным МПС: АУ, АУ1, АУ2, .... АУn – аналитические устройства; Д, Д1, Д2, ..., Дn – детекторы; БИП – блок измерения параметров аналитических устройств; ЧЭ, ЧЭ1,…,ЧЭn – чувствительные элементы; ППЭ, ППЭ1,…, ППЭn – промежуточные преобразовательные элементы; У, У1,...,Уn – усилители; ЭК – электрический коммутатор; ИФУ – интерфейсное устройство; УФУВ – устройство формирования управляющих воздействий; АЦП – аналого-цифровой преобразователь; ЧЦП – частотноцифровой преобразователь; ЦАП – цифроаналоговый преобразователь;

МПС – микропроцессорная система; И – индикатор цифровой

138

Для уменьшения погрешности анализатора и обеспечения его нормального функционирования с помощью ряда чувствительных элементов осуществляется измерение ряда параметров, по значениям которых корректируется статическая характеристика, стабилизируются режимные параметры аналитического устройства и осуществляются необходимые для проведения анализа переключения. Две последние функции реализуются МПС через устройство формирования управляющих воздействий (УФУВ). В аналитический блок, помимо анализируемого и вспомогательного (ВВ) веществ, предусматривается возможность подачи образцового вещества (ОВ), что обеспечивает периодическую самоградуировку анализатора.

В анализаторах, реализующих многопараметрические методы анализа состава (рис. 34, б), используется несколько аналитических устройств с соответствующими детекторами.

Все необходимые измерения вспомогательных и режимных параметров осуществляются блоком измерения параметров аналитических устройств (БИП), который коммутируется с блоком электрического коммутатора (ЭК) (на рис. 34, б связь между БИП и ЭК не показана). Сигналы, необходимые для управления работой этих устройств и стабилизации их режимных параметров, вырабатываются МПС и поступают к аналитическим устройствам через УФУВ. Для обмена данными МПС и текущей калибровки анализаторов используются ручной коммуникатор или любой компьютер с определенным протоколом обмена.

Для подключения анализаторов АСК используются интерфейсы связи, например RS-232/485, обеспечивающие управление и передачу данных об измеренных концентрациях компонентов.

На рис. 35 показана схема подключения нескольких измерительных и вычислительных устройств к общей магистрали.

Все подключаемые к этой магистрали устройства называют в данном случае приборами.

139

Рис. 35. Схема подключения нескольких измерительных и вычислительных устройств к общей магистрали

Интерфейс состоит из общей магистрали для скоростной передачи приборных и интерфейсных сообщений, интерфейсной части средств измерений и других подключаемых устройств (интерфейсы А, Б, В на рис. 35), а также устройства управления (контроллера). Подключенный к магистрали прибор может находиться в следующих состояниях: быть в резерве, функционировать в качестве источника информации (ИИ) и функционировать в качестве приемника информации (ПИ). Таким образом предусматривается возможность управления работой приборов по программе в составе АСК.

Интерфейсные части программно-управляемых приборов выполняют в двух вариантах:

1)в виде схем, реализованных и конструктивно оформленных внутри прибора как его составная часть, с установкой стандартного разъема на задней панели прибора (этот вариант применяется в новых приборах, выпускаемых в соответствии с действующими международными стандартами);

2)в виде отдельно выполненных модулей, подключаемых

ксерийно выпускаемым или ранее выпущенным устройствам с выходным сигналом в виде кода. При подключении к магистрали интерфейсной части измерительных устройств присваивается кодированный адрес.

140