Фотоелектричні нефелометри і турбідиметри

При проходженні через дисперсну систему, що містить деяку кількість твердих часток у розчиннику, промінь світла розсіюється, причому залежність інтенсивності j світлового пучка, що пройшов в системі відстань l від первісної інтенсивності j₀ має вигляд

J=j₀*10^{- l},

де - показник розсіювання.

Цей вираз за формою збігається з законом Ламберта — Бера, що визначає зменшення інтенсивності світлового пучка, що поширюється в поглинаючому, але не розсіюючому середовищі. Розходження полягає в тому, що замість показника поглинання використаний показник розсіювання, що також у багатьох випадках залежить від довжини хвилі прохідного світла.

Якщо середовище, через яке проходить промінь світла, не тільки, розсіює, але і поглинає, то зміну інтенсивності променя можна виразити залежністю

J=j₀*10^{-(n+ )l},

де (п + ) — показник ослаблення.

Мутність дисперсних систем визначається дією різних факторів у залежності від співвідношення розмірів твердих часток і довжини світлової хвилі. Якщо довжина хвилі падаючого світла значно більше розміру часток, то виникає так називаний ефект Тиндаля, що полягає в дифракції світлової хвилі, тобто огинанні частки на її шляху. Якщо ж довжина світлової хвилі менше лінійних розмірів зважених часток, то розсіювання світла мутним середовищем розуміється як заломленням світла на границі розділу твердої і рідкої фаз, так і відображенням світла частками.

У будь-якому випадку світлова енергія розсіяних променів залежить від числа часток дисперсної системи. Концентрацію зваженої речовини можна визначити за допомогою двох родинних методів — нефелометричного і турбідиметричного.

Нефелометричним називають метод, заснований на вимірювані інтенсивності світлового потоку, розсіяного твердими частками. Турбідиметричним називають метод аналізу, заснований на вимірювані інтенсивності світлового потоку, що пройшов через дисперсну систему.

Таким чином, при нефелометричному аналізі вимірюють інтенсивність j_р світлового потоку, розсіяного в напрямку, перпендикулярному напрямку променя з інтенсивністю j₀, а при турбідиметричному методі визначають інтенсивність j світлового потоку, що виходить з кювети в напрямку падаючого променя. Обидва методи найбільш ефективні при вимірювані малих концентрацій зваженої речовини (порядку 0,1 кг/м³).

Для часток сферичної форми, що не проводять електричний струм, малих у порівнянні з довжиною хвилі падаючого світла і знаходяться на значній відстані одна від іншої, Релей одержав рівняння, що зв'язує інтенсивність падаючого j₀ і розсіяного j_р під кутом світла:

,

де n₁ і n₂ — показники заломлення твердих часток і розчинника; C — концентрація твердих часток; V — об’єм частки; - довжина світлової хвилі; —густина матеріалу твердих часток.

Приведене рівняння справедливе для дисперсних систем з відношенням параметра часток до довжини хвилі світла не більш 0,3 (частки порядку 40—50 мкм). Коли це відношення перевищує 0,3 інтенсивність розсіяного світла поступово стає пропорційним 1 / , а векторна діаграма розсіяного світла в різних напрямках, названа індикатрисою розсіювання, втрачає свою симетричність. Таким чином, по виду індикатриси можна судити про розмір твердих часток і їхню форму.

При проведенні нефелометричних вимірювань величини , n₁ і n₂ постійні, тому , де . Допускаючи, що V, , i j₀ — постійні величини, можна вважати інтенсивність розсіяного світла пропорційною концентрації зважених часток.

Для двох мутних середовищ з частками однакової природи, форми і розмірів відношення інтенсивностей розсіяного світла пропорційне відношенню концентрацій часток у середовищах

j₁/j₂=C₁/C₂; C₁=j₁C₂/j₂.

Ці співвідношення покладені в основу нефелометричних вимірювань.

У турбідиметричних вимірюванях помутніння, викликане наявністю зважених часток, приблизно виражається рівнянням

де S розсіювальна здатність (аналогічна оптичній щільності); b - товщина поглинаючого шару; d - середній діаметр часток; - довжина світлової хвилі; C - концентрація дисперсної системи; p i q - константи, що залежать від природи суспензії і методу вимірювання.

Приведене рівняння справедливе лише для дуже розведених суспензій. При постійних значеннях d, p i можна записати S=kCb. Це співвідношення за формою збігається з рівнянням Бугера—Ламберта—Бера для поглинаннясвітла розчинами, що дозволяє для спостереження за процесом розсіювання світла застосовувати оптичні прилади, використовувані у фотометрії, а результати обчислювати з використанням аналогічного математичного апарата. Будь-які фотометри можна без будь-яких змін з успіхом використовувати в якості турбідиметрів. Вітчизняна промисловість випускає ряд турбідиметричних аналізаторів для вимірювання і сигналізації відхилення концентрації і мутності технологічних розчинів, пульп і суспензій по відносній зміні оптичної щільності.

При нефелометричних вимірюванях характер взаємодії світлових променів і зважених часток залежить від відносного показника заломлення і коефіцієнта поглинання речовини частки, розмірів часток і довжини хвилі падаючого світла. Відомо, що рівняння Релея характеризує інтенсивність розсіяного випромінювання частками з розмірами менше довжини хвилі світла. У цьому випадку переважає частка розсіяної енергії по порівнянню з відбитою. Зі збільшенням розмірів часток частка розсіяної енергії зменшується.

Закордонна і вітчизняна промисловість випускає нефелометричні прилади, призначені для безперервного вимірювання, сигналізації і регулювання кількості домішок у рідинах і газах.

На рис.17 приведена принципова схема нефелометра, що працює за принципом вимірювання інтенсивності розсіяного світлового потоку.

Світло від джерела 1 проходить через вікно 2 і попадає у вимірювальну. камеру 13. Частина світла проходить через вікно 3, а частина відбивається зваженими в потоці частками і проходить через вікно 12. Світловий потік, пропущений досліджуваним середовищем, порівнюється зі світловим потоком, розсіяним зваженими в середовищі частками. Світлові потоки по черзі перериваються обтюратором 11, що приводиться в обертання електродвигуном 7. Для вирівнювання світлових потоків служить компенсаційна заслінка 6, зв'язана зі стрілкою вторинного приладу.

Рис. 17. Схема нефелометра, що працює за принципом вимірювання інтенсивності розсіяного світлового потоку:

1 — джерело світла; 2, 3 і 12 — скляні вікна; 4 - дзеркала; 5 — реверсивний двигун; 6 — компенсаційна заслінка; 7 — електродвигун; 8 — лінзи; 9 — електронний підсилювач; 10 — фотоелемент; 11 — обтюратор; 13 — вимірювальна камера.