Спеціальні прилади і методи для автоматичного контролю і вимірювання складу рідин та рідких продуктів.

Тема 10. Оптичні методи аналізу розчинів.

Оптичні методи контролю концентрації розчинів широко поширені як у лабораторній, так і в промисловій практиці. Використання відомих законів поширення світла дозволило створити цілий ряд приладів аналітичного контролю. Область їхнього практичного застосування розширюється з кожним роком.

10.1. Фотоелектричні рефрактометри.

10.1.1. Характеристика методу.

Рефрактометричний метод аналізу рідких середовищ заснований на використанні залежності показника заломлення бінарної суміші від співвідношення її компонентів.

Як відомо, показник заломлення визначають як відношення (рис.1) синуса кута падіння а (кут між падаючим променем і нормаллю NN до поверхні розділення двох середовищ, що проходить через точку падіння променя) до синуса кута заломлення (кут між заломленим променем і тією же нормаллю NN). Ця величина, постійна для двох середовищ, дорівнює відношенню швидкостей поширення світлових хвиль у першому ( )і другому ( ) середовищах, тобто

(1)

Рис. 1. Схема заломлення світлового променя на границі розділу двох середовищ

Коли перше середовище — «пустота», показник заломлення називають абсолютним показником заломлення. При переході світлового потоку з одного середовища в інше говорять про відносний показник заломлення другого середовища, стосовно першого.

Абсолютний показник заломлення речовини , де с — швидкість світла в вакуумі; — швидкість світла в речовині.

Для видимих променів світла при температурі 0°С и тиску 101,325 кПа показник заломлення повітря n₀ = 1,000293. Звичайно його приймають рівним 1. У зв'язку з цим для одержання абсолютного значення показника заломлення, визначеного при нормальних умовах (у повітрі), значення п необхідно помножити на n₀, тобто N == n₀п.

Для розчинів однієї і тієї ж речовини різної концентрації за умови виконання правила адитивності показників заломлення справедлива формула

(2)

де С₁ і С₂ — концентрація компонентів суміші; n₁ i n₂ — показники заломлення компонентів; п — показник заломлення суміші; k — постійна, рівна модулю переходу від об'ємних часток до масових.

Провівши розрахунки в об'ємних частках, тобто при k= 1, з врахуванням, що при цьому С₁+ С₂ = 100 %, для концентрації, що визначається С₁ = С_х і С₂ = 100 % - Сх, одержимо:

Позначивши (n₁-n₂)/100=k (інкремент показника заломлення), одержимо

(3)

Ця формула зв'язує показник заломлення суміші п_х з обумовленою концентрацією С_х.

Найбільше поширення в промисловій практиці одержали автоматичні рефрактометри, що використовують метод різницевої призми. Кюветний перетворювач такого рефрактометра складається з двох або трьох порожніх призм (рис.2), одна з яких заповнена еталонною (порівняльною) рідиною із середнім значенням показника заломлення n_cp.

Відхилення світлового пучка на виході такого кюветного перетворювача визначають для двопризменного кюветного перетворювача (рис.2,а),як , а для трьохпризменного кюветного перетворювача (рис.2,б) як .

Відповідно до формули (3) n_cp=n₂+kC_cp i n_x-n_cp=k(C_x-C_cp) Позначивши n=n_x-n_cp i C=C_x-C_cp, одержимо відповідно: i .

Вимірюючи автоматичним рефрактометром відхилення світлового пучка на виході кюветного перетворювача, можна тим самим однозначно визначати зміну концентрації С.

Рис. 2 Кюветні перетворювачі: а)-двопризменний, б)-трьохпризменний.

Використання різницевої призми дозволяє також виконувати деякою мірою компенсацію похибок, зв'язаних з коливаннями температури вимірюваної рідини.