10.2. Абсорбційно-оптичний метод вимірювання концентрації

10.2.1. Теоретичні основи методу.

В основі абсорбційно-оптичного методу аналізу складу рідин лежить властивість розчинів розрізнятися по складу та по здатності поглинати (абсорбувати) випромінювання оптичного діапазону. Кількісні співвідношення цього явища описуються законом Бугера-Ламберта-Бера:

(4)

або ; ,

де — монохроматичний потік випромінювання, що виходить із шару розчину товщиною l; T і — коефіцієнт пропуcкання й оптична густина розчину товщиною l на довжині хвилі випромінювання , -. монохроматичний потік випромінювання, що входить у шар розчину; — коефіцієнт поглинання випромінювання речовиною; C — концентрація поглинаючого розчину.

Якщо в розчині міститься п компонентів, то його оптична щільність залежить від коефіцієнтів поглинання і концентрацій усіх компонентів

(5)

Рівняння (5) показує, що для вибіркового вимірювання одного компонента необхідно, щоб коефіцієнти поглинання неконтрольованих компонентів ( ) були значно менше коефіцієнта контрольованого компонента, тобто . Таким чином, довжину хвилі випромінювання для вимірювання концентрації абсорбційним методом вибирають з обліком двох умов: коефіцієнт поглинання обумовленого компонента повинний мати можливо велику абсолютну величину; коефіцієнти поглинання інших компонентів повинні бути менше коефіцієнта контрольованої речовини.

Молекули різних речовин, що складаються більш ніж із двох різних атомів, володіють характерними тільки для них спектрами і смугами поглинання випромінювання. Це визначає універсальність і широке застосування методу для аналізу складу розчинів.

У залежності від того, у якій спектральній області працюють абсорбціометри, їх підрозділяють на інфрачервоні (ІЧ) аналізатори, аналізатори ультрафіолетового поглинання і фотометри або фотоколориметри (поглинання у видимій частині спектра). При абсорбційно-оптичному методі аналізу використовують інфрачервону, видиму й ультрафіолетову області спектра.

10.2.2. Схеми абсорбціометрів.

Для побудови абсорбціометрів застосовують різні вимірювальні схеми в залежності від розв'язуваних аналітичних задач і вимог до метрологічних характеристик. Схеми абсорбціометрів можуть відрізнятися між собою числом довжин хвиль (каналів) і кювет (променів), що беруть участь у вимірювальному процесі, а також способом порівняння сигналів, одержуваних у проміжних перетворювачах (вирахування, розподіл, множення та ін.).

Найбільш поширені два типи вимірювальних схем — одноканальні двопроменеві і двоканальні однопроменеві. Аналізатори, засновані на одноканальних двопроменевих схемах мають мінімальні похибки від зміни спектральних характеристик випромінювача, приймача випромінювання й інших елементів. Однак похибки таких приладів великі через неоднаковість забруднення вікон кювет і наявність інших елементів на шляху променів.

Двоканальні однопроменеві схеми забезпечують мінімальні похибки аналізаторів від забруднення вікон кювети і трохи більші похибки від зміни спектральних характеристик елементів схеми. На рис.6 приведена типова схема таких приладів.

Рис.6. Функціональна схема двоканального однопроменевого інфрачервоного аналізатора. 1-привод компенсаційної заслінки; 2-дзеркало;3 і 12- робочий та зрівняльний світлофільтр; 4 і 11-компенсаційна та нульова заслінки; 5-привод нульової заслінки; 6-давач положення обтюратора; 7-світлороздільне дзеркало; 8-кювета; 9-випромінювач; 10-обтюратор; 13-приймач; 14-підсилювач;15-фазочутливий детектор; 16-підсилювач.

Для досягнення необхідних метрологічних характеристик і їхньої стабільності в часі одноканальні двопроменеві аналізатори вимагають ретельної фільтрації від механічних домішок розчину, що надходить у робочу кювету, а двоканальні однопроменеві аналізатори — забезпечення стабільності спектральних характеристик елементів, що досягається стабілізацією живлення і температури.

На рис.7 показана комбінована вимірювальна схема (подвійна одноканальна двопроменева), позбавлена недоліків попередньої схеми. Особливість роботи таких аналізаторів полягає в тому, що при повороті диска обтюратора 11 світлофільтри 4 і 10 по черзі вводяться в потоки випромінювання, що направляються на робочу 5 і порівняльну 9 кювети. Приймач випромінювання 6 роздільно в часі видає електричні сигнали і пропорційні монохроматичному потоку з довжиною хвилі після проходження робочої і порівняльної кювет, і аналогічні сигнали і при довжині хвилі випромінювача . Пристрій 7 виконує операції, у результаті яких покази аналізатора

(6)

де k — коефіцієнт пропорційності.

Рис.7. функціональна схема комбінованого інфрачервоного перетворювача

1 — випромінювач; 2 — дзеркала; 3 — датчик положення світлофільтрів; 4 і 10 — світлофільтри; 5 і 9 — робоча і зрівняльна кювети; 6 — приймач випромінювання; 7 — обчислювальний пристрій; 8-вторинний прилад; 11 - диск обтюратора

Представивши величини в (6) через коефіцієнти перетворення відповідних елементів схеми, неважко показати, що покази аналізатора залежать лише від коефіцієнтів пропускання, складу і товщини шару рідини у кюветах:

.

Розвиток і впровадження мікро-ЕОМ відкрило можливість створення якісно нових абсорбціометрів — багатоканальных приладів для аналізу повного складу багатокомпонентних розчинів (рис.8).

Робота такого аналізатора заснована на вимірюванні оптичних густин розчину при різних довжинах хвиль випромінювання і рішенні системи рівнянь наступного виду:

(7)

де п — число компонентів у розчині.

Рис. 8. Функціональна схема багатоканального інфрачервоного аналізатора

1- випромінювач ; 2 — обтюратор; 3 —світлофільтр з регульованою спектральною характеристикою; 4 — давач положення світлофільтра; 5 — привід світлофільтра; 6 — кювета; 7 — приймач; 8 — мікропроцесор; 9 — вторинний прилад.

Абсорбційно-оптичні аналізатори рідин дозволяють аналізувати концентрацію: азотної кислоти в будь-яких діапазонах; води в метанолі, ацетоні, етиловому спирті, меланжі, сірчаній й азотній кислотах, оцтовій кислоти, оцтовому ангідриду й ін.; органічних мікродомішок у стічних водах; олій у розчинниках і ін. Основна похибка аналізаторів ±4 % діапазону шкали.