Лекция 9. Оптические анализаторы

Принцип действия, уравнение Бугера–Ламберта–Бера. Принципиальная схема одноканальная, с компенсацией дополнительной погрешности двухканальная. Область применения.

Принципы действия оптических анализаторов растворов основаны на известных законах распространения света (физика оптики). В зависимости от них анализаторы можно разбить на следующие группы:

Рефрактометры;

Абсорбционно-оптические (УФ-анализаторы, ИК-анализаторы, фотоколориметры);

Люминесцентные анализаторы;

Поляризационно-оптические анализаторы;

Нефелометры;

Турбидиметры.

Фотоколориметры или абсорбционно-оптические анализаторы. Принцип действия основан на зависимости поглощения поток проходящего монохроматического излучения от концентрации раствора или на зависимости оптической плотности раствора от его концентрации. Модель измерения выводится из уравнения Бугера–Ламберта–Бера:

Фλ = Ф_λ0 ехр(-ε_λ· l· C) (47)

где Фλ, Ф_λ0 – монохроматический поток излучения ( прошедший через раствор и падающий, исходный); ε_λ – коэффициент поглощения данной длины волны λ; l – толщина слоя раствора (кюветы); C – концентрация.

Получим отношение Фλ,/Ф_λ0 = ехр(-ε_λ ·l ·C). Прологарифмировав отношение Фλ,/ Ф_λ0 и умножив на -1 правую и левую части уравнения, получим выражение, называемое оптической плотностью раствора Dλ.:

Dλ = ln Ф_{λ0 /}Фλ, = ε_λ· l ·C (48)

Рис. 40. Принципиальная схема одноканального абсорбционно-оптического анализатора

1– источник; 2– фильтр-монохроматор; 3– кювета; 4– фотоприемник; 5– усилитель; 6–регистратор.

Выходной сигнал анализатора определяется следующими параметрами:

y(C) = Ф_λ0 S_λ T_λ(C) = U ·[1 – A(C)], (49)

где S_λ– спектральная характеристика оптического фильтра (пропускание); U = Ф_λ0S_λКпКу; Кп – коэффициент преобразования фотоприемника; Ку – коэффициент усиления усилителя 5.

Рис. 41. Статическая характеристика абсорбционно-оптического анализатора

Более сложные абсорбционно-оптические анализаторы построены по многоканальной схеме с компенсационными измерительными схемами (рис. 42).

Рис. 42. Принципиальные схемы абсорбционно-оптических анализаторов:

а – одноканальные 2-хлучевые; б – двухканальные однолучевые.

Анализаторы, работающие по схеме а не имеют дополнительной погрешности из-за изменения спектральных характеристик источника 1 и фотоприемников 7, но могут иметь погрешность из-за неодинакового состояния кювет. Двухканальные однолучевые свободны от этого недостатка, но могут иметь мультипликативную погрешность из-за старения источника и фотоприемников.

Поляризационно-оптические анализаторы

Поляризационно-оптический метод определения концентрации веществ в растворах основан на взаимодействии поляризованного излучения с оптически активным веществом в растворе, которое меняет параметры поляризации (рис. 43, в, г). В качестве поляризатора может применяться призма Николя, поляроид, призма Глана.

Рис. 43 . Механизм поляризации монохроматического излучения

а – поляризатор 1 и анализатор 2 имеют параллельно направленные плоскости поляризации;

б – плоскость поляризации анализатора под углом 90^º («настройка на темноту»); в – исследуемый раствор с оптически активным веществом.

Взаимодействие поляризованного излучения с оптически активным веществом (полисахариды, кристаллы, скипидар, нефтепродукты и др.) приводит к повороту азимута поляризации на угол α, пропорциональный концентрации вещества:

α = α₀·С_х·b, (50)

где α₀ – удельный угол, зависит от природы вещества и λ; b – толщина слоя (кюветы).

Поляризационно-оптические анализаторы (поляриметры) всегда содержат поляризатор и анализатор (рис. 44).

Рис. 44. Принципиальная схема автоматического поляриметра

1 – источник излучения; 2 – линза объектива; 3 – интерференционный фильтр; 4 – поляризатор; 5 – модулятор (ячейка Фарадея); 6 – анализируемый раствор; 7 – анализатор; 8 – фотоприемник; 9 – блок питания; 10 – усилитель; 11 – исполнительный механизм; 12 – отсчетное устройство.

Излучение от источника света 1, сформированного линзой 2 в параллельный пучок, проходит интерференционный фильтр и становится монохроматическим. Поляризатор 4 превращает этот пучок в линейно-поляризованное. Модулятор 5 (ячейка Фарадея) меняет азимут поляризации с частотой f на одинаковую величину от среднего положения. Излучение проходит через анализатор 7, установленный под углом 90^º к среднему положению азимута поляризации, и поступает на фотоприемник 8 с амплитудной модуляцией удвоенной частоты 2f изменения азимута поляризации. Фотоприемник 8 преобразует излучение в электрический сигнал.

Нефелометрия и турбодиметрия(от греч. nephele – облако, лат. turbidus – мутный и греч. metreo – измеряю), методы количественного анализа, основанные на измерении интенсивности света, соответственно рассеянного исследуемой дисперсной системой (суспензия или аэрозоль) и прошедшего через нее. Интенсивность I_н света, рассеянного в направлении, перпендикулярном лучу падающего света, определяется по закону Рэлея:

Jp = 24 π³J₀(CV²/ρ_тλ⁴) (1 + cos²α) [(n₁² – n₂²)/( n₁² + 2 n₂²)], (51)

где n1, n2 – показатели преломления твердых частиц и растворителя; С, V – концентрация и объем твердой частицы; Jp, J₀ – интенсивность рассеянного и падающего света; α –угол рассеяния.

Нефелометры (рис 45) позволяют исследовать дисперсные системы производственных растворов, питьевую воду, нефтяные фракции, а также аэрозоли. В последнем случае исследуемое вещество непрерывно пропускают через кювету. Градуировочные кривые строят при помощи аэрозолей с известными физическими свойствами и размерами частиц. Измеряя интенсивность рассеянного света под разными углами и при разных концентрациях взвеси, можно определить размеры и форму дисперсных частиц.

Рис. 45. Блок-схема нефелометра

Работа схемы: световой луч от источника 1 проходит через коллиматор 2, кювету дифференциального типа 3, неподвижную призму 4, поворотную призму 5 и попадает на фотоприемник 6, состоящий из двух фотоэлементов, включенных в измерительную схему встречно. При неодинаковой освещенности, возникающей из-за изменений исследуемого раствора в кювете 3, появляется разность эдс, которая поступает на вход усилителя 7 и приводит во вращение РД, поворачивающего поворотную призму 5 до состояния равновесия. При равенстве показателей преломления эталонной и рабочей жидкостей световой луч совпадает с оптической осью системы и равномерно освещает оба фотоэлемента.

Характер зависимости коэффициента преломления от концентрации некоторых жидкостей и технологических продуктов приведен на рис. 46.

Рис. 46. График зависимости коэффициента преломления от концентрации некоторых жидкостей