10.9 Оптические анализаторы

Приборы для определения цвета

Качественным показателем ряда масел — вазелинового, парфюмерного, трансформаторного и др. — является цвет нефтепродукта. Авиационные, автотракторные и дизельные масла, которые имеют ярко выраженную окраску, также нормируют по цвету. Этот показатель контролируют не только в лабораторных условиях, но и непосредст­венно на технологическом потоке.

При анализе состава жидкостей применяют два основных метода, основанных на использовании оптических показателей, — колоримет­рический и рефрактометрический.

Колориметрия — это измерение показателя цвета продукта. Су­ществует ряд процессов, для которых измерение цвета или мутности имеет существенное значение. Так, в нефтепереработке важной характеристикой является светлость получаемых продуктов. Колориметрию применяют также на установках для очистки парафина, при обесцвечивании растительных масел и др. В некоторых случаях к исследуемому продукту добавляют индикатор, реагирующий с анализируемым компонентом смеси, что вызывает изменение цвета. Использование колориметра в таких случаях позволяет определять весьма малые концентрации компонента.

Рефрактометрия — это измерение показателя преломления. Она пригодна для анализа прозрачных жидкостей. Наиболее важные области ее применения — анализ углеводородных смесей при нефтепереработке, измерение степени полимеризации этилена в производстве полиэтилена, измерение концентрации бензола в циклогексане при производстве капролактама.

Анализ показателя цвета заключается в определении интенсивнос­ти светового потока с определенной длиной волны, поглощаемого или рассеиваемого {при измерении мутности) исследуемым компонентом смеси. Величина поглощения зависит от концентрации компонента. Лучеприемником служат фотоэлемент, фотосопротивление или фотоумножитель.

Дифференциальный колориметр. Принципиальная схема его та­кова. В двух оптических каналах, рабочем и сравнительном, установлены лучеприемники—фотосопротивлення 5 (рисунок 10.43), включенные в схему измерительного моста. Кюветы 2 и 5 имеют светофильтры, которые позволяют измерять поглощение в области спектра, соответствующей наибольшей чувствительности лучеприемника.

В этом анализаторе показателя цвета нефтепродуктов лучеприем-ником служит фотоумножитель. Световой поток от осветителя (электрической лампы накаливания) идет по двум каналам — рабочему и сравнительному. В каждом канале поток проходит через оптическую систему, обтюратор, кювету и попадает на фотоумножитель. Сравнительная кювета заполняется пробой образца. Применяют также специальные светофильтры, устанавливаемые в окне кюветы вместо заполнения их образцом. По окружности обтюратора расположены две группы прорезей разной длины таким образом, что световой поток сравнительного канала проходит только через короткие прорези, а поток рабочего канала — через длинные. Форму и количество прорезей подбирают таким образом, что фототек, протекающий через фотоумножитель, имеет строго определенную форму: при освещении по сравнительному каналу - синусоидальную, при освещении по рабочему каналу — форму отдельных импульсов. При вращении обтюратора результирующий фототок имеет форму синусоиды с наложенными периодическими импульсами. В схеме усиления фототока предусмотрено выделение разности напряжений, полученных от рабочего и сравнительного каналов. Эту разность измеряет электронный автоматический потенциометр.

Рисунок 10.43. Принцип действия дифференциального колориметра:

1 — источник света; 2 -— рабочая кювета; 3 — фотосопро­тивления;

4 — измерительный прибор; 5 ~ сравнительная кювета

Градуируют прибор по эталонным продуктам (обычно промышленные масла), «светлость» которых предварительно определяют лабораторными приборами. При анализе нефтепродуктов в качестве единицы показателя «светлости» применяют марку. Количество марок соответствует определенной окраске слоя стандартного раствора заданной толщины. Диапазон измерения прибора составляет от 1 до 3 марок. Повторяемость показания ±1 % диапазона измерения, воспроизводимость показаний не превышает 2,5 %.

Автоматический колориметр типа АКН. Определяет цвет контролируемого нефтепродукта и фиксирует показатели на картограмме автоматического электронного потенциометра. В основу действия прибора положен принцип светопоглощения. При этом измеряют не абсолютное значение светопоглощения, а отношение исследуемого нефтепродукта к поглощению света продуктом образцовой кюветы (сосуда из прозрачного материала). Это исключает ряд погрешностей прибора. Непосредственно определяет светопоглощение фотоумножитель, на который попадает световой поток, проходящий через слой исследуемой жидкости.

Прибор АКН-1 состоит из двух блоков: датчика и вторичного прибора — автоматического электронного потенциометра. В датчике образцом элемента служит стекло ЖЗС-10, толщину которого выбирают в зависимости от характера исследуемого продукта, либо образцовая кювета 9 (рисунок 10.44). Световой поток от лампы накаливания 12 направлен на фотоумножитель 7 по двум каналам: измерительному и образцовому. Каждый из этих каналов состоит из оптической системы, кюветы и обтюратора. В состав оптической системы, формирующей световой пучок, входят конденсатор 13, диафрагма 14, светофильтр 1, призма 2 и объектив 3. На пути световых потоков между оптическими системами и кюветами — образцовой 9 и измерительной 6 — установлен обтюратор 11. Он представляет собой диск с расположенными no-окружности прорезями. В обоих оптических каналах обтюратора установлены постоянные диафрагмы 10 и 4, а в измерительном — дополнительная подвижная диафрагма 5 для регулирования светового потока.

При нормальной работе прибора на фотоумножитель 7 попеременно попадает световой поток по обоим оптическим каналам, и результирующий фототек имеет форму синусоиды с отдельными выбросами — импульсами. Так как значение результирующего фототока весьма мало в схеме датчика предусмотрен усилитель 8. При изменении интенсивности окраски испытываемого нефтепродукта по сравнению с образцом на выходе фотоумножителя меняется напряжение, поступающее затем на электронный преобразователь. На выходе преобразователя формируется переменная составляющая, которая после усиления приводит в движение реверсивный двигатель электронного потенциометра ,и связанного с ним реохорда. Перемещение реохорда прекратится при уравновешивании сравниваемых напряжений. Регистрирующее устройство потенциометра фиксирует разность светопоглощений и сигнализирует об отклонении цвета анализируемого продукта от нормы.

Рисунок 10.44. Принципиальная схема колориметра АКН-1:

1 — светофильтр; 2 — призма; 3 —объектив; 4, 10 — постоянные диафрагмы; 5 —подвижная диафрагма; 6 — измерительная кювета; 7 — фотоумножитель; 8 — усилитель; 9 —образцовая кювета; 11 — обтюратор; 12 — лампа накаливания; 13 — конденсатор; 14 — диафрагма

Взрывобезопасность прибора обеспечивается продувкой корпуса датчика сжатым воздухом. Для этого в датчике установлено реле давления с выключателем. При прекращении продувки реле срабаты­вает и при помощи выключателя обесточивает датчик.

Стабильность работы прибора при постоянных режимах ±1 %. Чувствительность для темных нефтепродуктов - соответствующая классу 0,1, для светлых — классу 0,5, воспроизводимость показаний не более 2,5 %. Давление воздуха для продувки датчика 0,3 бар.

Промышленный автоматический рефрактометр.

Рефрактометрический метод использует зависимость между показателем преломления света, проходящего из воздуха в контролируемую среду, и концентрацией последней.

Существует несколько методов определения показателя преломления, главными из которых являются спектрометрический и метод полного внутреннего отражения.

Спектрометрический метод основан на определении показа­теля преломления по углу наименьшего отклонения светового луча в стеклянных призмах, заполненных контролируемым раствором.

Обычно используются кюветы дифференциального типа. Кювета состоит из двух частей, одна из которых заполняется контролируемым, а вторая — эталонным раствором. При равенстве показателей преломления обеих жидкостей луч света проходит через обе камеры без отклонений, независимо от абсолютного значения показателя преломления. А всякое отклонение показателей преломления вызовет отклонение луча, пропорциональное разности показателей преломления пробы и эталона.

Таким образом, применение такой конструкции кюветы обеспечивает линейную зависимость показаний прибора от показателя преломления контролируемого раствора, не требуя изменения геометрии системы при работе с различными жидкостями. Необходимо лишь в результаты измерений вводить масштабный множитель. Кроме того, такая конструкция кюветы автоматиче­ски обеспечивает температурную компенсацию результатов изме­рений, если эталонная жидкость имеет тот же температурный коэффициент показателя преломления, что и контролируемая.

Другой метод основан на использовании явления полного внутреннего отражения, которое заключается в следующем.

При определенном угле падения на поверхность раздела сред луча света из среды с большим показателем преломления в среду с меньшим показателем преломления отраженный луч идет по границе раздела.. При этом луч уже не попадает в среду с меньшим показателем преломления, т. е. претерпевает полное внутреннее отражение.

Преимуществом приборов, использующих принцип полного внутреннего отражения, является работа оптической схемы в отраженном, а не проходящем свете. Благодаря этому рефрактометры данного типа пригодны для работы с непрозрачными жидкостями.

Показатель преломления бинарной смеси линейно зависит от концентрации компонентов. Это свойство используют для количественного анализа. Промышленный автоматический рефрактометр производит измерения диффе­ренциальным методом.

Рисунок 10.45. Принципиальная схема промышленного автоматического рефрактометра:

1 - дифференциальный фотоэлемент: 2 — редуктор; 3 — реохорд; 4— регистратор (потенциометр); 5—кулачок; 6 — поворотная призма; 7 — неподвижная призма; 8 — объектив; 9 —кювета; 10 — разделительное стекло; 11 — диафрагма; 12 — конденсатор; 13 — осветитель; 14 — теплообменник

Основным элементом прибора является кювета 9 (рисунок 10.45), состоящая из двух разделенных стеклом 10 частей, одна из которых заполнена контролируемым продуктом, а вторая — образцовой жидкостью. Показатель преломления образцовой жидкости предварительно определяют лабораторным рефрактометром. Разделительное стекло устанавливают под определенным углом к оптической оси.

Луч света при прохождении через кювету отклоняется пропорционально разности показателей преломления анализируемой и эталонной жидкостей. Лучеприемником служит плоский дифференциальных фотоэлемент 1, состоящий из двух половин. Разность напряжений на выходе фотоэлемента, возникающая вследствие неодинаковой ос­вещенности половин, усиливается; усилителем управляет реверсивный электродвигатель. При равенстве показателей преломления анализируемой и образцовой жидкостей выходной сигнал фотоэлемента равен нулю, и система находится в состоянии равновесия. При различных показателях преломления реверсивный электродвигатель поворачивает поворотную призму 6, изменяющую направление светового луча до тех пор, пока не наступит новое состояние равновесия. Одновременно изменяется положение движка реохорда 3, с которого снимается выходное напряжение. Выходное напряжение измеряет электронный автоматический потенциометр 4. Прибор имеет пределы измерения по коэффициенту преломления ±2 • 10^-2.