3. Випромінювання і контроль складу і якості речовини

Вимірювання кольоровості і прозорості.

Вимірювання кольоровості й прозорості рідини й газу має дуже важливе значення для визначення концентрації роз­чинів, дисперсій, наявності й концентрації домішок. При вимі­рюванні кольоровості й прозорості рідин і газів використовують оптичні методи, які ґрунтуються на вбиранні (фотоколориметри) й розсіюванні (нефелометри) світла.

Вбирання світла речовиною визначається його фізичними й хімічними властивостями. Воно характеризується селективністю за довжиною світлової хвилі, що визначає забарвлення речо­вини. У розчині з прозорим і безбарвним розчинником світло вбирається тільки розчиненою речовиною. Контрольована кон­центрація розчиненої речовини зв’язана з інтенсивністю світло­вого променя, який проходить крізь розчин, складною нелінійною залежністю. Тому для вимірювання кольоровості або прозорості використовують компенсаційні схеми, коли за допомогою оптич­ного клина з певною оптичною густиною вирівнюють ослабле­ний світловий потік, який проходить крізь контрольований розчин.

Схему автоматичного фотоколориметра з компенсаційним

клином показано на рис. 26.

Працює цей фотоколориметр так. Джерело світла 1 (лам­па розжарення) створює два світлових промені, які через однакові лінзи 2, призми З і світлофільтри 4 падають на фото­елемент 11. При цьому один з світлових променів проходить че­рез кювету 13 с досліджуваним розчином, а інший — через дис­ковий оптичний поворотний клин 7 з еталонною рідиною. На шляху обох світлових променів установлено дисковий оптичний обтюратор 14 з вирізами (світловий комутатор). Останній при­водиться в обертання за допомогою синхронного електродвигу­на 12 і має такі вирізи, при яких частота обох світлових пото­ків дорівнює частоті живильного струму, а світлові потоки зсу­нуті один відносно одного на половину періоду. Якщо один про­мінь падає на фотоелемент, то іншому заступає шлях виступ обтюратора.

Рис 26 - Схема автоматичного фотоколориметра з компенсаційним клином

При однаковій інтенсив­ності обох світлових потоків, зсунутих на половину періоду один відносно одного, ре­зультуючий струм фотоеле­мента буде постійним. Якщо світлові потоки неоднакові, то результуючий струм фо­тоелемента містить змінну складову, фаза й величина якої визначаються сумою світлових потоків. Ця змінна складова підсилюється під­силювачем напруги 10 і над­ходить на тиратронний під­силювач потужності 9. За­лежно від фази змінної складової, що, в свою чергу, залежить від того, який світловий потік більший, тиратронний підсилювач потужності виробляє сигнал відповідної полярності, подаваний на реверсивний електродвигун 8. Вал останнього обертатиметься так, щоб, переміщуючи оптичний поворотний клин, скомпенсувати неоднаковість світлових потоків. При одна­ковості світлових потоків змінна складова дорівнюватиме нулю. На виході підсилювачів напруги не буде, й двигун зупиниться. Оптичний поворотний клин зв’язано з системою дистанційного вимірювання 5 і стрілочним приладом 6, який дає відлік.

При використанні явища розсіювання світла, властивого всім дисперсним системам (частинки дисперсної фази розсію­ють видиме проміння, яке падає на них), вважають, що справж­ні розчини й молекулярні суміші не розсіюють видиме промін­ня. Якщо частинки дисперсної фази перевищують за розмірами довжину хвилі падаючого світла (0,4—0,7 мкм), то вони від­бивають і заломлюють світлові промені на границі поділу двох фаз. У цьому разі світлові промені з різною довжиною хвилі розсіюються однаково й розсіяне світло має такий самий колір, як і падаюче. Якщо частинки дисперсної фази за розмірами менші від довжини хвилі падаючого світла (в колоїдних розчи­нах), то світловий потік лише заломлюватиметься (це пояснюється дифракцією світлових променів). У цьому разі світлові промені різного кольору розсіюватимуться по-різному, причому світлові промені з малою довжиною хвилі розсіюються значно інтенсивніше, ніж промені з великою довжиною хвилі. Тому ін­тенсивність розсіяного світла залежить від інтенсивності па­даючого світла, кількості розсіюючих світло частинок в одини­ці об’єму дисперсії (концентрації), розмірів цих частинок і довжини хвилі світла.

Розсіювання світла супроводжується поляризацією його, яка залежить від кута спостереження. Метод дослідження розчинів,який ґрунтується на використанні розсіювання світла, найчастіше застосовують для дослідження колоїдних розчинів.

Фотоелектричні нефелометри за будовою нагадують фотоколориметри, маючи при цьому такі відмінності:

• джерело світла повинне бути потужним, бо інтенсивність розсіяного світла низька

• використовуються монохроматичні джерела світла, бо роз­сіювання може залежати від довжини хвилі світлових променів

• передбачається можливість зміни кута падіння світлового променя на контрольовану рідину, щоб урахувати явище поля­ризації

• застосовуються фотопомножувачі, бо звичайні фотоелементи характеризуються недостатньою для цього випадку чутливістю

• замість еталонної рідини застосовується матове скло

Вимірювання вологості твердих матеріалів і газів.

Тверді матеріали містять вологу з різними форма­ми зв’язку. Зв’язок вологи з твердим тілом може бути хіміч­ним, фізико-хімічним або фізико-механічним.

Під хімічним зв’язком розуміють найміцніший зв’язок, який визначається іонними й молекулярними взаємодіями. Хімічно зв’язана волога (гідратна) входить до складу молекули волого­го матеріалу й втрачає свої індивідуальні властивості, якими вона характеризується у вільному стані. Наприклад, якщо ді­електрична проникність є чистої води становить 81, то діелек­трична проникність хімічно зв’язаної води різко знижується, ста­новлячи 2—3.

Фізико-хімічний зв’язок води з твердим тілом обумовлюєть­ся адсорбційними і осмотичними зв’язками, які мало впливають на фізичні параметри води. При такому зв’язку звичайно зни­жується пружність насиченої пари.

Фізико-механічний зв’язок — це найслабкіший зв’язок воло­ги з твердим тілом, при якому фізичні характеристики води не змінюються й воду можна порівняно легко видалити з твердого тіла (пресуванням, центрифугуванням, сушінням тощо).

Іноді в твердому тілі вода буває зв’язана всіма цими видами зв’язку. Слід відмітити, що чітко розмежувати ці види зв’язку не завжди можливо.

Вологість твердого тіла можна вимірювати електричними або електрофізичними методами.

Електричні методи вимірювання вологості твердого матеріа­лу ґрунтуються на функціональній залежності електричних па­раметрів цього матеріалу від вологості.

Розрізняють кондуктометричний і ємніс­ний методи вимірювання вологості.

Кондуктометричний метод полягає в тому, що вимірюється провідність або опір матеріалу постійному струму або змінному струму низької частоти, а оскільки опір і провідність зв’язані функціональною залежністю з вологістю матеріалу, то за ними можна визначити й вологість матеріалу. Вирішальним фактором щодо чутливості й точності вимірювання є характер функціо­нальної залежності питомого об’ємного опору о матеріалу від його вологості ω. Цей метод може бути застосований для визна­чення низької вологості (ω< 15/20%), бо зменшення вологості на одиниці процентів (при вологості нижче 30%) спричиняється до збільшення питомого об’ємного опору на порядок, але яри високій вологості (понад 30%) питомий об’ємний опір дуже мало залежить від вологості.

При ємнісному методі вимірювання вологості твердих мате­ріалів використовують струми високої частоти.

При цьому методі чутливість і точність вимірювання визна­чаються залежністю діелектричної проникності досліджуваного матеріалу від вологості: ε(ω). Для абсолютно сухих твердих матеріалів ε = 2 ...6, а для води ε = 81. При збільшенні вологості діелектрична проникність твердих матеріалів зростає.

Кондуктометричні електровологоміри являють собою прила­ди для вимірювання великих опорів у широкому діапазоні від 103 —104 до 1010—10м ом.

До електрофізичних методів вимірювання вологості твердих матеріалів належать радіоактивний, електрогігрометричний, а також метод ядерного магнітного резонансу.

Радіоактивний метод вимірювання вологості ґрунтується на різному впливі на ослаблення радіоактивного проміння вологи й сухого матеріалу, а також на уповільненні швидких нейтронів атомами водню вологи матеріалу. Однак цей метод ще не набув застосу­вання в обладнанні закладів ресторанного господарства.

Електрогігрометричний метод ви­мірювання вологості твердих матері­алів полягає у визначенні електричних властивостей гігроскопічного (волого-чутливого) елемента, який перебуває в стані гігротермічної рівноваги щодо контрольованої речовини. У цьому разі побічне вимірювання вологості речовини здійснюють завдяки перетворенню її в зміни електричних властивостей вологочутливого (електрогігрометричного) датчика, який може контакту­вати з контрольованим матеріалом або бути відділеним від ньо­го повітряним прошарком.

Вимірювання вологості газів.

Для правильної експлуатації опалювально-венти­ляційних систем при створенні мікроклімату у виробничих при­міщеннях, для правильного проведення процесів сушіння неаби­яке значення має вимірювання вологості газів, в основному, по­вітря. Звичайно вимірюють відносну вологість повітря, під якою в цьому разі розуміють відношення ваги водяної пари, що дійс­но знаходиться в газі, до її гранично можливої (насичуючої) ваги приданій температурі.

Відносну вологість будь-якого газу можна приблизно визна­чити як відношення пружностей водяної пари: дійсної й при насиченні при даній температурі або як відношен­ня об’ємної ваги водяної пари при дійсній пружності і об’єм­ної ваги водяної пари при насиченні при даній температурі.

Для вимірювання відносної вологості газів найчастіше застосовують такі методи: психрометричний, точки роси (конденса­ційний) і електрогігрометричний.

В основі психрометричного методу лежить психрометричний ефект, суть якого полягає в залежності інтенсивності випарову­вання вологи та її усталеної температури від відносної вологості навколишнього газу. При цьому вимірюють різницю темпера­тур , які показують звичайний термометр (що називається сухим) і термометр із зволоженою поверхнею (що називається во­логим). Цю різницю температур називають психрометричною.

Метод точки роси полягає в тому, що характеристика будь-якого газу при даному тиску однозначно визначається будь-якою парою з таких параметрів: вологовмісту, тепломісткості, температури, відносної вологості, густини і парціальної пружності водяної пари.

Електрогігрометричний метод вимірювання відносної воло­гості газів ґрунтується на використанні залежності будь-якого електричного параметра, виготовленого з гігроскопічного мате­ріалу датчика, який перебуває в гігротермічній рівновазі з до­сліджуваним газом, від вологості останнього.

Розрізняють сорбційні й електролітичні елементи датчиків. У сорбційних елементах волога сорбується речовиною елемента й при цьому змінюється електричний опір, функціонально зв’яза­ний з відносною вологістю навколишнього газу. У техніці сорб­ційні елементи широкого застосування не мають, бо вони потре­бують індивідуального тарування й їм властива нестабільність характеристик. В електролітичних елементах використовують явище депресії — зниження пружності насиченої пари розчину електроліту в порівнянні з пружністю насиченої пари чистого розчинника. Величина депресії однозначно зв’язана з концентра­цією електроліту. Цим методом найчастіше користуються для забезпечення заданої відносної вологості повітря в замкненому просторі.