6.2.1. Рефрактометрические методы

Рефрактометрические методы основаны на том, что скорость распространения света в веществе меньше, чем в вакууме. Поэтому при падении светового луча на границу раздела двух сред происходит изменение направления – преломление его движения.

Мерой степени преломления служит показатель преломления, равный отношению скорости света в вакууме к скорости света в веществе. Показатель преломления зависит от природы вещества, внешних условий (температуры, давления), агрегатного состояния вещества и длины волны падающего света. Эту зависимость, как правило, устанавливают эмпирически для каждого типа анализаторов.

Рефрактометры с дифференциальными кюветами применяют для анализа прозрачных и полупрозрачных жидкостей. Способ пол-ного внутреннего отражения основан на следующем. При прохож-дении из оптически более плотной среды в менее плотную луч отражается от границы раздела сред. Угол падения луча может быть подобран так, что отраженный луч будет параллелен границе раздела этих сред. Такой угол называют предельным, а связанное с этим явление – полным внутренним отражением. Для анализа непрозрачных жидкостей используют зависимость между предельным углом и их составом.

Приборы, основанные на рефрактометрическом методе, назы-вают рефрактометрами. Существует несколько способов измерения показателя преломления. В рефрактометрах наиболее часто приме-няют спектрометрический метод и метод, основанный на использова-нии полного внутреннего отражения.

На рис. 6.2 и 6.3 показаны принципиальные схемы автоматиче-ского рефрактометра полного внутреннего отражения лабораторного и промышленного применения.

На рис. 6.4 показана структурная схема проточного рефрактометра. В трубопровод 1, по которому протекает анализируемая жидкость, вмонтирована измерительная кювета 2. Падающий на нее свет от источника 5 проходит через предварительный светофильтр 4 и коллиматор 3 и, отражаясь от границы раздела сред (анализируемая жидкость и призма), попадает через оптический рассеиватель 9 на фотоэлемент ФЭ₁ и зеркало 8, а затем на фотоэлемент ФЭ₂. Сигнал разбаланса от фотоэлементов через электронный усилитель 6 поступает на реверсивный двигатель 7, поворачивающий зеркало 8 до тех пор, пока отраженный от него свет, направленный на фотоэлемент ФЭ₂, не уравновесит световой поток, падающий на ФЭ₁.

Жидкость

Рабочая

Линза

Диафрагма

Дифференциальный

фотодиод

Светодиод

Зеркало

Дифференциальная

кювета

φ = Δn

Светодиод

Дифференциальный

фотодиод

фотодиод

Р ис. 6.4. Промышленный рефрактометр:

1 – трубопровод; 2 – измерительная кювета; 3 – коллиматор;

4 – предварительный светофильтр; 5 – источник; 6 – электронный усилитель; 7 – реверсивный двигатель, 8 – зеркало; 9 – оптический рассеиватель;

ФЭ₁, ФЭ₂ – фотоэлементы

Конструктивно рефрактометры бывают лабораторного и про-мышленного исполнения, в том числе погружные и дифференциальные. Дифференциальные проточные рефрактометры измеряют разность показателей преломления Δn жидкостей и газов, регистрируя отклонение светового пучка при прохождении им дифференциальной оптической кюветы с двумя камерами в виде полых призм, которые заполняют эталонной и анализируемой средами. При равных показателях преломления сравниваемых сред световой пучок проходит через такую кювету, не изменяя направления, а при разных – отклоняется на угол, пропорциональный Δn. Отклонение светового пучка регистрируется с помощью дифференциального фотодиода. Сочетание высокой чувствительности измерений с чрезвычайно малым объемом ячеек кюветы позволяет использовать такие рефрактометры в качестве детектора в высокоэффективной жидкостной аналитической хроматографии, в том числе микроколоночной.

В погружных рефрактометрах (рис. 6.5) в качестве рабочего элемента используется сапфировый стержень, у которого один торец плоский, а другой – сферический. Если такой элемент находится в воздухе, то все направленные на него световые лучи испытывают полное внутреннее отражение и попадают на кольцевой фотодиод. При погружении в жидкость полное внутреннее отражение испы-тывают только те лучи, которые падают на поверхность раздела жидкости и рабочего элемента под углом больше критического.

Обусловленная этим эффектом зависимость сигнала фото-диода от значения критического угла позволяет рассчитывать показатель преломления анализируемой жидкости.

Основная относительная погрешность измерения с помощью рефрактометров составляет (0,5–1,5) %.