1 2,13 Фотоэлектрические методы анализа

12 Рефрактометрический метод

Рефрактометрический метод анализа жидких сред основан на использовании зависимости показателя преломления бинарной смеси от соотношения ее компонентов.

Как известно, показатель преломления определяется отношением синуса угла падения а, к синусу угла преломления β (рис. 1). Эта величина, постоянная для двух сред, равна отношению скоростей распространения световых волн в первой и второй средах.

Рис. 1. Преломление светового луча на границе раздела двух сред

Когда первая среда — «пустота», показатель преломления называется абсолютным показателем преломления. При переходе света из одного вещества в другое называется, относительным показателем преломления второго вещества по отношению к первому.

Рис. 2. Принципиальная схема автоматического рефрактометра с дифференциальной кюветой:

1 — источник света; 2 — линза; 3 — диафрагма; 4 — кювета; 5 — компенсационная пластина; 6 — отсчетная система

На рис. 2 показана принципиальная схема автоматического рефрактометра, в котором использована кювета дифференциального типа. Луч от источника света 1 проходит через конденсорную линзу 2, диафрагму 3 и попадает в кювету 4. Если концентрация контролируемого раствора равна концентрации сравнительного раствора, то луч проходит через кювету без отклонения и равномерно освещает оба фотосопротивления Ф₁ и Ф₂. При этом сигнал на выходе равен нулю. При изменении концентрации анализируемого раствора луч света отклоняется в ту или иную сторону и равенство освещенностей фотосопротивлений нарушается.

В результате на вход электронного усилителя ЭУ подается сигнал, знак и величина которого определяются отклонением концентрации контролируемого раствора от сравнительного. Этот сигнал усиливается в ЭУ и приводит во вращение реверсивный двигатель РД, который через систему передач поворачивает компенсационную пластину 5 до тех пор, пока равенство освещенностей не восстановится. При этом угол поворота пластины и связанной с ней отсчетной системы 6 прибора пропорционален изменению концентрации контролируемого раствора. Изменением толщины пластины 5 можно изменять пределы измерения прибора.

Кювета 4, состоящая из двух камер, автоматически обеспечивает температурную компенсацию результатов измерения, если сравнительная (эталонная) жидкость имеет тот же температурный коэффициент показателя преломления, что и контролируемая.

Другой распространенной группой являются автоматические рефрактометры, основанные на использовании явления полного внутреннего отражения, которое заключается в следующем (рис.3). При переходе светового луча из среды с большим показателем преломления в среду с меньшим значением этого показателя можно подобрать такой предельный угол падения при котором угол преломления будет равен 90°.

Рис. 3. Полное внутреннее отражение луча

В этом случае луч не попадает в оптически менее плотную среду, а проходит по границе раздела сред. При всяком другом угле падения, большем предельного, луч будет полностью отражаться на границе раздела. Величина предельного, угла в этом случае определяется отношением показателей преломления сред. Если у одной из них показатель преломления постоянный, то предельный угол будет зависеть только от показателя преломления второй (контролируемой) среды.

На рис. 4 показана принципиальная схема автоматического рефрактометра с использованием принципа полного внутреннего отражения.

Свет от источника 1 через светофильтр 2 и конденсор 3 попадает на сферическую поверхность измерительной призмы 4, плоская грань которой омывается контролируемым раствором. Световой поток, отраженный от плоской поверхности, проходит через сферическую выходную поверхность призмы, выполняющую роль объектива. Благодаря тому, что показатель преломления материала призмы больше показателя преломления контролируемой жидкости, для которой предназначен прибор, всегда можно обеспечить полное внутреннее отражение луча в измерительной призме изменением угла падения .входного светового луча. Отраженный свет делится на две зоны (световую и затемненную) и воздействует на два фотоэлемента Ф₁ и Ф₂, один из которых (Ф₂) закреплен неподвижно, а второй может перемещаться. Фотоэлементы включены по дифференциальной схеме на вход электронного усилителя ЭУ.

Равновесие измерительной системы соответствует положению, когда граница светотени проектируется на щелевую диафрагму 5, которой снабжен подвижной фотоэлемент Ф₁. При этом сигнал на выходе электронного усилителя равен нулю и реверсивный двигатель РД неподвижен.

И зменение концентраций контролируемого раствора приводит к изменению его показателя преломления и, следовательно, к смещению границы светотени. При этом фотоэлемент Ф₁ оказывается целиком в светлой или темной зоне и получает соответственно больше или меньше света, чем в равновесном состоянии. От положения подвижного фотоэлемента (в светлой или темной зоне) зависит фаза выходного напряжения электронного усилителя и соответственно направление вращения реверсивного двигателя. Изменение концентрации вызывает нарушение равновесия системы. Новое положение равновесия наступает, когда щель диафрагмы фотоэлемента Ф₂ опять совпадает с границей светотени. Таким образом, перемещение подвижного фотоэлемента является мерой изменения показателя преломления контролируемого раствора, т. е. мерой изменения его концентрации. С осью реверсивного двигателя связана стрелка вторичного прибора.

Рис. 4. Принципиальная схема автоматического рефрактометра с использованием принципа полного внутреннего отражения:

1 — источник света; 2 — светофильтр; 3 — конденсорная линза; 4 — измерительная призма; 5 — щелевая диафрагма; 6 — вторичный прибор

Имеются рефрактометры с двумя неподвижными фотоэлементами. Оптическая система уравновешивается при повороте зеркала, изменяющего освещенность одного из фотоэлементов.

Преимущество автоматических рефрактометров, в основе которых лежит метод полного внутреннего отражения, заключается в возможности контроля концентрации непрозрачных жидкостей, например, нефтепродуктов, однако чувствительность их меньше, чем дифференциальных рефрактометров. Диапазон измерения рефрактометра зависит от параметров оптической схемы и параметров следящей системы.