Нефелометрические и турбидиметрические анализаторы
Эти анализаторы применяются для контроля концентрации нерастворенных взвешенных частиц в жидкостях и газах. Нефелометры и турбидиметры могут быть использованы также и для контроля концентрации взвешенных частиц в газах. В частности, они могут быть применены для контроля концентрации дыма в коптильных цехах. В них используются методы, основанные на рассеянии и поглощении света в мутных средах.
При прохождении светового потока через среду часть его рассеивается, часть поглощается в зависимости от концентрации. При этом мерой концентрации может служить как интенсивность рассеянного светового потока (нефелометрические методы измерения), так и прошедшего через слой контролируемой среды (турбидиметрические методы измерения).
При использовании нефелометрических методов измеряют интенсивность рассеянного светового потока Фр. Соотношение между падающим Ф0 и рассеянным Фр световыми потоками описывается законом Релея:
Фр = Ф0∙крNV2/λ4 ,
где кр – коэффициент рассеяния;
N – число частиц;
V - объем частиц;
λ - длина волны падающего света.
Действие прибора основывается на сопоставлении интенсивности света, рассеянного средой, с интенсивностью рассеяния эталона.
Рис. 7.3
В рассматриваемой схеме нефелометра (рис. 7.3) свет от источника 1 проходит через окно 2 и попадает в измерительную камеру 3. При этом часть его рассеивается и проходит через окно 4. Световые потоки периодически прерываются обтюратором 5 и попеременно направляются на фотоэлемент 6. Выравнивание их осуществляется оптическим клином 7, приводимым в движение реверсивным двигателем 8, который также связан со стрелкой вторичного прибора
В турбидиметрах соотношение между прошедшим световым потоком Фпр через контролируемую среду (суспензию) и вошедшим в нее Ф0 может быть выражено следующим образом:
Фпр=Ф0 е-КоlN .
Выражая это соотношение через оптическую плотность, будем иметь :
D= ln Фо/Фпр = коlN,
где l - толщина слоя;
N - количество частиц в единице объема;
ко - коэффициент ослабления.
Для частиц, размеры которых значительно больше длины волны, коэффициент ослабления пропорционален поверхности частицы. Для сферических частиц
ко= π r2 ,
где r - радиус частицы.
Приведенная схема турбидиметрического анализатора представляет собой дифференциальную систему с нулевым отсчетом.
![]() |
Поток света (рис. 7.4) от источника 1 проходит через коллиматор 2, светофильтр 3 и специальные оптические устройства 4, разделяющие его на рабочий и компенсационный каналы. В компенсационном канале нейтральный фильтр 5 служит для начальной настройки прибора при растворе, не содержащем контролируемого компонента. Далее световой поток направляется на фотоприемник 9.
Рис. 7.4
В рабочем канале находятся два светофильтра: компенсационный 6 и для настройки 7, кювета с анализируемой средой 8 и вторая половина фотоприемника 9. Фотоприемник 9 представляет собой два противовключенных источника ЭДС. Усиленная разность напряжений поступает на фазочувствительную обмотку реверсивного двигателя РД, связанного с компенсационным светофильтром 6, перемещение которого обеспечивает компенсацию в разнице освещенности рабочего фотоприемника, а также стрелкой прибора и движком реохорда вторичного прибора.
Основная погрешность таких приборов составляет ±2,5–4 %.
Рефрактометры
Приборы, основанные на использовании зависимости показателя преломления бинарной смеси от соотношения ее компонентов, применяются для определения концентрации различных растворов.
Показатель преломления n (относительный) определяется отношением синуса угла падения светового луча (sin α) к синусу угла преломления (sin β) при переходе его из одной среды в другую:
n= v1/v2= sin α/ sin β=n2/n1, так как n1=C/v1 и n2=C/v2,
где v1 и v2 - скорость распространения света в соответствующих средах;
n1 и n2 - их абсолютные показатели преломления;
C - скорость света в пустоте (вакууме).
Для двухкомпонентных растворов:
C1/C2=K [(nсм-n2)/(n1- nсм)],
где C1 и C2 - концентрации компонентов смеси;
nсм - показатель преломления смеси;
К- постоянная.
При К=1 и C1 + C2=100 % для C1 = Cх: Cх /100- Cх =(n-n2)/(n1-n) ,
отсюда
Cх=100∙(n-n2)/(n1-n),
где (n1- n2) /100=Кn - инкримент показателя преломления, тогда
n=n2+ Кn Cх.
Промышленные рефрактометры основаны на методе разностной призмы. Кювета включает в себя две или три полые призмы, одна из которых заполняется сравнительной жидкостью со средним значением показателя преломления.
Для двухпризменного преобразователя:
sin β=(nx-nср)∙tg α.
Для трехпризменного:
sin β=2(nx-nср) ∙tg α/2; (7.1)
nx = n2 +K Cх ; (7.2)
nср = n2 +K.Cср , (7.3)
вычитая из (7.2) выражение (7.3) получим nx – nср =К(Cх – Cср);
sin β=2КΔС tg α/2.
Измеряя рефрактометром отклонение светового пучка на выходе кюветного преобразователя, можно определить изменение концентрации ΔС анализируемого компонента.
![]() |
На рис. 7.5 приведена схема рефрактометра. При nx=nср фотосопротивления Ф1 и Ф2 равномерно освещаются. При изменении концентрации луч света отклоняется в ту или иную сторону. Разбаланс усиливается, и с помощью реверсивного двигателя РД поворачивается компенсационная пластина 5. Стрелка показывающего прибора 6, связанная с РД, указывает концентрацию раствора.
Рис. 7.5
1- источник света; 2 - конденсорная линза; 3 - диафрагма; 4 - кювета; 5 – компенсационная пластина; 6 – показывающий прибор.
Другая группа рефрактометров основана на использовании явления полного внутреннего отражения.
При переходе из среды с большим показателем преломления в среду с меньшим (n1>n2) можно подобрать предельный угол αпред< π/2, при котором β = 90°. При этом луч не проходит в менее плотную среду, а скользит по границе раздела сред. При всяком другом угле больше αпред луч будет полностью отражаться от границы раздела. Этот эффект используют в волоконной оптике для передачи света по световодам. Отраженный свет делится на световую зону и затемненную. Равновесие получается тогда, когда граница светотени проецируется на щелевую диафрагму.
Рефрактометр автоматический типа А2РП-Д предназначен для анализа прозрачных и полупрозрачных сред.
Прибор блочно-модульного исполнения с унифицированным выходным сигналом 4-20 мА постоянного тока. Принцип действия – измерение величины угла преломления светового луча, проходящего через жидкостную разностную призму. Рефрактометр собран по дифференциальной схеме.
Рефрактометрический преобразователь типа A1-ЕД2Р автоматически измеряет концентрацию сухих веществ в молочных продуктах и молоке. Пределы измерения 0 –74 % сухих веществ по сахарозе. Предел основной погрешности ±0,3 % сухих веществ.
Поляриметры
Поляризационно-оптические анализаторы основаны на свойстве поляризованного излучения изменять угол вращения плоскости поляризации при прохождении через оптически активное вещество.
При взаимодействии с оптически активной средой плоскость
поляризации поворачивается на угол
α= αоСbK,
где αо – удельное вращение, зависящее от длины волны, рода вещества и температуры;
С – концентрация вещества;
B – толщина слоя анализируемого раствора;
К – коэффициент;
αо – удельное вращение, зависящее от длины волны, рода вещества и температуры.
Удельное вращение для различных веществ приведено ниже:
тростниковый сахар +66,4; глюкоза +52,5 и фруктоза –93,0.
Таким образом, вращение плоскостей поляризации может идти по часовой стрелке (+) и против (–).
Концентрация вещества определяется по углу вращения плоскости поляризации. Кювета с анализируемой жидкостью размещается между двумя поляроидами (призмами). Первая из них - поляризатор -обеспечивает плоскополяризованный свет, вторая - анализатор - измерение интенсивности плоскополяризованного света.
Интенсивность светового потока
F=F0.cos 2 β,
где F0 - интенсивность светового потока, выходящего из анализатора;
β - угол между плоскостями поляризации анализатора и поляризатора.
При размещении между поляризатором и анализатором анализируемого вещества меняется угол β, что может быть мерой концентрации оптически активного вещества.
В пищевой промышленности определяют этим методом такие оптически активные вещества, как сахар, глюкоза, лактоза.
На рис. 7.6 приведена схема поляризационно-оптического анализатора.
Рис. 7.6
1 - источник света; 2 - линза; 3 - интерференционный фильтр (монохроматический параллельный пучок); 4 - поляризатор (линейно-поляризованное излучение с определенным азимутом); 5 - модулятор (меняет азимут поляризации с частотой f на одинаковую величину от среднего положения); 6 - оптически активный объект; 7 - анализатор (установлен под углом 90° к среднему положению азимута поляризации); 8 - фотоприемник, преобразующий излучение (с частотой 2f) в электрический сигнал; блок питания; 9 – блок питания; 10 – электронная система; 11 – исполнительный механизм; 12 – отсчетное устройство.
При появлении оптически активного объекта среднее положение азимута поляризации будет повернуто на угол α и на фотоприемник поступит излучение с частотой f. Это вызовет в электронной системе 10 сигнал рассогласования, который поступает на исполнительный механизм 11, поворачивающий анализатор 7 вокруг оптической оси до тех пор, пока частотное излучение за анализатором не станет равным 2f. На отсчетном
устройстве 12 можно увидеть концентрацию анализируемого вещества.
![]() |
На рис. 7.7 приведена схема анализатора пищевых продуктов.
Рис. 7.7
Световой поток от источника 1 проходит через конденсор 2, фильтр 3 и поляризатор 4, из которого выходит плоскополяризованным. Далее через призму 5 направляется в кювету 6 с контролируемым продуктом. После прохождения через кювету световой поток проходит через поляроидный анализатор 7 и далее попадает на фотоприемник 8, выход которого связан с усилителем. При отсутствии в среде оптически активных веществ поляризованный свет полностью гасится в анализаторе и не попадает на фотоэлемент. При их наличии плоскость поляризации поворачивается на некоторый угол (пропорционально концентрации вещества) и на фотоэлемент падает модулированный световой поток. С помощью обратной связи система приходит в первоначальное состояние.
По этой схеме работает анализатор содержания сахара типа САП в пределах 7–20° по международной шкале. Погрешность ±1 %. Прибор имеет выход на цифропечать.