Построение приборов для автоматического титрования

11

Построение приборов для автоматического титрования

Структуры приборов

Все приборы для автомагического титрования характеризуются следующей обобщенной функциональной блок-схемой (рис. 2). Приборы состоят из ряда устройств, выполняющих определенные функции: устройства подачи реактивов и пробы 1; устройства подачи титранта 2; титровальной ячейки 3, в которой происходит титрование при интенсивном перемешивании раствора; устройства определения конечной точки титрования 4; индикаторного устройства 5, с помощью которого получают результаты анализа; программного устройства 6, применяемого в отдельных случаях для обеспечения последовательности операций анализа.

Функциональные схемы приборов, отличающихся между собой по степени автоматизации, имеют соответственно различный вид.

У лабораторных приборов ряд устройств, показанных на рис. 2, отсутствует, у промышленных приборов ряд устройств усложняется и развивается. На рис. 3 представлена функциональная схема титрометра. На штативе установлена магнитная мешалка 2 и закреплены бюретка 3 и электродная пара 4 для индикации конечной точки. На столе мешалки находится химический стакан 5 с подготовленным для анализа раствором. Бюретка вручную заполняется титрантом до нулевой отметки с помощью крана 6 из сосуда 7. Титрант из бюретки подается на титрование также вручную с помощью шарикового клапана 8. Ход титрования контролируется электронным прибором 9, имеющим на выходе стрелочный индикатор 10.

При проведении анализа прекращают подачу титранта при скачке стрелки прибора, характеризующем окончание титрования. При более точных определениях по диаграмме откладывают показания прибора, соответствующие количеству израсходованного титранта, и строят кривую титрования в областях до и после конца титрования. Перегиб кривой характеризует конечную точку титрования. Количество израсходованного титранта определяют визуально по делениям бюретки.

На этом же рисунке пунктирными линиями показаны те элементы, добавление которых превращает титрометр в полуавтоматический титратор. Это электромагниты 11 и 12 клапанов 8 и 6, управляющих подачей титранта в титровальную ячейку из бюретки и из сосуда 7 в бюретку, а также контактное устройство 13, с помощью которого закрывается клапан 6 при достижении титрантом нулевого уровня в бюретке. Электрическое устройство прибора оснащается станцией управления 14, с помощью которой обеспечивается нужная последовательность операций.

Подготовительные работы при анализах аналогичны работам, проводимым на титрометре. Однако ряд операций здесь автоматизирован. С помощью станции управления (например, кнопочной, клавишной) управляют работой электромагнитных клапанов 6, 8 и мешалки 2. При открытии клапана 6 титрант из сосуда 7 поступает в бюретку, пока не сработает схема сигнализации нулевого уровня титранта в бюретке, при этом клапан 6 автоматически закрывается.

Затем включается мешалка, и через некоторое время открывается клапан 8 -- начинается титрование. В конечной точке титрования индикатор конечной точки дает соответствующий сигнал, и электрическое устройство автоматически закрывает клапан 8. Титрование закончено, результаты анализа определяются визуально -- по бюретке.

Как показывает опыт, не имеет смысла снабжать титрометры и полуавтоматические титраторы специальными устройствами для регистрации результатов анализа. Это усложняет прибор и увеличивает погрешность анализа.

Если нужно зафиксировать автоматически результаты анализов при проведении, например, научно-исследовательских работ, то используются координатные самопишущие приборы для проведения автоматического титрования, так называемые титрографы.

Функциональная схема титрографа приведена па рис. 4. Основой титрографа является механическая координатная система, состоящая, например, из каретки 1, перемещаемой по направляющим 2, на которой находится реверсивный электродвигатель 3 (с соответствующим редуктором), перемещающий вдоль каретки / перо 4. Перо вычерчивает кривую титрования на бланке диаграммы 5. Каретка перемещается в горизонтальном направлении с помощью электродвигателя 6. Одновременно с кареткой перемещается поршень 7 шприца 8, с помощью которого подается титрант в титровальную ячейку 9. Раствор в титровальной ячейке перемешивается магнитной мешалкой 10. Сигнал о ходе титрования с чувствительного элемента // (например, электродной пары) поступает в электронный усилитель 12, управляющий с помощью электродвигателя 3 вертикальным перемещением пера каретки. На бланке диаграммы автоматически вычерчивается кривая титрования в координатах C -- j(V). Титрографы особенно удобны при исследовании тех реакций, где на кривой титрования имеется несколько скачков, или при нерезких перегибах кривой титрования.

Функциональная схема автоматического непрерывного титратора показана на рис. 5. В титровальную ячейку 1, оснащенную переливной трубкой 2 и мешалкой 3, непрерывно поступает раствор из смесителя 4. В смеситель с помощью дозаторов постоянных расходов 5 и 6 поступают соответственно анализируемый раствор, отбираемый из технологического процесса, и необходимый для титрования дополнительный раствор (фон), поступающий из сосуда 7. Титрант подается в смеситель из сосуда 8 с помощью дозатора 9 переменного расхода. В титровальной ячейке изменением расхода титранта поддерживается динамическое равновесие реакции вблизи эквивалентной точки титрования. При изменении концентрации титруемого компонента в анализируемом растворе равновесие нарушается и реакция титрования смещается в ту или иную сторону. При этом на чувствительном элементе 10 возникает сигнал, преобразуемый в электрическом устройстве // в стандартный сигнал, управляющий работой регулирующего блока 12. Последний управляет ¦ производительностью дозатора титранта 9 и одновременно выдает /соответствующий этой производительности сигнал на регистрирующий прибор 13. Шкала последнего градуируется обычно в процентной концентрации титруемого компонента.

Наиболее сложными устройствами являются автоматические титраторы прерывистого действия, их функциональная схема изображена на рис. 6.

В отличие от непрерывного автоматического титратора в титраторе прерывистого действия все операции титрования повторяют действия лаборанта, производящего титрование, но выполняются эти действия автоматически по заданной программе. Анализируемый раствор (проба) поступает в дозатор /, где отмеривается определенная порция, направляемая затем в титровальную ячейку 2, снабженную мещалкой 3. В ячейку поступают отмеренные дозатором 4 порции разбавителя (воды, например) и фона (из сосуда 5). Бюретка 7 наполняется титрантом из сосуда 8 до нулевого уровня, фиксируемого сигнальным устройством 9. Конечная точка титрования определяется с помощью чувствительного элемента 10 и электрического устройства //. Количество израсходованного титранта определяется с помощью индикаторного элемента 12 и регистрирующего прибора 13. Все перепускные операции происходят под контролем электромагнитных клапанов 14 по программе, определенной командным устройством 6.

Среди промышленных непрерывных титраторов несколько в стороне от рассмотренной классификации стоит группа так называемых регулирующих непрерывных титраторов. Устройства этой группы могут не иметь прибора, показывающего или регистрирующего концентрацию титруемого компонента в исследуемом растворе. Основное назначение этих устройств -- автоматическое поддержание заданной концентрации определяемого вещества в промышленном агрегате. Функциональная схема регулирующего непрерывного титратора приведена на рис. 7.

В промышленный реактор 1 по трубе 2 поступает реагент, расход которого регулирует концентрацию определяемого компонента в растворе. С помощью пробоотборного устройства 3 исследуемый раствор направляется в дозатор 4 непрерывного действия, обеспечивающий постоянное поступление исследуемого раствора в титровальную ячейку 5, оборудованную переливом. С помощью дозатора непрерывного действия 6 в титровальную ячейку поступает фон, а с помощью дозатора 7 -- титрант. Производительность дозатора титранта 7 определяется задатчиком 8. Отклонения от динамического равновесия в области эквивалентной точки титрования, наступающие при изменении концентрации определяемого компонента в растворе, передаются с помощью чувствительного элемента 9 в электрическое устройство 10. Последнее вырабатывает сигнал, направляемый в регулятор //. Регулятор с помощью исполнительного механизма 12 изменяет степень открытия регулирующего клапана 13, подающего реагент в реактор так, чтобы восстановить в последнем заданную задатчиком 8 концентрацию определяемого компонента.

Качество приборов автоматического титрования, как и любых измерительных приборов, определяется следующими параметрами: точностью измерения, чувствительностью выбранного метода и индикаторов, стабильностью полученных результатов.

Основная погрешность прибора (относительная), определенная -в установившемся состоянии при нормальных условиях, должна соответствовать установленным классам точности.

Для датчиков состава вещества допускаются классы точности 2,5 и 4.

При автоматическом титровании на точность результатов оказывает влияние ряд причин. Основными из них являются ошибки, допущенные в определении концентрации приготовленного титранта, при дозировании исследуемого раствора, при измерении количества титранта, необходимого для проведения реакции, в определении конечной точки титрования. В общем виде относительную погрешность при автоматическом титровании можно охарактеризовать суммой частных погрешностей отдельных операций титрования

где-- погрешность в дозировании (отмеривании) объема или в установлении расхода исследуемого раствора (пробы); 5 дг_т-- погрешность в определении (при приготовлении) концентрации титранта;--погрешность в определении объема (или расхода) титранта, израсходованного (расходуемого) на титрование;-- погрешность в определении конечной точки титрования или в определении кривой, характеризующей ход титрования.

В зависимости от вида применяемого прибора меняются значение и вклад каждой составляющей основной погрешности. В титро-метрах и полуавтоматических тнтраторах определяющим фактором является погрешность в определении конечной точки титрования и считывания результатов анализа.

В автоматических титраторах только точность при приготовлении титранта зависит от персонала (исключение составляют кулонометрические приборы), остальные составляющее основной погрешности зависят целиком от применяемых в приборе элементов и выбранной методики титрования.

На точность при определении конечной точки титрования большое влияние оказывают выбранная методика анализа, индикаторы конечной точки, характер течения реакции, определяемой видом кривой титрования.

На рис. 8 приведены основные виды кривых титрования, обозначение которых базируется на известной классификации аналогичных кривых.

Вид кривой титрования в значительной степени определяет электрическую схему отработки конечной точки титрования и возможную погрешность в определении конечной точки.

Малый градиент изменения величины измеряемого параметра (рН, цветности, электропроводности и др.) около конечной точки титрования затрудняет определение ее и является одним из основных источников ошибок. Скорость подачи титранта и интенсивность перемешивания раствора в титровальной ячейке играют немаловажную роль в получении погрешности. Автоматизация операций титрования вызывает естественное желание уменьшить время цикла титрования, увеличить скорость подачи титранта. Даже при максимально допустимой интенсивности перемешивания чрезмерное увеличение скорости подачи титранта вызывает заметное перетитровывание. Необходимо учитывать время запаздывания всей системы, в том числе инерционность чувствительного элемента, например электродов, которая оказывает существенное влияние па погрешность при определении конечной точки титрования.