
- •Общие сведения. Классификация методов и приборов для анализа состава и измерения параметров веществ
- •Кондуктометрический метод анализа
- •1. Основные понятия и физико-химические основы
- •2. Контактные кондуктометрические приборы
- •4. Бесконтактная высокочастотная кондуктометрия
- •3. Приборы для потенциометрических измерений
- •4. Температурная компенсация при измерении рН
- •1. Основные определения. Эквивалентные схемы замещения датчика
- •2. Методы и приборы для измерения диэлектрических характеристик веществ
- •1. Фотоэлектрические рефрактометры
- •2. Абсорбционно-оптический метод
- •3. Люминесцентный метод
- •4. Поляризационно-оптические методы
- •5. Фотоэлектрические нефелометры и турбидиметры
- •1. Физические основы метода
- •2. Газоанализаторы инфракрасного поглощения
- •3. Газоанализаторы ультрафиолетового поглощения
- •1. Дроссельные газоанализаторы
- •2. Струйные газоанализаторы
- •1. Кондуктометрические газоанализаторы
- •2. Кулонометрические газоанализаторы
- •3. Полярографические газоанализаторы
- •Методы определения микроконцентрации токсичных и взрывоопасных газов
- •1. Термохимические газоанализаторы
- •2. Пламенно-ионизационные газоанализаторы
- •3. Аэрозольно-ионизационные газоанализаторы
- •4. Фотоколориметрические газоанализаторы
- •Масс-спектрометрический метод анализа состава газов
- •1. Масс-спектрометр с разделением ионов в магнитном поле
- •2. Времяпролетный масс-спектрометр
- •Хроматографический метод анализа
- •1. Общие сведения. Физические основы метода
- •2. Газовый хроматограф и его основные элементы
- •1. Психрометрический метод
- •2. Метод точки росы
- •3. Сорбционные методы
- •1. Поплавковые плотномеры
- •2. Весовые плотномеры
- •3. Гидростатические плотномеры
- •4. Вибрационные плотномеры
- •5. Радиоизотопные плотномеры
- •1. Вискозиметры истечения (капиллярные вискозиметры)
- •2. Вискозиметры с падающим шариком
- •3. Ротационные вискозиметры
- •4. Вибрационные вискозиметры
2. Абсорбционно-оптический метод
В основе абсорбционно-оптического метода анализа состава жидкостей лежит свойство различающихся по составу растворов по-разному поглощать (абсорбировать) излучение оптического диапазона. Количественные соотношения этого явления описываются законом Бугера—Ламберта—Бера:
(4)
или
;
,
где
Фλ
—монохроматический
поток излучения, выходящий из слоя
раствора толщиной l;
и
—
коэффициент пропускания и оптическая
плотность раствора толщиной l
на длине волны излучения λ;
—
монохроматический поток излучения,
входящий в слой раствора;
—
коэффициент поглощения излучения
веществом; С
—
концентрация поглощающего вещества.
Если в растворе содержится п компонентов, то его оптическая плотность зависит от коэффициентов поглощения и концентраций всех компонентов
(5)
Уравнение
(5) показывает, что для избирательного
измерения одного компонента необходимо,
чтобы коэффициенты поглощения
неконтролируемых компонентов ()
были значительно меньше коэффициента
контролируемого компонента, т. е.
.
Таким образом, длину волны излучения
для измерения концентрации абсорбционным
методом выбирают с учетом двух условий:
коэффициент поглощения определяемого
компонента должен иметь возможно большую
абсолютную величину; коэффициенты
поглощения остальных компонентов должны
быть относительно меньше коэффициента
контролируемого вещества.
Молекулы различных веществ, состоящие более чем из двух различных атомов, обладают характерными только для них спектрами и полосами поглощения излучения. Это предопределяет универсальность и широкое применение метода для анализа состава растворов.
В зависимости от того, в какой спектральной области работают абсорбциометры, их подразделяют на инфракрасные (ИК) анализаторы, анализаторы ультрафиолетового поглощения и фотометры или фотоколориметры (поглощение в видимой части спектра). При абсорбционно-оптическом методе анализа используют инфракрасную, видимую и ультрафиолетовую области спектра.
Для построения абсорбциометров применяют различные измерительные схемы в зависимости от решаемых аналитических задач и требований к метрологическим характеристикам. Схемы абсорбциометров могут отличаться между собой числом длин волн (каналов) и кювет (лучей), участвующих в измерительном процессе, ичтакже способом сравнения сигналов, получаемых в промежуточных преобразователях (вычитание, деление, умножение и др.).
Наиболее распространены два типа измерительных схем — одноканальные двухлучевые и двухканальные однолучевые. Анализаторы, основанные на одноканальных двухлучевых схемах (рис. 6), имеют минимальные погрешности от изменения спектральных характеристик излучателя, приемника излучения и других элементов. Однако погрешности таких приборов велики из-за неидентичности загрязнения окон кювет и других элементов на пути лучей.
Двухканальные однолучевые схемы обеспечивают минимальные погрешности анализаторов от загрязнения окон кюветы и несколько большие погрешности от изменения спектральных характеристик элементов схемы. На рис. 7 приведена типичная схема таких приборов.
Для достижения требуемых метрологических характеристик и их стабильности во времени одноканальные двухлучевые анализаторы требуют тщательной фильтрации от механических примесей раствора, поступающего в рабочую кювету, а двухканальные однолучевые анализаторы — обеспечения стабильности спектральных характеристик элементов, что достигается стабилизацией питания и температуры.
На
рис. 8 показана комбинированная
измерительная схема (двойная одноканальная
двухлучевая), лишенная недостатков
рассмотренных схем. Особенность работы
анализаторов заключается в том, что при
вращении диска обтюратора 11
светофильтры
4
и
10
поочередно
вводятся в потоки излучения, направляемые
на рабочую 5
и
сравнительную 9
кюветы.
Приемник излучения 6
раздельно
во времени выдает электрические сигналы
,
,
пропорциональные монохроматическому
потоку с длиной волны
после
прохождения рабочей и сравнительной
кювет, и аналогичные сигналы
,
при длине волны излучателя
.
Устройство 7 выполняет операции, в
результате которых показания анализатора
(6) где k
—
коэффициент пропорциональности.
Рис.
6.
Функциональная
схема одно-канального двухлучевого
фотоколориметра: 1
—
источник; 2
—
светофильтр; 3
—
светоделительная призма; 4
— зеркала;
5 и в
—
рабочая и сравнительная кюветы; 7 —
фотоэлементы; 8
—
усилитель; 9
— показывающий
прибор
Рис.
7. Функциональная схема двухканального
однолучевого инфракрасного анализатора:
1
— привод компенсационной заслонки; 2
—
зеркало; 3
и 12 —
рабочий и сравнительный светофильтры;
4
и 11 —
компенсационная и нулевая заслонки; 5
— привод нулевой заслонки; 6
—
датчик положения лопастей обтюратора;
7 — светоделительное зеркало; 8
—
кювета; 9
—
излучатель; 10
—
обтюратор; 13
—
приемник; 14
—
предварительный усилитель; 15
— фазочувствительный
детектор; 16
—
усилитель
Представив величины в (6) через коэффициенты преобразования соответствующих элементов схемы, нетрудно показать, что показания анализатора зависят лишь от коэффициентов пропускания, состава и толщин слоя жидкостей в кюветах:
Рис.
8. Функциональная схема комбинированного
инфракрасного анализатора:
1 — излучатель; 2 — зеркала; 3 — датчик положения светофильтров; 4 и 10 — светофильтры; 5 и 9 — рабочая и сравнительная кюветы; 6 — приемник излучения; 7 —вычислительное устройство; 8 —вторичный прибор; 11— диск обтюратора
Рис.
9 Функциональная схема многоканального
анализатора: 1
— излучатель; 2
—
обтюратор; 3
— светофильтр
с регулируемой спектральной характеристикой;
4
—
датчик положения светофильтра; 5
—
привод светофильтра; 6 — кювета; 7 —
приемник; 8
— микропроцессор;
9
—
вторичный прибор
Развитие и внедрение микро-ЭВМ открыло возможность создания качественно новых абсорбциометров — многоканальных приборов для анализа полного состава многокомпонентных растворов (рис. 9). Работа такого анализатора основана на измерении оптических плотностей раствора при различных длинах волн излучения и решении системы уравнений следующего вида:
(7)
где п — число компонентов в растворе.
Абсорбционно-оптические анализаторы жидкостей позволяют анализировать концентрацию: азотной кислоты в любых диапазонах; воды в метаноле, ацетоне, этиловом спирте, меланже, серной и азотной кислотах, нитроолеуме; уксусной кислоты, уксусного ангидрида и др.; органических микропримесей в сточных водах; масел в растворителях и др. Основная погрешность анализаторов ±4 % диапазона шкалы.