Фотоэлектрические рефрактометры

Рефракция – это преломление (изменение направления) светового потока на границе раздела двух сред с различной оптической плотностью. При прохождении светового луча из среды 1 в среду 2 он изменяет свое направление. Сначала световой луч двигается в среде 1 со скоростью V₁ под углом α (угол падения) к нормали NN проведенной к границе раздела двух сред, то перейдя в среду 2 световой луч будет двигаться со скоростью V₂ под другим углом к той же нормали – угол β (угол преломления). Частично луч отразится обратно в среду 1.

Количественной оценкой преломления является показатель преломления n, определяется по формуле:

Показатель n отражает свойство преломления второй среды по отношению первой. Если преломление луча происходит в растворе, то при изменении концентрации последнего будет изменяться и показатель преломления.

Например, для слабых растворов справедлива зависимость:

,

где n₀ – показатель преломления растворителя, С – концентрация растворенного компонента, k – постоянный коэффициент (находится импирически).

 

Зависимость между показателями преломления и концентрацией раствора положена в основу работы рефрактометров.

На рис. 3.29 показана упрощённая принципиальная схема автоматического рефрактометра, основным узлом которого является дифференциальная кювета 4, состоящая из двух частей. Лева часть кюветы проточная, через неё непрерывно протекает анализируемый раствор, а правая заполнена таким же раствором с начальной концентрацией. Кювета изменяет направление хода светового пучка только при различных значениях коэффициента преломления составляющих её половин, поэтому при начальной концентрации анализируемого раствора пучок от источника света 1, пройдя через линзу 2, диафрагму 3 и кювету, попадает на фоторезисторы 6 без отклонения, освещая их в равной степени.

 

 

 

 

Мост, плечами которого являются фоторезисторы, уравновешен, и напряжение на входе усилителя 7 равно нулю. Если в проточной части кюветы значение концентрации анализируемого раствора будет отлично от начальной, то коэффициент преломления изменится и пучок света на выходе из кюветы отклонится. В результате этого освещенность одного из фоторезисторов окажется больше, сопротивление его при этом уменьшится, а сопротивление второго увеличится, мост выйдет из равновесия и на выходе усилителя появится напряжение. Реверсивный двигатель 8 включится в работу и будет поворачивать компенсационную стеклянную пластинку 5, пока преломление светового пучка в ней не скомпенсирует преломление его в кювете. Равенство освещенностей фоторезисторов восстановится, указатель отсчетного устройства 9 переместится на соответствующую отметку шкалы прибора. Из вышеизложенного можно сделать вывод, что прибор использует схему следящего уравновешивания с оптической компенсацией.

 

Фотоколориметры

Функционируют фотоколориметры на основе сорбционно-оптического метода, в котором используется свойство растворов сорбировать (поглощать) световой поток в зависимости от их концентрации. Фотоколориметры работают в видимой части спектра оптического излучения.

Принцип работы фотоколориметров состоит в следующем, пропущенный через раствор световой поток с начальной интенсивностью Ф₀ ослабляется до значения Ф в результате частичного поглощения его раствором. Связь между интенсивностью ослабленного потока и концентрацией С раствора для монохроматического излучения (длиной волны λ = ______) выражается через закон Бугера – Ламберта – Бера:

,

где l –толщина слоя раствора; ε_λ – коэффициент поглощения светового излучения раствором для данной длины волны.

Фотоколориметры применяют для измерения концентрации окрашенных растворов, в том числе степени осветления. Один из вариантов фотоколориметра приведен на рис. 3.30.

 

 

Свет от источника 1 призмой 2 и зеркалами 3 и 4 делится на два равных световых потока. Один из них проходит через измерительную кювету 5, а другой – через сравнительную кювету 6, заполненную эталонным раствором. Световые потоки попадают на фоторезисторы 7 и 8 мостовой измерительной схемы. На рис. 3.30 отсутствуют световые фильтры перед кюветами, светофильтры необходимы для монохроматизма светового потока.

Перед началом работы фотоколориметра, через измерительную кювету пропускают раствор с той же концентрацией, что и в сравнительной кювете, это необходимо для установления мостовой измерительной схемы в равновесие, при этом поглощение светового потока обеими кюветами одинаково.

Изменения светопоглощения контролируемым раствором в зависимости от его концентрации вызывает изменение освещенности фоторезистора 7. Сопротивление этого фоторезистора отреагирует следующим образом, если концентрация раствора увеличится, то освещенность уменьшится, а электрическое сопротивление фоторезистора 7 увеличится и наоборот. Таким образом, концентрация находится в обратной зависимости от освещенности и в прямой – от величины электрического сопротивления фоторезистора. Возникшее на выходе мостовой измерительной схемы напряжение после его усиления в усилителе 9 отражается при помощи показаний измерительного прибора 10.