46
2 ANALIZATORI ANALIZATORI BINARNIH SMESA BINARNIH SMESA 2.1. 2.1. BINARNE SMESE BINARNE SMESE 2.1.1. 2.1.1. Koli~inski sastav Koli~inski sastav Koncentracija c je parametar za izra`avanje koli~inskog sastava smese. Odre|uje se kao koli~ina jedne komponente u odnosu na ukupni volumen V analizirane smese. Zavisno od toga {ta se posmatra kao koli~ina razlikuju se: molarna koncentracija: [ ] c n V ni i 3 mol m = , (2.1) masena koncentracija: [ ] c m V mi i 3 kg m = , (2.2) volumenska koncentracija: c V V Vi i 3 3 mm = , (2.3) gde su n i [mol], m i [kg] i V i [m 3 ] koli~ina, masa i volumen posmatrane komponente na temperaturi od 20 °C i atmosferskom pritisku od 101,3 kPa. Samo su molarna koncentracija i njena jedinica mol/m 3 u skladu sa me|unarodnim sistemom jedinica SI, ali se u praksi jo{ uvek upotrebljavaju masena i volumenska koncentracija. Imaju}i u vidu da su r= m/V i M = m/n nije te{ko pokazati da izme|u pojedinih oblika izra`avanja koncentracije (2.1)-(2.3) postoje slede}e relacije: ni i Vi i mi c M c c = ρ = , (2.4) gde su r i [kg/m 3 ] gustina i M i molarnna masa [kg/kmol] kompo- nente i.

ANALIZATORI BINARNIH SMESA - kelm.ftn.uns.ac.rs · 2.ANALIZATORI BINARNIH SMESA 31 Osim osnovnih jedinica u praksi se upotrebljavaju i njihovi decimalni delovi, na primer: mg/m3,

  • Upload
    others

  • View
    11

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: ANALIZATORI BINARNIH SMESA - kelm.ftn.uns.ac.rs · 2.ANALIZATORI BINARNIH SMESA 31 Osim osnovnih jedinica u praksi se upotrebljavaju i njihovi decimalni delovi, na primer: mg/m3,

22ANALIZATORIANALIZATORI

BINARNIH SMESABINARNIH SMESA

2.1.2.1. BINARNE SMESEBINARNE SMESE 2.1.1. 2.1.1. Koli~inski sastavKoli~inski sastav

Koncentracija c je parametar za izra`avanje koli~inskogsastava smese. Odre|uje se kao koli~ina jedne komponente u odnosuna ukupni volumen V analizirane smese. Zavisno od toga ta seposmatra kao koli~ina razlikuju se:

• molarna koncentracija: [ ]cn

Vnii 3mol m= , (2.1)

• masena koncentracija: [ ]cm

Vmii 3kg m= , (2.2)

• volumenska koncentracija: cVVVii 3 3m m= , (2.3)

gde su ni [mol], mi [kg] i Vi [m3] koli~ina, masa i volumen posmatranekomponente na temperaturi od 20 °C i atmosferskom pritisku od101,3 kPa.

Samo su molarna koncentracija i njena jedinica mol/m3 uskladu sa me|unarodnim sistemom jedinica SI, ali se u praksi jouvek upotrebljavaju masena i volumenska koncentracija. Imajui uvidu da su ρ =m/V i M=m/n nije teko pokazati da izme|upojedinih oblika izra`avanja koncentracije (2.1)−(2.3) postoje sledeerelacije:

niiViimi cMcc ⋅=⋅ρ= , (2.4)

gde su ρ i [kg/m3] gustina i Mi molarnna masa [kg/kmol] kompo-nente i.

Page 2: ANALIZATORI BINARNIH SMESA - kelm.ftn.uns.ac.rs · 2.ANALIZATORI BINARNIH SMESA 31 Osim osnovnih jedinica u praksi se upotrebljavaju i njihovi decimalni delovi, na primer: mg/m3,

2. ANALIZATORI BINARNIH SMESA 31

Osim osnovnih jedinica u praksi se upotrebljavaju i njihovidecimalni delovi, na primer: mg/m3, µg/m3, mg/cm3, mol/dm3 (mol/l),mg/dm3 (mg/l) i dr. Za dvokomponentne smese sastav se izra`ava iodnosom koli~ine komponente koja se rastvara prema koli~inikomponente koja je rastvara~ − naj~ee se izra`ava pomoumolaliteta [mol/m3], [mol/l] ili molariteta [mol/kg].

Udeo komponente u ukupnoj koli~ini smese predstavljarelativni odnos, koji se tako|e naziva koncentracijom i imabezdimenzionalnu jedinicu. Izra`avanje koncentracije pomou udelaprimenjuje se za smese ~ije se komponente posmatraju na jednakna~in. Razlikuju se:

• molarni odnos: [ ]cn

nνii mol mol= , (2.5)

• maseni odnos: [ ]cµiim

mkg kg= , (2.6)

• volumenski odnos: cVVVii m m= 3 3 . (2.7)

Navedeni odnosi izra`avaju se u obliku decimalnog broja0≤cν i≤1, 0≤cµ i≤1 i 0≤cVi≤1, u stotim delovima − procentima [%], uhiljaditim delovima − promilima [%o], u milionitim delovima − partper million [ppm] i dr.

Izme|u navedenih oblika izra`avanja udela komponente uukupnoj koli~ini smese postoje sledee relacije:

MM

ccc ivi

iVii ⋅=

ρρ⋅=µ . (2.8)

Dvostrani odnosi jedinica. Za pretvaranje jedne u drugujedinicu koncentracije koriste se tabele sa dvostranim odnosima. Utabeli 2.1 prikazani su dvostrani odnosi za prera~unavanjekoncentracije gasova i para. Sa M je u tabeli ozna~ena molekulskamasa, sa T termodinami~ka temperatura i sa p apsolutni pritisak.

Faktori korekcije. Na ta~nost merenja koncentracije najvieuti~u curenje uzorka, isparavanje vodene pare, temperatura, pritisaki dr.

Curenje uzorka iz merne instalacije ili prodiranje vanjskogzraka u instalaciju menja koncentraciju [mol/m3]. Izmerenu kon-centraciju uzorka cm potrebno je tada korigovati na sledei na~in:

Page 3: ANALIZATORI BINARNIH SMESA - kelm.ftn.uns.ac.rs · 2.ANALIZATORI BINARNIH SMESA 31 Osim osnovnih jedinica u praksi se upotrebljavaju i njihovi decimalni delovi, na primer: mg/m3,

32 SENZORI TE^NOSTI I GASOVA

JEDINICA OZNAKA % V/V ppm V/V mol/m3 mol/dm3 g/m3 mg/m3

PROCENATVOLUMENA

% V /V 1 104 16 10 2⋅ − pT

16 10 5⋅ − p

T

16 10 2⋅ − Mp

T

16 101⋅ MpT

MILIONITI DEOVOLUMENA

ppm V /V 10 4− 1 16 10 6⋅ − p

T

16 10 9⋅ − p

T

16 10 6⋅ − Mp

T

16 10 3⋅ − Mp

T

MOL PO KUBNOMMETRU

mol/m3 62 10 1,5 ⋅ − T

p

62 5 103, ⋅ T

p1 10 3− M 103 M

MOL PO KUBNOMDECIMETRU

mol/dm3 62 5 102, ⋅ T

p

62 5 106, ⋅ T

p103 1 103 M 106 M

GRAM POKUBNOM METRU

g/m3 62 5 10 1, ⋅ − T

Mp

62 5 103, ⋅ T

Mp

1

M10 3−

M1 103

MILIGRAM POKUBNOM METRU

mg/m3 62 5 10 4, ⋅ − T

Mp

62,5T

Mp10 3−

M

10 6−

M10 3− 1

Primer upotrebe tabele: 1 ppm = 10−4 %.

Tabela 2.1. Dvostrani odnosi me|u naj~eim jedinicama koncentracije

′ = +

⋅ = ⋅c

Q

Qc k cm

i

nm Q m1 , (2.9)

gde su: c′m korigovana vrednost koncentracije, Qi ne`eljeno isticanjei Qn nominalni protok uzorka. Faktor kQ predstavlja multiplikativnugreku, odnosno drift osetljivosti analizatora i odre|uje sekalibracijom.

U toku primarne obrade analizirani uzorak mo`e da promenikoncentraciju, naj~ee zbog isparavanja vodene pare. U tomslu~aju izmerena koncentracija uzorka cm mora se korigovati da bise dobila ta~na vrednost c′m:

′ =−− ′

⋅ = ⋅ccc

c k cmr

rm r m

11

, (2.10)

gde su cr i c′r koncentracija vodene pare u uzorku pre i posleobrade uzorka, a kr korekcioni faktor koji se odre|uje kalibraci-jom.

2.1.2. Principi analize binarnih smesa2.1.2. Principi analize binarnih smesa

Binarna smesa sastoji se od dve komponente ~ije su kon-centracije povezane relacijom

c c1 2 1+ = . (2.11)

Upravljanje kvalitet omhemijsko−tehnolokih procesa na osnovumerenja koncentracije jedne komponente binarne smese rairen jemetoda u praksi. Koncentracija c1 je merena veli~ina, akoncentracija c2 jednostavno se ra~una: c2=1−c1. Pri tome se c1

Page 4: ANALIZATORI BINARNIH SMESA - kelm.ftn.uns.ac.rs · 2.ANALIZATORI BINARNIH SMESA 31 Osim osnovnih jedinica u praksi se upotrebljavaju i njihovi decimalni delovi, na primer: mg/m3,

2. ANALIZATORI BINARNIH SMESA 33

meri posredno − preko fizi~ke veli~ine xsm, koja predstavlja nekosvojstvo smese, na primer: toplotnu provodnost, elektri~nu otpor-nost, apsorpciju zra~enja i dr.

Direktno merena veli~ina xsm je funkcija nepoznatih kon-centracija c1 i c2 :

( )y k x c c= ⋅ sm 1 2, , (2.12)

gde je y izlazni signal iz analizatora i k koeficijent pretvaranja xsm

u y. Kako je c2 =1−c1, izlazni signal y mo`e se napisati samo ufunkciji merene koncentracije c1:

( )y k x c c= ⋅ −sm 1 11, . (2.13)

Dobijena jedna~ina opisuje nelinearnu stati~ku karakteristikuanalizatora koja je nepo`eljna za prakti~na merenja. Me|utim,mnoge smese su aditivne u odnosu na odre|eno fizi~ko svojstvo x, tj.fizi~ka veli~ina smese xsm je linearna kombinacija te veli~ine xi zakomponente:

x x csm i ii 1

n

= ⋅=∑ . (2.14)

Relativni udeo xi komponente i uzet je u obzir pomoukoeficijenata, koncentracija ci. Zahvaljujui aditivnosti fizi~kogsvojstva stati~ka karakteristika analizatora postaje linearna.

Neselektivna analiza. Za binarnu smesu sa aditivnimsvojstvom x opta jedna~ina (2.12) ima sledei oblik:

( )y k x c x c= ⋅ +1 21 2 , (2.15)

tako da stati~ka karakteristika linearno zavisi od c1:

( )[ ] ( )y k x c x c k x x c k x= ⋅ + − = ⋅ − + ⋅ =1 2 1 2 21 1 11

= ⋅ +K c y1 0 . (2.16)

Koeficijent stati~kog prenosa (osetljivost) analizatora jeK=k(x1−x2), to zna~i da merenje ima smisla samo kada komponenteimaju razli~ite vrednosti merene fizi~ke veli~ine, tj. kada je x1≠x2.Osetljivost je vea to je razlika x1−x2 vea. Drift nule odre|uje se kaopo~etna vrednost izlaza y=k⋅x2. Tada je prisutna samo nemerenakomponenta (c1=0, c2=1) i analizator radi kao senzor veli~ine x2.

Page 5: ANALIZATORI BINARNIH SMESA - kelm.ftn.uns.ac.rs · 2.ANALIZATORI BINARNIH SMESA 31 Osim osnovnih jedinica u praksi se upotrebljavaju i njihovi decimalni delovi, na primer: mg/m3,

34 SENZORI TE^NOSTI I GASOVA

Nedostatak ove metode merenja je to izlaz ne zavisi samo od x1

ve od razlike x1−x2. Zato je neophodno osigurati da bude x2=const.Drift nule koji se tada javlja lako se kompenzuje kao sistematskagreka.

Selektivna analiza binarnih smesa temelji se na merenjufizi~ke veli~ine ~ija vrednost zavisi samo od merene komponente. Unemerenoj komponenti ta veli~ina jednaka je nuli: x2=0. Kada jenavedeni uslov ispunjen, stati~ka karakteristika analizatora (2.16)dobija jednostavniji oblik:

y k x K c= ⋅ = ⋅1 1 1 . (2.17)

Osetljivost selektivnog merenja K1=k⋅x1 vea je nego osetljivostneselektivnog merenja K=k⋅(x1−x2) za vrednost k⋅x2.

Diferencijalna analiza binarnih smesa zasniva se na is-tovremenom merenju u dva identi~na kanala. Prvi kanal je merni i unjemu se nalazi analizirani materijal, a drugi kanal je referentni isadr`i materijal ~ija su fizi~ka svojstva relevantna za merenjepoznata i konstantna. Analizator koji radi na ovom principu imaizlaz jednak razlici izlaza mernog i referentnog kanala:

∆y y y k x k x= − = ⋅ − ⋅m r m sm r r . (2.18)

Konstrukcija oba kanala je identi~na, pa su njihovi koeficijentistati~kog prenosa jednaki: km=kr=k. Izlazni signal diferencijalnoganalizatora binarne smese mo`e se napisati u obliku:

( )( )

( ) ( )

y k x c x c k x

k x c k x c k x

k x x c k x x

K c y

= ⋅ + − ⋅ =

= ⋅ + ⋅ − − ⋅ =

= ⋅ − + ⋅ − =

= ⋅ +

1 1 2 2

1 1 2 1

1 2 1 2

2 1 0

1

r

r

r

.

(2.19)

Osetljivost diferencijalnog analizatora je K2=k⋅(x1−x2), a driftnule ∆y0=k⋅(x2 −xr). Kada se za referentni materijal uzme nemerenakomponenta (xr=x2), tada nema drifta nule (∆y0=0), a osetljivost K2

ostaje nepromenjena i zavisna od razlike x1−x2.

Page 6: ANALIZATORI BINARNIH SMESA - kelm.ftn.uns.ac.rs · 2.ANALIZATORI BINARNIH SMESA 31 Osim osnovnih jedinica u praksi se upotrebljavaju i njihovi decimalni delovi, na primer: mg/m3,

2. ANALIZATORI BINARNIH SMESA 35

2.1.3. Principi analize pseudobinarnih smesa2.1.3. Principi analize pseudobinarnih smesa

Pseudobinarna smesa sastoji se od n komponenata, ali sepod odre|enim uslovima mo`e tretirati kao binarna − odatle i poti~enjen naziv. U optem slu~aju izlazni signal iz analizatora aditivnesmese od n komponenata ima oblik:

y k x k x c x c= ⋅ = ⋅ +

∑sm i i j jj=1j i

n

, (2.20)

pri ~emu je:

c ci jj=1j i

n

+ =

∑ 1. (2.21)

Smesa sa n komponenata mo`e se tretirati kao binarna uodnosu na odre|eno fizi~ko svojstvo x u sledeim slu~ajevima:

• Sve komponente ~ije se koncentracije ne mere imaju pribli`nojednaku vrednost fizi~ke veli~ine x, ali razli~itu od vrednosti teveli~ine xi koju ima komponenta i ~ija se koncentracija meri,odnosno:

x x x x x x x1 2= = ⋅ ⋅ ⋅ = = ⋅ ⋅ ⋅ = = ≠j n j i, . (2.22)

Zato se nemerene komponente mogu tretirati kao jedna, takoda jedna~ina (2.20) tada postaje:

y x c x c x c xc= + = +≠

∑i i jj=1, j i

n

i i , (2.23)

to odgovara binarnoj smesi i mo`e se primeniti neselektivnianalizator koncentracije (2.16).

• Sve komponente osim merene komponente i ~ine smesupostojanog sastava, a svojstvo x analizirane smese menja sezbog promene odnosa koncentracija merene komponente ismese ostalih komponenata.

• Nemerene komponente imaju znatno manju koncentracijuod merene komponente i ili je njihova koncentracija jednakanuli.

Page 7: ANALIZATORI BINARNIH SMESA - kelm.ftn.uns.ac.rs · 2.ANALIZATORI BINARNIH SMESA 31 Osim osnovnih jedinica u praksi se upotrebljavaju i njihovi decimalni delovi, na primer: mg/m3,

36 SENZORI TE^NOSTI I GASOVA

2.2.2.2. TERMOPROVODNI TERMOPROVODNIANALIZATORIANALIZATORI

2.2.1. 2.2.1. Fizi~ka osnovaFizi~ka osnova

Princip rada termoprovodnih analizatora zasniva se naprovo|enju (kondukciji) toplote kroz gasove pod delovanjem gra-dijenta temperature.

Uticaj pritiska. Prema kineti~koj teoriji gasova provo|enjetoplote proporcionalno je proizvodu broja molekula i srednje du`ineslobodnog puta molekula. Za jako razre|en gas, tj. pri malimvrednostima pritiska (p<1000 Pa), srednja du`ina puta srazmerna jedimenzijama prostora u kome je gas zatvoren. Tada je provo|enjetoplote proporcionalno pritisku, to je osnova za gradnju Piranijevogvakuummetra. Za vee vrednosti pritiska provo|enje toplote imaodre|enu konstantnu vrednost koja ne zavisi od pritiska.

Uticaj temperature na provo|enje toplote kroz gasove jejako izra`en. Sa porastom temperature kineti~ka energija molekulapostaje vea i molekuli se br`e kreu − tim br`e to je gas re|i. Tozna~i da je gas sa manjom gustinom bolji provodnik toplote.Zavisnost koeficijenta toplotne provodnosti λ od temperature jeslo`ena funkcija koja u intervalu od −80 °C do +100 °C ima oblik:

2

3

0T 273

273

++⋅λ=λ

TT

bb , (2.24)

gde je λ0 koeficijent toplotne provodnosti na temperaturi T=273 K,a b je konstanta specifi~na za dati gas.

Vrednosti koeficijenta toplotne provodnosti za gasove u lite-raturi se obi~no daju u odnosu na suvi vazduh (λvazduh=390,8 J/s⋅m2⋅m⋅°C) na atmosferskom pritisku 101,3 kPa, (tabela 2.2).

GASRELATIVNI KOEFICIJENTTOPLOTNE PROVODNOSTI0 °C 100 °C

GASRELATIVNI KOEFICIJENTTOPLOTNE PROVODNOSTI0 °C 100 °C

KISEONIK O2 1,045 1,053 UGLJEN−MONOKSID 0,964 0,962

AZOTN

1,022 1,015 UGLJEN−DIOKSIDCO

0,614 0,725

METAN CH4 1,318 1,45 ETANC H

0,807 0,970

VODONIK N2 7,130 7,018 SUMPOR−DIOKSID SO2 0,344 0,377

HLOR Cl2 0,322 0.381 VODENA PARA H2O 0,760

Tabela 2.2. Termi~ka provodnost gasova u odnosu na suvi zrak

Page 8: ANALIZATORI BINARNIH SMESA - kelm.ftn.uns.ac.rs · 2.ANALIZATORI BINARNIH SMESA 31 Osim osnovnih jedinica u praksi se upotrebljavaju i njihovi decimalni delovi, na primer: mg/m3,

2. ANALIZATORI BINARNIH SMESA 37

Binarne smese. Veza izme|u provo|enja toplote i koli~inekomponenata u smesi teko se mo`e opisati jer bi trebalo uzeti uobzir molekulske i fizi~ke konstante svake komponente kao i sudareizme|u istih i razli~itih molekala. Ta~na kalibraciona krivatoplotna provodnost smese − toplotna provodnost komponente mo`ese ustanoviti eksperimentom. Veina binarnih i pseudobinarnihsmesa, me|utim, aditivna je u odnosu na toplotnu otpornost,veli~inu inverznu provo|enju toplote, tako da jedna~ina (2.14) uovom slu~aju ima oblik:

∑=

⋅λ

n

1ii

ism

11c . (2.25)

2.2.2. Standardni termoprovodni analizatori2.2.2. Standardni termoprovodni analizatori

Konstrukcija. Termoprovodni analizator naj~ee se sastoji odmetalnog termostatiranog kuita u kome se nalaze ~etiriidenti~ne cilindri~ne elije (slika 2.1.a). Kroz dve merne elijeproti~e analizirani gas, a kroz druge dve referentni. Referentneelije mogu biti i kaptirane. U svakoj eliji postavljeni suelektri~ni otpornici jednakih termi~kih i elektri~nih karakteristika.

a) b)

Slika 2.1. Termoprovodni analizator sa ~etiri elije: a) konstrukcija, b) elijespojene u Vitstonov most

Page 9: ANALIZATORI BINARNIH SMESA - kelm.ftn.uns.ac.rs · 2.ANALIZATORI BINARNIH SMESA 31 Osim osnovnih jedinica u praksi se upotrebljavaju i njihovi decimalni delovi, na primer: mg/m3,

38 SENZORI TE^NOSTI I GASOVA

Otpornici se prave od platinske ili volframove `ice pre~nika0,02−0,05 mm i imaju otpornost 5−60 Ω. Treba napomenuti da setermistori i pored malih dimenzija ovde retko koriste jer se prave odmaterijala osetljivih na hemijsko delovanje gasova to unosi drift umerenje. Otpornici su spojeni u Vitstonov most, koji se napaja izstabilnog jednosmernog naponskog izvora U (slika 2.1.b). Naponnapajanja treba da omogui da kroz grane mosta te~e dovoljno jakastruja (100−200mA) da zagreje otpornike na temperaturu50−400 °C. Nula mosta podeava se pomou potenciometra P1, aosetljivost mosta pomou potenciometra P2.

Konstrukcija analizatora mo`e da ima samo dve elije, jednumernu i jednu referentnu (slika 2.2.a). Za formiranje mosta dodaju sejo dva jednaka eksterna otpornika. Po`eljno je da su to otpornici nabazi manganina, koji su temperaturno invarijantni jer imaju malitemperaturni koeficijent otpornosti.

a) b)Slika 2.2. Termoprovodni analizator sa dve elije: a) tipi~na konstrukcija, b)

analizator sa dvostrukim prolazom

Posebna konstrukcija sa dve elije naziva se analizator sadvostrukim prolazom. Uzorak analiziranog gasa prvo prolazi krozeliju Mr, zatim se na odre|en na~in modifikuje u reaktoru i ondaprolazi kroz eliju Mm u susednoj grani mosta (slika 2.2.b). U ovomslu~aju nemodifikovani gas u Mr tretira se kao referentni jer se uodnosu na njega vri pore|enje gasa u Mm. Analizator sa dvostrukim

Page 10: ANALIZATORI BINARNIH SMESA - kelm.ftn.uns.ac.rs · 2.ANALIZATORI BINARNIH SMESA 31 Osim osnovnih jedinica u praksi se upotrebljavaju i njihovi decimalni delovi, na primer: mg/m3,

2. ANALIZATORI BINARNIH SMESA 39

prolazom primenjuje se, na primer, za merenje koncentracije CO uzapaljivim gasovima ili vazduhu, pri ~emu se uzorkovana smesa ureaktoru podvrgava sagorevanju (oksidaciji) CO u CO2.

Na~in rada za sve standardne termoprovodne analizatore jesli~an. Kada se uzorak ne razlikuje od referentnog gasa, tada jeVitstonov most u ravnote`i i izlazni signal jednak je nuli. Prelaztoplote sa otpornika do zidova elije ostvaruje se skoro u celostikondukcijom, zanemarljivo malo konvekcijom i radijacijom.

Ako je u referentnim elijama vazduh, a u mernim smesavazduha i SO2, naruie se ravnote`a mosta zato to se otpornik Rm

sporije hladi od otpornika Rr zbog prisustva SO2 ~iji je koeficijenttoplotne provodnosti tri puta manji nego kod vazduha. Otpornik Rm

bie na veoj temperaturi nego Rr i imae veu otpornost (Rm >Rr),pad napona na Rm bie vei nego na Rr, a potencijal UB vei odpotencijala UD. Na izlaznoj dijagonali mosta tada nastaje naponUBD=UB−UD proporcionalan razlici u provo|enju toplote merne ireferentne elije. Ako je analizirana smesa binarna, tada se izlaznisignal saglasno sa jedna~inom (2.23) mo`e kalibrisati srazmernokoncentraciji SO2 u vazduhu.

Stati~ka karakteristika. D`ulova toplota sa otpornika Rm

prelazi do zidova elije skoro u celosti kondukcijom jer je smesahomogena, pa je

TkRI ∆λ≈ smm2 , (2.26)

gde su: λsm koeficijent toplotne provodnosti smese [W/mK], kkoeficijent proporcionalnosti koji zavisi od unutranjih dimenzijaelije (geometrije gasnog konduktora), I=E/(Rm+Rr) struja krozpolumost ABC i ∆T=T−T0 razlika izme|u temperature otpornika Ti temperature termostatiranog kuita T0.

Razliku temperature ∆T lako je odrediti iz temperaturnezavisnosti otpornika Rm:

)1(0m TRR ∆α+⋅= , (2.27)

odnosno:

α−=∆0

0m

RRR

T , (2.28)

pri ~emu je α linearni temperaturni koeficijent otpornosti [1/°C], a R0

vrednost otpornosti Rm na temperaturi T0.

Page 11: ANALIZATORI BINARNIH SMESA - kelm.ftn.uns.ac.rs · 2.ANALIZATORI BINARNIH SMESA 31 Osim osnovnih jedinica u praksi se upotrebljavaju i njihovi decimalni delovi, na primer: mg/m3,

40 SENZORI TE^NOSTI I GASOVA

Kada se dobijeni rezultat za ∆T uvrsti u jedna~inu toplotneravnote`e (2.26), ona dobija oblik:

)( 0msm0m2 RRkRRI −λ=α . (2.29)

Odavde se sada ra~una vrednost Rm:

α−λα

+=±α−λ

λ=

α−λλ

=0

2sm

20

2

000

2sm

0sm

02

sm

0smm RIk

RIRR

RIkRk

RIkRk

R .

(2.30)

Razlika otpornosti Rm−R0 je mala, pa faktor kλsm na desnojstrani jedna~ine (2.29) mora biti mnogo vei od I2RmR0α, pa tim prijeod proizvoda I2R0α u nazivniku jedna~ine (2.30), tako da se dobijenirezultat za Rm pojednostavljuje na oblik:

sm

20

2

0m λα

+=k

RIRR . (2.31)

Analizom prelaza toplote sa otpornika u referentnoj eliji dolazise do sli~nog izraza za prora~un otpornosti Rr:

r

20

2

0r λα

+=kRI

RR , (2.32)

gde je λr koeficijent toplotne provodnosti referentnog gasa.

Sa izra~unatim vrednostima Rm i Rr izlazni napon sa Vit-stonovog mosta je:

( )

.1111

2

22

11

rsm1

rsm

20

2

rmmrm

i

λ

−λ

⋅=

λ

−λ

⋅α

=

=−⋅=

+=

kk

RI

RRI

RRR

UU

(2.33)

Za konkretni slu~aj smesa je vazduh+SO2, referentni gas jevazduh, a SO2 je gas ~ija se koncentracija meri. Ova smesa je binarnau odnosu na termi~ku otpornost, pa se razlika 1/λsm−1/λr mo`enapisati na sledei na~in:

λ−

λ⋅=

λ−

λ+

λ=

λ−

λ rmm

rrr

mm

rsm

1111111ccc , (2.34)

Page 12: ANALIZATORI BINARNIH SMESA - kelm.ftn.uns.ac.rs · 2.ANALIZATORI BINARNIH SMESA 31 Osim osnovnih jedinica u praksi se upotrebljavaju i njihovi decimalni delovi, na primer: mg/m3,

2. ANALIZATORI BINARNIH SMESA 41

odnosno, izlazni napon mosta (2.33) dobija krajnji oblik koji jeproporcionalan merenoj koncentraciji:

U K ci m= ⋅ (2.35)

gde je K=(I2R0α/2k)/(1/λm−1/λr)=k1⋅(1/λm−1/λr) osetljivost analizatora.Drifta nule nema jer je u pitanju diferencijalna analiza u kojojnemerena komponenta ima ulogu referentne vrednosti.

Tehni~ke karakteristike. Termoprovodni analizatoriosetljivi su na svaki gas ~ija se termoprovodnost razlikuje odtermoprovodnosti referentnog gasa. Poveanje osetljivosti K mogueje ostvariti:

• Izborom otpornika koji ima vau otpornost R0 na referentnojtemperaturi. Ova mogunost je za metalne otpornikeograni~ena, ali se mogu upotrebiti termistori, poluprovodni~kiNTC ili PTC otpornici koji imaju R0=2−3 kΩ;

• Poveanjem struje I, to je ograni~eno zbog prekomernogzagrejavanja otpornika. Vea struja zna~i vee ∆T i opasnostiod eksplozije u slu~aju zapaljivih gasova;

• Smanjivanjem koeficijenta k, tj. adekvatnim projektovanjemunutranjih dimenzija elije, to je ograni~eno zbogistovremenog smanjivanja kondukcije;

• Poveavanjem razlike 1/λm−1/λr, to se posti`e adekvatnimizborom referentnog gasa.

Termoprovodni analizatori primenjuju se za merenje malih(0−1% V/V, 0−5% V/V), ali i veih koncentracija (0−50% V/V). U tabeli2.3 dati su podaci o vrednostima opsega za binarne smese koje senaj~ee analiziraju termporovodnim analizatorom. Za vazduh kaoreferentni gas smatra se da je ~ist i da mu je sastav fiksiran.Temperatura uzorka je 2−50 °C na atmosferskom pritisku.

Tipi~na ta~nost je ±2−5%, s tim to je bolja pri veim opsezima.Na ta~nost jako uti~e promena struje I zbog nestabilnosti naponanapajanja − promena struje od 1% menja ta~nost za 3%. Na ta~nostuti~e i varijacija R0 zbog nestabilnosti referentne temperature T0 −promena R0 za 1% menja ta~nost za 2%. Iz ovih razloga Vitstonovmost napaja se iz stabilisanog izvora, a armatura temperaturnostabilie.

Page 13: ANALIZATORI BINARNIH SMESA - kelm.ftn.uns.ac.rs · 2.ANALIZATORI BINARNIH SMESA 31 Osim osnovnih jedinica u praksi se upotrebljavaju i njihovi decimalni delovi, na primer: mg/m3,

42 SENZORI TE^NOSTI I GASOVA

2.2.3. Termoprovodni analizatori difuzionog tipa

Difuzioni analizatori (katarometri) razlikuju se od stan-dardnih termoprovodnih analizatora po tome to analizirani gas umernu komoru ne ulazi direktno ve difundira kroz membranuzahvaljujui razlici koncentracije gasa sa jedne i druge stranemembrane. Prenos mase difuzijom u vezi je sa haoti~nim kretanjemmolekula u smeru manje koncentracije, pri ~emu se prolaz kroz~vrstu membranu tuma~i postojanjem diskontinuiteta u kristalnojreetki materijala od kojeg je membrana napravljena, pojavompukotina i pora u makrostrukturi tog materijala ili rastvaranjemgasa u njemu. Membrane za difuzione analizatore naj~ee se praveod kvarca, stakla, metala ili polimera.

Konstrukcija. Difuzioni analizatori imaju specijalno kon-struisane merne elije iz dva dela (slika 2.3.a). Prvi deo uvek jeidenti~an referentnoj eliji, tu su Pt−otpornici koji formiraju polumosti preko kojih prelazi referentni gas, na primer vazduh. Drugi deomerne elije je tako profilisan da se iz toka uzorka, na primervazduh+vodonik, izdvoji d`ep sa mirnijim tokom usmerenim premamembrani. Kroz membranu debljine d=10−20 µm difundiraju samomolekuli vodonika, komponente ~ija se koncentracija meri. Brzinadifuzije obrnuto je proprcionalna kvadratnom korenu gustinevodonika. Difundirani molekuli meaju se sa referentnim gasompoveavajui njegov koeficijent prelaza toplote, temperatura iotpornost otpornika Rm postaju manji nego kod otpornika Rr, padolazi do naruavanja ravnote`e mosta. Kada je izlazni napon mostapozitivan, koncentracija vodonika vea je od referentne, a kada jeizlazni napon negativan, tada je koncentracija vodonika manja odreferentne.

Stati~ka karakteristika difuzionog analizatora dobija sekorekcijom jedna~ine toplotne ravnote`e (2.26):

rsmm2

d QQ ⋅∆λ=⋅ TkRI , (2.36)

gde su Qd protok difundiranih ~estica i Qr protok referentnog gasa.Izlazni signal mosta bie isti kao u jedna~ini (2.35) samo pomno`enfaktorom Qd/Qr. Protok Qd je proporcionalan povrini membrane S iobrnuto proporcionalan njenoj debljini d, pa se izlazni napon mostamo`e napisati u obliku:

mr

di Kc

Qd

SkU ⋅

⋅= , (2.37)

Page 14: ANALIZATORI BINARNIH SMESA - kelm.ftn.uns.ac.rs · 2.ANALIZATORI BINARNIH SMESA 31 Osim osnovnih jedinica u praksi se upotrebljavaju i njihovi decimalni delovi, na primer: mg/m3,

2. ANALIZATORI BINARNIH SMESA 43

gde je kd koeficijent difuzije merene komponente kroz membranu.

Konstrukcija minijaturne elije sa staklenom membranomprikazana je na slici 2.3.b. Membrana je napravljena tako to jePt−`ica provu~ena kroz staklenu kapilaru, koja je onda stopljena na`ici i savijena u `eljeni oblik. Gas se iri difuzijom kroz membranu imenja njen koeficijent toplotne provodnosti, a time i odvo|enjetoplote sa Pt−otpornika. Membrana sa otpornikom stavljena je uneto iru staklenu cev ~ije je dno stopljeno. Kroz dno prolazebakarne `ice za spajanje otpornika. Oko staklene cevi je zatitnametalna cev, a me|uprostor je ispunjen metalom niske ta~ketopljenja. ]elija se na kraju ugra|uje u termostatirano kuiteanalizatora. Referentna elija razlikuje se od merne samo po tometo je sa gornje zatvorena i to je u njoj kaptiran referentni gas.

a) b)

Slika 2.3. Difuzioni analizator: a) konstrukcija, b) minijaturna elija

Pore|enje. Difuziono−termoprovodni analizatori bolji su negoobi~ni termoprovodni. Za difuziju je bitan gradijent koncentracijeuzorka a ne njegov protok, to omoguava male dimenzije elije

Page 15: ANALIZATORI BINARNIH SMESA - kelm.ftn.uns.ac.rs · 2.ANALIZATORI BINARNIH SMESA 31 Osim osnovnih jedinica u praksi se upotrebljavaju i njihovi decimalni delovi, na primer: mg/m3,

44 SENZORI TE^NOSTI I GASOVA

(zapremina 3−50mm3, du`ina 2−20mm), mali protok analiziranoggasa (do 200 cm3/min). Ta~nost je ±1−2%, u boljem slu~aju i manje od±1%, opseg od 0−10% V/V ili 0−100% V/V, vreme reakcije je 10−15 s(5−10 s je vremenska konstanta i oko 5 s vreme uzorkovanja).

2.3. MAGNETSKI SENZORI2.3. MAGNETSKI SENZORIGASOVAGASOVA

2.3.1.2.3.1. Fizi~ka osnovaFizi~ka osnova

Magnetska svojstva. Svi materijali se magnetizuju kada senalaze u magnetskom polju. Feromagnetici (gvo`|e, feronikl legure,tvrdi „alnico“ ~elici i dr.) reaguju i u slabom magnetskom polju, dokdijamagnetici i paramagnetici reaguju samo u jakom magnetskompolju. Haoti~no raspore|eni magnetski dipoli dijamagnetskihmaterijala postavljaju se suprotno smeru polja koje indukujemagnetizaciju, pa nastaje mala odbojna sila koja pomera materijal odja~eg prema slabijem delu polja. Kod paramagnetika dipoli seorijentiu u smeru polja, isto kao kod gvo`|a, a zahvaljujuiprivla~noj reakciji materijal se kree od slabijeg ka ja~em delu polja.U paramagnetske materijale spadaju metali od titana do nikla, odplatine do paladijuma, oksidi azota (NO, NO2) i kiseonik (O2, O3),a u dijamagnetske spadaju bakar, bizmut, gasovi i dr.

Kvantitativna svojstva magnetizovanja materijala procenjuju sepomou magnetske susceptanse κ koja je jednaka odnosu mag-netizacije M [A⋅m−1] materijala i primenjenog magnetskog polja H [A⋅m−1], koje je izazvalo magnetizaciju. Vrednost susceptanse zadijamagnetike je mala i negativna (od −10−6 do −10−3) i nezavisnaod temperature, za paramagnetike je mala i pozitivna (10−6−10−3) iobrnuto proporcionalna temperaturi, a za feromagnetike je pozitivna(100−106) i zavisna od ja~ine i frekvencije magnetskog polja itemperature. Iznad Kirijeve temperature TC materijal gubiferomagnetska svojstva i postaje paramagnetik. Sa daljim porastomtemperature susceptansa po jedinici zapremine κp opada poKiri−Vajsovom zakonu:

Page 16: ANALIZATORI BINARNIH SMESA - kelm.ftn.uns.ac.rs · 2.ANALIZATORI BINARNIH SMESA 31 Osim osnovnih jedinica u praksi se upotrebljavaju i njihovi decimalni delovi, na primer: mg/m3,

2. ANALIZATORI BINARNIH SMESA 45

pp θ−

ρ⋅=κTC

, (2.38)

gde su C Kirijeva konstanta, θp Vajsova konstanta i ρ gustina za datiparamagnetik.

Ako se posmatraju samo paramagnetski gasovi, tada ρ mo`eda se izrazi pomou jedna~ine gasnog stanja (iz pV=mRT iR0 = µR dobija se ρ =µp/R0T ), pa Kiri−Vajsov zakon za T>>θp imasledei oblik:

200p

p

TRpC

TRp

TC µ≈µ⋅

θ−=κ , (2.39)

gde su: µ molarna masa [g/mol], p apsolutni pritisak [Pa], i R0 =8,314J/(mol⋅K) univerzalna gasna konstanta.

Kiseonik kao paramagnetik. Prisustvo kiseonika se kon-trolie: u gorivima jer smanjuje sadr`aj gorivih elemenata sa kojima jesjedinjen, u barokomorama jer mo`e dovesti do eksplozije, utehnolokim procesima jer stvara jedinjena koja smanjuju vrednostosnovnog proizvoda, u biolokim ispitivanjima i dr. Merenje sadr`ajakiseonika provodi se u binarnim smesama zahvaljujui aditivnomsvojstvu magnetske susceptanse. Skoro svi gasovi su dijamagnetici,mali broj su paramagnetici, pri ~emu samo kiseonik, azot−monoksid iazot−dioksid imaju veu vrednost susceptanse (tabela 2.3).

GAS2O%κ GAS

2O%κ GAS2O%κ

IZOBUTAN −1,30 HLOROVODONIK −0,30 ARGON −0,22

n−BUTAN −1,30 UGLJEN−DIOKSID −0,27 METAN −0,20

PROPAN −0,86 ETILEN −0,26 UGLJEN−MONOKSID +0,01

HLOR −0,77 AMONIJAK −0,26 VODONIK +0,24

BUTADIEN −0,65 ACETILEN −0,24 AZOT−DIOKSID +43

ETAN −0,46 AZOT−MONOKSID −0,20 KISEONIK +100

Tabela 2.3. Magnetska susceptansa gasova u odnosu na kiseonik8

O 106,1332

−⋅=κ

2.3.2. Magnetodinami~ki O2.3.2. Magnetodinami~ki O22 senzor senzor

Ovaj senzor predstavlja prakti~nu primenu Faradejeve metodemerenja magnetske susceptanse pomou sile koja deluje na

Page 17: ANALIZATORI BINARNIH SMESA - kelm.ftn.uns.ac.rs · 2.ANALIZATORI BINARNIH SMESA 31 Osim osnovnih jedinica u praksi se upotrebljavaju i njihovi decimalni delovi, na primer: mg/m3,

46 SENZORI TE^NOSTI I GASOVA

dijamagnetsko telo u nehomogenom magnetskom polju. Telo jenapravljeno u obliku upljih kugli od kvarca (dijamagnetik) ispunjenihazotom (paramagnetik

22 ON 43,0 κ=κ ). Kugle su spojene osovinom

kroz ~iji centar prolazi vertikalna torziona nit upeta na krajevim zaarmaturu. Ovaj zakretni sistem smeten je izme|u polova magnetaprofilisanih tako da daju nehomogeno magnetsko polje. Zakretanjeje proporcionalno magnetskoj susceptansi gasne smese koja proti~eoko kugli, odnosno zakretanje e biti vee to je vea koncentracijakiseonika u smesi (slika 2.4).

Slika 2.4. Magnetodinami~ki O2 senzor kompenzacionog tipa

Savremeni magnetodinami~ki O2 senzori zatvoreni su u kuitukroz koji proti~e binarna smesa sa kiseonikom. Zakretanje kuglimeri se optoelektronski, direktnom ili kompenzacionom metodom.Kod direktnog merenja svetlosni zrak iz vanjskog izvora odbija se odlaganog ogledala u~vrenog na sredini zakretnog sistema do dvejufotodioda u diferencijalnom spoju. Diode su postavljene simetri~no uodnosu na nulti polo`aj, tako da je diferencijalni izlazni naponproporcionalan zakretanju.

Page 18: ANALIZATORI BINARNIH SMESA - kelm.ftn.uns.ac.rs · 2.ANALIZATORI BINARNIH SMESA 31 Osim osnovnih jedinica u praksi se upotrebljavaju i njihovi decimalni delovi, na primer: mg/m3,

2. ANALIZATORI BINARNIH SMESA 47

Na slici 2.4 je magnetodinami~ki O2 senzor kompenzacionogtipa. Diferencijalni napon sa fotodioda vodi se na poja~ava~ ~ijaizlazna struja I zakree svitak od Pt−`ice sve dok se kugle ne vrate unulti polo`aj. Struja I=4−20mA je signal povratne sprege, aliistovremeno i izlazni signal. Otpornik Ri slu`i za konverziju strujnogu naponski signal Ui=IRi, obi~no se nalazi u ulaznom kolu pisa~a ilipokaznog instrumenta na bazi voltmetra. Minimalni opseg je0−0,1%O2, maksimalni do 100%O2, ta~nost je ±1−2% opsega.Paramagnetska svojstva uzorka moraju biti konstantna u tokuanalize jer u protivnom nastaje drift.

2.3.3.2.3.3. TermomagnetskiTermomagnetski OO22 senzor senzor

Rad ovog senzora temelji se na osobinama kiseonika kaoparamagnetika: njegova magnetska susceptansa opada sa porastomtemperature, a u nehomogenom magnetskom polju te`i da se kreeiz oblasti sa slabijim ka oblasti sa ja~im magnetskim poljem.

Slika 2.5. Termomagnetski O 2 senzor

Senzor se sastoji od prstenaste komore sa popre~nom cevi odstakla oko koje su simetri~no namotani navoji otpornika R1 i R2

(slika 2.5). Dva eksterna otpornika kompletiraju Vitstonov most,koji je zapravo termokonvekcioni senzor protoka. Kada analiziranasmesa ne sadr`i kiseonik, nema protoka kroz cev i izlazni napon

Page 19: ANALIZATORI BINARNIH SMESA - kelm.ftn.uns.ac.rs · 2.ANALIZATORI BINARNIH SMESA 31 Osim osnovnih jedinica u praksi se upotrebljavaju i njihovi decimalni delovi, na primer: mg/m3,

48 SENZORI TE^NOSTI I GASOVA

jednak je nuli. Me|utim, kada ima kiseonika, magnetsko poljejakog magneta na levom kraju cevi privla~i kiseonik jer se on kaoparamagnetik kree od slabijeg ka ja~em delu polja. Toplota saotpornika R1 zagrejava kiseonik na temperaturu iznad Kirijeve(75−80 °C). Zbog toga kiseonik gubi paramagnetska svojstva,postaje dijamagnetik te se dalje kree udesno u pravcu slabljenjapolja. Ova pojava naziva se magnetski vetar.

Konvekcioni prelaz toplote sa otpornika R1 na hladni kiseonikvie je izra`en nego prelaz toplote sa otpornika R2 na prethodnozagrejan kiseonik. Zato su temperatura i otpornost za R1 manji negoza R2, odnosno debalans mosta proporcionalan je udelu kiseonika uanaliziranoj smesi: U k ci O2

= ⋅ . Osetljivost k zavisi od vrste noseeg

gasa (gasa sa kojim kiseonik ~ini binarnu smesu) i konstrukcionihparametara. Podeavanje nule obavlja se pomou potenciometra P1, apodeavanje osetljivosti pomou potenciometra P2.

Osnovne tehni~ke karakteristike ovog analizatora su sledee:minimalni opseg je 0−2%O2, maksimalni do 100%O2, ta~nost ±1−2%opsega, protok uzorka 10 l/h.

2.3.4. Tehni~ke karakteristike2.3.4. Tehni~ke karakteristike

Magnetski senzori danas se retko primenjuju kao samostalniure|aji. Njihova najvea primena je u hromatografima gde slu`e zadetekciju odre|enih gasnih komponenata. Tipi~ne vrednosti tehni~kihparametara za termomagnetske senzore su sledei:

• opseg 0−1% V/V ili 0−100% V/V;

• ta~nost ±2−5%;

• rezolucija 0,01−0,05 %O2;

• vremenska konstanta 7−15 s;

• temperatura termostatiranja 45 °C;

• napon napajanja 12 V;

• protok uzorka 100 cm3/min;• dozvoljeno odstupanje pritiska u odnosu na po~etni pri nultojkoncentraciji kiseonika je ± 5 kPa.

Page 20: ANALIZATORI BINARNIH SMESA - kelm.ftn.uns.ac.rs · 2.ANALIZATORI BINARNIH SMESA 31 Osim osnovnih jedinica u praksi se upotrebljavaju i njihovi decimalni delovi, na primer: mg/m3,

2. ANALIZATORI BINARNIH SMESA 49

2.4. SPEKTRALNI ANALIZATORI2.4. SPEKTRALNI ANALIZATORI

2.4.1. Uvod2.4.1. Uvod

Spektar se nalazi kao prefiks u imenu veeg broja instrumenata:spektroskop, spektrofotometar, spektrometar, spektrograf, i dr.Spektar (lat. spectrus) je prvobitno ozna~avao kontinualnu distribucijuboja pri prelamanju kroz prizmu: od ljubi~aste sa najmanjom talasnomdu`inom do plave, zelene, `ute, narand`aste i crvene koja imanajveu talasnu du`inu. U irem zna~enju spektar ozna~ava svevrednosti koje jedna veli~ina mo`e da poprimi, a u u`em smislupredstavlja distribuciju:

• elektromagnetskog zra~enja (γ, kosmi~kog, x, UV, vidljivog,IC, mikrotalasnog i radiotalasnog);

• energije ~estica (elektrona, protona, neutrona, mase);

• specijalnih fenomena (radioaktivnog zra~enja, efekat Mos-bauera).

Uz re~ spektar dodaju se sufiksi skop, metar, fotometar, graf,heliograf i drugi da se ozna~i vrsta ili namena instrumenta. Naprimer, spektroskop ozna~ava instrument za posmatranje vidljivogdela spektra, spektrograf je ure|aj za razlaganje i registrovanjespektra, a spektrometar ozna~ava instrument za odre|ivanje polo`ajapojedinih linija spektra. Pridevi apsorpcioni, disperzioni, emisioni ilidifrakcioni ozna~avaju odre|eno svojstvo merenog zra~enja ili na~inamerenja.

2.4.2. Apsorpcioni analizatori2.4.2. Apsorpcioni analizatori

Apsorpcija elektromagnetskog zra~enja. Merenje kon-centracije te~nosti i gasova na osnovu apsorpcije vidljivog, infracrvenog(IC) ili ultraljubi~astog (UV) zra~enja spada u spektrometarskemetode. Analizatori koji rade na ovom principu nazivaju seapsorpcioni spektrometri.

Apsorpciju zra~enja opisuje jedna~ina Lamber−Bugera:

( ) ( ) ( ) LII ⋅λα⋅λ=λ a-0t e ,

(2.40)

gde su: I0(λ) i It(λ) intenzitet zra~enja na talasnoj du`ini λ pre i posleprolaska kroz analizirani uzorak [lm/sr], α a(λ) linearni koeficijent

Page 21: ANALIZATORI BINARNIH SMESA - kelm.ftn.uns.ac.rs · 2.ANALIZATORI BINARNIH SMESA 31 Osim osnovnih jedinica u praksi se upotrebljavaju i njihovi decimalni delovi, na primer: mg/m3,

50 SENZORI TE^NOSTI I GASOVA

apsorpcije i L debljina uzorka [cm]. Razlika Ia=I0−It predstavljaapsorbovano zra~enje od strane uzorka.

Koeficijent apsorpcije α a [1/m] je na osnovu Berovog zakonaproporcionalan koncentraciji c [mol/l]:

( ) ( ) c⋅λε=λα aa , (2.41)

gde je ε a (λ ) molarna apsorptivnost, molarni linearni koeficijentapsorpcije uzorka [l⋅mol−1⋅m−1] na talasnoj du`ini λ. Prema tome,dobija se da je zavisnost transmitovanog zra~enja od koncentracijeeksponencijalna:

( ) ( ) ( ) cLII ⋅⋅λε⋅λ=λ a-0t e , (2.42)

Iz prethodne jedna~ine mogu se izvesti sledei pokazateljiapsorpcije analita:

• opti~ka gustina (slabljenje, ekstinkcija)

( ) ( ) ( )[ ] cLIID ⋅⋅λε=λλ=λ )(ln at0 ; (2.43)

• prozra~nost (transparentnost), koja ima suprotan predznakod opti~ke gustine

( ) ( ) ( )[ ] cLIIT ⋅⋅λε−=λλ=λ )(ln a0t . (2.44)

Opti~ka gustina i prozra~nost na talasnoj du`ini λ imajusvojstvo aditivnosti, odnosno za smesu od n komponentni mo`e senapisati:

( ) ( )∑=

⋅λε=λn

1iiaism cLD ; (2.45)

( ) ( )∑=

⋅λε−=λn

1iiaism cLT . (2.46)

Apsorbansa i transmitansa. Umesto opti~ke gustine upraksi se ~esto koristi njen ekvivalent sa dekadnim algoritmom,apsorbansa

cLII

A ⋅ε==2,303

log ai

t

0 . (2.47)

Odnos izme|u zra~enja It nakon prolaska kroz uzorak izra~enja izvora I0 je proputanje, transmitansa Tr tako da je:

rt

0 1loglog

TII

A == . (2.48)

Page 22: ANALIZATORI BINARNIH SMESA - kelm.ftn.uns.ac.rs · 2.ANALIZATORI BINARNIH SMESA 31 Osim osnovnih jedinica u praksi se upotrebljavaju i njihovi decimalni delovi, na primer: mg/m3,

2. ANALIZATORI BINARNIH SMESA 51

Linearnost i osetljivost apsorpcionih analizatora. Najmanjakoncentracija cmin koja se mo`e detektovati kao promena izlaznogsignala je prag osetljivosti analizatora. Za dva sukcesivna merenjakoji se razlikuju za vrednost praga relativna promena zra~enja mo`e seizra~unati pomou jedna~ine (2.42):

minamina-

t1

t2t1 e1 cLI

II cL ⋅⋅ε≈−=− ⋅⋅ε , (2.49)

odakle se zaklju~uje da e cmin biti manje to god je:

• promena zra~enja manja (ograni~ena osetljivou senzorazra~enja);

• koeficijent molarne apsorpcije ε a vei (konstanta uzorka);

• du`ina elije L vea (konstrukcioni parametar).

Me|utim, apsorpcija je nelinearan proces, to je posebnoizra`eno kada je odnos apsorbovanog i upadnog zra~enja vei od 25%.Zato se prilikom konstrukcije du`ina elije L odre|uje tako da budeI t / I 0<0,25, pa je smanjenje praga osetljivosti pomou poveanja Lograni~eno.

Opti~ki apsorpcioni analizator (spektrometar, spektrofo-tometar) slu`i za merenje koncentracije gasova u nedisperzivnimsmesama na osnovu merenja apsorpcije vidljivog (opti~kog) zra~enja,λ =0,38−0,76µm.

Tipi~na konstrukcija ovakvog analizatora je dvokanalna, tj.diferencijalna (slika 2.6). Svetlost iz izvora prolazi kroz monohromatskifilter, tako da se dobija svetlost odre|ene boje: plava, crvena ili `uta.Nakon toga svetlost se deli na dva zraka koji dalje prolaze jednakim inezavisnim kanalima. Kanali se razlikuju jedino po sadr`aju elija: umernoj eliji proti~e analizirana binarna smesa, a u referentnoj jekaptiran referentni gas (koji mo`e da sadr`i i merenu komponentu upoznatom odnosu). Fotoprijemnici kao senzori opti~kog zra~enjaspojeni su na logaritamske poja~ava~e, a njihovi izlazi nadiferencijalni poja~ava~ koji daje napon proporcionalan koncentracijimerene komponente: Ui=k⋅c.

Te~nosti kao to su rastvor eera, fosfati i kiseline, te rastvorigasova u vodi slabo apsorbuju vidljivu svetlost. Zato im se dodajepoznat obojeni reagens radi poveanja apsorpcije i tek onda proputakroz analizator.

Page 23: ANALIZATORI BINARNIH SMESA - kelm.ftn.uns.ac.rs · 2.ANALIZATORI BINARNIH SMESA 31 Osim osnovnih jedinica u praksi se upotrebljavaju i njihovi decimalni delovi, na primer: mg/m3,

52 SENZORI TE^NOSTI I GASOVA

Slika 2.6. Dvokanalni opti~ki apsorpcioni analizator direktnog tipa

Tipi~na ta~nost je ±1% za te~nosti i ±2% za gasove. Apsorpcijaje nelinearan proces, to je posebno izra`eno kada je odnosapsorbovanog i upadnog zra~enja vei od 25%. Zato se prilikomkonstrukcije du`ina elije L odre|uje tako da je It/I0<0,25. Radnatemperatura je 0−95°C, a radni pritisak 1−15bara.

Ultraljubi~asti apsorpcioni analizatori primenjuju se zamerenje koncentracije gasova i para koji apsorbuju ultraljubi~astozra~enje. Izraziti apsorberi ovog zra~enja su aromati~ni i hetero-cikli~ni spojevi (antracin C6H4(CH2)C6H4, naftalin C10H8), aditivi kojimenjaju kiselost proizvoda (fenol C6H5(OH), aditivi za bojenjeprozirnih rastvora (tereftalatna kiselina C6H4(COOH)2), spojevi sasumporom (sumpor−vodonik H2S), polutanti (azotni oksidi NOx,fosgen COCl2), lako zapaljivi gasovi (toluen C6H5CH2, benzen C6H6,aceton CH3COCH3) i dr. Na slici 2.7.a prikazani su karakteristi~niapsorpcioni UV spektri za benzen, aceton i fenol.

Konstrukcija UV apsorpcionih analizatora sli~na je konstrukcijiopti~kih. Razlika je u druga~ijim izvorima i prijemnicima zra~enja(λ=0,1−0,38 µm). Kao izvori slu`e sijalice punjene parama `ive, cinka,kadmijuma ili talijuma. Talasna du`ina koja je potrebna izdvaja sepomou odgovarajueg filtera. Vea osetljvost posti`e se kada jetalasna du`ina bli`e apsorpcionom vrhu UV spektra merenekomponente. Kao prijemnici UV zra~enja upotrebljavaju se fo-tonaponski elementi, vakuumske fotocevi i fotomultiplikatorske cevi.

Page 24: ANALIZATORI BINARNIH SMESA - kelm.ftn.uns.ac.rs · 2.ANALIZATORI BINARNIH SMESA 31 Osim osnovnih jedinica u praksi se upotrebljavaju i njihovi decimalni delovi, na primer: mg/m3,

2. ANALIZATORI BINARNIH SMESA 53

Pomoni opti~ki elementi − so~ivo, filter, prizma i ogledala −napravljeni su od kvarca za UV spektar.

Slika 2.7. UV apsorpcioni analizator: a) karakteristi~ni apsorpcioni spektri, b)konstrukcija dvokanalnog UV analizatora kompenzacionog tipa

Na slici 2.7.b prikazan je dvokanalni UV analazitor kom-penzacionog tipa. Napon sa izlaznog poja~ava~a vodi se na jed-nosmerni motor sa nezavisnom pobudom. Osovina motora zakree seproporcionalno pobudi pomerajui istovremeno zastor kojim semodulie intenzitet zra~enja kroz mernu komoru. Kada se uspostavijednakost signala sa fotoprijemnika, motor miruje i polo`aj njegoveosovine proporcionalan je merenoj koncentraciji. Pomeraj se detektujeodgovarajuim senzorom i izlaz alje na indikator, pamti u memoriji iliobra|uje u mikroprocesoru. Pomou UV apsorpcionih analizatorameri se koncentracija kako u veoma malom opsegu 0−10−7% V/Vtako i u velikom opsegu 0−100% V/V, sa ta~nou ±1%.

Page 25: ANALIZATORI BINARNIH SMESA - kelm.ftn.uns.ac.rs · 2.ANALIZATORI BINARNIH SMESA 31 Osim osnovnih jedinica u praksi se upotrebljavaju i njihovi decimalni delovi, na primer: mg/m3,

54 SENZORI TE^NOSTI I GASOVA

Standardna du`ina elije je 5−50mm, du`ina minijaturnih je0,05−5mm, a postoje i elije sa veim du`inama namenjenim zata~nija merenja koncentracije gasova. Ne~istoe i praina u uzorkumoraju se otkloniti pre merenja da bi se spre~ila pojava drifta.

IC apsorpcioni analizatori. Sposobnost apsorpcije IC zra~enjaimaju svi materijali ~iji se molekuli sastoje od razli~itih atoma, doksu sve elementarne supstance dobri provodnici tog zra~enja.Apsorpcija IC zra~enja je izrazito selektivna i jako zavisi od vrstematerijala i talasne du`ine zra~enja. Na primer, etan imamaksimalnu apsorbansu A na talasnoj du`ini l=7 µm, a metan nal =8 µm (slika 2.8). Postoje specijalni katalozi sa detaljnim ICspektrima za vie stotina gasova i te~nosti. Rad infracrvenihapsorpcionih analizatora temelji se na ~injenici da prilikomapsorpcije IC zra~enja na talasnoj du`ini koja je karakteristi~na zadati gas, dolazi do njegovog zagrejavanja, poveanja temperature ipritiska.

100

50

5 10TALASNA DU@INA, λ

ETANCO

CO2

µm

METAN

%

APSO

RBANSA

, A

10

Slika 2.8. Tipi~ni dijagrami slabljenja pri IC apsorpciji

Kao prijemnici IC zra~enja, tj. za formiranje elektri~nog izlazaupotrebljavaju se optoelektronski elementi i to kvantni (fotodiode,fotoopornici, fotoelementi) i termi~ki (termoelementi, termistori). Zaspecijalne konstrukcije koriste se poluprovodni~ke termobaterije.Osim optoelektronskih elemenata tradicionalno se primenjujeapsorpciona elija sa diferencijalnim senzorom pritiska

Page 26: ANALIZATORI BINARNIH SMESA - kelm.ftn.uns.ac.rs · 2.ANALIZATORI BINARNIH SMESA 31 Osim osnovnih jedinica u praksi se upotrebljavaju i njihovi decimalni delovi, na primer: mg/m3,

2. ANALIZATORI BINARNIH SMESA 55

koja se jo naziva termi~kim ili pneumatskim mikrofonom (slika 2.9).Kod takvih analizatora zra~enje iz IC izvora prolazi kroz kanalenaizmeni~no u impulsima sa frekvencijom koja zavisi od brzinemodulatora sa perforiranim diskom, ali ne veom od 10 Hz zboginercije u zagrejavanju gasa. Apsorpciona elija ima dve komorerazdvojene elasti~nom metalnom membranom debljine 5−10 µm. Obekomore napunjene su gasom koji apsorbuje IC zra~enje. Naj~ee jeto gas ~ija se koncentracija u smesi meri, ali se dodaju i gasovi ~ijise spektri delimi~no prekrivaju sa spektrom merene komponente.Na taj na~in smanjuje se njihov uticaj na ta~nost merenja.Selektivnost apsorpcije i osetljivost poveavaju se dodavanjeminertnog gasa pod pritiskom.

Slika 2.9. Apsorpcioni IC analizator sa pneumatskim mikrofonom

Zbog apsorpcije IC zra~enja u komorama se poveava energija,rastu temperatura i pritisak kaptiranog gasa. Kako u referentnomkanalu nema apsorpcije zra~enja vie energije dobija gornja komora,tu se gas vie zagrejava i iri. Promena pritiska pomera membranu,to se detektuje kapacitivnim senzorom. Membrana je pokretnaelektroda, a njoj nasuprot je fiksna elektroda kondenzatora. Sobzirom na to da modulator naizmeni~no proputa zra~enje, doi edo oscilacija pritiska, koje su simetri~ne sve dok je zra~enje u obakanala jednako. Kada se u analiziranoj smesi promeni koncentracijamerene komponente u odnosu na referentno stanje, oscilacijemembrane postaju asimetri~ne. Stepen asimetri~nosti, tj.jednosmerna komponenta signala, odgovara merenoj koncentraciji.

Page 27: ANALIZATORI BINARNIH SMESA - kelm.ftn.uns.ac.rs · 2.ANALIZATORI BINARNIH SMESA 31 Osim osnovnih jedinica u praksi se upotrebljavaju i njihovi decimalni delovi, na primer: mg/m3,

56 SENZORI TE^NOSTI I GASOVA

IC apsorpcionim analizatorima mere se koncentracijeugljen−monoksida (CO), ugljen−dioksida (CO2), metana (CH4), etilena(C2H2), amonijaka (NH3), propena (C3H3), butena (C4H8), vodenepare i dr. Tipi~na ta~nost je ±2%, opseg 0−0,1% V/V, drift do ±1%na dan, du`ina elije je oko 0,5 mm za te~nosti i 1000 mm za gasove.

Neki tipovi IC analizatora rade sa dva izvora zra~enja bliskihtalasnih du`ina. Takva konstrukcija omoguava da se smanje grekezbog promene u intenzitetu zra~enja kada se primenjuje samo jedanizvor, da se smanje greke opti~kih elemenata i da se poveaosetljivost apsorpcionih komora. Za takve analizatore ta~nost je ±0,5−1% opsega.

2.4.3. Disperzioni analizatori2.4.3. Disperzioni analizatori

Disperzija je rasejavanje, raspravanje elektromagnetskogzra~enja prilikom prolaska kroz koloidne rastvore. To su rastvorisupstanci u gasovima i te~nostima sa veli~inom ~estica 1−500 nm.Razlikuju se aerosoli, rasprene ~estice ~vrstih supstanci i te~nosti ugasovima (dim, praina, magla) i akvasoli, ~vrste i te~ne supstancerastvorene u vodi (mleko, sokovi, telesne te~nosti). Intenzitetrasprenog zra~enja zavisi od talasne du`ine zra~enja, te veli~ine,boje i oblika ~estica. Disperzija je izra`enija u smeru zra~enja kada suveli~ine ~estica pribli`no jednake talasnoj du`ini, a sa smanjivanjem~estica disperzija postaje ravnomerna u svim pravcima. Ovo se odnosina okrugle ~estice, druga~iji oblici daju nepredvidljivu distribucijudisperzije. Boja ~estica uti~e na refleksiju i apsorpciju zra~enja, atime i na rasejavanje. Merenje disperzije radi analize najvie seprovodi u domenu vidljive svetlosti.

Intenzitet zra~enja Iτ koje je prolo kroz rastvor bez rasejavanjadaje se u odnosu na intenzitet zra~enja izvora I0:

cLL III ⋅⋅λε⋅λατ ⋅λ=⋅λ=λ )(d-

0)(d-

0 e)(e)()( , (2.50)

gde linearni koeficijent disperzije αd(λ) za datu talasnu du`inu zavisiod veli~ine ~estica, koncentracije ~estica, indeksa prelamanjasvetlosti ~estica i indeksa prelamanja svetlosti rastvara~a. Na osnovuBerovog zakona koeficijent disperzije proporcionalan je koncentraciji:

Page 28: ANALIZATORI BINARNIH SMESA - kelm.ftn.uns.ac.rs · 2.ANALIZATORI BINARNIH SMESA 31 Osim osnovnih jedinica u praksi se upotrebljavaju i njihovi decimalni delovi, na primer: mg/m3,

2. ANALIZATORI BINARNIH SMESA 57

αd=εd⋅c, gde je εd molarna disperzija [l/mol⋅m]. Razlika I0−Iτ

predstavlja ukupno rasejanu svetlost: Id= I0−Iτ.

Pozitivna vrednost eksponenta u jedna~ini disperzije (2.50) jemutnoa τ (turbiditet):

[ ] cLII ⋅⋅λε=λλ=λτ τ )()()(ln)( a0 . (2.51)

Disperzija je sli~no kao i apsorpcija nelinearan proces. Da bi sesmanjila nelinearnost, du`ina elije L projektuje se tako da jeIτ /I0<0,25.

Disperzioni analizatori - turbidimetri slu`e za merenjekoli~ine ~vrstih, nerastvorenih ~estica u rastvoru. Imaju relativnojednostavnu konstrukciju i pristupa~nu cenu, mogu biti napravljenikao jednokanalni ili dvokanalni, kao direktni ili kompenzacioni.Izvor svetlosti usmerava se opti~kim sistemom kroz disperzionute~nost sa promenljivom mutnoom ili kroz dimne gasove sanesagorelim ~esticama (slika 2.10.a). U smeru zra~enja, izaanaliziranog rastvora, postavljen je fotoelement kao prijemnikdisperzione svetlosti. Pri konstantnom protoku, gustini i veli~ini~estica, izlaz je funkcija koncentracije. Indikacioni instrumentba`daren je u jedinicima masene ili volumenske koncentracije.Ta~nost je ±1−2% mernog opsega koji se kree od 0−0,5 ppm do0−100 ppm, radna temperatura je do 120 °C, pritisak do 30 bara.

a) b)

Slika 2.10. Disperzioni analizatori: a) turbidimetar, b) nefelometar

Disperzioni analizatori - nefelometri. ^estice rastvora seu smeru zra~enja ne vide bez obzira na intenzitet zra~enja. Onepostaju vidljive kada se posmatraju pod nekim uglom u odnosu nasmer zra~enja (Tindalov efekat). [to je broj ~estica vei, to se viesvetla rasejava i smesa izgleda sve mutnija. Odatle i naziv ovih

Page 29: ANALIZATORI BINARNIH SMESA - kelm.ftn.uns.ac.rs · 2.ANALIZATORI BINARNIH SMESA 31 Osim osnovnih jedinica u praksi se upotrebljavaju i njihovi decimalni delovi, na primer: mg/m3,

58 SENZORI TE^NOSTI I GASOVA

analizatora: od gr~kog nefele (oblak, magla). Primenjuju se zaodre|ivanje malih koncentracija bakterija, holesterola, nepo`eljnihsastojaka u otpadnim vodama i dr.

Izvor i prijemnik svetlosti nalaze se sa iste strane koloidnoguzorka, naj~ee pod uglom od 90°. Svetlost ulazi kroz prozor nakiveti, rasprava se i reflektuje od ~estica i kroz Tindalove prozorepada na fotoprijemnik. Dvostruka detekcija difuzne svetlostipotrebna je radi korekcije drifta i osetljivosti koji se menjaju zbogdeponovanja ~estica na prozorima i prisutnosti boje u merenomrastvoru. Elektronsko kolo formira izlazni signal, sa ta~nou od ±1%za opseg od 0−10−4% V/V (slika 2.8.b). Zapremina merne elije je5−10ml.

Turbidimetri i nefelometri ba`dare se pomou poznatograstvora. Naj~ee se koristi formazin ~ija se suspenzija mo`ereprodukovati sa ta~nou ±1%. Kao apsolutni standard slu`especijalne staklene kivete sa rastvorima ~estica ~iji je turbiditetpoznat, konstantan i nezavisan od temperature.

2.4.4. Refraktometri2.4.4. Refraktometri

Princip rada refraktometra za procesnu analizu temelji se namerenju promene indeksa prelamanja svetlosti pri prelazu izme|udva medijuma.

Indeks prelamanja svetlosti n posmatranog materijala je odnosbrzine svetlosti u vakuumu i brzine svetlosti u tom materijalun=vv /vm. Promena pravca prostiranja svetlosti na granici dvamedijuma prikazana je slici 2.11.a. Prema Snelovom zakonupromena indeksa na granici je

1

2

2

1

sin

sin

nn

vv ==

βα

. (2.52)

Kada svetlosni zrak prelazi iz opti~ki re|e u opti~ku guusredinu (n1 <n2 ), on se prelama prema normali, tj. uvek je α>β,odnosno sinα>sinβ, za sve vrednosti upadnog ugla α =0−π/2.Uobi~ajeno je da se indeks prelamanja svetlosti daje u odnosu navazduh kao standard: n=n2=sinα/sinβ. Za laboratorijska merenjamo`e se izvriti korekcija: nvak =1,00027nvaz. Sva merenja odnose se

Page 30: ANALIZATORI BINARNIH SMESA - kelm.ftn.uns.ac.rs · 2.ANALIZATORI BINARNIH SMESA 31 Osim osnovnih jedinica u praksi se upotrebljavaju i njihovi decimalni delovi, na primer: mg/m3,

2. ANALIZATORI BINARNIH SMESA 59

na standardnu temperaturu od 20 °C, ina~e je potrebno uzeti u obzirnjen uticaj na indeks prelamanja sa faktorom korekcije 0,0006/°C.

Slika 2.11. Prelamanje svetlosti: a) princip, b) koncentracija i indeksprelamanja, c) diferencijalni refraktometar

Indeks prelamanja nije specifi~no svojstvo, ali veoma mali brojspojeva ima jednak indeks prelamanja pri istoj temperaturi i talasnojdu`ini zra~enja. Izme|u indeksa prelamanja i koncentracije postojilinearan odnos u odre|enom opsegu i on se utvr|uje kalibracijom(slika 2.11.b). Za veinu te~nih spojeva indeks prelamanja je u inter-valu 1,3−1,8, a za ~vrste spojeve 1,3−2,5 ili vie.

Indeks prelamanja svetlosti smese je nsm=Σ cini, gde su cikoncentracije i ni indeksi prelamanja komponenata. Refraktometrijase primenjuje kao analiti~ka metoda ako se smesa mo`e tretirati kaobinarna u odnosu na indeks prelamanja.

Page 31: ANALIZATORI BINARNIH SMESA - kelm.ftn.uns.ac.rs · 2.ANALIZATORI BINARNIH SMESA 31 Osim osnovnih jedinica u praksi se upotrebljavaju i njihovi decimalni delovi, na primer: mg/m3,

60 SENZORI TE^NOSTI I GASOVA

Diferencijalni refraktometar sastoji se od izvora svetlosti(sijalica sa volframovom niti), referentne elije (kapsula sa mate-rijalom ~iji je indeks prelamanja poznat i jednak srednjoj vrednostiindeksa prelamanja analizirane te~nosti), opti~kog detektora (opti~kidelitelj i dve fotodiode u diferencijalnom spoju) i servosistema zapomeranje delitelja (slika 2.11.c). Referentna elija ima dva prozora.Prvi je normalan na pravac prostiranja svetlosti i kroz njega svetlostprolazi bez prelamanja. Drugi je zakoen i tu dolazi do prelamanja −zavisno od razlike izme|u indeksa prelamanja referentne te~nosti nr iindeksa prelamanja analizirane te~nosti nm. Kada je nr =nm, svetlostprolazi bez prelamanja do opti~kog delitelja koji se nalazi u srednjem(nultom) polo`aju, diode su jednako osvetljene, izlaz iz poja~ava~ajednak je nuli i servomotor miruje. Kada je nr ≠ nm, svetlost seprelama i na delitelju razdvaja u dva nejednaka snopa, izlaz izpoja~ava~a up proporcionalan je razlici nr −nm, osovina servomotorase zakree i pomera opti~ki delitelj gore ili dole sve dok diode nebudu jednako osvetljene. Tada je up =0, motor miruje, a pozicijadelitelja proporcionalna trenutnoj vrednosti indeksa prelamanjaanalizirane te~nosti, odnosno njenoj koncentraciji. Osetljivost i opsegmerenja zavise od ugla pod kojim je postavljen zakoeni prozor, te odudaljenosti izme|u elije i detektora. Protok kroz mernu eliju je2−10 cm3 /min, opseg merenja je od 0−0,00005 do 0−0,1, ta~nost je±0,1−0,2% ili ±1,5−4% opsega.

Refraktometar sa totalnom refleksijom. Prilikom prelaskaiz re|e u guu sredinu uvek e doi do prelamanja svetlosti bezobzira na veli~inu upadnog ugla. Pri prelazu iz gue u re|u sredinu(n1 >n2 ), zrak se uvek prelama od normale. Kada je upadni ugao veiod kriti~nog α c, svetlost se vie ne prelama ve se u celosti reflektujepo zakonima geometrijske optike (slika 2.12.a).

Refraktometri koji mere promenu kriti~nog ugla totalnereleksije pogodni su za analizu prljavih, slabo providnih i viskoznihte~nosti, temperature 0−150 °C i pritiska do 20 bara. Tipi~nakonstrukcija takvog refraktometra ima negativnu povratnu spregu, asvi elementi su sa vanjske strane cevovoda (slika 2.12.b). Svetlost izizvora pada na prizmati~ni prozor koji je tako profilisan daomoguava rastui upadni ugao po irini svetlosnog zraka. Jedan deosvetlosti prelazi u cevovod (za α<α c ), a drugi deo, za α>α c,reflektuje se do dve fotodiode u opoziciji. Sistem je uravnote`en za

Page 32: ANALIZATORI BINARNIH SMESA - kelm.ftn.uns.ac.rs · 2.ANALIZATORI BINARNIH SMESA 31 Osim osnovnih jedinica u praksi se upotrebljavaju i njihovi decimalni delovi, na primer: mg/m3,

2. ANALIZATORI BINARNIH SMESA 61

vrednost α =α c z koja odgovara zadanoj koncentraciji te~nosti. Kadase promeni indeks prelamanja te~nosti, α c odstupa od α c z , pa e sevie ili manje svetlosti reflektovati, odnosno menjae se irinareflektovanog zraka. Promena sa refrakcije na refleksijuproporcionalna je razlici napona sa dveju dioda. Ovaj napon se

poja~ava i pobu|uje servomotor kojim se pomera filtersko staklo zauspostavljanje nule. Opseg refraktometra zavisi od stakla prizme idebljine filtera.

Slika 2.12. Refraktometar sa totalnom refleksijom: a) totalna refleksija, b)konstrukcija

2.4.5. Polarimetri2.4.5. Polarimetri

Polarimetrija je analiti~ka metoda zasnovana na merenjuzakretanja ravni polarizovane svetlosti koja se javlja pri prolazu krozanizotropni, opti~ki aktivan analit, kao to su: kvarc, nikotin, rastvoreera u vodi, rastvor vinske kiseline i dr. Anizotropno svojstvokarakteristi~no je za materijale sa nesimetri~nom molekulskomgra|om. Kao to je poznato, linearno polarizovana svetlost mo`e sepredstaviti kao rezultanta levo i desno kru`no polarizovanekomponente. Zbog anizotropije analita levi i desni polarizovani talasne ire se du` opti~ke ose jednakim brzinama. Na izlazu iz analitaponovo nastaje linearno polarizovani talas, ali je usled razlike fazanastale u analitu njegova ravan polarizacije zakrenuta za neki ugao uodnosu na ulazni zrak:

Page 33: ANALIZATORI BINARNIH SMESA - kelm.ftn.uns.ac.rs · 2.ANALIZATORI BINARNIH SMESA 31 Osim osnovnih jedinica u praksi se upotrebljavaju i njihovi decimalni delovi, na primer: mg/m3,

62 SENZORI TE^NOSTI I GASOVA

( )DL nn −λπ=θ (2.53)

gde je θ [rad/m], λ talasna du`ina monohromatske svetlosti, a nL i nD

indeksi prelamanja levo i desno kru`no polarizovane komponente(slika 2.13.a).

Za binarne smese postoji linearna zavisnost izme|u koncentracijei opti~kog zakretanja:

0rlc

⋅θ= , (2.54)

gde je θ izmereno zakretanje, l du`ina merne elije i r0 specifi~noopti~ko zakretanje − karakteristi~no za svaki opti~ki materijal iizmereno na 20 °C za svetlost talasne du`ine λ=0,405 µm.

Polarizator za automatsku analizu sastoji se od izvoramonohromatske svetlosti, polarizatora, proto~ne elije sa uzorkom,analizatorom polarizovane svetlosti, fotodetektorom i povratnesprege sa servomotorom za dovo|enje polarizatora u nulti polo`aj(slika 2.13.b).

a) b)

Slika 2.13. Polarizator: a) princip rada, b) konstrukcija

Kao polarizator i analizator naj~ee slu`i Nikolova prizma.Ona je napravljena od dva komada kalcita se~enim i zalepljenim podijagonali kanadskim balzamom, ~iji je indeks prelamanja no<nb<ne,pa dolazi do dvojnog prelamanja ulazne svetlosti. Upadni ugaoulazne svetlosti tako je odabran da obi~ni zrak naputa prizmu, aneobi~ni (polarizovani) prolazi kroz prizmu. Nikolova prizma kojaslu`i kao analizator podeena je u nultom polo`aju tako da na izlazubude najmanji intenzitet svetlosti. Me|utim, kada zrak prolazi krozmernu eliju dolazi do zakretanja polarizacione ravni proporcionalnokoncentraciji merene komponente. Intenzitet svetlosti iza analizatora

Page 34: ANALIZATORI BINARNIH SMESA - kelm.ftn.uns.ac.rs · 2.ANALIZATORI BINARNIH SMESA 31 Osim osnovnih jedinica u praksi se upotrebljavaju i njihovi decimalni delovi, na primer: mg/m3,

2. ANALIZATORI BINARNIH SMESA 63

tada je vei, to se detektuje pomou fotodiode, a servomotorautomatski zakree analizator sve dok se ne uspostavi nulti polo`aj.Zakretanje analizatora detektuje se senzorom polo`aja na ~ijemizlazu je pokazni instrument ba`daren u jedinicima koncentracijemerene komponente.

2.4.6. Kolorimetri2.4.6. Kolorimetri

Boja je va`an paramatar kvaliteta za mnoge proizvode.Klasi~na kolorimetrija, tj. odre|ivanje koncentracije ispitivanograstvora vizuelnim pore|enjem boje ispitivanog rastvora i stan-dardnog rastvora potisnuta je posebno konstruisanim fotometrima ispektrofotometrima koji se nazivaju kolorimetri. U vidljivom deluspektra poznata je veza izme|u talasne du`ine i boje. Me|utim, bojanije svojstvo svetlosti ve subjektivni oseaj nastao delovanjemfizi~kog stimulusa, tj. vidljive svetlosti − elektromagnetskog zra~enjatalasne du`ine 0,38−0,76 µm. Kolorimetrija je analiti~ka metodazasnovana na merenju boje, a cilj je da se subjektivnom oseaju bojepridru`e parametri potrebni za jednozna~nu karakterizaciju.Ispitivanjima je utvr|ena i me|unarodno standardizovana krivaspektralne osetljivosti prose~nog oka, koja ima maksimum zaλ=0,555 µm (slika 2.14.a).

Klasi~ni spektrofotometarski analizatori boje naj~ee sujednodimenzionalni, tj. pore|enje reflektovane ili transmitovanesvetlosti vri se za odre|enu talasnu du`inu (boju) vidljive svetlosti:ljubi~asta 0,400−0,450 µm, plava 0,450−0,500 µm, zelena0,500−0,570 µm, `uta 0,570−0,590 µm, naran~asta 0,590−0,610 µm,crvena 0,610−0,700 µm. Kao standardi boja za pore|enje slu`espektralne krive poznatih rastvora na bazi platine i kobalta.Konstrukcija takvih kolorimetara veoma je sli~na opti~kim spek-trometrima, razlika je jedino to su izvori svetla, filteri i referentnete~nosti odabrani za odre|enu talasnu du`inu, boju.

Tristimulusni kolorimetri. Spektar svetlosti mo`e seoblikovati meanjem primarnih boja: crvene R (Red, λ=0,700 µm),zelene G (Green, λ=0,546 µm) i plave B (Blue, λ=0,435,8 µm).Relativna osetljivost prose~nog oka na osnovne boje, tj. na tristimulusa, tako|e je standardizovana od strane Me|unarodne ko-misije za svetlo CIE, Commission International d′éclairage (slika2.14.b). Na dijagramu se mogu o~itati relativne vrednosti triju

Page 35: ANALIZATORI BINARNIH SMESA - kelm.ftn.uns.ac.rs · 2.ANALIZATORI BINARNIH SMESA 31 Osim osnovnih jedinica u praksi se upotrebljavaju i njihovi decimalni delovi, na primer: mg/m3,

64 SENZORI TE^NOSTI I GASOVA

stimulusa , , , λλλ bigr koje treba sabrati da bi standardni

posmatra~ imao oseaj boje jednak monohromatskom svetlu na tojtalasnoj du`ini. Za svaku boju karakteristi~na je sjajnost i hromi-nentnost (ton i zasienost).

Slika 2.14. Kolorimetrija: a) osetljivost oka na opti~ko zra~enje, b) relativnaosetljivost oka na osnovne boje, c) telo boja, d) tristimulusni kolorimetar

Sjajnost rezultantne boje ra~una se na sledei na~in:

Y=0,30R+0,59G+0,11B, (2.55)

gde su R, G i B koeficijenti ~ije su vrednosti u intervalu 0−1.Rezultantna svetlost je crna kada su R=G=B=0, odnosno bela kadaje R=G=B=1. Hrominentnost se ra~una iz razlika:

R−Y = 0,70R−0,59G −0,11B, (2.56)

B−Y = −0,30R−0,59G +0,89B. (2.57)

Page 36: ANALIZATORI BINARNIH SMESA - kelm.ftn.uns.ac.rs · 2.ANALIZATORI BINARNIH SMESA 31 Osim osnovnih jedinica u praksi se upotrebljavaju i njihovi decimalni delovi, na primer: mg/m3,

2. ANALIZATORI BINARNIH SMESA 65

Geometrijsko mesto boja predstavljeno je dijagramom boja Yxyili telom boja L∗a∗b∗ (slika 2.14.c).

Konstrukcija savremenih tristimulusnih kolorimetara zasnivase na razlaganju svetlosti na osnovne boje. Kao standardni izvordnevnog svetla slu`i fluorescentna cev punjena ksenonom. Svetlopada na uzorak ~ija se boja analizira. Opti~kim vlaknimareflektovana svetlost dovodi se do specijalnih fotodioda, senzoraosnovnih boja, a njihovi signali se obra|uju radi izra~unavanjasjajnosti, tona i zasienosti. Na izlazu se daju podaci o boji uzorkaLa∗b∗ ili odstupanje ∆La∗b∗ (ili ∆E∗ab) u odnosu na referentnu boju(slika 2.14.d). Pored mernog sistema postoji i referentni senzorskisistem pomou kojeg se prate i otklanjaju nestabilnosti izvora.

2.5. SPECIJALNI SPEKTROMETRI2.5. SPECIJALNI SPEKTROMETRI

2.5.1. Maseni spektrometar2.5.1. Maseni spektrometar

Namena. Maseni spektrometar je analizator za kvantitativnui kvalitativnu analizu ~vrstih, te~nih i gasnih uzoraka u irokomopsegu od 10−7−100%, sa ta~nou do ±1%. Jednostavnije konstrukcijeprimenjuju se u industriji, a slo`enije i za vrhunska nau~naistra`ivanja. Spektrometri elektromagnetskog zra~enja odvajajukomponente na osnovu njihovog svojstva pri odre|enim talasnimdu`inama, a maseni spektrometar razla`e snop ~estica (pozitivnihjona) prema odnosu mase m i naelektrisanja jona e, tj. premamasama kada svim jonima nedostaje samo po jedan elektron.

Konstrukcija i princip rada. Uzorak se u maseni spek-trometar prvo uvodi u vakuumsku komoru (p≈10−5 Pa), a zatim se~estice uzorka jonizuju (slika 2.15). Jonizovanje se vri na razli~itena~ine, naj~ee bombardovanjem elektronima dobijenimtermoelektronskom emisijom sa zagrejane `ice. Joni mase m i po-zitivnog naelektrisanja e ubrzavaju se elektrostati~kim poljem po-tencijalne razlike V do brzine v. Na taj na~in joni dobijaju energijueV, odnosno kineti~ku energiju mv2/2:

mveV

2

2= . (2.58)

Page 37: ANALIZATORI BINARNIH SMESA - kelm.ftn.uns.ac.rs · 2.ANALIZATORI BINARNIH SMESA 31 Osim osnovnih jedinica u praksi se upotrebljavaju i njihovi decimalni delovi, na primer: mg/m3,

66 SENZORI TE^NOSTI I GASOVA

Slika 2.15. Maseni spektrometar

Posle toga joni prolaze kroz stalno magnetsko polje indukcije B,koja deluje u pravcu normalnom na ravan slike i zakree jone po po-lukru`noj putanji polupre~nika r. Zato se ovaj tip masenog spektro-metra naziva i magnetski. Elektromagnetska sila kojom polje delujena jone uravnote`ena je njihovom centrifugalnom silom:

eBr

mv=

2

. (2.59)

Eliminacijom brzine v iz dveju prethodnih jedna~ina zaklju~ujese da e joni koji imaju isti odnos mase i naelektrisanja m/e imatijednaku putanju polupre~nika r:

VrB

em

2

22

= , (2.60)

pa e padati na isto mesto na kolektoru (detektoru) jona.

Mlaz jona skenira se du` kolektora, tj. katode fotomultipli-katora sastavljene od niza plo~ica. Dobijeni signal obra|uje se nara~unaru. Izlazni dijagram sastoji se od linija odre|enog polo`aja iintenzteta. Iz polo`aja linije ra~una se masa jer izme|u m/e ipolupre~nika putanje postoji direktna proporcionalnost. Ta~nostodre|ivanja mase je bolja od 1:104, to je bez premca u odnosu na svedruge analizatore. Intenzitet (vrh) linije zavisi od relativnog udelajona sa istim odnosom m/e. Za kvantitativnu analizu smeseneophodna je prethodna kalibracija na komponente smese.

Page 38: ANALIZATORI BINARNIH SMESA - kelm.ftn.uns.ac.rs · 2.ANALIZATORI BINARNIH SMESA 31 Osim osnovnih jedinica u praksi se upotrebljavaju i njihovi decimalni delovi, na primer: mg/m3,

2. ANALIZATORI BINARNIH SMESA 67

Princip ciklotrona. Kao to je re~eno, pozitivni joni umagnetskom polju indukcije B kreu se po polukru`noj putanji. Kadane bi bilo prepreke da ih zadr`i, putanja bi bila puni krug 2rπ.Vreme preleta punog kruga

em

BmeBrr

vr

T ⋅π=π=π= 2

)(

22 (2.61)

ne zavisi od polupre~nika putanje ve od mase jona. Joni se emitujuu kontrolisanim impulsima, a vreme preleta meri se nakon vieobrtaja u spiralnom kretanju. To je tzv. princip ciklotrona. Prednostovog na~ina je u poveanju ta~nosti do ±0,1%, koje se dobijazahvaljujui posrednom merenju mase preko vremena.

Impulsni maseni spektrometar vri selekciju komponenatasmese samo pomou elektri~nog polja. Na elektrode izme|u kojih jerastojanje d dovode se naponski impulsi Vx = 200 V trajanja 0,1 µs.Kretanje jona naelektrisanja e i mase m u takvom elektri~nom poljuopisuje se dinami~kom jedna~inom:

edV

tx

m =2

2

d

d. (2.62)

Odavde se lako dobija da je brzina tih jona v=dx/dt:

tdV

me

v ⋅= , (2.63)

Kako je t=d / (v/2), brzina jona na izlazu izme|u elektroda bie

meV

v2

= . (2.64)

Joni koji imaju vei odnos e/m br`e sti`u do kolektora, pa se naosnovu razli~itog vremena preleta od izvora do detektora jona vrinjihovo razlikovanje i detekcija. Ovaj tip spektrometra ima br`i odzivu odnosu na magnetski, ali manju ta~nost: ±3−5%.

Minijaturni maseni spektrometri ubrzano se razvijaju pos-lednjih godina. Njihova veli~ina je ve tolika da slu`e kao stoniinstrumenti. Kao detektori jona u takvim izvedbama koriste seminijaturni poluprovodni~ki senzori poredani u niz. Dalja mini-jaturizacija predvi|a se do nivoa ~ipa koji treba da sadr`i ulaznimodul za uvo|enje uzorka, jonizacionu komoru, elektrode za

Page 39: ANALIZATORI BINARNIH SMESA - kelm.ftn.uns.ac.rs · 2.ANALIZATORI BINARNIH SMESA 31 Osim osnovnih jedinica u praksi se upotrebljavaju i njihovi decimalni delovi, na primer: mg/m3,

68 SENZORI TE^NOSTI I GASOVA

ubrzavanje jona, komoru za razdvajanje jona sa integrisanim nizomdetektora jona na kraju. U drugom ~ipu je vakuumska pumpa dobijenamikromehani~kom obradom poluprovodnika. Mikroprocesor, tj. svaelektronska kola potrebna za obradu signala smeteni su u podlozi~ipova.

2.5.2.2.5.2. Rendgenski spektrometriRendgenski spektrometri

Princip rada. Rendgenski spektrometri su analizatorix−zra~enja ~ija je talasna du`ina λ=10−11−10−13m sa energijom100−106 eV. Ovi analizatori rade na principu fluorescencije, emisije,apsorpcije ili difrakcije, a upotrebljavaju se za kvalitativnu ikvantitativnu analizu smesa i strukture kristalnih materijala.

a) b) c)

Slika 2.16. Spektrometar x−zra~enja: a) izvor x−zra~enja, b) zavisnost masenogkoeficijenta apsorpcije olova od talasne du`ine x−zra~enja, c) kristalni

monohromator

Kao izvor x−zra~enja upotrebljava se specijalna vakuumska cevsa katodom na visokom negativnom potencijalu 20−200 kV (slika2.16). Sa zagrejane katode emituju se elektroni i ubrzavaju premaanodi koja je uzemljena i ohla|ena. Elektroni prodiru u materijalanode i postepeno usporavaju sudarajui se sa elektronima uvanjskim ljuskama, gube deo svoje kineti~ke energije usled ~eganastaje x−zra~enje sa irokim opsegom energije i kontinuiranogspektra talasnih du`ina. Kada elektroni sa katode imaju veuenergiju, oni prodiru do jezgra atoma na povrini anode, izbijajuelektron u unutranjoj K−ljusci (ili L−ljusci), njegovo mesto zauzimaelektron iz vanjskih ljuski, to rezultuje emisijom diskretnogx−zra~enja sa karakteristi~nim linijskim spektrom. Kakvo e

Page 40: ANALIZATORI BINARNIH SMESA - kelm.ftn.uns.ac.rs · 2.ANALIZATORI BINARNIH SMESA 31 Osim osnovnih jedinica u praksi se upotrebljavaju i njihovi decimalni delovi, na primer: mg/m3,

2. ANALIZATORI BINARNIH SMESA 69

x−zra~enje biti zavisi od napona katode i materijala od kojih sunapravljene katoda i anoda. Anoda je postavljena pod odre|enimuglom da bi se zra~enje usmerilo prema uzorku.

Analizator fluorescentnog x-zra~enja sastoji se od ge-neratora primarnog x−zra~enja kojim se bombarduje uzorakmaterijala i pobu|uje na polihromatsko fluorescentno x−zra~enje.Svaki element uzorka ima svoju karakteristi~nu talasnu du`inufluorescencije, sa intenzitetom proporcionalnim koncentraciji ele-menta. Za elemente manjeg atomskog broja upotrebljavaju se cevi zagenerisanje x−zra~enja sa anodom od hroma, za elemente veegatomskog broja anode su od volframa ili platine, a za eksitacijuraznovrsnih elemenata anoda je od rodijuma.

Ure|aj za detekciju sekundarnog zra~enja mo`e da ima viekanala sa monohromatskom optikom koji se aktiviraju pomouskenera. Problemi merenja fluorescencije x−zraka nastaju zbognehomogenosti uzorka, hrapavosti povrine i veli~ine ~estica, aprednosti su visoka osetljivost merenja i kompaktnost analizatora.

Apsorpcioni analizatori x−−zra~enja razlikuju se odopti~kih apsorpcionih spektrometara po tome to apsorpcijax−zra~enja zavisi od mase, a ne od stanja materijala kroz kojezra~enje prolazi. Zato se koeficijent apsorpcije α a u jedna~ini(2.40) za transmitovano x−zra~enje izra`ava pomou koeficijentamasene apsorpcije α a=ρ µ :

LII ⋅ρ⋅µ⋅= -0t e , (2.65)

pri ~emu je koeficijent masene apsorpcije µ kubna funkcija talasnedu`ine:

13 aa +λ=µ , (2.66)

koja ima diskontinuitete pri K, L, M... emisiji, specifi~ne za svakielement (slika 2.16.b).

Tehnike analize zasnivaju se na ukupnoj apsorpciji, tj. za svetalasne du`ine x−zra~enja ili samo za talasnu du`inu na kojoj krivaµ(λ) ima lom. Naime, razlika u apsorpciji za dve talasne du`ine, odkojih je jedna malo manja a druga malo vea od talasne du`ineprelamanja svojstvene za dati element, proporcionalna jekoncentraciji tog elementa. Apsorpcioni spektrometar se u tomslu~aju sastoji od izvora x−zra~enja, kristalnog monohromatora i

Page 41: ANALIZATORI BINARNIH SMESA - kelm.ftn.uns.ac.rs · 2.ANALIZATORI BINARNIH SMESA 31 Osim osnovnih jedinica u praksi se upotrebljavaju i njihovi decimalni delovi, na primer: mg/m3,

70 SENZORI TE^NOSTI I GASOVA

prijemnika x−zra~enja (slika 2.16.c). Kristalni monohromator slu`i zaizdvajanje uskog spektra sa obe strane ta~ke prelamanja krive µ (λ).Njegov glavni deo je posebno obra|en kristal uzorka na kome dolazido difrakcije upadnih x−zraka: nλ=2d⋅sinθ, (n red difrakcije, θ upadniugao na kristalnu reetku irine d). Pomeranjem ravni kristala i/iliravni prijemnika posti`e se maksimalna osetljivost. Kalibracijom suutvr|eni polo`aji (kanali) koji odgovaraju ta~no odre|enoj vrednosti λ− tako je nastao naziv monohromator. Pomeranje difrakcionih linijana prijemniku u odnosu na referentni apsorber zavisi od elemenatasmese, a intenzitet linija od njihove koncentracije. Kao prijemnicix−zra~enja slu`i Gajger−Milerov broja~, scintilacioni broja~,proporcionalni broja~ ili fotografske plo~e.

Difrakcioni analizatori x−−zra~enja sli~ni su po konstrukcijiprethodnim. Razlika je u tome to je talasna du`ina zra~enjapoznata, a irina kristalne reetke nepoznata. Da bi se na ovaj na~inispitivala struktura kristalnih materijala, potrebni su ~isti kristali sata~no orijentisanom difrakcionom povrinom.

Emisioni analizatori x−−zra~enja slu`e za kvalitativnuanalizu materijala. Uzorak se postavlja na povrinu anode u cevi zagenerisanje x−zra~enja, a polihromatsko x−zra~enja koje nastajeodgovara sastavu uzorka.

2.6.2.6. HEMILUMINISCENTHEMILUMINISCENTNI NI ANALIZATORIANALIZATORI

Princip rada. Pojedine hemijske reakcije, obi~no oksidacije,imaju svojstvo da su praene zra~enjem energije u vidljivoj ili ICoblasti spektra. Takva pojava naziva se hemiluminiscencija. Na tojosnovi rade analizatori mikrokoncentracije oksida azota, ugljovo-donika, ukupne biomase u rastvoru i dr. Tipi~ni opsezi su od 0−10−6

V/V do 0,05% V/V, sa ta~nou merenja ±1% punog opsega.

Analizirana gasna smesa i reagens nakon odre|ene pripreme, tj.postizanja potrebne ~istoe, protoka, temperature i pritiska ulaze ureaktorsku komoru gde dolazi do hemijske reakcije izme|u merenekomponente i reagensa (slika 2.17). Na primer, reakcijom izme|u

Page 42: ANALIZATORI BINARNIH SMESA - kelm.ftn.uns.ac.rs · 2.ANALIZATORI BINARNIH SMESA 31 Osim osnovnih jedinica u praksi se upotrebljavaju i njihovi decimalni delovi, na primer: mg/m3,

2. ANALIZATORI BINARNIH SMESA 71

oksida azota i ozona nastaje zra~enje sa talasnom du`inomλ=0,6−3 µm. Filtracijom se izdvaja talasna du`ina svetlosti ~iji jeintenzitet proporcionalan koncentraciji merene komponente. Zbogizrazito slabog intenziteta luminiscencija se detektuje pomoufotomultiplikatora, vakuumske cevi u kojoj se kombinuju konverzijasvetlosti u elektrone i multiplikacija broja elektrona. Svetlostluminiscencije pada na fotokatodu, pri ~emu 10−20 fotona proizvodijedan fotoelektron.

Slika 2.17. Luminiscentni analizator

Multiplikacija broja elektrona vri se pomou sukcesivnihelektroda, dinoda. Izme|u katode i dinoda uspostavljena je po-tencijalna razlika za ubrzavanje elektrona − prva dinoda je napozitivnijem potencijalu od katode, a svaka naredna na pozitivnijemod prethodne. Kada fotoelektron sa katode padne na prvu dinodu,osloba|aju se 3−4 nova elektrona. Sekundarnom emisijom nan=10−14 dinoda oslobodi se ukupno 4n

elektrona i dobija poja~anjekatodne struje 105−108.

Plameni fotometar je instrument koji meri intenzitetzra~enja emitovane svetlosti, nakon eksitacije odre|enog elementa uplamenu. Rastvor analita rasprava se smesom zapaljivog gasa(acetilen) i oksidacionog gasa (vazduha) u plamen, gde isparava ijonizuje. Element prelazi u pobu|eno stanje i emituje zra~enjetalasne du`ine karakteristi~ne za taj element. Intenzitet zra~enjaproporcionalan je koncentraciji binarne smese I=kc, a meri se uodnosu na odre|eni standard ili na osnovu kalibracione krive.

Page 43: ANALIZATORI BINARNIH SMESA - kelm.ftn.uns.ac.rs · 2.ANALIZATORI BINARNIH SMESA 31 Osim osnovnih jedinica u praksi se upotrebljavaju i njihovi decimalni delovi, na primer: mg/m3,

72 SENZORI TE^NOSTI I GASOVA

2.7. JONIZACIONI ANALIZATORI2.7. JONIZACIONI ANALIZATORI

Osnova rada ovih analizatora je u jonizaciji gasne smese imerenju struje jona koja je proporcionalna merenoj komponenti.Prema na~inu nastanka jona razlikuju se fotojonizacioni, radioak-tivni i plameni jonizacioni analizatori.

Radioaktivni jonizacioni analizator sastoji se od cilindri~nejonizacione komore kroz koju proti~e analizirana binarna smesa(slika 2.18.a). Molekuli gasa se jonizuju delovanjem α −zra~enja(jezgra atoma helijuma), β −zra~enja (elektroni i pozitroni) ilix−zra~enja. Koji e tip zra~enja biti upotrebljen zavisi od merenekomponente, intenziteta i talasne du`ine zra~enja. U industrijskimanalizatorima najvie je zastupljeno β−zra~enje izotopa vodonika3H, kriptona 85Kr, ugljenika 14C, stroncijuma 90Sr, nikla 63Ni iliprometijuma 147Pm.

Vanjski cilindar analizatora slu`i kao jedna elektroda, naj~eekao katoda koja je priklju~ena na negativni potencijal, a anoda napozitivni potencijal. Negativni joni gasa sakupljaju se na anodi.Jonska struja je mala, pa anoda mora biti izolovana od uzemljenjavisokoomskim izolatorom (Riz>1 PΩ), kao to su teflon, kvarc,poliester i dr. Izolacija visokonaponske elektrode (katode) ne morabiti tako kvalitetna kao za anodu. Pribli`na vrednost jonske strujera~una se na sledei na~in:

[ ]A1094,0 8−⋅⋅= kpVRI , (2.67)

gde su: p pritisak smese gasa 1−10 kPa, V zapremina [cm3], Rintenzitet jonizacije u rendgenima na sat [r/h] i k koeficijentjonizacije.

Koeficijent jonizacije ima aditivno svojstvo, a za vazduh jek=1. Kada su pritisak, zapremina i intenzitet jonizacije konstante naradnoj temperaturi, jonska struja I proporcionalna je koncentracijimerene komponente: I=k⋅c.

Plameni jonizacioni analizator meri razliku izme|u jonskestruje u ~istom plamenu vodonika i kiseonika i jonske struje kada suu plamenu prisutne sagorljive komponente na bazi ugljenika. Kadaima ugljenika ili njegovih spojeva, broj jona je vei nego u ~istomH2−O2 plamenu.

Page 44: ANALIZATORI BINARNIH SMESA - kelm.ftn.uns.ac.rs · 2.ANALIZATORI BINARNIH SMESA 31 Osim osnovnih jedinica u praksi se upotrebljavaju i njihovi decimalni delovi, na primer: mg/m3,

2. ANALIZATORI BINARNIH SMESA 73

a) b)

Slika 2.18. Jonizacioni analizator: a) radioaktivni, b) plameni

Konstrukcija analizatora je relativno jednostavna. Nad pla-menom se nalazi elektroda − sakuplja~ jona (slika 2.18.b). Uzoraksa protokom 3−5 ml/min mea se sa vodonikom i sagoreva savazduhom (O2) na temperaturi 2000−2200 °C. Protok vazduha jeoko osam puta vei od protoka vodonika. Plamenik je smetenizme|u elektroda. Sakuplja~ jona priklju~en je na pozitivni potencijal100−300 V u odnosu na mlaznicu Negativni joni koji nastajusagorevanjem idu prema sakuplja~u formirajui jonsku struju. [toje koli~ina ugljovodonika u analiziranoj smesi vea, struja e bitivea. Stati~ka karakteristika analizatora I=k⋅c odre|uje sekalibracijom. Koncentracija c ne odnosi se na pojedine ugljikovespojeve ve na sve sagorljive komponente u smesi u odnosu navodonik. Kada se uz vodonikov plamen stave alkalne soli, izlazpostaje selektivno osetljiv na spojeve sa fosforom i azotom.

Izlazna struja je izrazito mala (≈1 pA), pa opteretni otpornikmora biti veliki (R≈1011 Ω), tj. neophodni su kvalitetni poja~ava~i saulaznom otpornou ≈1 PΩ. Opseg merenja je 0−0,1 mg/m3 do0−100mg/m3, sa ta~nou ±5−10% punog opsega i vremenskomkonstantom od 10−20 s.

Page 45: ANALIZATORI BINARNIH SMESA - kelm.ftn.uns.ac.rs · 2.ANALIZATORI BINARNIH SMESA 31 Osim osnovnih jedinica u praksi se upotrebljavaju i njihovi decimalni delovi, na primer: mg/m3,

74 SENZORI TE^NOSTI I GASOVA

2.8. TERMOHEMIJSKI 2.8. TERMOHEMIJSKI ANALIZATORIANALIZATORI

Princip rada termohemijskih analizatora binarnih smesatemelji se na merenju temperature ~ija je vrednost proporcionalnatermi~kom efektu odre|ene hemijske reakcije. Pri analizi gasova tosu hemijske reakcije sagorevanja na kataliti~ki aktivnoj povrini,sagorevanje u plamenu ili u toku gasa. Za analizu te~nostiprimenjuju se razdvajanje, neutralizacija, meanje ili reakcije sareagensima.

Termohemijski analizator gasova najvie se koristi kaosignalizator kriti~ne granice koncentracije eksplozivnih gasova CO,H2 i CH4 u vazduhu. Ova granica utvr|ena je i propisana za svaki gassaglasno temperaturi smese gasa i vazduha koja mo`e dovesti donezgode ili saglasno energiji elektri~ne varnice. Koja e se granicaprimeniti zavisi od uslova primene jer korelacija izme|u zapaljivostizbog temperature okoline i energije varnice ne postoji. Na primer,vodonik se pali na visokoj temperaturi od 560 °C ili varnicom od20 µWs, dok se acetaldehid mo`e zapaliti na temperaturi od 140 °C ilivarnicom 150 µWs.

Analizator se sastoji odtermostatiranog kuita sa dve elijekroz koje prolazi analizirana smesaili smesa sa poznatim dodatkomvazduha (slika 2.19). U referentnojeliji je klasi~ni Pt−termootpornikprekriven zatitnim oklopom, a umernoj eliji je otpornik od Pt−`icepre~nika 0,030−0,5 mm zalivenaluminijevim oksidom na ~ijoj jepovrini katalizator − sloj aktivneplatine ili paladijuma. Strujaneuravnote`enog mosta zagreva tajotpornik na temperaturu200−500 °C, tako da dolazisagore-vanja zapaljive komponente.

Page 46: ANALIZATORI BINARNIH SMESA - kelm.ftn.uns.ac.rs · 2.ANALIZATORI BINARNIH SMESA 31 Osim osnovnih jedinica u praksi se upotrebljavaju i njihovi decimalni delovi, na primer: mg/m3,

2. ANALIZATORI BINARNIH SMESA 75

Otpornik se zbog toga dodatno zagreva za prirast

Vs1 cQkt =∆ , (2.68)

gde je k1 konstanta koja zavisi od konstrukcionih parametara ianalizirane komponente, Qs specifi~na zapreminska konstantasagorevanja i cV volumenska koncentracija komponente. Promenatemperature menja otpornost otpornika, to se detektuje na izlazumosta:

VVs12i kccQkkU == . (2.69)

Termohemijski analizatori te~nih smesa upotrebljavaju seza merenje koncentracije neorganskih kiselina, koncentracijenearomatskih ugljenovodonika ili vode u nafti. Konstrukcija jerelativno jednostavna. U poznatom odnosu dovode se analizirana ireferentna te~nost u komoru za sagorevanje. Temperatura sago-revanja proporcionalna je merenom sadr`aju to se detektuje pomoutermoelementa. Merni opseg je od 0−0,1 %V/V do 0−100 %V/V,ta~nost ±2−5% opsega, vremenska konstanta do 100 s.

LITERATURA

1. E.B.Jones: „Instrument technology“, Vol.2. On−line analysis instruments,Newnes−Butterworths, London, 1976.

2. R.S.C.Cobbold: „Transducers for biomedical measurements: principles andapplications“, John Wiley & Sons, NY, 1974.L.A.Geddes, L.E.

3. Baker: „Applied biomedical instrumentation in industry“, John Wiley &Sons, NY, 1975.

4. K.Biemann: „Some recent application of mass spectrometry to biochem-istry“, Biomedical Society Transactions, Vol.17, No.1 (237−243), 1989.

5. K.Peterson: „From microsensors to microinstruments“, Sensors &Actuators, Vol.56, Nos.1&2 (143−149), 1996.

6. N.G.Farzane, L.V.Iljasov, A.J.Azim−zade: „Tehnologi~eskie izmerenija ipribory“, Vysaja kola, Moskva, 1989.

7. S.Stojiljkovi, Lj.@ivkovi: „Fizika materijala za elektroniku“, Nau~naknjiga, Beograd, 1992.

8. J.Slavinski: „Luminiscence research and its relation to ultraweak cellradiation“, Analyitical Chemistry, Vol.68, No.4 (708−711), 1996.

9. J.R.Troost: „Gas chromatographic/mass spectrometric calibration bias“,Experientia, Vol.44, No.7 (559-571), 1988.

10. „Minolta hroma meters“, catalogue, 1996.