BAKALÁŘSKÁ PRÁCE ANALÝZA KAPALIN

BAKALÁŘSKÁ PRÁCE

ANALÝZA KAPALIN vypracoval: Tomáš Přibyl vedoucí práce: Ing. František Vdoleček, CSc. obor: aplikovaná informatika a řízení specializace: Automatizace 2006

Anotace Tématem této bakalářské práce je analýza kapalin. Jedná se o studii zabývající se přehledem metod a prostředků analýzy kapalin v technické praxi, životním a pracovním prostředí. Tato práce je zaměřena zejména na měření základních parametrů technických kapalin jako jsou oleje apod. a na měření nejběžnějších škodlivin ve vodě. Přílohu tvoří názorná prezentace, obsahující popis vybraných měřicích systémů v podobě elektronického textu s náležitostmi podpůrného materiálu pro samostudium.

Annotation This bachelor’s tract will be mainly focused on fluids analyses. It’s a study concerned on the list of methods and instruments used in the analysis of fluids in technical practice, life and work environment. The main aim of this work is on measuring the basic parameters of technical fluids like oils etc. and on the measurement of the most common injurants found in water. In the appendix one can find a presentation containing the description of the selected measurement methods in the form of electronic text with the appurtenances required for the supporting material for self-study.

Poděkování Rád bych poděkoval vedoucímu mé bakalářské práce Ing. Františku Vdolečkovi za rady a připomínky k vypracování této práce a za zapůjčení literatury ze které jsem při práci čerpal.

Čestné prohlášení

Prohlašuji, že tato práce je mým původním autorským dílem, které jsem vypracoval samostatně. Všechny zdroje, prameny a literaturu, kterou jsem při vypracování používal nebo z nich čerpal, v práci řádně cituji s uvedením úplného odkazu na příslušný zdroj. Loděnice 15. dubna 2006 …………………... Tomáš

Přibyl

Strana 9

Obsah

Úvod

.........................................................

1. Význam a úloha analýzy kapalin 2. Obecné vlastnosti kapalin

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

2.1 Přístroje pro měření hustoty kapalin

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

2.1.1 Hustoměry založené na měření vztlaku

.................

2.1.2 Hustoměry založené na měření hydrostatického tlaku 2.1.3 Hustoměry založené na principu vážení

15

......

18

.................

19

2.1.4 Hustoměry využívající absorpce radioaktivního záření 2.2 Viskozita

11

.....

20

..............................................

21

2.2.1 Kapilární viskozimetr

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

2.2.2 Rotační viskozimetr

...............................

22

..............................

23

...........................

23

2.2.3 Plovákový viskozimetr 2.2.4 Význam měření viskozity 2.3 Koncentrace vodíkových iontů

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

2.3.1 Skleněná měřicí elektroda

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

2.3.2 Antimonová měřicí elektroda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 2.3.3 Kalomelová srovnávací elektroda

.....................

25

..................

26

2.3.4 Chloridostříbrná srovnávací elektroda 2.3.5 Provozní měření pH

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

2.4 Elektrická vodivost kapalin

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

2.4.1 Analyzátory kapalin založené na měření elektrolytické vodivosti

..............................................

2.4.2 Vlivy působící na přesnost měření elektrolytické vodivosti 2.4.3 Zhodnocení konduktometrických metod 2.5 Absorpce záření

27

..

29

.................

29

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

2.5.1 Analyzátory založené na absorpci ultrafialového záření 2.5.2 Analyzátory založené na absorpci viditelného záření 2.5.3 Kolorimetrické analyzátory kapalin s pomocnou reakcí 2.5.4 Analyzátory založené na absorpci infračerveného záření

.....

29

......

30

.....

31

...

34

Strana 10

Obsah

2.6 Index lomu

............................................

2.6.1 Přístroje na měření indexu lomu kapalin

.................

36 36

2.6.2 Refraktometry založené na odrazu světla od rozhraní kapalina-sklo

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

2.6.3 Refraktometry založené na principu lomu paprsků procházejících měřenou kapalinou 3. Škodliviny ve vodě

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

...........................................

3.1 Elektrochemické metody v analýze vod

41

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

3.2 Konduktometrie v analýze ukazatelů kvality vody

...............

41

3.3 Potenciometrie s ISE elektrodami v analýze ukazatelů kvality vody . .

42

3.3.1 Potenciometrické měření pH se skleněnou ISE elektrodou

43

..

3.3.2 Potenciometrické stanovení rozpuštěného kyslíku s kyslíkovou ISE elektrodou

........................................

44

3.3.3 Potenciometrické stanovení koncentrace Cl- ve vodách s ISE elektrodou 4. Závěr Literatura

............................................

44

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

Strana 11

ÚVOD Snaha zhospodárnit technologické pochody vede k zavádění kontinuálních výrob, při kterých se látky zpracovávají za vysokých tlaků, předepsané teploty, koncentrace apod. Dodržení těchto podmínek v průmyslovém měřítku bezpodmínečně vyžaduje zdokonalení měřicí techniky. Bez důsledného využívání nejnovějších poznatků z oboru měřicí a regulační techniky není myslitelný další rozmach průmyslu a zlepšování ekonomických ukazatelů výroby. Každá výroba vyžaduje zachovávání určitých optimálních výrobních podmínek; jinak dochází ke ztrátám, které se projevují zhoršením jakosti výrobků nebo poklesem výroby. Periodické měření často k řízení výrobního procesu postačuje, protože neposkytuje informace o tom, jak se sledovaná veličina měnila v období mezi jednotlivými měřeními. Stává se, že v okamžiku měření má takovou hodnotu, při níž ještě nemůže normální průběh výroby ohrozit, avšak mění se tak rychle, že je nutno učinit okamžité opatření, jež by zabránilo dalšímu odchylování od požadované hodnoty. V takových případech je výhodné použít automatických kontrolních měřicích zařízení, které pracují buď nepřetržitě nebo v krátkých časových intervalech a samočinně indikují nebo registrují hodnoty měřené veličiny. Automatická kontrola také usnadňuje práci obsluhujícímu personálu. Další výhodou je, že záznam registračních měřicích přístrojů je trvalým dokladem a může sloužit jako podklad pro bilancování výroby, ke zpětné kontrole apod. Celkové vybavení provozů měřicími přístroji musí být účelně voleno tak, aby poskytovalo ucelený obraz o průběhu technologického procesu. Pro kontrolu chemického složení, zejména v chemickém průmyslu, mají stále větší význam tzv. analyzátory. Tyto automaticky pracující přístroje umožňují získávat nepřetržité informace o změnách v průběhu výrobního procesu, což neobyčejně usnadňuje řízení výroby. Analyzátory pracují buď kontinuálně, nebo v krátkých časových intervalech. V odebraném vzorku automaticky zjišťují koncentraci sledované komponenty a výsledek ukazují nebo zapisují, popř. též signalizují dosažení předem určené hranice. Naproti tomu normální analýzou v laboratoři se získávají informace o často jen přechodném stavu výroby a obvykle se značným zpožděním, takže z nich nelze činit spolehlivé závěry, např. pro optimální nastavení výrobních podmínek. Automatická analytická kontrola umožňuje analýzu zpracovávaných surovin, polotovarů, hotových výrobků i odpadů, tedy ve všech stádiích výroby, i analýzu atmosféry provozu nebo závodů. Zahrnuje tedy rozbor plynů, kapalin i tuhách látek. Téměř každý analyzátor lze opatřit signalizačním zařízením mezních stavů nebo blokovacím zařízením. Analyzátor pak dává impuls k příslušným zásahům. Tímto způsobem se zlepší bezpečnost práce a poruchovost výroby se omezí na minimum. Automatické analyzátory jsou nezbytnými při automatizaci především chemických výrob. Analyzátor zasazený ve vhodně volených místech výroby umožní matematickému stroji, aby na základě vložených matematických závislostí vyhledal taková řešení, tj. takové výrobní podmínky, při nichž se dosáhne nejlepší jakosti výrobků a maximálního výtěžků při zajištění co nevětší hospodárnosti výroby.

Strana 13

1.

Význam a úloha analýzy kapalin

Produktivita práce a hospodárnost výroby nelze zvyšovat bez dokonalého zvládnutí měřicí techniky. Modernizace a rozvoj různých výrob založených na zpracování plynů, kapalin i tuhých látek, které často probíhá za náročných výrobních podmínek, klade značné požadavky na přesnost a spolehlivost měřicích metod. Obvykle jde o měření a regulaci teploty, tlaku, množství reagujících látek apod.U chemických nebo jim příbuzných výrob velmi záleží na správném složení látek přiváděných do reakce, na složení polotovarů, hotových výrobků, odpadu. Značný význam má také kontrola složení atmosféry v provozu po stránce toxické nebo z hlediska nebezpečí výbuchu. Zavedení analyzátorů, které obvykle pracují automaticky, lze získat s malý zpožděním spolehlivé informace o kvalitativních i kvantitativních změnách sledované látky. Tyto přístroje umožňují omezit ztráty ve výrobě na minimum, předcházet i poškození výrobních zařízení a zajistit bezpečnosti obsluhy. Použití analyzátorů ve výrobním procesu neobyčejně usnadňuje kontrolu a řízení výroby. Tyto přístroje umožňují vyčíslovat ztráty vznikající při výrobě a zejména hodnotit kvalitu produktů v různých fázích výroby. Zavádění analyzátorů v provozech je velmi efektivní. Za předpokladu, že při chemickém procesu se důležitý výrobek nebo polotovar analyzuje průměrně každé 2 hodiny a rozbor včetně odběru vzorku až po vyhodnocení výsledků trvá 30 minut, spotřebuje se na rozbory při nepřetržitém provozu za rok 2190 hodin, což představuje roční pracovní kapacitu jednoho kvalifikovaného laboranta, popř. chemika. Jeho práci zcela nahrazují automaticky pracující analyzátor. Dosavadní zkušenosti ukazují, že jeden údržbář měřicích přístrojů může zajišťovat bezporuchovou funkci asi 20 analyzátorů, čímž prakticky nahradí 20 analytiků určených pro provozní kontrolu. Produktivita práce se tedy v tomto případě zvyšuje 20 krát.

Strana 15

2.

Obecné vlastnosti kapalin

V kapalné fázi jsou molekuly v neobyčejně těsném styku. Proto mají kapaliny větší hustotu a větší viskozitu, ale menší stlačitelnost a také menší tepelnou roztažnost než plyny. Kromě obecných vlastností [2] se kapaliny liší od plynů zejména tím, že neznáme ani jediný zákon, který by platil v širším rozsahu pro všechny kapaliny, jako je tomu u plynů, kde závislost mezi tlakem, objemem a teplotou je pro všechny plyny prakticky stejná. Fyzikální vlastnosti kapalin závisí především na teplotě a daleko méně jsou závislé na tlaku než plyny. Vliv teploty např. na objem kapalin nelze vystihnout obecně platným vzorcem a proto se vyjadřuje empirickými vzorci:

θt = θ0 (1 + at + bt2 +… ), kde

(2-1)

θt je objem kapaliny při teplotě t, θ0 je objem kapaliny při teplotě 0°C,

a, b jsou konstanty, které jsou pro každou látku jiné.

Musíme proto na různé směsi kapalin pohlížet jako na zvláštní systémy, mající často specifické vlastnosti, mnohdy obtížně definovatelné matematickými vztahy, jako např. elektrolytická vodivost různě koncentrovaných roztoků různých solí, viskozita směsi látek, index lomu apod. Tato skutečnost je velmi závažná při analýze složitých kapalných směsí, zejména při použití metod založených na fyzikálních principech. Závislost fyzikálních vlastností na složení není vždy určena monotónní funkcí.

2.1

Přístroje na měření hustoty kapalin

Přístroj pro kontinuální měření hustoty kapalin [1] lze podle principu měření rozdělit do čtyř skupin. Jsou to 1. hustoměry založené na měření vztlaku, 2. hustoměry založené na měření hydrostatického tlaku, 3. hustoměry pracující na principu vážení, 4. hustoměry využívající absorpce radioaktivního záření. 2.1.1

Hustoměry založené na měření vztlaku

Hustoměry založené na měření vztlaku jsou v podstatě areometry, jejich činnost je založena na Archimédově zákoně. Těleso plovoucí na hladině kapaliny vytlačí tolik kapaliny, kolik samo váží; ponořený objem tělesa je nepřímo úměrný hustotě kapaliny. Laboratorní areometry jsou v podstatě skleněné trubice se stonkem, zatížené olovem nebo rtutí. Provozní areometry jsou řešeny ve formě různě tvarovaných plováků. Je-li hmota areometru m, ponořený objem V a hustota měřené kapaliny ρ, pak podle Archimédova zákona platí vztah m = V . ρ čili ρ =

m V

(2-2)

Strana 16

2.1.1.1


Ukazovací plovákový hustoměr

Plovák tohoto jednoduchého přístroje je zcela ponořen v kapalině a na jeho spodní části je připojen tenký kovový řetízek, který má konstantní váhu na jednotku délky. Váha plováku se mění podle výšky, kterou zaujímá v měřené kapalině (uplatňuje se část váhy řetízku). Poloha plováku pak udává hustotu kapaliny. 2.1.1.2

Hustoměr bez kompenzace teploty

Tento jednoduchý zapisovací hustoměr pracuje na principu areometru (obr. 2-1). Skládá se z válcové nádoby 1, v níž je druhý válec 2, který slouží jako přepad. Ve vnitřním válci 2 je umístěn kovový plovák 3 se stonkem, který je v horní části opatřen zapisovacím perem. Zapisovací pero je přitlačeno na registrační pás papíru, posouvaný hodinovým strojkem [3]. Měřená kapaliny prochází odlučovací nádobkou 7 a vstupuje do spodní části nádoby 1. Sítko 9 zajišťuje laminární průtok kapaliny. Kapalina stoupá válcem 2 a přetéká přes jeho okraj do odpadní trubky. Odlučovací nádobka 7 odstraňuje pěnu, která potom odtéká do odpadu. Do měřené kapaliny je ponořen teploměr, aby se mohla určovat korekce údaje hustoty, se kterou je nutno počítat při změnách teploty měřené kapaliny. Dokonalejší přístroje jsou opatřeny přímo registrujícími teploměry, takže teplota se zaznamenává současně s hustotou. Tento hustoměr pracuje s přesností asi 1 až 2 %, pokud nepřihlížíme k chybám způsobeným změnou teploty. Slouží pro měně náročné měření.

Obr. 2-1. Hustoměr bez teplotní kompenzace

Obr. 2-2. Hustoměr teplotní kompenzací

se

samočinnou

1-válcová nádobka, 2- vnitřní válec, 3- plovák-areometr, 4-kovový stonek areometru, 5- buben s registračním papírem, 6- přítok kapaliny, 7- nádobka na odlučování pěny, 8- přepad, 9- sítko, 10- odpadní trubka, 11- odpad pěny, 12- teploměr

1- ramena vah, 2,3- plováky (areometry), 4nádoba s vhodnou kapalinou, 5- přívod měřené kapaliny, 6- spojovací trubka, 7- přepad, 8- rameno s registračním perem, 9,10,11– stavěcí závaží


2.1.1.3

Strana 17

Hustoměr se samočinnou teplotní kompenzací

Schéma tohoto hustoměru je uvedeno na obr. 2-2. Na ramenech 1 jsou zavěšeny dva plováky, 2 a 3. Plovák 3 je ponořen v kapalině jejíž hustota se zjišťuje, plovák 2 je ponořen ve vodě nebo v jiné vhodné kapalině ve zvláštní nádobě 4, která je obtékána měřenou kapalinou, čímž se dosáhne vyrovnání teploty obou kapalin. Kapalina, v níž je ponořen plovák 2, má mít stejnou závislost na změny hustoty na teplotě jako kapalina měřená. Měřená kapalina se do přístroje přivádí trubkou 5; spojovací trubkou 6 přetéká do měřicí nádobky a z ní odtéká přepadem 7. Změna hustoty měřené kapaliny se projevuje změnou vztlaku plováku 3, čímž dochází k porušení rovnováhy. Výchylka ramen se zapisuje perem uloženým na ramenu 8. Stavěcími závažími 9, 10 a 11 se přístroj vyvažuje, zcitlivuje a mění se jeho měřicí rozsah. Relativní chyba měření se pohybuje kolem ±2%. 2.1.1.4

Hustoměr fy Krohne

Tento hustoměr je vybaven teplotní kompenzací. Poloha areometru se zjišťuje indukční cívkou, která umožňuje snadný dálkový přenos měřené hodnoty i registraci. Hustoměr je průtokový a hodí se pro kontinuální měření. Také ho lze použít jako čidlo pro regulaci [3].

Obr. 2-3. Hustoměr Fy Krohne

Obr. 2-4. Hustoměry Fy Kent

1-areometr, 2- cívka indukčního přenosu, 3- Wheatseonův můstek, 4, 5- zapisovací a ukazovací přístroje, 6- odporové teplotní čidlo, 7,9- přívodní potrubí, 8,10- přepadová nádoba

1- litinová nádoba, 2- víko, 3- plovák, 4- spojovací trubička, 5- nádobka, 6- rameno vah, 7, 8vyrovnávací závaží, 9- rameno, 10- závaží, 11vstup kapaliny, 12- výstup kapaliny, 13, 14- síta zabraňující víření, 15, 16- břity, 17- stojan, 18- rameno k přenosu, 19- magnet, 20- magnetická spojka, 21- kryt ukazatele

Funkční schéma je uvedeno na obr. 2-3. Měřená kapalina přitéká do přepadové nádoby 10 a z ní se odvádí v požadovaném množství do vlastní měřicí nádobky, kde je umístěn

Strana 18


areometr 1. Areometr má skleněný stonek, v němž je zatavená tyčinka z měkkého železa. Stonek areometru zasahuje do dutiny indukční cívky 2. Údaje hustoměru jsou indikovány nebo registrovány přístrojem se zkříženými cívkami, který po ocejchování udává přímo hustotu měřené kapaliny. Vliv teploty je kompenzován odporovým teploměrem 6, umístěným v měřené kapalině a elektricky zapojeným do elektrického obvodu. (Se stoupající teplotou stoupá odpor odporového teploměru, hustota se zmenšuje.) Hustoměry vyžadují průtok asi 20 až 50 l/h, obsah měřicí nádoby je asi 1 litr. Maximální změna polohy areometru může dosáhnout až 150 mm. Změna hustoty odpovídající změněn polohy areometru o 1 mm činí 0,00013 g/cm3 , takže přístroj je pro provozní účely velmi citlivý. 2.1.1.5

Hustoměr fy Kent

Tímto přístrojem se měří vztlak působící na plovák, která je naplněn srovnávací kapalinou a ponořen v kapalině, jejíž hustota se zjišťuje [3]. V litinové nádobě 1 (obr. 2-4), která je neprodyšně uzavřena víkem 2, je uložen plovák 3. Plovák je propojen s nádobkou 5 prostřednictvím trubičky 4, která zasahuje ke dnu. K nádobce 5 je připojeno rameno 9 se závažím 10, kterým lze měnit rozsah přístroje. Měřicí ústrojí je kyvně uloženo na břitech 15 a 16. Nulová poloha přístroje se seřizuje závažím 7 a 8. Rameno 18 nese magnet 19, jehož pohyb se přenáší magnetickou sojkou 20 na ukazatel 21. Měřicí systém je v rovnováze, rovná-li se hustota měřené kapaliny hustotě kapaliny srovnávací. Zvětší-li se hustota měřené kapaliny, plovák stoupá, jestliže se zmenší, plovák klesá. Výchylka závaží 10 je tedy závislá na těchto změnách. Vliv změny teploty se odstraní tím, že se plovák 3 naplní kapalinou, která má stejná teplotní součinitel hustoty jako kapalina měřená. Změny teploty měřené kapaliny sleduje náplň plováku, což se projeví změnami objemu. Změnou teploty se tedy mění váha plováku protože z něho buď část srovnávací kapaliny vytéká, nebo se naopak nasává z nádobky 5. váha plováku se mění právě o tolik, o kolik se změnil vztlak vlivem změny teploty. Síta 13 a 14 zabraňují víření vstupující kapaliny. Přístroje tohoto typu jsou buď ukazovací nebo zapisovací. Relativní chyby přístroje je asi ±2%. 2.1.2 Hustoměry založené na měření hydrostatického tlaku 2.1.2.1 Hustoměr pro měření hydrostatického tlaku bez teplotní kompenzace Tlakový vzduch se u hustoměru tohoto typu přivádí přes regulátor průtoku do měřené kapaliny. Hladina se musí přesně udržovat na konstantní výši. Tlaková diference ∆p je dána známým vztahem ∆p = ρ ⋅ h , kde

∆p je tlaková diference, p.cm-2, ρ je hustota kapaliny, g.cm-3, h je výška hladiny kapaliny, cm.

(2-3)


Strana 19

Aby byla zaručena stálá výška hladiny h , jsou do kapaliny ponořeny dvě trubky, jejichž ústí je od sebe vzdáleno o určitou výšku h. Rozdíl tlaku vzduchu v obou trubkách je závislý pouze na hustotě kapaliny a měří se plovákovým nebo membránovým diferenčním manometrem. V jednodušším provedením může bát použito i diferenčního manometru U. Údaj manometru po ocejchování přímo udává hustotu měřené kapaliny. 2.1.3 Hustoměry založené na principu vážení Tyto hustoměry v podstatě využívají pyknometrického způsobu určování hustoty kapalin. Měření hustoty lze převést na zjišťování hmoty určitého objemu podle vztahu ρ rel = kde

2.1.3.1

m , mV

(2-4)

ρ rel je relativní hustota, m je hmota měřené kapaliny, mv je hmota srovnávací kapaliny, nejčastěji destilované vody. Hustoměr Spezifometr

Spezifometr vyráběný firmou Hydro-Appatarevauanstalt je založen na principu vážení. Na ramenech vah jsou zavěšeny dvě nádoby stejného objemu. Jedna je plněna kapalinou, jejíž hustota se měří, druhá kapalinou srovnávací. Vliv teploty je kompenzován bimetalickým teploměrem, který přímo koriguje údaje zapisovače. Nejmenší měřicí rozsah odpovídá změnám hustoty 0,1 g/cm3 . Spezifometr je vhodný zejména pro měření hustoty těkavých kapalin a používá se často v rafinériích. Podobná přístroj vyvinula firma BASF. 2.1.3.2

Hustoměry s pneumatickým přenosem založené na principu vážení

Tyto hustoměry jsou konstruovány tak, že měřená kapalina protéká trubicí, jejíž váha se určuje. Hodí se i pro měření hustoty suspenzí, kapalin obsahujících mechanické nečistoty apod. Vyrábí je několik firem v přibližně stejném provedení, z nichž jedno je znázorněno na obr. 2-5. Kapalina jejíž hustota se měří vstupuje do přístroje přívodem 1 a vytéká odvodem 2. Aby kovová trubice 3 byla dostatečně pohyblivá, je přívod i odvod propojen kaučukovými hadičkami 4. Trubice 3, zpravidla z nerezové oceli, je rozdělena na dvě části propojené kaučukovou hadičkou 5, aby se snadno čistila. Měřená trubice 3 je uchycena ve zvláštním držáku 6, která je otočně uložena na hřídeli 7 a je propojena s dvouramenným vahadlem 8 kovovým táhlem 9. Vahadlo 8 je uchyceno na otočné ose 10. Pro jeho vyvážení je použito závaží 11; krajní polohy vahadel jsou fixovány zarážkou 12. Je-li trubice 3 naplněna vodou, je měřicí systém vyvážen závažím 11 tak aby byl v rovnováze. Rameno 8 je propojeno táhlem 13 s vlnovcem 14, tvořícím tzv. zpětnou vazbu měřicího systému. Poloha vahadla se snímá pneumaticky. Pomocný plyn (nejčastěji vzduch konstantního tlaku 1,4 kp/cm2 ) se přivádí přívodem 15 a uniká tryskou 16, opatřenou klapkou 17. Jestliže rameno 8 oddaluje klapku 17 od trysky 16, výstupní tlak vzduchu klesá, když je tomu naopak, stoupá. Mírou hustoty je tedy tlak, který se snímá vhodným diferenčním manometrem zapojeným na vývod 18. Měřicí rozsah lze měnit pomocným závažím zavěšeným v zoubcích 19 vahadla 8.

Strana 20


Obr. 2-5 Hustoměr s pneumatickým přenosem založený na vážení 1- přívod měřené kapaliny, 2- odvod měřené kapaliny, 3- kovové trubice, 4, 5- kaučukové hadičky, 6- držák, 7- hřídel držáku, 8- dvouramenné vahadlo, 9, 13- táhla, 10- otočná hřídel, 11- zarážka, 12- závaží, 14- vlnovec, 15- přívod vzduchu, 16tryska, 17- klapka, 18- vývod laděného tlakového vzduchu, 19- zoubky vahadla pro zavěšení pomocného závaží

Hustoměry tohoto typu se používají pro měření naftových výrobků. 2.1.4

Hustoměry využívající absorpce radioaktivního záření

Při použití radioaktivních izotopů pro měření hustoty kapalin se zpravidla volí záření γ. Záření β nebo α je méně vhodné, jelikož má malý dolet. Nejčastěji se používá radioaktivního izotopy Co60 s poločasem 5,3 let nebo Cs137 s poločasem 33 let. Záření γ je elektromagnetické vlnění jádry atomů a charakterizované vlnovou délkou udávanou obvykle v jednotkách x(x = 10-11 cm). Prostup záření γ látkou je provázen rozptylem a absorpcí jednotlivými atomy látky. Zeslabování záření má exponenciální charakter:

I = Ioe-md , kde

(2-5)

I je intenzita záření vystupujícího z prostředí, Io je počáteční intenzita záření vysílaného zdrojem, e je základ přirozených logaritmů, µ je lineární absorpční koeficient, cm-1, d je tloušťka vrstvy absorbující látky, cm.

Jestliže se spektrum záření γ skládá z několika vlnových délek, lze příslušné zeslabení vyjádřit vztahem

I = I1 + I2 + . . . = I01e –m1d + I02e –m2d + . . . , kde

(2-6)

µ 1, µ 2 jsou lineární absorpční koeficienty záření určité vlnové délky, d je tloušťka vrstvy absorbující látky, cm.

Absorbující látka, složená z několika komponent, má lineární koeficient zeslabení µ, vyjádřený vztahem ⎛µ ⎞ ⎛µ µ = g 1 ⎜⎜ 1 ⎟⎟ + g 2 ⎜⎜ 2 ⎝ ρ1 ⎠ ⎝ ρ2

kde

⎞ ⎟⎟ + . . . , ⎠

g1, g2 jsou příslušná váhová množství jednotlivých složek směsy, ρ1, ρ2 jsou příslušné hustoty.

(2-7)


Strana 21

Kromě lineárního koeficientu zeslabení µ a hmotového koeficientu zeslabení µ / ρ se často používá koeficientu zeslabení elektronového µ e a atomového µ a . Mezi µ / ρ, µ e a µ a platí tato závislost:

µe = kde

µ

(ρ ⋅ N ⋅ Z )

, µa= µe . Z,

(2-8)

N je Avogadrovo číslo, N = 6,02 . 1023 , Z je pořadové číslo prvku.

Koeficient atomového i elektronového zeslabení má rozměr cm2. Proto se koeficienty µa a µe často nazývají efektivní příčný průřez. Zeslabování elektromagnetického záření je složitý pochod. Dosud je známo 12 elementárních pochodů vzájemného působení paprsků γ s prozařovanou látkou. Při měření zpravidla vycházíme ze základního poznatku, že pro zeslabení intenzity radioaktivního záření I1 / I2, která prošla dvěma stejnými vrstvami kapalin tloušťky d, ale rozdílné hustoty ρ1 a ρ2, platí: I1 = e –m.d (r2 – r1) = e –m.d..Dr I2

(2-9)

Pro měření intenzity radioaktivního záření jsou nejrozšířenější typy přístrojů ionizační komory, Geigerovy- Millerovy počítače a sčítače scintilační. 2.1.4.1

Jednoduchý hustoměr založený na principu absorpce radioaktivního záření

U tohoto přístroje se používá záření γ, jehož intenzita s měří vhodným přístrojem, přímo cejchovaným v jednotkách hustoty. Radioaktivní záření vychází ze zdroje a prochází potrubím jímž protéká měřená kapalina, a dopadá na detektor záření. Signál detektoru se zesiluje zesilovačem a registruje přístrojem cejchovaným v jednotkách hustoty. 2.1.4.2

Kompenzační hustoměr založený na principu absorpce radioaktivního záření

Radioaktivní záření vychází ze zdroje. Jeden svazek paprsků prochází potrubím jímž protéká měřená kapalina, a dopadá do měřicí ionizační komory. Druhý svazek paprsků dopadá buď do druhé kompenzační měřicí komory přímo nebo prochází dříve kyvetou ve srovnávací kapalině.

2.2

Viskozita

Dynamickou viskozitou η vyjadřujeme míru vnitřního tření v tekutině velikostí odporu, který tekutina klade pohybu těles. Dynamická viskozita je podle Newtonova zákona dána poměrem tečného napětí τ a rychlostního gradientu:

η =

τ

(Pa.s; Pa, m.s-1 , m )

(2-10) dw dx Hlavní jednotkou dynamické viskozity je paskalsekunda (Pa.s). 1 Pa.s je dynamická viskozita laminární proudící kapaliny, ve které při gradientu rychlosti 1 s-1 napříč proudu

Strana 22


vzniká tečné napětí 1 Pa. Kapaliny, které se řídí Newtonovým zákonem, tzn., že mají konstantní dynamickou viskozitu při změně tečného napětí, se nazývají „Newtonovské kapaliny“. Kapaliny, které se neřídí Newtonovým zákonem se nazývají „nenewtonovské kapaliny“. Tyto kapaliny nelze charakterizovat jedinou fyzikální konstantou úměrnosti. Kinematická viskozita ν je dána vztahem

v=

η 2 (m .s-1; Pa.s, kg.m-3) ρ

(2-11)

Hlavní jednotkou kinematické viskozity je metr čtvereční za sekundu (m2.s-1). Pro měření viskozity se používají přístroje, nazývané viskozimetry. Podle principu funkce jsou viskozimetry kapilární, rotační a plovákové [4]. 2.2.1

Kapilární viskozimetr

Kapilární viskozimetr [4] pracuje na principu Hagen-Poiseuillova zákona, platícího pro průtok tekutiny kapilárou světlostí d a délky l. Přitom platí lineární závislost průtoku Qv na tlakovém spádu ∆p na kapiláře:

QV =

π ⋅ d 4 ⋅ ∆p 128 ⋅ l ⋅ η

(2-12)

Při konstantním průtoku kapilárou je viskozita η přímo úměrná diferenci ∆p

η=

π ⋅ d 4 ⋅ ∆p 128 ⋅ l ⋅ QV

= k ⋅ ∆p

(2-13)

Základní podmínkou správné funkce přístroje je konstantní průtok kapilárou. Toho lze docílit čerpadlem, přepadem apod. Zařízení můžeme použít pro široký rozsah viskozity průmyslových tekutin. Je velmi jednoduché a může pracovat za vysokých tlaků a teplot. Použitím převodníku tlakové diference na unifikovaný výstupní signál se získá dálkový přenos údaje. 2.2.2

Rotační viskozimetr

Rotační viskozimetr [4] využívá přímé úměrnosti dynamické viskozity a třecí síly, kterou působí kapalina na pohybující se plochu. Přistroj při své činnosti využívá Newtonova zákona a je uspořádán tak, že do válcové nádoby, otáčející se konstantní rychlostí a naplněné vyšetřovanou kapalinou, je ponořen soustředně uložený válec, otočný kolem své vlastní osy a fixován spirální pružinou rotující nádoba přenáší svůj pohyb vnitřním třením kapaliny a třením o stěnu na zavěšený válec. Viskozita měřené kapaliny se určuje podle úhlu natočení válce. Pláštěm viskozimetru protéká voda, udržovaná termostatem na konstantní žádané teplotě. Provozní viskozimetr je uspořádán opačně. Poháněcí jednotka otáčí zvonem, který se ponořuje do měřené kapaliny, která musí být v klidu. Odpor proti otáčení zvonu v kapalině, který je funkcí dynamické viskozity, se vyhodnocuje v elektrickém obvodu a ukazovací přístroj může mít stupnici kalibrovánu přímo v jednotkách dynamické viskozity.


2.2.3

Strana 23

Plovákový viskozimetr

Plovákový viskozimetr [4] pracuje na podobném principu jako viskozimetr rotační. Konstantní množství měřené kapaliny protéká kuželovitou trubicí (obdobně jako u plovákových průtokoměrů), ve které jsou uloženy dva plováky, tak jak schematicky ukazuje obr. 2-6.

Obr. 2-6 Plovákový viskozimetr Spodní plovák je citlivý na změnu třecí síly, horní plováček je vůči změnám viskozity resistentní (má ostrou hranu v místě nejvyšší průtočné rychlosti). Předepsané konstantní průtočné množství nastavím a udržujeme podle polohy horního plováku na stálé hodnotě. Poloha dolního plováku je úměrná měřené viskozitě. 2.2.4

Význam měření viskozity

Pro četné látky je viskozita charakteristickou vlastností. Například při výrobě plastických hmot lze pomoci viskozity sledovat stupeň polymerace; ropné i jiné výrobky se v mnoha případech klasifikují podle viskozity. Na první pohled se nezdá důležité, zda určitá látka je látkou newtonovskou nebo nenewtonovskou. Ve skutečnosti je však toto zjištění velmi důležité, zejména např. při hodnocení jakosti mazacích olejů, tuků, past, nátěrových hmot i jiných látek. Praktický účinek tixotropie známe u používání některých barev. Jakmile štětcem rozetřeme barvu, tj. když barva není již v pohybu, její viskozita náhle vzroste, a to dříve, než má čas se roztéci, stopy štětce zůstanou viditelné. Přidáním např. lněného oleje tixotropie mizí a taky štětce se neobjevují. Konsistentní mazací tuky jsou látkami typicky tixotropními; v ložisku s pomalu se otáčejícím hřídelí jsou málo tekuté, v ložisku s rychle se otáčejícím hřídelí jsou mnohem tekutější. V těchto případech je viskozita důležitou vlastností, charakterizující mazací oleje. Z uvedeného je zřejmé, že je třeba velmi kriticky vážit výsledky měření viskozity [1] získané dosavadními obvyklými způsoby, pokud nejde o kapaliny prokazatelně newtonovské. Naopak sledování viskozity podle gradientu rychlosti může poskytnout velmi cenné poznatky pro technologii i pro posuzování jakosti různých produktů a její zlepšování.

Strana 24

2.3


Koncentrace vodíkových iontů (pH)/potenciometrie/

Základní vlastnosti vodních roztoků jsou určovány koncentrací vodíkových iontů. V neutrálním roztoku je stejný počet vodíkových i hydroxilových iontů. Součin koncentrací obou druhů iontů je stálý, tj. (CH+) . ( COH-) = 1,008.10-14 = kv což znamená, že každé zvětšení obsahu vodíkových iontů zmenšuje koncentraci hydroxilových iontů a naopak. Pro udávání stupně kyselosti nebo zásaditosti kapaliny bylo zavedeno označení vodíkového exponentu pH = - log CH+. Kyselé prostředí má hodnotu pH menší než 7. pro neutrální roztok je pH = 7 a zásaditý roztok má pH větší než 7. Pro provozní měření pH se používá převážně potenciometrické sondy. Snímačem jsou elektrodové články, skládající se z měřicí a srovnávací elektrody. Měřicí elektroda má potenciál závislý na koncentraci vodíkových iontů, kdežto potenciál srovnávací je na hodnotě pH roztoku nezávislý. Měřítkem pH je rozdíl potenciálů mezi oběma elektrodami. Teplota má značný vliv na měřený potenciální rozdíl a proto je nutno kompenzovat vliv teploty měřeného roztoku. V měřicím obvodu je obvykle k tomuto účelu zabudován odporový teploměr, ponořený s elektrodami v měřeném roztoku. Jako měřicích elektrod se používá nejčastěji skleněných a vizmutových elektrod. Nejpoužívanějšími elektrodami srovnávacími jsou kalomelové a chloridostříbrné elektrody [4].

a)

b)

c)

antimonová měřicí elektroda skleněná měřicí elektroda kalomelová srovnávací elektroda

Obr. 2-7. 2.3.1

Elektrody pro měření pH Skleněná měřicí elektroda

Skleněná měřicí elektroda je uvedena schematicky na obrázku 2-7a). Závislost potenciálu na hodnotě pH je lineární. Elektroda je svislá silnostěnná trubice, která má ve spodní části vytvořenou komůrku, uzavřenou tenkou skleněnou membránou. Komůrka je naplněna ústrojným roztokem, do něhož zasahuje chloridostříbrná elektroda. Elektroda prochází trubicí a připojuje se k měřicímu obvodu kabelem. Podle vnitřního odporu rozlišujeme skleněné elektrody nízkoohmové a vysokoohmové. Nízkoohmové elektrody o odporu (0,2 až 5 MΩ) jsou vhodné pro laboratorní práce. Vysokoohmové elektrody o odporu (10 až 103 MΩ) jsou vhodné pro provozní měření, jsou malého průměru a tenkostěnné.


Strana 25

Skleněné elektrody udávají správné hodnoty v rozsahu (1 až 9,5) pH, v rozsahu < 1 pH udávají vyšší hodnoty, v rozsahu nad 9,5 pH udávají nižší hodnoty. Jendou použitá skleněná elektroda musí být stále vlhká; po měření musí být trvale ponořena v destilované vodě. 2.3.2

Antimonová měřicí elektroda

Antimonová měřicí elektroda je nerozšířenější průmyslově používanou elektrodou a to ve formě tyče nebo kroužku. Kroužková elektroda má výhodu možnosti automatického čištění jejího povrchu. Konstrukční provedení této elektrody je uvedeno na obr. 2-7b). Antimonový kroužek je zavulkanizován v kotouči z tvrzené pryže. Potenciál antimonové elektrody je závislý též na jakosti povrchu elektrody, na pohybu roztoku u povrchu elektrody a na koncentraci rozpuštěného vzduchu a kyslíku v roztoku. 2.3.3

Kalomelová srovnávací elektroda

Kalomelová srovnávací elektroda je schematicky uvedena na obr. 2-7c). Ve skleněné válcové nádobce je nasycený roztok KCl, který difunduje membránou ve dně nádobky do měřeného roztoku. Vlastní kalomelová elektroda je umístěna v dole zatavené trubce uložené v nádobce s roztokem KCl. V trubce je kapka rtuti, do které zasahuje platinový drát. Povrch rtuti je pokryt vrstvou chloridu rtuťnatého- kalomelu ( Hg2Cl2). Rtuť je utěsněna zátkou z buničité vaty. Tuto elektrodu lze používat do teploty roztoku 70°C. Platinový drát je připojen kabelem na měřicí obvod.

Obr. 2-8: principiální zapojení pH- metru Celkové napětí U je pro skleněnou měřicí elektrodu dáno vztahem: U = U1 – KN ( pHX – pHi ) + UA – U2, kde

U1 (mV) je potenciál elektrody, U2 (mV) je potenciál srovnávací elektrody, KN = 1/ 2,303 . RT/F je Nernstova konstanta srovnávací elektrody (mV), je plynová konstanta, R ( J.kg-1 .K-1 ) T(K) je absolutní teplota, pHX ( 1 ) pH měřeného roztoku, pHi ( 1 ) ústrojného roztoku měřicí elektrody, asymetrický potenciál skleněné elektrody, UA (mV) 7 F = 9,649.10 C. kmol-1 je Faradayova konstanta.

(2-14)

Strana 26


Nernstova konstanta kalomelové elektrody je rovna KN = 237,6 – 0,65 (θ - 25 °C ) (mV) a udává teplotní závislost potenciálu elektrody. 2.3.4

Chloridostříbrná srovnávací elektroda

Chloridostříbrná srovnávací elektroda se liší od kalomelové elektrody uspořádáním vnitřní elektrody. Platinový Drát je zde prodloužen stříbrným drátem s povrchem pokrytým AgCl. Elektrody jsou umístěny v armaturách, tj. snímačích pH v provedení jako průtočné nebo ponorné. Největší potíže při průmyslovém měření pH způsobují usazující se nečistoty na měřicích elektrodách. Proto se provádí automatické čištění elektrod, např. obstřikem vodou, ultrazvukem, mechanicky apod. Měření pH se provádí ve velké míře při úpravě napájecí vody pro kotle, při změkčování vody, karbonaci, koagulaci a při úpravě odpadních vod. Pro měření pH se používají potenciometrické metody, měření potenciálu mezi ponořenými elektrodamiměřicí a srovnávací. Potenciál se měří kompenzační metodou. Schéma zapojení pH-metru je uvedeno na obr. 2-8. Obvod pH-metru je napájen pomocným stejnosměrným napětím. Elektrody pH-metru jsou připojeny na zesilovač s vysokým vstupním odporem (řádově 1011Ω). Teplotní závislost údaje pH-metru se kompenzuje zařazením odporového teploměru do obvodu pH-metru a ponořeného v měřeném roztoku. 2.3.5

Provozní měření pH

Měření pH v provozních podmínkách je mnohem obtížnější než v laboratořích [1]. Obvykle jde o dlouhodobé měření, při nichž se mohou na elektrodách usazovat nečistoty, které často způsobují chyby měření nebo dokonce měření znemožňují. Elektrody lze čistit 1. omýváním, 2. mechanicky nebo 3. ultrazvukem. Omývání elektrod je pracné a mnohdy málo účinné; mechanické čištění v mnoha případech vyhovuje, zkracuje však životnost elektrod. Nejdokonalejšího čištění lze dosáhnout ultrazvukem. V provozních podmínkách lze elektrody umístit buď přímo do reaktoru (pak mluvíme o tzv. ponorných elektrodách), nebo elektrody zasazujeme do obchvatu k reaktoru (v takovém případě se elektrody nazývají průtokové). Za některých okolností je výhodné zasadit elektrody přímo do potrubí, kterým prochází měřená kapaliny. Přednosti a nevýhody ponorných a průtokových elektrod vyplývají z přehledu v tabulce č. 2-1.

Tabulka č. 2-1: Porovnání ponorných a průtokových elektrod při měření pH čerpání vzorku manipulace s elektrodami kontrola, cejchování, čištění elektrod dopravní zpoždění dlouhodobé měření regulace pH investiční náklady

Elektrody ponorné

Elektrody průtokové

není zapotřebí poměrně obtížná obtížná prakticky žádné méně výhodné výhodné poměrně nízké

je nutné snadná snadná poměrně značné výhodné méně výhodné poměrně vysoké


2.4

Strana 27

Elektrická vodivost kapalin /konduktometrie/

Na základě elektrické vodivosti kapalin [4] lze stanovit množství i druh soli v ní rozpuštěné. Výsledek měření se obvykle vztahuje na vodní roztok chloridu sodného (NaCl), protože jeho vodivost odpovídá stření vodivosti běžných roztoků. Přitom roztok 1mg NaCl v 1 litru vody o teplotě 20 °C odpovídá vodivosti 1,9 µS. Elektrická vodivost k je rovna převrácené hodnotě elektrického odporu R:

K=

1 (S, Ω) R

(2-15)

Podobně měrná vodivost κ je rovna převrácené hodnotě měřeného odporu ρ, tedy

1

1 l R S

l S

κ = = ⋅ =K ⋅ =K ⋅C ρ

(S m -1 ; Ωm)

(2-16)

Elektrická vodivost kapalin K se měří dvěma elektrodami o ploše S ve vzdálenosti ℓ. Poměr ℓ / S = C nazýváme elektrodovou konstantou C. Měrná elektrická vodivost κ vyjadřuje vodivost kapaliny mezi elektrodami o ploše 1m2 a vzdálenými od sebe 1m. Protože se vodivost K mění s teplotou, je nutno vliv změny teploty měřené kapaliny kompenzovat. Aby se zabránilo polarizaci elektrod, používá se střídavého proudu i kmitočtu 50Hz až 1 kHz. U nás vyráběla měřiče vodivosti firma ZPA jednak pro nízké koncentrace, tj. do 0,03 Sm -1 a pro střední koncentrace, tj. do 3,00 Sm -1. Průtok kapaliny průtokovým snímače je (15 až 20) lh-1. teplota kapaliny se měří odporovým teploměrem. Převodník pro zpracování výstupního signálu obsahuje stabilizovaný zdroj, korekční jednotku s magnetickým zesilovačem, usměrňovač a potenciometr pro kompenzaci teploty kapaliny v rozsahu 1080°C. Na měřič lze připojit ukazovací nebo zapisovací přístroj, popř. regulátor. Přesnost měření je 2%. Pro měření vodivosti kondenzátu je měřič vybaven chladičem a redukčním ventilem. Změnu elektrické vodivosti kapaliny lze využít i k měření koncentrace rozpuštěných plynů v kapalině. Velký význam má toto měření pro kvalitu napájecí vody. 2.4.1

Analyzátory kapalin založené na měření elektrolytické vodivosti

K měření koncentrace kyselin, zásad a především solí lze s výhodou použít konduktometrických metod. Pro malé koncentrace lze závislost na koncentraci vyjádřit přibližně přímkou. 2.4.1.1

Analyzátor kondenzátu vodní páry

Určen ke kontrole kondenzátu parních kotlů. Měří se při teplotě 40 – 80°C, protože v tomto rozmezí jsou údaje přístroje na teplotě nezávislé. Stupnice přístroje je cejchována v µS při 20°C. Analyzovaná vodní pára se odebírá z tlakového potrubí škrtící kapilárou jejíž délka se řídí tlakem páry. Vodní pára se po redukci tlaku kapilárou vede do chladiče a dále vtéká do průtokového čidla. Kondenzát se ochlazuje na teplotu 40 až 80°C (nejvýhodnější je 50°C) a protéká čidlem množství 15 až 25 l/h. Soli v kondenzátu obsažené mají přibližně stejnou poměrovou vodivost, vztaženou na NaCl.

Strana 28

2.4.1.2


Nízkofrekvenční bezelektrodový konduktometr

Obtíže, které vznikají při používání klasické metody tím, že na elektrodách se mohou usazovat různé nečistoty, plísně, bublinky plynu apod., daly podnět k vývoji bezelektrodových konduktometrů. U bezelektrodových konduktometrů měřená kapalina (elektrolyt), protéká trubicí z izolačního materiálu, tvoří závity transformátoru. Budicím transformátorem se v elektrolytu vytváří proud, určovaný napětím transformátoru E pro jeden závit a odporem R elektrolytu: E R

I=

(2-17)

Tento proud se měří měřicím transformátorem na jehož výstupu je napětí E1. Označíme-li konstantu měřicího transformátoru k1, můžeme měřený proud definovat výrazem

I=

E = k1 . E1 R

(2-18)

E k 1 ⋅ E1

(2-19)

Hledaný odpor elektrolytu je pak

R=

Při konstantním průřezu elektrolytického vodiče q a jeho délce l je specifická vodivost κ dána vztahem k ⋅E l E 1 l κ= ⋅ = 1 1 ⋅ = C⋅ 1 , (2-20) R q E q E kde C je konstanta.

Údaje přístrojů tohoto typu jsou zatíženy chybou vzniklou kolísáním napětí a frekvence napájecí sítě. Tento nepříznivý vliv lze snadno odstranit použitím kompenzačního zapojení. Při tomto uspořádání je magnetický tok v měřicím transformátoru, vyvolaný proudem I1 v elektrolytickém vodiči, kompenzován magnetickým tokem proudu I2, který se od prvního toku odečítá. Proud I2 se mění odporem RN tak, aby nulový indikátor byl bez proudu. Potom při rovnosti závitů elektrolytického i kovového vodiče je zřejmé, že I1 = I2 a tedy i R = RN. Měřená specifická vodivost elektrolytu je pak dána vztahem

κ=

l RN ⋅ q

= C1 ⋅

1 RN

(2-21)

a je tedy nepřímo úměrná kompenzačnímu odporu RN. Měření je pak v dosti širokých mezích nezávislé na budícím napětí a frekvenci. Použijeme-li pro vyrovnání odporu RN balančního motorku konduktometru, pracuje přístroj automaticky. Elektrolyt protéká měřicím závitem a výstupní napětí měřicího transformátoru je zesilováno a přes diskriminátor je ovládán balanční motorek, který posunuje běžec kompenzačního odporu RN tak dlouho, až nastane vyrovnání. Vliv teploty, projevující se změnou elektrolytické vodivosti měřeného roztoku, se kompenzuje tak, že v sérii s proměnným odporem RN je zapojen Wheatsonův můstek s odporovým čidlem 100 ohmů, umístěným v měřeném roztoku. Napětí z diagonály můstku se přivádí na vinutí měřicího transformátoru.


2.4.2

Strana 29

Vlivy působící na přesnost měření elektrolytické vodivosti

Předpokladem pro správné měření elektrolytické vodivosti je čistý povrch elektrod a izolace celého zařízení. Jsou.li elektrody znečištěny, dostáváme příliš nízké údaje, špatný stav izolace zase způsobuje, že údaje jsou naopak příliš vysoké. Proto se elektrody musí v určitých časových intervalech, především před kontrolním měřením, vyčistit. Elektrody s lesklým povrchem se čistí krátkodobým ponořováním do kyseliny chrómsírové. Usazené uhličitany se rozpouštějí ponořením elektrod do zředěné kyseliny chlórovodíkové. Nakonec se důkladně opláchnou v destilované vodě. Povrch elektrod s platinovou černí se po určité době musí obnovovat. Uhlíkové elektrody se regenerují oplachováním destilovanou vodou. Izolační odpor jednotlivých obvodů měřicího zařízení navzájem i proti zemi má být větší než 10 megaohmů. Elektrolytickou vodivost lze provozními přístroji měřit s přesností asi na ±3%. Vliv kolísání teploty může způsobit chybu 1,5 až 7%. Při měření elektrolytické vodivosti kondenzátu vodní páry mohou rušivě působit CO2, NH3, hydrazin apod. 2.4.3

Zhodnocení konduktometrických metod

Konduktometrie má široké použití. Umožňuje analýzu kapalin se značnou přesností a citlivostí, přičemž přístrojové zařízení je poměrně jednoduché. Signálu lze využít k regulaci různých procesů. Měření elektrolytické vodivosti je metodou neselektivní. Změny vodivosti podávají obraz o změněn počtů iontů v roztoku, avšak neurčují, které ionty tuto změnu způsobily. V koncentrovanějších roztocích nelze předpokládat úplnou disociaci látek způsobujících elektrolytickou vodivost, takže ta pak není jednoduchou funkcí koncentrace. V některých případech se na elektrodách usazují nečistoty, takže elektrody se občas musí vyjmout a očistit. Celková údržba zařízení je však přesto jednoduchá a poměrně nenáročná. Zásadní význam má měření elektrolytické vodivosti v praních elektrárnách, kde se tak kontroluje čistota páry a napájecích vod. V cukrovarnictví se touto metodou zjišťuje obsah minerálních látek rozpuštěných v cukerné šťávě, v textilním průmyslu slouží ke kontrole vody pro barvicí lázně při zpracování vlny a bavlny. V chemickém průmyslu se měření vodivosti používá např. k určování koncentrace kyselin, zásad nebo různých solí a také při kontrole odpadních vod. Ve vodním hospodářství se tak sleduje kvalita pitné vody.

2.5

Absorpce záření

Zde budou uvedeny analyzátory založené na absorpci viditelného záření (kalorimetry), na jeho rozptylu (nefelometry) a analyzátory využívající absorpce ultrafialového a infračerveného záření. Z uvedených přístrojů jsou v praxi nejvíce rozšířené kolorimetry a analyzátory infračervené [1]. 2.5.1

Analyzátory založené na absorpci ultrafialového záření

Ultrafialové analyzátory umožňují určovat především látky aromatické, látky heterocyklické, acetylén apod., z anorganických chlór, fosgen, kysličník siřičitý, kysličník dusičitý, karbonyl, rtuť, ozón apod. Parafinické uhlovodíky, inertní plyny, kysličník uhelnatý, kysličník uhličitý a voda nevykazují absorpci v ultrafialové oblasti. Jako rozpouštědel nebo zřeďovadel, která nepohlcují ultrafialové záření, se může používat např. Hexanu, izooktanu, etylalkoholu a dalších.

Strana 30


Je zřejmé, že jen určité látky vykazují absorpci v ultrafialovém oblasti. To bývá výhodné při analýze vícesložkových směsí, např. alifatických a aromatických látek. V takových případech lze ultrafialovými analyzátory dosáhnout větší selektivity měření než např. u infračervených analyzátorů, jelikož infračervené záření absorbují všechny organické látky. 2.5.2

Analyzátory založené na absorpci viditelného záření

Analyzátory založené na absorpci viditelného záření- kolorimetrické analyzátory neboli automatické kolorimetry, využívají absorpce viditelného světla analyzovanou látkou. Princip měření je založen na Lambertově- Beerově zákoně. Kolorimetrickými analyzátory lze určovat kapaliny, které jsou buď samy barevné nebo u nichž se příslušného zabarvení dosáhne chemickou reakcí pomoci vhodného kolorimetrického činidla. Kolorimetrické analyzátory kapalin dělíme na analyzátory bez pomocné reakce a analyzátory s pomocnou reakcí. Kolorimetrické analyzátory mohou pracovat kontinuálně nebo periodicky. Periodický způsob má tu výhodu, že se spotřebuje méně reagencí, jelikož perioda jednotlivých měření je asi 5 minut až několik hodin. Tato metoda je vhodná ke kontrole a registraci provozních pochodů, kdy dochází k pomalým změnám koncentrace určované látky a je nutné v případech, kdy ustanovení rovnováhy analytické reakce trvá delší dobu. Při kontinuálním měření se nepřetržitě spotřebovává jeden nebo několik reagenčních roztoků, takže spotřeba chemikálií je poměrně značná. Výhodou tohoto způsobu je však poměrně malé zpoždění údajů (20 vteřin až několik minut). Zvlášť dobře se tato metoda hodí k řízení nebo regulaci různých procesů, popř. i k signalizaci nebezpečných koncentrací rozmanitých látek. 2.5.2.1

Kolorimetry s jedním detektorem záření

Automatické kalorimetry s jedním detektorem záření mohou být jednopaprskové i dvoupaprskové. Schéma jednopaprskového analyzátoru se selénovým fotoelektrickým článkem je uvedeno na obr. 2-9. Analyzátorů tohoto druhu se používá v případech, kdy není nutno eliminovat vliv doprovázejících složek nebo jiných proměnných faktorů. Nepříznivě se zde projevuje stárnutí detektoru záření, vedoucí ke změně citlivosti.

Obr. 2-9 Schéma jednoduchého kolorimetru s jedním detektorem záření 1 – světelný zdroj, 2 – kyveta, kterou prochází analyzovaná směs, 3 – selenový fotoelektrický článek, 4 – měřicí přístroj

Dokonalejším typem jsou dvoupaprskové analyzátory s jedním zdrojem záření a jedním detektorem záření. Jako indikátor záření lze použít selenového fotoelektrického článku nebo vhodné fotonky.


2.5.2.2

Strana 31

Kolorimetry se dvěma detektory záření

Tyto analyzátory jsou velmi rozšířeny a hodí se jak pro analýzu barevných plynů tak i pro analýzu kapalin. Schéma přístroje je uvedeno na obr. 2-10. Ze zdroje záření 1 vychází světelné paprsky, které se odráží na hranolech 2, 3 procházejí clonami 4, 5 a příslušnou optikou a po projití měrnou a srovnávací kyvetou 6, 7 dopadající na fotoelektrické články 8, 9. Články jsou zapojeny elektricky „proti sobě“ a výchylka měřícího přístroje 10 udává koncentraci určované složky. V případě, že je signál pro měření příliš slabý, může se použít fotonek a elektrického zesilovače.

Obr. 2-10. Schéma dvoupaprskového automatického kalorimetru s jedním zdrojem a dvěma detektory záření 1- světelný zdroj, 2, 3 - optické hranoly, 4, 5 – clony, 6 – srovnávací kyveta, 7 – měrná kyveta, 8, 9 – fotoelektrické články, 10 – měřicí přístroj, 11, 12 – filtry, 13, 14 - čočky

2.5.3

Kolorimetrické analyzátory kapalin s pomocnou reakcí

Kolorimetrie lze výhodně využít i v případech, kdy určovaná látka je sice bezbarvá, avšak vyvolává barevnou změnu po přidání kolorimetrického činidla nebo jiných pomocných látek, např. pufrů apod. Tyto analyzátory jsou velmi rozšířeny a používá se jich pro určování tvrdosti vody, koncentrace rozpouštěných plynů ve vodě, složení různých kapalných směsí apod. 2.5.3.1

Kolorimetrické analyzátory pro sledování tvrdosti vody

Vhodnost vody pro průmyslové účely se mimo jiné posuzuje i z hlediska obsahu různých látek. V běžné užitkové vodě bývají obsaženy normální uhličitany, kyselé uhličitany, sírany, chloridy, fosforečnany a křemičitany různých kovů, nejčastěji alkalických. Dále voda obsahuje rozpuštěné plyny jako kyslík, kysličník uhličitý, chlór, fluor a ozón, různé organické látky, bakterie, koloidy, mechanické nečistoty apod. Nároky na kvalitu vody se řídí účelem jeho použití. Přísné požadavky se kladou zejména na kvalitu vody pro vysokotlaké kotle. V tomto případě jde nejčastěji o kontrolu tvrdosti vody a obsah některých plynů jako kyslíku, CO2 apod.

Strana 32


Tvrdost vody je způsobena některými rozpuštěnými solemi, zejména vápenatými a hořečnatými, a udává se ve stupních: 1° německý = 10 mg CaO nebo 7,2 mg MgO v 1 litru vody, 1° francouzský = 10 mg CaCO3 nebo 8,4 mg MgCO3 v 1 litru vody, 1° anglický = 14,3 mg CaCO3 nebo 12 mg MgCO3 v 1 litru vody, 1° německý = 1,78° francouzských = 1,24°anglických. Nejčastěji jsou ve vodě přítomny normální uhličitany vápenatý a hořečnatý, které způsobují tzv. uhličitanovou neboli karbonátovou tvrdost. Tvrdost vody může být též způsobena kyselými uhličitany (tzv. tvrdost bikarbonátová). Zahříváním se kyselé uhličitany rozkládají a vylučují se normální uhličitany. Úbytek tvrdosti způsobovaný vařením se nazývá tvrdost pomíjející, přechodná. Normální uhličitany jsou však ve vodě částečně rozpustné, takže varem nelze karbonátovou tvrdost vody odstranit a obvykle neklesne pod 1°německý (dále označován °n). Voda měkčí než 5°n se nazývá měkká, od 5° do 10°n mírně tvrdá, od 10° do 17°n tvrdá a nad 17°n velmi tvrdá. Mnohá průmyslová odvětví jsou odkázána na používání změkčované vody, ať již se její tvrdost odstraňuje srážením nebo použitím měničů iontů. Pro sledování zbytkové tvrdosti vody lze použít kolorimetrické analyzátory, které obvykle pracují periodicky. Jsou vybaveny ukazovacími nebo zapisovacími přístroji. Těchto analyzátorů se může využít i pro signalizační a regulační účely. Známým analyzátorem tvrdosti vody je jednopaprskový durometr podle Fuhrmanna. Analyzovaná voda se filtruje a přichází do přepadové nádoby. Solenoidovým ventilem se požadované množství této vody dávkuje do měrné nádoby. Ze zásobníků se solenoidovými ventily dávkuje indikátor a pufr. Cyklus plnění měrné nádoby je řízen programovým zařízením; nejdříve se dávkuje roztok indikátoru a roztok pufru, pak vzorek vody. Podle stupně tvrdosti vody vzniká modré až červené zabarvení, které se měří. Magnetickým ventilem na dne měřené nádoby se nádoba vypustí, propláchne se vodu a měření se v nastavených intervalech opakuje. Stupnice analyzátoru je cejchována přímo v německých stupních tvrdosti. Dvoupaprskový durometr podle Fuhrmanna pracuje na principu diferenčního měření. Analyzovaná voda přitéká do nádobky opatřené přepadem a solenoidovým ventilem, kterým se vede do dávkovací nádobky. V zásobníku je roztok pufru obsahující chromogenovou čerň a komplexom III (dinatrium-etyléndiamin-tetraoctová kyselina). Tento roztok přitéká kapilárou do dávkovací nádobky. V zásobníku je roztok komplexonu, která naplňuje dávkovací nádobku. Hladina kapalin v dávkovacích nádobkách se samočinně udržuje na konstantní výšce. Otevřením solenoidových ventilů se kapaliny přivedou do směšovací nádobky. Po určité době, postačující k proběhnutí kolorimetrické reakce, se automaticky otevře solenoidový ventil a roztok protéká měřicí kyvetou a srovnávací kyvetou. Před srovnávací kyvetou se ventilem dávkuje do protékajícího roztoku roztok komplexonu. Podle tvrdosti vody se v kolorimetrické nádobce vytváří modré až červené zabarvení. Modré zabarvení odpovídá přebytku komplexonu III, červené zabarvení přebytku iontů (Ca, Mg), které tvoří červené zabarvení v pufrovaném roztoku chromogenové černě. Po přidání nadbytku komplexonu před srovnávací nádobku se vytvoří čisté modré zabarvení, proti kterému se měří zabarvení v měrné kyvetě, odpovídající tvrdosti vody. Fotoelektrické články jsou zapojeny diferenčně, výchylka měřícího přístroje udává tvrdost vody v německých stupních. Jako zdroje světla se používá žárovky, jejíž světlo prochází čočkami a filtry.


2.5.3.2

Strana 33

Kolorimetrické analyzátory pro určování malého obsahu kyseliny křemičité ve vodě

Kyselina křemičitá je při vysokých tlacích a teplotách těkavější než její neutrální soli. Z páry se vylučuje na lopatkách turbín jako SiO2 a způsobuje provozní potíže. Těkavost kyseliny křemičité je úměrná tlaku páry a obsahu křemičitanových iontů ve vodě. Proto např. při tlaku 125atp je přípustný maximální obsah 5 mg SiO2 na 1 litr. Z tohoto vyplývají požadavky na citlivost a přesnost analytického určování. Při změkčování vody na měničích iontů začne při vyčerpání filtru procházet nejprve kyselina křemičitá a teprve později ostatní ionty, takže se analyzátoru kyseliny křemičité může použít i pro kontrolu změkčovací stanice. Jedním z analyzátorů používaných k určování kyseliny křemičité ve vodě je silikometr podle Fuhrmanna [5]. Jako kalorimetrického činidla je použito molybdenanu amonného. K analyzované vodě se přidává v určitých časových intervalech molybdenan amonný a redukční činidla. Intenzita modrého zabarvení je po proběhnutí chemické reakce závislá na obsahu křemičitanových anionu. K měření se používá analyzátoru typu Dvoupaprskový durometr, uvedeného již v kapitole 2.5.3.1. 2.5.3.3

Fosfátometr podle Fuhrmanna

Pro sledování vody upravované fosforečnany, které se přidávají jako prostředek ke snižování tvrdosti napájecích vod, se může použít kolorimetrických analyzátorů [5]. Pro určování fosforečnanů se volí roztok molybdenanu amonného v redukčním prostředí, který vyvolává v přítomnosti fosforečnanových anionů modré zabarvení. Může se používat analyzátor sejného principu dvoupaprskového durometru. Indikátor se přidává v nadbytku, takže výkyvy v jeho dávkování o ±10% nemají vliv na přesnost měření. Měřicí rozsahy tohoto analyzátoru jsou 0 až 5 mg P2O5 a 0 až 30 mg P2O5 v 1 litru. 2.5.3.4

Analyzátor obsahu hydrazinu ve vodě podle Fuhrmanna

U parních kotlů dochází ke korozi, která je způsobována kyslíkem obsaženým v napájecí vodě. Proto se zejména u vysokotlakých kotlů musí sledovat i velmi malé koncentrace kyslíku. K odstraňování kyslíku se používá hydrazinu, který s kyslíkem reaguje za vzniku vody a dusíku podle rovnice NH2 . NH2 + O2 = N2 + 2H2O

(2-22)

K odstranění kyslíku se tedy do napájecí vody musí dávkovat přiměřené množství hydrazinu, a je proto účelné jeho koncentraci zjišťovat. Při nedostatečném dávkování není záruka, že se zabrání vzniku koroze a nadbytečné dávkování by nebylo hospodárné. Pro sledování obsahu hydrazinu se používá analyzátoru, který pracuje periodicky ve dvanáctiminutových intervalech. Signálu přístroje, udávajícího nedostatečné dávkování nebo předávkování hydrazinu, lze využít pro regulaci dávkování. Jako kolorimetrického indikátoru se používá p-dimetylaminobenzadehydu. Analyzovaná voda přitéká do nádobky, která je opatřena přepadem, protéká srovnávací kyvetou a přichází do dávkovací nádobky, odkud je odměřené množství v určitých intervalech dávkováno do směšovací nádobky. Roztok indikátoru ze zásobníku přitéká do dávkovací nádobky a solenoidovým ventilem je dávkován do směšovací nádobky. Vzorek vody s kolorimetrickým činidlem reaguje v nádobce asi 9 minut. Pak se otevře solenoidový

Strana 34


ventil a kapalina vytéká přes měrnou kyvetu z analyzátoru. Hydrazin vyvolává žluté zbarvení roztoku, které se měří fotoelektrickými články na měrné a srovnávací kyvetě. Měřicí přístroj udává přímo obsah hydrazinu. Měřicí rozsah analyzátoru je 0 až 0,5 mg. hydrazinu na litr [5]. 2.5.3.5

Kolorimetrický analyzátor chlorů rozpuštěného ve vodě podle Fuhrmanna

Při čištění vody chlórem je nutno určovat jeho přebytek, aby se mohlo stanovit přesné dávkování. Chlór se projevuje nepříjemnou chutí vody a z hygienického hlediska je jeho přebytek přípustný. Koncentrace chlóru nemá obvykle stoupnout nad hodnotu 0,2mg/l. K určování chlóru se může např. použít analyzátoru chlórmetru podle Fuhrmanna [5], který pracuje diskontinuálně. Analyzovaná voda přitéká do nádobky přepadem a teče ventilem v potřebném množství do dávkovací nádobky, kterou současně proplachuje. roztok indikátoru přichází ze zásobníku do dávkovací nádobky a krátkodobým otevřením solenoidového ventilu se přivádí do směšovací nádobky. Podobně z druhé nádobky po otevření ventilu přitéká vzorek vody do směšovací nádobky. Kapalina z nádobky vytéká kapilárou do měrné kyvety a odtéká do odpadu. Vzniklé zabarvení se měří fotoelektrickými články umístěnými na měrné a srovnávací kyvetě. Výsledek analýzy je registrován přístrojem. Indikátor se přidává v nadbytku, takže nepřesnosti v jeho dávkování v rozmezí ±10% nemají vliv na přesnost měření. Tohoto typu analyzátoru se také může používat pro určování ozónu rozpuštěného ve vodě. 2.5.3.6

Dextrometr podle Fuhrmanna

Dextrometr slouží pro kolorimetrické určování cukru rozpuštěného ve vodě [5]. V cukrovarech může docházet i k náhodnému poškození parního topení a k unikání cukru do koloběhu páry. Je proto vhodné sledovat čistotu napájecích vod, pokud jde o obsah stop cukru. Dextrometr podle Fuhrmanna má citlivost 1ppm. Měření je založeno na porovnávání zabarvení vlastního roztoku indikátoru a analyzovaného roztoku, ke kterému byl roztok indikátoru přidán. Během 6 minut se dosáhne konstantního zabarvení roztoku. Konstrukce analyzátoru je prakticky stejná jako v předchozí kapitole. Jako kolorimetrického činidla se používá roztoku Antonu okyseleného kyselinou sírovou. V přítomnosti cukru (dextrózy, sacharózy) vzniká žlutozelené až tmavě zelené zabarvení. Měřicí rozsah analyzátoru je 0 až 0,005 % cukru, přesnosti měření ±0,0005% cukru. 2.5.4

Analyzátory založené na absorpci infračerveného záření

2.5.4.1

Princip infračervených analyzátorů

Infračervené analyzátory, stejně jako předchozí přístroje založené na absorpci záření, vycházejí ze závislosti určené Lambertovým-Beerovým zákonem. Absorpci v infračervené oblasti mají prakticky všechny látky, které obsahují v molekule alespoň dva druhy atomů. Absorpci nevykazují elementární plyny jako kyslík, dusík, halogeny, vzácné plyny apod., které mají ve své molekule pouze jeden druh atomů. Proto se může infračervených analyzátorů používat k určování nejrůznějších látek, což však může být i nevýhodou, zejména při analýze složitých směsí, kdy se absorpční křivky jednotlivých látek překrývají a výsledky stanovení jsou pak nepřesné, popř. zmenšuje se selektivita, zejména u bezdisperzních přístrojů. Infračervené analyzátory se skládají ze zdroje


Strana 35

infračerveného záření, kyvet s analyzovanou a srovnávací směsí a detektoru infračerveného záření. Zdroj infračerveného záření poskytuje pro dosažení potřebné selektivity monochromatické záření (u disperzních analyzátorů) a u bezdispekrzních analyzátorů spojité záření s vhodnou filtrací nebo selektivními detektory. Pokud se absorpční pásma určovaných složek překrývají, pak se rušivé části ze spojitého zdroje záření odfiltrují. 2.5.4.2

Konstrukční prvky infračervených analyzátorů

Zdrojem infračerveného záření jsou většinou kovová (niklchrómová) vlákna nebo pásky, elektricky žhavené na teplotu asi 600 až 800°C. Bývají umístěny v ohnisku parabolického zrcadla. Žhavení zářičů je třeba stabilizovat. Materiál pro výrobu kyvet se volí podle vlastností analyzované látky, se zřetelem na tlak, korozivnost apod. Pro nízké tlaky se používá sklo, pro vysoké nerezavějící oceli. Vnitřní povrch kyvet bývá vyleštěn nebo opatřen lesklou vrstvou kovu s velkou odrazivostí pro infračervené paprsky; např. skleněné kyvety se pozlacují, aby se zmenšily ztráty absorpcí a rozptylem. Délka kyvet se volí podle fáze a koncentrace určované složky. Pro analýzu kapalin nejvýše několik milimetrů. Okénka kyvet musí být z materiálu propouštějícího infračervené záření v rozsahu požadovaných vlnových délek. Může to být slída, křemen, safír, fluorid lithný nebo fluorid vápenatý. Skla se pro okénka kyvet používá jen velmi omezeně, kvůli jejich propustnosti v infračervené oblasti. Volba materiálu vhodná pro okénka kyvet se řídí především spektrální propustností pro daný případ měření, dále fyzikální a mechanickou odolností, upracovaností a dostupností. Tloušťka okének se u krystalických materiálů volí podle potřeby v rozmezí od 1 do 5 mm, u ostatních materiálů co nejmenší, u slídy např. i pod 0,1 mm. Pro analýzu složitých směsí, kdy se absorpční pásma jednotlivých komponent částečně překrývají s určovanou látkou, je nutné používat filtrů. Jsou to nejčastěji plynové filtry v formě kyvet plněných složkami rušícími stanovení analyzované komponenty. Potřebná koncentrace látek v plynovém filtru se zjišťuje empiricky. V některých případech kdy stačí odfiltrovat např. oblast vyšších vlnových délek, lze při vhodném výběru materiálu pro okénka kyvet dosáhnout požadovaného účinku. Detektory záření dělíme na selektivní a neselektivní. Selektivní detektory reagují jen na určitou vlnovou délku nebo oblast záření. K neselektivním detektorům patří často používaný membránový kondenzátor. Neselektivní detektory naopak reagují na vlnové délky prakticky celé infračervené oblasti. K těmto detektorům patří bolometry a termoelektrické články [6]. 2.5.4.3

Typy infračervených analyzátorů

Z funkčního a konstrukčního hlediska můžeme infračervené analyzátory dělit na bezdisperzní a disperzní. Bezdisperzní analyzátory pracují bez rozkladu světla, takže využívají absorpce často ve značně široké oblasti spektra. Disperzní analyzátory jsou založeny na principu absorpce monochromatického záření. K rozkladu světla se používá hranolů, mřížek nebo interferenčních filtrů. Bezdisperzní analyzátory jsou mnohem jednodušší a levnější a proto jsou v provozní kontrole mnohem více rozšířeny, přestože jsou v některých případech méně selektivní než analyzátory disperzní. Infračervené analyzátory bezdisperzní můžeme rozdělit na analyzátory s pozitivní filtrací a analyzátory s negativní filtrací.

Strana 36

2.6


Index lomu

V posledních letech se věnuje značná pozornost automatickým refraktometrům [1], jejich použití je výhodné zejména v případech, kdy nelze úspěšně použít běžných analyzátorů kapalin, jako jsou automatické hustoměry, kolorimetry, viskozimetry, analyzátory založené na měření elektrolytické vodivosti apod. Refraktometry se uplatňují především při rozborech elektricky nevodivých roztoků, kdy bývá obtížné nalézt jinou, vhodnější analytickou metodu. 2.6.1

Přístroje na měření indexu lomu kapalin

Kontinuální automatické provozní refraktometry můžeme podle způsobu měření indexu lomu rozdělit do dvou základních skupin. Jsou to 1. Přístroje, které měří index lomu na základě intenzity světla odraženého od rozhraní kapalina-sklo, 2. přístroje, které měří index lomu na základě změny směru paprsků procházejících měřenou kapalinou. Automatické refraktometry pro měření indexu lomu kapalin se uplatňují především při analýze směsí organických látek. Používá se jich např. pro rozbory binárních směsí, při čemž index lomu může být velmi přesným měřítkem složení. 2.6.2

Refraktometry založené na odrazu světla od rozhraní kapalina-sklo

2.6.2.1

Refraktometr s kompenzací teploty

Přístroje tohoto druhu jsou jednoduché, vyžadují však světelný zdroj konstantní intenzity a jsou náročné na dodržování konstantních pracovních podmínek. Jsou to přístroje založené na měření intenzity světla odraženého Ir od rozhraní kapalina-sklo. Výsledná intenzita odraženého světla závisí na intenzitě dopadajícího světla Io, na poměru indexu lomu skla Ns k indexu lomu kapaliny Nk a na úhlu α pod kterým světlo dopadá na rozhraní sklokapalina. Tuto závislost lze vyjádřit obecným vztahem ⎞ ⎛ N Ir = f ⎜⎜ I o , k , sin α ⎟⎟ Ns ⎠ ⎝

(2-23)

Pokud může konstrukce přístroje zajistit, že veličiny Io, Ns a úhel α budou konstantní, je intenzita odraženého světla pouze funkcí indexu lomu měřené kapaliny: Ir = f (Nk)

(2-24)

Tyto přístroje jsou zvlášť vhodné pro měření indexu lomu zakalených a neprůhledných kapalin, neboť světlo nemusí měřenou kapalinou vůbec procházet. Protože závislost podle první rovnice je značně nelineární, je měřicí rozsah těchto přístrojů poměrně malý. Dopadá-li paralelní světelný paprsek intenzity Io na průhledné lámavé prostředí pod úhlem menším, než je úhel mezný, část se ho absorbuje (Ia), část prochází (Ip) a část se odráží (Ir). Původní intenzita Io se rozdělila: Io = Ia + Ip + Ir

(2-25)


Strana 37

Dělením Io lze získat charakteristické podíly:

Ip Io I I =1= a + + r , Io Io Io Io

(2-26)

Ia odpovídá světlené absorpci, Io Ip podíl odpovídá světlené propustnosti, Io I podíl r odpovídá reflektivitě (odrazivosti). Io Je-li refraktometr konstruován tak, aby světlo vždy dopadalo na optický hranol pod konstantním úhlem, závisí intenzita odraženého světla Ir pouze na indexu lomu měřené kapaliny, která protéká kyvetou pod hranolem. Aby bylo možno odstranit vliv kolísání teploty a intenzity světelného zdroje, štěpí se světelný svazek po kolimaci a filtraci vhodnými optickými hranoly ve dva svazky a porovnává se index lomu měřené kapaliny s vhodným standardem za stejné teploty. Přívod měřené kapaliny je řešen tak, aby kapaliny vytemperovala standard. Svazky světla dopadají po projití optickými hranoly na dvě fotonky, které měří rozdíl světelných intenzit odpovídajících indexu lomu měřené kapaliny. Údaj je registrován milivoltmetrem, jehož stupnice je cejchována v hodnotách indexu lomu.

kde

2.6.3

podíl

Refraktometry založené na principu lomu paprsků procházejících měřenou kapalinou

Je-li konstrukcí přístroje zjištěno, že úhel dopadu α a index lomu prostředí obklopujícího měřenou kapaliny jsou konstantní, je velikost úhlu lomu β mírou indexu lomu měřené kapaliny. Platí vztah Nk = k . sin β,

(2-27)

kde k je konstanta přístroje. 2.6.3.1

Refraktometr s dutým hranolem

Ze světelného zdroje dopadá svazek paprsků na dutý hranol, kterým prochází měřená kapalina. Se změnou indexu lomu měřené kapaliny se mění výstupní úhel svazku paprsků. Tato odchylka směru paprsků vyvolává změnu intenzity osvětlení fotoelektrického článku. Měřicí přístroj, zapojený v okruhu článku, indikuje změnu indexu lomu měřené kapaliny. 2.6.3.2

Refraktometr podle Ebbinghause

Kontinuální refraktometr patentovaný Ebbinghausem pracuje na obdobném principu jako předchozí přístroj, jenže jeho měřicí část se skládá ze dvou dutých hranolů, z nichž jedním protéká měřená a druhým srovnávací kapaliny. Změna směru světelných paprsků procházejících oběma hranoly vyvolává změnu osvětlení fotonky nebo fotoelektrického článku, takže výslednou mírou indexu lomu je opět elektrická veličina.

Strana 38

2.6.3.3


Diferenciální refraktometry

Diferenciální refraktometry jsou založeny na principu lomu paprsku při průchodu kyvetou, která je rozdělena šikmou skleněnou přepážkou na dvě části. Jednou kyvetou protéká měřená kapalina a druhou srovnávací kapalina. Odchýlení světleného paprsku od původního směru je tím větší, čím větší je rozdíl v indexech lomu měřené a srovnávací kapaliny. 2.6.3.4

Refraktometry založené na měření mezního úhlu

Nejrozšířenější laboratorní refraktometry jsou založeny na měření mezního úhlu. Kapalina zde proudí po povrchu měřicího hranolu a rozhraní mezi světlem a stínem je sledováno úzkou štěrbinou, která je přestavována pomoci servomotoru tak, aby na fotosenzitivní čidlo umístěné za štěrbinou, dopadalo stále stejné množství světla. Mírou indexu lomu je poloha štěrbiny.

Obr. 2-11. Refraktometr založený na měření mezního úhlu 1- zdroj světla, 2, 2´, 15, 15´, 16, 16´- zrcátka, 3, 3´, 13, 13´- čočky, 4- hranol obtékaný kapalinou, 6- srovnávací hranol, 7držák se zrcátky, 14, 14´- štěrbiny, 8- fotonka, 9- rotační clona, 10- zesilovač, 11- reverzní motor, 12- zapisovací přístroj

Jak je znázorněno na obr. 2-11 jsou světelné paprsky ze zdroje 1 vedeny dvojím směrem. Jedna část světelného toku se odráží od zrcátka 2´, prochází čočkou 3´ a hranolem 4, obtékaným měřenou kapalinou 5. Druhá část paprsků se odráží od zrcátka 2 a prochází čočkou 3 a srovnávacím hranolem 6, který je obklopen vzduchem. Paprsky vychází z hranolu 4 a 6 dopadají na dvě zrcátka připevněná na vodicí tyči 7. Od nich se odrážejí a procházejí čočkami 13, 13´a štěrbinami 14, 14´, načež po odrazu na dalších zrcátkách 15, 15´ a 16, ´ dopadají na fotoelektrický článek 8. Světlené paprsky jsou před dopadem na fotonku přerušovány rotační clonou 9, která je propouští střídavě v jednom a druhém směru. Napětí vzniklé na fotonce je přes zesilovač 10 přiváděno na reverzní motor 11, který ovládá pohyb vodicí tyče, na níž jsou připevněna zrcátka. Jsou připevněna tak, aby docházelo k totální reflexi a na fotonku dopadalo stále stejné množství světla. Pohyb držáku 7 je spojen s perem zapisovacího přístroje 12.


2.6.3.5

Strana 39

Refraktometry založené na změněn ohniskové vzdálenosti čočky s protékající kapalinou

Zajímavou skupinou kontinuálních refraktometrů tvoří přístroje využívající závislosti mezi ohniskovou vzdáleností čočky a indexu lomu měřené kapaliny. Metoda je založena na sledování změn polohy ohniska kyvety vhodného čočkového tvaru, kterou kapaliny protéká, v závislosti na indexu lomu. Koropecká a Koropecký [7] sestrojili refraktometr založený na sledování změn polohy ohniska kyvety, jíž protéká měřená kapalina, přičemž změna polohy ohniskové roviny je indikována změnou intenzity světla dopadajícího na fotoelektrický článek. Světelný svazek paprsků dopadá na kyvetu ve tvaru složené čočky, v jejíž jedné části je měřená a ve druhé srovnávací kapaliny. Po průchodu kyvetou procházejí paprsky štěrbinou, dopadají na fotoelektrický článek, jejíž proud je měřen přístrojem.

Strana 41

3

Škodliviny ve vodě

Na analýzu vody se používají gravimetrické metody již jen výjimečně, ještě dosti běžné jsou metody volumetrické. Pomocí nich se zjišťuje acidita, alkalita vod, provádí se stanovení tvrdosti, chloridů, fluoridů, kyanidů atd. Při kontrole vod začínají převládat metody instrumentální, z nichž velmi oblíbené pro svou jednoduchost a citlivost jsou metody fotometrické. Pro stanovení malých koncentrací většiny kovových iontů se výborně osvědčuje atomová absorpční spektrofotometrie, je velmi selektivní, umožňuje stanovit jednotlivé složky vedle značného počtu jinak interferujících látek, je rychlá (stanovení trvá jen několik sekund) a vystačí s malým množstvím vzorku (několik ml). Citlivost je velká, lze stanovit 10-6 až 10-7 g.ml-1. Prakticky vždy se u vod stanovuje pH. Zde má nezastupitelné místo potenciometrie se skleněnou elektrodou. Poměrně pestrou řadu iontů je možno stanovit i kontinuálně iontově selektivními elektrodami (halogenidy, F-, NH4+, NO3-, S2-, tvrdost vody aj.). Důležitou charakteristikou vod je vodivost, která se určuje konduktometricky. Kationty kovů je možno také stanovit polarograficky. Za propracování této metody obdržel akademik Jaroslav Heyrovský v roce 1959 Nobelovu cenu. Rozpouštěcí polarografií lze určovat koncentrace řádově 10-10 mol.l-1. V současné době se používají metody plně automatizované s přímým výstupem statisticky zpracovaných dat počítačem. Umožňují kontinuální sledování čistoty především povrchových vod. Podzemní vody mají vedle svých kladných vlastností jako je např. poměrně vysoká čistota, i některé vlastnosti negativní. Uplatňuje se především jejich agresivita vůči různým stavebním konstrukcím, kdy vlivem chemických reakcí dochází k narušování betonů a malt. 3.1

Elektrochemické metody v analýze vod

Elektrochemické metody představují širokou oblast experimentálních technik, jejichž společným rysem je přenos elektrického náboje přes rozhranní mezi fázemi, z nichž alespoň jedna musí být iontovým vodičem elektrického proudu. Tento děj je ovlivněn existencí elektrického potenciálového rozdílu mezi stýkajícími se fázemi, vyvolaného buď vnějšími vlivy (vnější zdroj elektrického napětí) nebo přímo chemickým složením celé soustavy. Obvykle bývá přenos elektrického náboje spojen s chemickou změnou ve studované soustavě – takový děj pak nazýváme elektrodovou reakcí, mluvíme-li o změnách přímo na sledovaném fázovém rozhranní nebo elektrolýza, mluvíme-li o celkových změnách ve studované soustavě, způsobených prošlým elektrickým proudem. V závislosti na podmínkách experimentu a měřené veličině rozdělujeme tuto různorodou oblast metod do užších skupin se společnými rysy. Konduktometrie tak zahrnuje metody, při nichž sledovaná veličina (vodivost) nesouvisí přímo s průběhem elektrodové reakce na rozdíl např. od potenciometrických nebo voltametrických metod, při nichž je sledovaná veličina (napětí, proud) přímo závislá na probíhajícím elektrodovém ději. Při potenciometrii studovanou soustavou neprochází proud (soustava je v rovnováze), při voltametrii (např. polarografie) právě z velikosti procházejícího proudu činíme závěry o studované soustavě. 3.2

Konduktometrie v analýze ukazatelů kvality vody

Roztoky elektrolytů jsou schopny vést elektrický proud díky kladně a záporně nabitým iontům, vznikajícím v roztoku při disociaci rozpuštěného elektrolytu. Vodivost roztoků elektrolytů závisí na typu elektrolytu, jeho koncentraci a na teplotě roztoku. Protože závislost

Strana 42


na teplotě je poměrně výrazná (cca 2% vzrůst při vzrůstu teploty o 1oC) je nutno teplotu kontrolovat, nejlépe termostatem. Měření vodivosti - konduktance, [G] = S(Siemens) roztoků elektrolytů je principielně totožné s měřením odporu R v elektrotechnice (G = 1/R). Problém připojení roztoku do elektrického měřícího obvodu zabezpečuje tzv. vodivostní cela, která obsahuje elektrody z inertního materiálu (platina, grafit apod.). Protože měřená hodnota vodivosti elektrolytu je závislá na vzdálenosti a ploše elektrod, je třeba provést kalibraci cely, jejímž výsledkem je tzv. odporová konstanta cely C=

K KCl . GKCl

(3-1)

Kalibrace se provádí měřením s vhodně koncentrovanými v konduktometrii slouží jako standard viz Tabulka č.3-1.

roztoky

KCl,

který

Tabulka č. 3-1: Konduktivity roztoku KCl o koncentraci 0,01 mol·dm-3 při různých teplotách teplota (oC) (S·m-1)

20 0,1278

21 0,1305

22 0,1332

25 0,1413

Hodnota konduktivity roztoku elektrolytu (vodivost, zbavená závislosti na geometrii cely KK = C . GK) je již jistou charakteristikou daného roztoku elektrolytu (současně jeho kvality a koncentrace). Při analýze čistoty vody je proto v praxi používána právě hodnota její konduktivity, která jistým způsobem vypovídá o množství iontově rozpuštěných látek. U destilované či demineralizované vody skutečně hodnota konduktivity vypovídá o její kvalitě (vysoce čistá demineralizovaná voda má < 5·10-10S·m-1, ale pozor na rozpuštěný CO2, který zvyšuje vodivost). V případě přírodních vod, je souvislost mezi znečištěním a konduktivitou již problematičtější, protože přírodní vody obvykle obsahují velká množství iontově rozpuštěných látek, které naopak jejich kvalitu z hlediska určitého typu použití zvyšují (pitná voda má předepsaný minimální nutný obsah iontů vápníku a hořčíku). 3.3

Potenciometrie s ISE elektrodami v analýze ukazatelů kvality vody

Na základě nemožnosti měření absolutní hodnoty rozdílu elektrického potenciálu mezi dvěmi chemicky různými fázemi musíme v elektrochemii vždy měřit elektrický potenciál studované soustavy (realizované indikační či pracovní elektrodou) vůči jiné soustavě definovaných vlastností (referentní elektroda). V potenciometrii tak můžeme měřit místo požadovaného elektrodového potenciálu pouze elektromotorické napětí vhodně sestaveného článku. Potenciál srovnávací soustavy – referentní elektrody (např. argentochloridové) - se udržuje na stálé hodnotě díky tomu, že tato elektroda je konstrukčně uspořádána tak, aby se její chemické složení během měření neměnilo (vlastní roztok oddělený od zbytku článku fritou). Druhá elektroda článku – indikační elektroda (např. stříbrná) – mění svůj potenciál se změnou složení roztoku v článku, takže z hodnoty výsledného elektromotorického napětí můžeme činit závěry o složení roztoku v článku (zejména koncentraci elektroaktivního iontu, např. Ag+ pro stříbrnou elektrodu). V případě reverzibilních elektrod, které se řídí Nernstovou rovnicí, je článková reakce spojena se změnou oxidačního stupně materiálu elektrody (Ag0 → Ag+ + e- pro již zmíněnou stříbrnou elektrodu) či elektroaktivní částice v roztoku (redox elektrody).


Strana 43

U iontově selektivní elektrody (ISE) je řídící elektrodový děj jiné povahy. Spíše než o chemické reakci zde můžeme mluvit o výměně iontů mezi dvěmi odlišnými fázemi, oddělenými semipermeabilní (polopropustnou) membránou. Přes tuto membránu mohou obě fáze vyměňovat jen některé ionty, přičemž ustavená rovnováha je charakteristická tím, že tyto vyměňované ionty mají na obou stranách membrány jinou aktivitu. To je významný rozdíl oproti heterogenní soustavě s rozhranním plně propustným pro všechny ionty, kde v rovnováze je aktivita všech iontů na obou stranách rozhranní sobě rovná. A díky rozdílné aktivitě procházejícího iontu na obou stranách semipermeabilní membrány existuje mezi oběmi stýkajícími se fázemi potenciálová rozdíl – membránový (Donnanův) potenciál. Tento potenciál je úměrný aktivitám procházejícího iontu na obou stranách membrány. V případě jediného procházejícího iontu popisuje závislost membránového potenciálu (či ISE, jejíž součástí daná membrána je) EISE na aktivitě procházejícího iontu a p v měřeném roztoku vztah, velmi podobný Nernstově rovnici: RT ⋅ ln a p zpF

EISE = konst. +

(3-2)

Konstanta vystupují v této rovnici je charakteristikou té jediné membrány (ISE elektrody), se kterou právě pracujeme a ne skupinovou konstantou pro všechny ISE elektrody, mající stejný typ membrány. Problém nezjistitelnosti této konstanty se obchází kalibrací příslušné ISE elektrody pomocí standardních roztoků. Volbou vhodného materiálu pro membránu ISE tak lze získat jednoduché potenciometrické čidlo, selektivně reagující svým potenciálem na aktivitu sledovaných iontů (např. H3O+, Na+, Ag+, Cl-, NO3- atd.). Z tohoto důvodu jsou ISE v praxi velice často využívány k přímému potenciometrickému určení koncentrace daného druhu iontů (např. skleněná elektroda pro měření pH). Výše uvedená rovnice pro potenciál ISE elektrody platí dostatečně přesně pouze v tom případě, že se v měřeném roztoku se nevyskytují příliš vysoké koncentrace tzv. rušících iontů, což jsou ionty, které jsou rovněž schopny procházet přes membránu (např. u běžné skleněné elektrody ionty Na+). Pokud se tyto ionty v roztoku vyskytují, ovlivňují potenciál ISE společně s těmi stanovovanými a tudíž roste chyba měření. Nejběžnější kationtovou ISE a vlastně historicky první ISE je elektroda skleněná, používaná pro měření pH, typickým příkladem aniontové ISE je chloridová ISE, jejíž membrána je tvořena polykrystalickým AgCl. 3.3.1

Potenciometrické měření pH se skleněnou ISE elektrodou

Mírou kyselosti vodných roztoků je veličina pH, definovaná vztahem: pH = - log a H O + 3

(3-3)

Hodnotu pH lze zjistit změřením elektromotorického napětí článku sestaveného z vhodné indikační elektrody (tj. elektrody, jejíž potenciál závisí na aktivitě hydroxoniových iontů) a srovnávací elektrody. Jako indikační elektroda je nejčastěji používána elektroda skleněná, pro velmi přesná měření pak elektroda vodíková. Skleněná elektroda je typem iontově selektivní elektrody, u níž semipermeabilní membránu představuje rozhranní sklo-roztok. Přes toto rozhranní mohou přecházet jen ty kationty, které

Strana 44


jsou schopny zastoupit ve skle kationty jeho silikátové krystalové mřížky. Obvykle se používá sodné sklo, takže procházejícími ionty jsou v tomto případě kationty H+, Li+ a Na+. V kyselé oblasti, kde je vysoká aktivita H3O+ iontů, převládá výměna H+ iontů z vodného prostředí za Na+ ionty z krystalové mřížky skla. V alkalické oblasti (obvykle již nad pH = 10) však tato výměna nehraje tak výsadní roli a prosazují se i další, z nichž vzhledem k obvyklému složení roztoků nejvíce problémů působí výměna Na+ iontů z vody za Na+ ionty z krystalové mřížky skla. Tato tzv. alkalická chyba se musí korigovat opravami podle příslušné tabulky přiložené k elektrodě od výrobce, nebo je třeba v takové oblasti pH používat typy elektrod specielně upravených právě pro minimalizaci alkalické chyby. Skleněná elektroda je realizovaná jako tenkostěnná baňka naplněná roztokem o známém pH, do kterého je ponořena vnitřní referentní elektroda. Rovnice pro závislost potenciálu skleněné elektrody na pH v oblasti mimo alkalickou chybu je velmi jednoduchá: Eskl = konst. +

RT RT ln a H O + = konst .′ - 2,303 pH 3 F F

(3-4)

Konstanta v sobě zahrnuje parametry skleněné membrány a vnitřního referentního roztoku, s jehož pomocí je elektroda připojitelná do měřícího obvodu. Linearita závislosti potenciálu skleněné elektrody na pH umožňuje snadný přepočet mezi těmito hodnotami, realizovaný za pomoci kalibrace skleněné elektrody standardními roztoky pufrů. podle požadavku na přesnost měřené hodnoty pH provádíme kalibraci jednobodovou, dvoubodovou a vícebodovou 3.3.2

Potenciometrické stanovení rozpuštěného kyslíku s kyslíkovou ISE elektrodou

Obsah rozpuštěného kyslíku v přírodních vodách je důležitým ukazatelem čistoty vody v souvislosti s jejím znečištěním biogenními prvky a organickými látkami využívanými vodními mikroorganismy, které k jejich přeměně využívají rozpuštěný kyslík. Přemnožení těchto organismů vlivem atrofizace vod vede k vyčerpání rozpuštěného kyslíku, úhynu vyšších forem života a rozvoji anaerobních procesů rozkladu přítomných živin ve vodě, při němž příslušné mikroorganismy produkují vysoce toxické látky. Stanovení obsahu rozpuštěného kyslíku lze provádět buď velmi pracnou jodometrickou titrací nebo v současné době velmi rychle a pohodlně potenciometricky s kyslíkovým čidlem, což principielně není nic jiného než typ iontově selektivní elektrody. Tato iontově selektivní elektroda má plastovou semipermeabilní membránu přes niž mohou procházet jen ty plyny, přičemž pouze kyslík dále interaguje s elektrodami, ukrytými za membránou. Protože interakce kyslíku s těmito elektrodami je založena na galvanickém principu (elektrolýza), nelze sestavit jednoduchou rovnici pro závislost potenciálu kyslíkové elektrody na obsahu rozpuštěného kyslíku. Ta v zásadě ani není pro měření nutná, protože kalibrace elektrody je velmi jednoduchá – jedním ze standardů je vzduch se svým poměrně stabilním obsahem kyslíku a druhým voda kyslíku zbavená (např. varem). 3.3.3

Potenciometrické stanovení koncentrace Cl- ve vodách s ISE elektrodou

Dalším typickým případem ISE elektrody je obecně halogenidová elektroda. Pro tyto typy ISE existují vhodné konstrukční materiály membrány – díky malé rozpustnosti halogenidů stříbra velmi dobře jako membrána poslouží monokrystal takové sloučeniny. Ten může s roztokem vyměňovat buď stříbrný kationt a chovat se tak jako stříbrná ISE nebo halogenidový anion a pracovat tak ve funkci halogenidové ISE. Pro chloridovou ISE


Strana 45

elektrodu lze tedy využít chlorid stříbrný. Mez stanovitelnosti Cl- iontů touto elektrodou je ve vodných roztocích určena součinem rozpustnosti AgCl, který má při 25oC hodnotu KS,AgCl = 1,78.10-10 . Reálný měřící rozsah (oblast lineární závislosti potenciálu této elektrody na log a Cl- ) je omezen na koncentrace Cl- iontů v oblasti 1 až cca 1.10-4 mol·dm-3 . Při měření s touto ISE elektrodou ruší anionty, které tvoří se stříbrem méně rozpustné sloučeniny než AgCl zejména Br-, I-, S2- či velmi stabilní komplexy např. CN- . Pokud se v roztoku objevují uvedené anionty ve větší míře, může to znamenat velké nebezpečí pro funkčnost elektrody, neboť dochází ke konverzi AgCl na méně rozpustnou stříbrnou sloučeninu, nebo se naopak může monokrystal při dlouhodobém působení komplexujícího iontu rozpustit. Rovnice pro závislost potenciálu chloridové ISE elektrody na koncentraci Cl- iontů je opět variací na základní vztah: ECl − = konst. -

RT ln aCl − F

(3-5)

Konstanta v sobě zahrnuje konstrukční a fyzikálně chemické parametry elektrody dané výrobou zejména monokrystalu. Proto opět prvním krokem měření s chloridovou ISE elektrodou je její kalibrace.

Strana 47

4

Závěr

Analyzátory mají velmi široké použití, zejména v průmyslu chemickém, potravinářském a hutním, dále v energetice, ve zdravotnictví apod. Uplatňují se jak v provozech, tak i v laboratořích k různým vědeckým účelům. Pro rychlé sledování chemických reakcí, popř. i bilancování výrob je výhodné a často nutné používat automatických analyzátorů. Regulace chemického složení různých směsí látek má zásadní význam nejenom v chemické výrobě, má i širší použití v jiných oborech. Je přímo zarážející, že při chemických výrobách se většinou kvalita výrobků zajišťuje sledováním nebo řízením pomocných výrobních parametrů, nejčastěji tepoty, tlaku, průtoku, stavu hladiny apod. Tyto parametry např. u katalytických reakcí nezaručují nejlepší kvalitu ani výtěžek výrobků, jelikož se mění aktivita katalyzátorů a často i jejich funkce, což obvyklými čidly regulátorů nelze zjistit, takže výtěžek i kvalita výrobků postupně klesá. Použije-li se vhodného analyzátoru reakčních produktů, který tvoří čidlo regulátoru chemického složení, lze nastavit a regulovat nejdůležitější výrobní parametry, např. teplotu, tlak a průtok na optimální hodnoty, zajištující maximální výtěžek a nejlepší jakost výrobků, často i při největší hospodárnosti výroby. Proto se analyzátory jako čidla regulačních obvodů stanou nezbytnou pomůckou zejména při komplexní automatizaci složitých výrob za současného dodržování všech ekonomických ukazatelů. V praxi mohou analyzátory sloužit k zajištění chodu výrobního zařízení i bezpečnosti obsluhy. Přílohu této bakalářské práce tvoří elektronický text, kde jsou principy většiny uvedených analyzátorů znázorněna graficky, text je dále obohacen o vysvětlení některých méně používaných technických a jiných pojmů. Dále v příloze najdeme firmy zabývající se analýzou vody a jiných technických či jiných kapalin ale i prodejem analyzátorů apod.

Strana 49

literatura: [1]

VÁŇA, Jaroslav. Analyzátory kapalin a plynů: 2. vydání Praha: SNTL, 1984. 528s

[2]

BRDIČKA R. Základy fyzikální chemie. Přírodovědecké vydavatelství, Praha 1952

[3]

VÁŇA J. Analyzátory chemického složení a fyzikálních vlastností plynů a kapalin. SNTL, Praha 1963

[4]

JENČÍK, Josef; Volf, Jaromír. Technická měření: 1. vydání Praha: Vydavatelství ČVUT, 2000. 212s. ISBN 80-01-02138-6

[5]

Prospekt Vollautomaticsche lichtelektrische Analzsengeräte fy Bran a Lübbe

[6]

JANÁČ J.: Infračervené analyzátory. SNTL Praha 1959

[7]

KOROPECKÁ H., KOROPECKÝ I.: Sborník vědeckých, VŠCHT Pardubice 1959

[8]

http://chemie.upol.cz/skripta/zfcm/elch/elch_teorie.htm

[9]

http://uprt.vscht.cz/ucebnice/mrt/F4/F4k40-obs.htm

[10]

http://www.krohne-mar.com/

[11]

http://slovnik-cizich-slov.abz.cz/

BAKALÁŘSKÁ PRÁCE ANALÝZA KAPALIN

Recommend Documents