Химические датчики редко используются по отдельности чаще они входят в состав аналитических микропроцессорных систем, состоящих из измерительной части на основе датчиков разного типа и программного обеспечения, управляющего работой всей системы и обработкой результатов измерений. Для настройки систем и регулировки режимов работы такие устройства строятся на принципе использования обратных связей. В состав таких систем часто входят компоненты, выполняющие ряд вспомогательных операций: насосы, фильтры, сепараторы и т.п.
Примером сложных аналитических приборов являются хроматографы, масс-спектрометры, ИК-спектрометры и др. В состав таких приборов входят датчики, электронные схемы, блоки обработки сигналов.
Жидкостная и газовая хроматографияявляется эффективным методом аналитической химии. Принцип хроматографии заключается во введении жидкости или газа внутрь емкости, заполненной материалом высокой пористости, в результате чего молекулам исследуемого вещества приходится передвигаться по очень извилистым траекториям. Размер пор материала должен соответствовать диаметру молекул анализируемого вещества, который определяется на основе предварительных измерений. Адсорбционные свойства пористого материала также выбираются исходя из характеристик исследуемого образца. На выходе емкости устанавливается электрический преобразователь, например, кондуктометрический, для обнаружения прошедших молекул. Молекулы меньшего диаметра проходят через пористый материал гораздо быстрее, чем более крупные молекулы. В результате этого на выходе емкости появляются разделенные во времени группы молекул. Электрический преобразователь регистрирует пики, соответствующие конкретным группам молекул, и по площади этих пиков определяют концентрацию вещества в анализируемой среде. Время появления каждого пика является функцией размера молекул и используется для их идентификации. На рис. приведен пример хроматограммы.
.files/image1434.jpg)
Рис. 18.13 Применение химических измерительных преобразователей в составе аналитических приборов. (А – пример хроматограммы датчика с селекцией компонентов раствора во времени, Б – пример выходного сигнала масс-спектрометра).
В памяти современных хроматографических систем хранится множество хроматограмм, используемых для идентификации исследуемых образцов. В настоящее время хроматография является очень популярным методом проведения химических анализов. Программное обеспечение современных хроматографов позволяет производить автоматическую идентификацию состава широкого спектра образцов.
Масс-спектрометрия – метод аналитической химии, заключающийся в ионизации исследуемого образца, последующем ускорении полученных ионов при помощи высокого напряжения и фокусировки их в луч. Этот луч состоит из нескольких составляющих, соответствующих ионам разных масс и разных зарядов, которые разделяются под действием магнитных или электростатических сил. На рис. приведена спектрограмма масс- спектрометра. Расположение линий на спектрограмме соответствует отношению массы к заряду химических компонентов исследуемого образца. Высота линий пропорциональна концентрации молекул в образце с данным отношением масса/заряд. Масс-спектрометрия иногда применяется совместно с другими методами химического анализа для повышения избирательной способности при идентификации неионизирующих компонентов.
ИК-спектрометрия на основе преобразований Фурьезаключается в воздействии на исследуемый образец ИК-излучением, изменяющимся в заданном интервале значений, и измерении амплитуд поглощенного ИК-излучения для различных длин волн. Регистрируемая спектрограмма поглощения обычно очень зашумлена, поэтому для восстановления полезного сигнала применяется цифровой фильтр, реализованный на основе преобразований Фурье.
.files/image1436.jpg)
Рис. 18.14 Результаты проведения ИК спектрометрии и вольтамперометрии с использованием преобразований Фурье.
Этот метод широко применяется в аналитических системах. Недостатком данного метода является сложность проводимых математических преобразований.
Вольтамперометрия – это электрохимический метод измерения, заключающийся в подаче переменного напряжения на два или три электрода, находящиеся в контакте с жидкостным или газообразным анализируемым веществом. Напряжение на электродах запускает окислительно-восстановительные реакции в веществе, в результате чего в электрической цепи системы протекает ток. На рис. показан пример вольтамперограммы – зависимости тока от приложенного напряжения, по форме которой можно судить о качественном и количественном составе исследуемого образца. В зависимости от формы приложенного напряжения можно получить простую или сложную вольамперограмму.
