Методы и приборы для анализа состава и измерения параметров веществ общие сведения. Классификация методов и приборов для анализа состава и измерения параметров веществ

5. ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ НЕФЕЛОМЕТРЫ И ТУРБИДИМЕТРЫ

При прохождении через дисперсную систему, содержащую взвесь твердых частиц в растворителе, луч света рассеивается, причем зависимость интенсивности J светового пучка, прошедшего в системе расстояние l от первоначальной интенсивности J₀, имеет вид

где ε — показатель рассеяния.
Это выражение по форме совпадает с законом Ламберта — Бера, определяющим уменьшение интенсивности светового пучка, распространяющегося в поглощающей, но не рассеивающей среде. Различие состоит в том, что вместо показателя поглощения использован показатель рассеяния, который также во многих случаях зависит от длины волны проходящего света.
Если среда, через которую проходит луч света, не только рассеивает, но и поглощает, то изменение интенсивности луча можно выразить зависимостью

где (п + ε) — показатель ослабления.
Мутность дисперсных систем определяется действием различных факторов в зависимости от соотношения размеров твердых частиц и длины световой ьолны. Если длина волны падающего света значительно больше размера частиц, то возникает так называемый эффект Тиндаля, заключающийся в дифракции световой волны, т. е. огибании частицы на ее пути. Если же длина световой волны меньше линейных размеров взвешенных частиц, то рассеяние света мутной средой объясняется как преломлением света на границе раздела твердой и жидкой фаз, так и отражением света частицами.
В любом случае световая энергия рассеянных лучей зависит от числа частиц дисперсной системы. Концентрацию взвешенного вещества можно определить с помощью двух родственных методов — нефелометрического и турбидиметрического.
Нефелометрическим называют метод, основанный на измерении интенсивности светового потока, рассеянного твердыми частицами. Турбидиметрическим называют метод анализа, основанный на измерении интенсивности светового потока, прошедшего через дисперсную систему.
Таким образом, при нефелометрическом анализе измеряют интенсивность J_p светового потока, рассеянного в направлении, перпендикулярном направлению луча с интенсивностью J₀, а при турбидиметрическом методе определяют интенсивность J светового потока, выходящего из кювета в направлении падающего луча. Оба метода наиболее эффективны при измерении малых концентраций взвешенного вещества (порядка 0,1 кг/м³).
Для частиц сферической формы, не проводящих электрический ток, малых по сравнению с длиной волны падающего света и находящихся на значительном расстоянии одна от другой, Релей получил уравнение, связывающее интенсивности падающего J₀ и рассеянного J_р под углом α света:

где n₁ и n₂ — показатели преломления твердых частиц и растворителя; С — концентрация твердых частиц; V — объем частицы; λ— длина световой волны; — плотность материала твердых частиц.
Приведенное уравнение справедливо для дисперсных систем с отношением периметра частиц к длине волны света не более 0,3 (частицы порядка 40—50 мкм). Когда это отношение превышает 0,3, интенсивность рассеянного света постепенно становится пропорциональной , а векторная диаграмма рассеянного света в различных направлениях, называемая индикатрисой рассеяния, теряет свою симметричность. Таким образом, по виду индикатрисы можно судить о размере твердых частиц и их форме.
При проведении нефелометрических измерений величины α, п₁ и п₂ постоянны, поэтому , где . Допуская, что V, λ, ρ_т и J_o — постоянные величины, можно считать интенсивность рассеянного света пропорциональной концентрации взвешенных частиц.
Для двух мутных сред с частицами одинаковой природы, формы и размеров отношение интенсивностей рассеянного света пропорционально отношению концентраций частиц в средах ;
Эти соотношения положены в основу нефелометрических измерений.
В турбидиметрии помутнение, вызываемое наличием взвешенных частиц, приближенно выражается уравнением

где S—рассеивающая способность (аналогичная оптической плотности); b—толщина поглощающего слоя; d— средний диаметр частиц; λ — длина световой волны; С — концентрация дисперсной системы; р и q — константы, зависящие от природы суспензии и метода измерения.
Приведенное уравнение справедливо лишь для очень разбавленных суспензий. При постоянных значениях d, q и λ можно записать S = k C b. Это соотношение по форме совпадает с уравнением Бугера — Ламберта — Бера для поглощения света растворами, что позволяет для наблюдения за процессом рассеяния света применять оптические приборы, используемые в фотометрии, а результаты вычислять с использованием аналогичного математического аппарата. Любые фотометры можно без каких-либо изменений с успехом использовать в качестве турбидиметров.
Рис. 18. Схема нефелометра, работающего по принципу и шерения интенсивности рассеянного светового потока: 1 — источник света; 2, 3 н 12 — стеклянные окна; 4 — юркала; 5 — реверсивный двигатсль, 6 — компенсационная заслонка, 7 — электродвигатель; 8 — линзы; 9 — элек тронный усилитель; 10 — фотоэлемент; 11 — обтюратор; 13 — измерительная камера
Отечественная промышленность выпускает ряд турбидиметрических анализаторов для измерения и сигнализации отклонения концентрации и мутности технологических растворов, пульп и взвесей по относительному изменению оптической плотности.
При нефелометрических измерениях характер взаимодействия световых лучей и взвешенных частиц зависит от относительного показателя преломления и коэффициента поглощения вещества частицы, размеров частиц и длины волны падающего света. Известно, что уравнение Релея характеризует интенсивность рассеянного излучения частицами с размерами меньше длины волны света. В этом случае преобладает доля рассеянной энергии по сравнению с отраженной. С увеличением размеров частиц доля рассеянной энергии уменьшается.
Зарубежная и отечественная промышленность выпускает нефелометрические приборы, предназначенные для непрерывного измерения, сигнализации и регулирования количества примесей в жидкостях и газах.
На рис. 18 приведена принципиальная схема нефелометра, работающего по принципу измерения интенсивности рассеянного светового потока. Свет от источника 1 проходит через окно 2 и попадает в измерительную камеру 13. Часть света проходит через окно 3, а часть отражается взвешенными в потоке частицами и проходит через окно 12. Световой поток, пропущенный исследуемой средой, сравнивается со световым потоком, рассеянным взвешенными в среде частицами. Световые потоки поочередно прерываются обтюратором 11, приводимым во вращение электродвигателем 7. Для выравнивания световых потоков служит компенсационная заслонка 6, связанная со стрелкой вторичного прибора.