книги / Методы и автоматизированные системы аналитического контроля технологических процессов и окружающей среды. Методы и автоматизированные системы промышленного аналитического экологиче
.pdfОкончание табл. 6
№ |
Загрязняющий компонент |
ПДК, |
Погрешность |
п/п |
мг/м3 |
измерения, % |
|
6 |
Гексахлоран |
0,1 |
25 |
7 |
Дильдрин |
0,01 |
25 |
8 |
Гептахлор |
0,01 |
25 |
9 |
Гигромицин |
0,001 |
25 |
10 |
Дибутилфталат |
0,5 |
15 |
11 |
Фталат |
1,0 |
10 |
12 |
Диметилцианамид |
0,5 |
20 |
13 |
Бадудин, диазон, базадин, эксодин, |
0,2 |
12 |
алфатокс |
|||
14 |
Фозалон, фнор, залон |
0,5 |
25 |
15 |
Китацин, рицид |
0,3 |
20 |
16 |
Крезол |
0,5 |
25 |
17 |
Лупинин |
0,2 |
10 |
18 |
Монофурфурилиденацетон |
0,1 |
25 |
19 |
Нитрозоанабазин |
0,5 |
10 |
20 |
Оксифенилметалкарбонат |
1,0 |
25 |
21 |
Пирен |
0,03 |
10 |
22 |
Полиакрилин |
0,5 |
10 |
23 |
Спирт пропалтиловый |
1,0 |
25 |
24 |
Тетрагидробензиловый эфир |
1,0 |
25 |
|
циклогексан-карбоновой кислоты |
||
|
|
|
|
25 |
Трилан |
0,1 |
22 |
26 |
Зоокумарин |
0,001 |
14 |
27 |
Фенилендиамин |
0,5 |
20 |
28 |
Фенол |
0,3 |
25 |
29 |
Енамин |
1,0 |
25 |
30 |
Ялан, ордрам |
0,5 |
25 |
31 |
Ртанозан |
0,005 |
25 |
32 |
Пентанохлор |
1,0 |
25 |
33 |
Трихотецин |
0,2 |
20 |
34 |
Фурфурол |
0,05 |
18 |
35 |
Эпихлоргидрин |
5,0 |
20 |
|
|
|
131 |
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:
U j = Fj (C1 ,C2 ,…,Ci ,…,Cn ), j = |
|
|
|
1, n −1; |
|
||
n |
(74) |
||
1 = ∑ Ci , |
|
||
i=1 |
|
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:
Ci = fi (U1 ,U2 , …, U j , …, Un−1 ), i = |
|
|
|
1, n −1; |
|
||
n−1 |
(75) |
||
Сn =1 − ∑ Ci , |
|
||
i=1 |
|
где f1, f2, ..., fi, …, f(n–1) – символы функций, найденных при решении системы.
Для многокомпонентной смеси газов или жидкостей, параметры которой являются аддитивными, запишем
n |
|
Псм = ∑ ПiCi , |
(76) |
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
n |
|
Сi = ∑ AiUi + Bi , |
(77) |
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
n |
|
U j = K j Пjсм = K j ∑Пji Ci ; j =1, n −1, |
(78) |
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:
U j = Fj (С1 ,С2 , ...,Сi , ...,Сn ), j = |
|
, |
|
0, n −1 |
(80) |
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
концентрации компонентов: |
|
Сi = fi (Ui−1 ,Ui ), i = 1, n , |
(81) |
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