Абсорбционные методы спектрального анализа

Абсорбционные методы спектрального анализа основаны на использовании свойства газов и жидкостей избирательно поглощать излучение с определенной длиной волны в зависимости от химического состава этих веществ. Согласно закону Ламберта-Бера, интенсивность λJ монохроматического параллельного потока излучения с длиной волны λ, прошедшего через слой анализируемого вещества толщиной l и концентрацией Сх, связана с интенсивностью исходного потока излучения Jλo следующей зависимостью: где ελ = const - коэффициент поглощения анализируемым веществом излучения с длиной волны λ. Отсюда следует, что если Jλo = const и l = const, то Jλ является однозначной функцией концентрации просвечиваемого вещества. Для избирательного измерения концентрации одного компонента смеси необходимо использовать излучение с такой длиной волны, на которой определяемый компонент обладает наибольшим по отношению к другим компонентам коэффициентом поглощения. Всякий концентратомер, действие которого основано на использовании абсорбционных методов спектрального анализа, состоит из трех основных элементов: источника излучения, кюветы, в которой находится слой анализируемого вещества определенной толщины, и устройства, измеряющего интенсивность излучения Jλ на выходе из кюветы и преобразующего его в выходной сигнал (показание) прибора. Наибольшее распространение получили приборы компенсационного типа с дифференциальной д(вухканальной) измерительной схемой.

Газоанализаторы инфракрасного поглощения в настоящее время являются наиболее распространенными абсорбционными спектральными концентратомерами, в которых применяются длины волн инфракрасного диапазона. Они предназначены для измерения концентрации газов и паров веществ, молекулы которых состоят из двух и более различных атомов или ионов. В качестве приемников-преобразователей интенсивности инфракрасного излучения чаще всего применяются оптико-акустические преобразователи, действие которых основано на свойстве газов поглощать инфракрасную радиацию.

Фотоколориметрами называются абсорбционные спектральные концентратомеры, в которых используется излучение видимого диапазона спектра. В этом случае концентрация измеряется по интенсивности окраски анализируемого вещества. Фотоколориметры применяются для измерения концентрации газов и жидкостей. Обычно они работают в широкой области спектра, поэтому в качестве источников излучения в них используются лампы накаливания. В большинстве случаев устройство фотоколориметров основано на компенсационном методе измерения.

Газоанализаторы ультрафиолетового поглощения применяются для измерения концентрации паров ртути, хлора, бензола и других веществ, имеющих характерные линии или полосы поглощения в ультрафиолетовой части спектра.

Автоматические фотонефелометры предназначены для измерения концентрации твердых взвешенных частиц в газах и жидкостях по изменению интенсивности светового потока, проходящего через слой контролируемой среды. Ослабление светового потока в этом случае объясняется рассеиванием света взвешенными частицами. В качестве источников излучения в фотонефелометрах применяются главным образом лампы накаливания, а приемниками служат фотоэлементы и фотосопротивления. Измерительные схемы фотонефелометров аналогичны схемам фотоколориметров.

Прочие косвенные методы анализа

Рефрактометрический метод анализа основан на использовании зависимости показателя преломления анализируемого раствора от его концентрации. В автоматических рефрактометрах применяются два основных метода измерения показателя преломления: по углу отклонения светового луча в стеклянной призме, наполненной анализируемым раствором, и метод полного внутреннего отражения. При использовании первого метода обычно применяются кюветы диффeренциального типа, состоящее из двух частей.

Термокондуктометрический метод анализа, применяемый для измерения концентрации газов, основан на использовании различия теплопроводности отдельных компонентов газовых смесей. Теплопроводность газовой смеси аддитивно зависит от еплопроводности отдельных компонентов:

Термохимический метод анализа применяется в основном для измерения небольших концентраций — кислорода в электролитическом водороде или водорода в электролитическом кислороде. Метод основан на измерении возникающего в результате каталитической реакции между кислородом и водородом теплового эффекта, который пропорционален концентрации определяемого компонента и контролируется по температуре в зоне реакции термометром сопротивленияRt1, установленным в слое катализатора.

Термомагнитный метод анализа, применяемый для измерения концентрации кислорода в различных газовых смесях, основан на различии магнитных свойств кислорода и других газов. Следовательно, контролировать содержание кислорода в газовой смеси можно по величине ее магнитной восприимчивости, так как последняя, в основном, будет зависеть от количества кислорода. Непосредственно измерить магнитную восприимчивость газа чрезвычайно трудно, так как ее абсолютная величина очень мала. Поэтому для измерений в основном применяется метод термомагнитной конвекции, в котором используется способность кислорода быстро терять парамагнитные свойства при нагревании.

Метод измерения концентрации растворов по величине температурной депрессии применяется для контроля процессов выпаривания. Температурной депрессией называется разность температур кипящего раствора и насыщенного пара при одном давлении. Функциональная зависимость величины температурной депрессии от концентрации кипящего раствора близка к линейной. Для измерения температурной депрессии используются два термометра сопротивления, один из которых Rt1, контролирует температуру кипящего раствора, а второй Rt2 температуру конденсирующего пара. При изменении давления в выпарном аппарате температура кипения раствора и температура конденсации пара изменяется приблизительно на одинаковую величину. Следовательно разность этих температур характеризует концентрацию раствора независимо от колебаний давления в выпарной установке. Для измерения разности температур (t1-t2) термометры включены в смежные плечи автоматического уравновешенного моста. Чтобы можно было получить достаточную точность измерений концентрации, термометры должны быть правильно установлены: Rt1 устанавливается в защитном чехле в нижней части выпарного аппарата, а Rt2 — в специальном конденсационном бачке, к которому подводится соковый пар. Расход подаваемого в датчик пара должен быть таким, чтобы, проходя через слой находящегося в бачке конденсата, пар принимал температуру конденсации, соответствующую

ПРИБОРЫ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ВЕЩЕСТВА

Плотномеры для жидкостей

Плотность характеризует качество и однородность вещества. Приборы для автоматического измерения плотности — плотномеры— составляют весьма важный элемент в комплексной автоматизации ряда процессов в химической промышленности. Так, например, контроль и управление работой выпарных установок, абсорберов, дистилляционных и ректификационных аппаратов и т. п. требуют непрерывного измерения плотности. Иногда плотность производственных жидкостей измеряют, чтобы определить концентрацию растворенного вещества. Наибольшее применение для измерения плотности жидкостей получили плотномеры весовые, поплавковые, гидростатические и радиоизотопные.

В весовых плотномерах плотность определяется непрерывно по изменению массы

Поплавковые плотномеры изготовляются двух типов — с плавающим поплавком и с полностью погруженным поплавком.

В приборах первого типа мерой плотности жидкости служит глубина погружения поплавка определенной формы и постоянного веса (ареометры постоянного веса).

В плотномерах второго типа глубина погружения поплавка остается постоянной и изменяется действующая на него выталкивающая сила, пропорциональная плотности жидкости (ареометры постоянного объема).

Принцип действия гидростатических плотномеров основан на том, что давление Р в жидкости на некоторой глубине Н от поверхности равно весу столба жидкости высотой Н (при площади основания 1 см2):

Основное преимущество радиоизотопных плотномеров — бесконтактность измерения. Это облегчает измерение плотности агрессивных или весьма вязких жидкостей, а также жидкостей, находящихся при высоких температурах и давлениях. В этих плотномерах используется преимущественно γ - излучение. Измерение плотности основано на определении изменений в интенсивности прямого пучка γ-лучей после прохождения их через измеряемую среду.

Вискозиметры

Для многих продуктов вязкость представляет собой величину, определяющую качество и состав (искусственное волокно, синтетические смолы, растворы каучука, краски, смазочные масла и др.). Вязкостью называется свойство жидкостей и газов, характеризующее их сопротивляемость скольжению или сдвигу.

Для измерения вязкости жидкостей применяются вискозиметры, работа которых основывается на следующих методах: истечения; падающего тела; крутящего момента; вибрационном (измерение скорости затухания упругих колебаний пластины в вязкой жидкости).

При любом методе измерения вязкости нужно иметь в виду, что вязкость в значительной степени зависит от температуры и, как правило, с увеличением температуры падает. Поэтому температуру, при которой определяется вязкость вещества, необходимо всегда точно знать и поддерживать постоянной во время измерений.