Лабораторная работа № 9

КОЛОРИМЕТР ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ

КОМПЕНСАЦИОННЫЙ КФК-2

ИЗМЕРЕНИЕ ПРОПУСКАНИЯ И ОПТИЧЕСКОЙ ПЛОТНОСТИ ПОГЛОЩЕНИЯ РАСТВОРОВ КРАСИТЕЛЕЙ В БЛИЖНЕЙ УЛЬТРАФИОЛЕТОВОЙ ВИДИМОЙ И БЛИЖНЕЙ ИНФРАКРАСНОЙ ОБЛАСТЯХ СПЕКТРА (315-980 НМ.)

Цель работы: Измерение пропускания и оптической плотности растворов красителей по точкам в ближней ультрафиолетовой (315-400 нм) и видимой областях спектра (400-760 нм) и ближней инфракрасной области (760-980 нм).

Оборудование и материалы: Колориметр фотоэлектрический компенсационный КФК-2, вода, водные растворы разных цветов.

Теоретическая часть

Прибор КФК-2 предназначен для измерения в отделенных участках диапазона длин волн 315–980 нм, выделяемых светофильтрами, коэффициентов пропускания и оптической плотности растворов жидкости. Прибор обеспечивает измерение коэффициента светопропускания Т от 100% до 1% (оптическая плотность D от 0 до 2) с абсолютной погрешностью не более ±1%. Спектральный диапазон работы колориметра выделяется одним из одиннадцати светофильтров с фиксированными длинами волн максимального пропускания. Характеристики светофильтров представлены в табл. 1.

Таблица 1.–Светофильтры колориметра.

Номер фильтра	Маркировка светофильтра на панели прибора	Длина волны соответствующая максимуму пропускания, нм.	Ширина полосы пропускания, нм.
1	315	3155	3515
2	364	3645	2510
3	400	4005	4510
4	440	44010	4015
5	490	49010	3510
6	540	54010	2510
7	590	59010	2510
8	670	6705	205
9	750	7505	205
10	870	8705	255
11	980	980	255

Функциональная схема. Принцип измерения коэффициента пропускания в приборе КФК-2 состоит в том, что на фотоприёмники направляются поочередно световые потоки — полный Ф₀ и прошедший через исследуемую среду Ф и определяется отношение этих потоков Ф/Ф₀. Реализуется этот принцип следующим образом (рис. 1). Свет от источников ИС, преобразованный узлом формирования светового луча УФЛ направляется через кюветное отделение К на фоторегистратор ФП1, работающий в области спектра 315—540 нм, и фоторегистратор ФП2, работающий в области спектра 590—980 нм.

П ри помощи коммутирующего устройства УК фоторегистраторы избирательно подключаются ко входу усилителя постоянного тока УПТ с показывающим прибором ИП на выходе. Усиленный сигнал, пропорциональный светопропусканию Т (оптической плотности D)

Рисунок 1 - Функциональная схема колориметра КФК-2.

раствора, измеряется стрелочным прибором ИП, шкала которого отградуирована в процентах светопропускания Т и единицах оптической плотности D раствора.

Коэффициент светопропускания исследуемого раствора определяется по отношению к растворителю (нулевому раствору). Поэтому вначале производят градуировку шкалы Т, т.е. устанавливают 100 % светопропускания для растворителя. С этой целью в световой поток помещают кювету, содержащую растворитель, и с помощью элементов регулировки электрической схемы прибора устанавливают такую чувствительность колориметра, при которой стрелка ИП установится на делении «100» шкалы Т.

Для определения светопропускания раствора кювету с растворитель заменяют кюветой, содержащей исследуемый раствор. Отклонение стрелки регистрирующего прибора в этом случае характеризует коэффициент светопропускания (оптическую плотность) раствора.

При градуировке шкалы возникает необходимость установки электрического нуля прибора, так как регулировка нуля влияет на регулировку конца шкалы. Регулировку нуля осуществляют соответствующим потенциометром электрические схемы прибора при перекрытом шторкой ШТ световом потоке. Шторка вводится в световой поток при открывании крышки кюветного отделения.

Учитывая при анализе спектральную характеристику светопропускания исследуемого раствора, в оптический канал вводят соответствующий светофильтр СФ (315, 364, 400, 490, 540, 590, 670, 750, 870, 980 нм).

О птическая схема. Нить лампы 1 (рис. 2) конденсором изображается и плоскости диафрагмы 3. Это изображение объективом 4, 5 переносится в плоскость, расположенную на расстояние 300 мм от объекта с 10-кратным увеличением. Сформированный световой пучок проходит через теплозащитный светофильтр 6, нейтральный светофильтр 7, цветной светофильтр 8, кюветное отделение 10, защищенное стеклами 9 и 11, и поступает на пластинку 15, которая делит световой поток на два. Примерно 10 % светового потока направляется на фоторегистратор 14 (фотодиод ФД-24к) и 90% на фоторегистратор 17 (фотоэлемент Ф-26). Для уравнивания фототоков, снимаемых с фоторегистратора 14 при работе с различными цветными светофильтрами, перед ним установлен светофильтр 13 из цветного стекла.

Рисунок 2. - Оптическая схема колориметра КФК-2.

Матовые стекла 12 и 16 обеспечивают равномерность освещения фоторегистраторов.

Рабочая длина кювет в приборе–50, 30, 20, 10 и 5 мм.

Функциональная электрическая схема фотоколориметра (рис. 3) включает в себя: источник излучения–лампу накаливания КГМ 6,3-15, фоторегистратор ФД-24к и Ф-26, усилитель постоянного тока УПТ, блок питания БП, регистрирующий прибор ИП–микроамперметр типа М-907 со шкалой на 100 делений. Кроме этого схема содержит переключатель S1, выполняющий две функции–коммутирующего устройства и переключателя ступенчатой регулировки чувствительности прибора.

Схема работает следующим образом.

Световой поток, пройдя через оптический канал, воздействует одновременно на фоторегистраторы ФД-24к и Ф-26. Подключение фоторегистраторов ко входу УПТ осуществляется с помощью переключателя S1, имеющего шесть положений. В трёх положениях, обозначенных «1», «2», «3» (черный), работает фоторегистратор Ф-26. При этом обеспечивается измерение чувствительности электрической схемы в отношениях примерно 1:1, 1:3, 1:9.

В трех положениях, обозначенных «1», «2», «З» (красный), фоторегистратор Ф-26 отключается и подключается фотодиод ФД-24к, при переходе переключателя из положения «1» в положение «2» и «З» (красный) чувствительность электрической схемы изменяется в отношениях примерно 1:9, 1:3, 1:1.

Рисунок 3. Функциональная электрическая схема колориметра КФК-2

При работе с фотоэлементом Ф-26 ток, возникающий в нем под действием светового потока, проходит через сопротивление нагрузки (резисторы R1,R2,R3 соединенные между собой последовательно), на котором создается падение напряжения. Это напряжение поступает на УПТ и обеспечивает ступенчатое изменение чувствительности прибора.

Усиленный токовый сигнал с УПТ поступает на микроамперметр и измеряется им. Для измерения светопропускания в области инфракрасного излучения вместо фотоэлемента Ф-26 на вход УПТ подключается диод ФД-24к.

Изменение чувствительности в электрической схеме при работе с фотодиодом осуществляется ступенчато за счет изменения сопротивления в цепи УПТ резисторами R4–R6. Регулировка чувствительности колориметра осуществляется резисторами R7 и R5. Резистор R8 предназначен для грубой установки нужных показаний колориметра, а резистор R7–для точных. Установка нуля прибора осуществляется потенциометром R9 при закрытой шторке.

Питается фотоколориметр от сети переменного тока напряжением 220В, частотой 50 Гц. Включение прибора осуществляется переключателем S2. В первичной цепи блока питания установлен предохранитель F1.

Конструкция прибора.

Электрический фотоколориметр КФК-2 (рис 4) состоит из двух автономных блоков: оптического блока и блока питания, размещенных в одном корпусе. В комплект колориметра входит также микроамперметр. В оптическом блоке размещаются: осветитель, оправа с оптикой, светофильтры, кюветное отделение с кюветодержателями, фотометрическое устройство с усилителем и элементами регулирования.

Рисунок 4. - Общий вид колориметра КФК-2.

Конструкция механизма осветителя обеспечивает перемещение лампы в трех взаимно перпендикулярных направлениях. В оправу с оптикой встроены конденсор, диафрагма и объектив.

Цветные светофильтры (11 штук) вмонтированы в диск. В световой пучок светофильтры вводятся ручкой 8. Рабочее положение каждого светофильтра фиксируется. Блок–кюветодержатель для кюветы с эталонным раствором и для кюветы с исследуемым раствором устанавливается в кюветное отделение 7 так, чтобы две маленькие пружины находились с передней стороны. Переключение кювет в световом пучке производится поворотом ручки 6 до упора. При открытой крышке кюветного отделения шторка закрывает окно перед фотоприемниками. В фотометрическое устройство входят фотоэлемент Ф-26, фотодиод ФД-24к, светоделительная пластинка и усилитель.

На лицевой панели колориметра кроме ручек переключателей 6 и 8 расположены: ручка 5–включения фоторегистратор и ступенчатой регулировки чувствительности электрической схемы, ручки 2 (под шлиц) потенциометра для установки нуля, ручки 3 и 4 потенциометра грубой и точной установки показаний прибора. В блоке питания размещены стабилизаторы напряжения с выпрямителями и силовой трансформатор. Блок питания вдвигается по направляющим в оптический блок и электрически соединяется с ним через разъем. Выключатель сетевого напряжения расположен на стенке блока вверху. На верхней стенке корпуса колориметра установлен микроамперметр 1. На задней стенке крышки микроамперметра имеется гнездо для подключения цифрового вольтметра с пределом измерения 0,1В.