Методы и средства контроля гидрохимического состава вод

Источник: Зори А.А., КореневВ.Д., Хламов М.Г. Методы, средства, системы измерения и контроля параметров водных сред. – Донецк: РИА ДонГТУ, 2000. – 388с. – c. 232-239

Глава 3

ИЗМЕРЕНИЯ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ И ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ

3.4 МЕТОДЫ И СРЕДСТВА КОНТРОЛЯ ГИДРОХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА ВОД

Оптические методы и средства контроля

Принципиальная схема детектора, основанного на поглощении ультрафиолетового (УФ) излучения, приведена на рис. 3.31. Детектор содержит проточную кювету 3, водородную лампу 1, линзы 2 и 4, фотоэлектронный приемник 5, усилитель 6 и регистратор 7. Если на пути лучей из кюветы в фотоприемник 5 устанавливается монохроматор, то оказывается возможным измерение концентрации компонентов анализируемой смеси, не разделившихся в хроматографической колонке. Отличительной особенностью УФ детектора для жидкостной хроматографии является размер проточной камеры, который составляет 5–50 мкл (толщина облучаемого слоя — 1 см). В настоящее время разработаны УФ детекторы с фиксированной длиной волны (254 нм) и детекторы со спектрофотометром.

Рисунок 3.31 — Схема УФ детектора, основанного на поглощении

электромагнитного излучения

Флуорометрический детектор (рис. 3.32) состоит из проточной оптической камеры 5 с двумя фильтрами. Один из фильтров (3) выделяет длину волны, на которой наблюдается возбуждение молекул анализируемых компонентов, а другой (фильтр 11) — длину волны, которую излучают возбужденные молекулы. В качестве источника электромагнитного излучения используется УФ лампа 1. Фокусировка электромагнитного излучения осуществляется линзами 2, 4 и 10. При поступлении анализируемого вещества в проточную камеру происходит возбуждение молекул анализируемого вещества, сопровождаемое излучением. Это излучение воспринимается фотоэлектронным умножителем 6, выходной сигнал которого через усилитель 7 поступает на регистратор 8. На основе жидкостных флуорометрических детекторов созданы селективные автоматические анализаторы пестицидов, витаминов, аминокислот, ароматических углеводородов и др.

Схема дифференциального рефрактометрического детектора представлена на рис. 3.33,а. Детектор содержит измерительную 4 и сравнительную 3 проточные камеры, через которые проходит луч света, излучаемый

монохроматическим источником 1 через диафрагму 2. Объем измерительной камеры детектора не превышает 10 мкл. При протекании через измерительную и сравнительную камеры детектора чистого носителя фотоэлементы 7 равномерно освещены и регистратор 8 фиксирует нулевую линию. Появление в измерительной камере анализируемого вещества вызывает изменение угла преломления луча света, и на выходе призмы 5 два луча света по-разному освещают фотоэлементы. В детекторе с непосредственным отсчетом измерение угла преломления луча осуществляется по степени засветки одного из двух фотоэлементов. В компенсационным детекторе возникший разбаланс усиливается усилителем 9 и при помощи реверсивного двигателя 6 поворачивает компенсационную призму до тех пор, пока освещенность фотоэлементов не станет одинаковой. В состоянии равновесия угол поворота призмы пропорционален разности показателей преломления анализируемого газа и газа-носителя.

Принципиальная схема детектора, в котором реализуется компенсационный метод измерения, аналогична схеме, представленной на рис. 3.33,а.

Рефрактометрический детектор, основанный на измерении отраженного луча, представлен на рис. 3.33,б. Детектор представляет собой призму 5, которая служит одной из стенок проточной камеры, расположенной в плате 8. Луч света от лампы 1, пройдя через диафрагму 2, светофильтр 3 и линзу 4, падает на поверхность призмы 5, контактирующей с анализируемой жидкостью. При изменении показателя преломления вещества, протекающего через камеру, изменится интенсивность отраженного и прошедшего через линзу 6 луча, измеряемая фоторезистором 7. Объем измерительной камеры детектора 5 мкл.

В основу интерферометрических детекторов положены интерференционные методы измерения показателя преломления веществ. Возможность применения интерферометра в качестве детектора для жидкостной хроматографии рассмотрена в работе [98]. Здесь предложено использовать интерферометр Майкельсона с объемом измерительной камеры 161 мкл и длиной оптического пути 2 мм. Работа детектора (рис. 3.34) заключается в следующем. Луч света, излучаемый источником 1, пройдя через щель 2, разделяется в полупосеребреной стеклянной пластине 3 на два когерентных луча, один из которых направляется к неподвижному зеркалу 5, а другой — к подвижному зеркалу 7. Лучи, отраженные от зеркал, вновь соединяются при помощи пластины 3 и выходят по направлению к фоторезистору 8 через диафрагму 10 и линзу 9. На пути луча, отраженного от зеркала 7, установлена проточная кювета 6, через которую прокачивается анализируемое вещество. Для компенсации луча, отраженного от неподвижного зеркала 5, установлена компенсирующая пластина 4. Изменяя положение пластины 4, можно обеспечить одинаковую разность хода лучей, тогда на входе диафрагмы 10 будут наблюдаться интерференционные полосы.

Рисунок 3.34 — Схема интерферометрического детектора

При протекании через измерительную камеру детектора 6 чистой жидкости-носителя с помощью компенсирующей стеклянной пластины и подвижного зеркала 7 добиваются такой интерференционной картины, чтобы центральная ее часть, проецируемая на фоторезистор 8, была затемнена. Изменение показателя преломления жидкости-носителя приводит к смещению интерференционной картины и ее центральной части, проецируемой на фоторезистор. В результате смещения интерференционной картины на диафрагме самописца появляется последовательность пиков, причем каждый пик соответствует прохождению перед диафрагмой 10 освещенной интерференционной полосы. Установлено [98], что смещение дифракционной картины пропорционально числу молей анализируемого вещества в жидкости-носителе.

При взаимодействии поляризованного электромагнитного излучения с оптически активными веществами наблюдается эффект вращения плоскости поляризации электромагнитного излучения. Измерение угла вращения плоскости поляризации электромагнитного излучения положено в основу работы поляриметрического детектора (рис. 3.35). Электромагнитное излучение от источника 1, пройдя линзу 2 и интерференционный фильтр 3, поступает на поляризатор 4. Модулятор 5 обеспечивает одинаковое отклонение с некоторой частотой f азимута поляризации от среднего положения. Поляризованный свет, пройдя через проточную камеру 6, поступает на анализатор 7, установленный под углом 90° к азимуту поляризации. В результате поляризованный свет, фокусируемый линзой 8, попадает на фоторезистор 9 с амплитудой модуляции удвоенной частоты 2f изменения азимута поляризации.

При протекании через камеру 6 анализируемого вещества, обладающего оптической активностью, азимут поляризации поворачивается на некоторый угол j и на фоторезистор поступает излучение с частотой f, которое преобразуется фоторезистором в электрический сигнал той же частоты. Этот сигнал вызывает в электронном усилителе 10 сигнал рассогласования, который поступает на электромеханический преобразователь 11, связанный с анализатором 7. В зависимости от фазы рассогласования электромеханический преобразователь поворачивает анализатор вокруг оптической оси до тех пор, пока на фоторезистор не поступит излучение с удвоенной частотой. Регистрируя угол поворота анализатора 7 по отсчетному устройству 12, оценивают концентрацию анализируемого вещества.

Существует большое число веществ, которые прозрачны в видимой части электромагнитного спектра, а при контакте с некоторыми химическими реагентами приобретают окраску или окрашивают химический реагент. Измеряя интенсивность окраски, можно судить о концентрации анализируемого вещества. Данный метод измерения концентрации веществ реализуется в детекторах, названных колориметрическими [99] (рис. 3.36).

Рисунок 3.36 — Схема колориметрического детектора:

1 — источник видимого света, 2 — оптическая камера, 3—фильтр,

4 — фотоэлемент, 5 — регистратор

Как правило, колориметрические детекторы селективны, что достигается подбором соответствующего химического реагента. Используются они для анализа веществ в газообразной и в жидкой фазах. В [99] описано применение колориметрических детекторов для анализа неорганических соединений (P₂O₅, SiO₂, N₂H₄), растворенных в воде. Характеристики некоторых детекторов [100] представлены в табл. 3.2.

Таблица 3.2 — Параметры оптических каналов

Детектор	Объем измерительной камеры, мкл	Физико-химический параметр или свойство	Уровень шумов, эквивалентный минимальному изменению физико-химического параметра	Минимально детектируемое количество вещества, г/мл	Линейный динамический диапазон	Анализируемое вещество	Жидкость-носитель
УФ	50	Оптическая плотность	7,1Ч10^–4	1,87Ч10^–7	3(10³ё10⁴)	Нафталин	Гексан
Рефрактометрический по отражению луча	5	Показатель преломления	1,43Ч10^–7	1,91Ч10^–6	3Ч10³	Метилэтилкетон	Бензол
Рефрактометрический по преломлению луча	10	Показатель преломления	2,03Ч10^–7	1,1Ч10^–5	3Ч10³	Хлороформ	Бензол
Инфракрасный лазерный	8	Оптическая плотность	2Ч10^–3	4Ч10^–6	10³	Трипальметин	Трихлорэтил
Флуорометрический	8	Интенсивность флуоресценции	—	3Ч10^–10	10⁴	Хинин	0.1 н. H₂SO₄