Контроль оптической плотности реферат

Обновлено: 07.07.2024

Глаз человека являлся основным контрольным прибором в дефектоскопии. Однако возможности глаза ограничены, например, при осмотре удаленных или быстро перемещающихся объектов, находящихся в условиях малой освещённости. Даже при осмотре предметов, находящихся в покое на расстоянии наилучшего зрения в условиях нормальной освещённости, человек может испытывать трудности из-за ограниченной разрешающей способности контрастной чувствительности зрения.

Для расширения возможностей глаза используют оптические приборы. Они увеличивают угловой размер объекта, при этом острота зрения и разрешающая способность глаза увеличиваются примерно во столько же раз, во сколько увеличивает оптический прибор. Это позволяет увидеть мелкие дефекты, невидимые невооружённым взглядом, или их детали.

Техническая диагностика. Неразрушающий контроль

Техническая диагностика — область знаний, охватывающая теорию, методы и средства определения технического состояния объекта, т.е. состояние, которое характеризуется в определенный момент времени, при определенных условиях внешней среды, значениями параметров, установленных технической документацией на объект. Техническая диагностика является составной частью технического обслуживания.

Основной задачей технического диагностирования является сокращение затрат на техническое обслуживание объектов, и на уменьшение потерь от простоя в результате отказов.

Техническое диагностирование осуществляют посредством неразрушающего контроля.

Неразрушающий контроль — контроль надежности и основных рабочих свойств

и параметров объекта или отдельных его элементов/узлов, не требующий выведение объекта из работы либо его демонтажа.

 Основными методами неразрушающего контроля являются(по ГОСТ 18353— 79.):

магнитный;
электрический;
тепловой;
радиоволновой;
оптический
вихретоковый;
акустический;
радиационный;
проникающими веществами.

Согласно ГОСТ Р 53696 выделяют 32 метода неразрушающего контроля:

2.2.1 метод прошедшего оптического излучения; метод прошедшего излучения: Метод оптического неразрушающего контроля, основанный на регистрации параметров оптического излучения, прошедшего сквозь объект.

Метод неразрушающего контроля

. и материальным потерям. Так, затраты на проведение мероприятий по неразрушающему контролю (НК) и связанных с ним работ во время эксплуатации АЭС составляют не менее 50% . изделия; условия контроля и наличие подходов к проверяемому объекту; технические условия на изделия, содержащие количественные критерии недопустимости дефектов и зачастую нормирующие применение методов контроля на конкретном .

2.2.2 метод отраженного оптического излучения: Метод оптического неразрушающего контроля, основанный на регистрации параметров оптического излучения, отраженного от объекта контроля.

 2.2.3 метод рассеянного оптического излучения; метод рассеянного излучения: Метод оптического неразрушающего контроля, основанный на регистрации параметров оптического излучения, рассеянного от объекта контроля.

 2.2.4 метод собственного оптического излучения; метод собственного излучения: Метод оптического неразрушающего контроля, основанный на регистрации параметров собственного излучения объекта контроля.

 2.2.5 метод индуцированного оптического излучения; метод индуцированного излучения: Метод оптического неразрушающего контроля, основанный на регистрации параметров оптического излучения, генерируемого объектом контроля при постороннем воздействии.

 2.2.6 спектральный метод оптического излучения; спектральный метод: Метод оптического неразрушающего контроля, основанный на анализе спектра оптического излучения после его взаимодействия с объектом контроля.

 2.2.7 когерентный метод оптического излучения; когерентный метод: Метод оптического неразрушающего контроля, основанный на измерении степени когерентности оптического излучения после его взаимодействия с объектом контроля.

 2.2.8 амплитудный метод оптического излучения; амплитудный метод: Метод оптического неразрушающего контроля, основанный на регистрации интенсивности оптического излучения после его взаимодействия с объектом контроля.

 2.2.9 временной метод оптического излучения; временной метод: Метод оптического неразрушающего контроля, основанный на регистрации времени прохождения оптического излучения через объект контроля.

Физические основы оптического неразрушающего контроля

Оптический неразрушающий контроль (ОНК) основан на анализе взаимодействия оптического излучения (ОИ) с объектом контроля (ОК).

Оптическое излучение или свет электромагнитное излучение с длиной волны 10-5 – 10-3 мкм, в котором принято выделять ультрафиолетовую (УФ), видимую и инфракрасную (ИК) области спектра с длинами волн соответственно 10-3 …0,38; 0,38 … 0,78 и 0,78 … 103 мкм.

Возникновение ОИ связано с движением электрически заряженных частиц (электроны, атомы, ионы, молекулы).

Дискретные спонтанные или индуцированные переходы носителей зарядов с более высоких на более низкие уровни энергии сопровождаются испусканием световых квантов (фотонов) с энергией, равной разности энергий этих уровней.

Информационными параметрами ОИ являются пространственно-временные распределения его амплитуды, частоты, фазы, поляризации и степени когерентности. Для получения дефектоскопической информации используют изменение этих параметров при взаимодействии ОИ с ОК в соответствии с явлениями интерференции, дифракции, поляризации, преломления, отражения, поглощения, рассеяния, дисперсии света, а также изменение характеристик самого ОК под действием света в результате эффектов фотопроводимости, фотохромизма, люминесценции, электрооптических, механооптических (фотоупругость), магнитооптических, акустооптических и других явлений. ;

Методы неразрушающего контроля

. из ферромагнитных материалов при их толщине от 1 до 18 мм. метод неразрушающий контроль Оптический метод неразрушающего контроля Основан на взаимодействии светового излучения с контролируемым объектом. Они предназначены для обнаружения различных поверхностных дефектов .

— Основными информационными параметрами объектов оптического контроля являются их спектральные и интегральные фотометрические характеристики, которые в общем случае зависят от строения вещества, его температуры, физического (агрегатного) состояния, микрорельефа, угла падения излучения, степени его поляризации, длины волны.

С помощью оптических методов внутренние дефекты выявляются только в изделиях из материалов, прозрачных в оптической области спектра.

Излучение преобразуется видимое изображение или в электрический сигнал. Для преобразования невидимого изображения в видимое используются индикаторы: пленки, пластинки которые под влиянием оптического излучения изменяют свою яркость или цвет (фотоаппаратура).

Для преобразования излучения в электрический сигнал используются измерительные преобразователи (фотодиоды, фоторезисторы и т. д.).

Области применения оптического контроля

Промышленные объекты работают во все более сложных условиях. При этом определение остаточного ресурса по результатам оптического контроля в условиях изношенности оборудования приобретает все большее значение.

Оптический неразрушающий контроль применяется:

для контроля геометрии строительных конструкций
контроля геометрии шахтных стволов и штреков
контроля абразивного износа тросов
определения степени запыленности и задымленности;
при определении засоров и вентиляционных каналов
и др.

в металлургии — для контроля геометрии проката (проволоки. листов, труб, прутков, профилей), качества внутренней поверхности труб;

в химической промышленности — для спектрального анализа, контроля структуры пластмасс и полимеров, колориметрического контроля растворов;
в стекольном производстве — для контроля геометрии стеклянных листов и труб, обнаружения инородных включений;
для гранулометрического анализа;

в авиастроении — для контроля внутренних полостей двигателей

в лакокрасочной промышленности — для контроля цвета и блеска и т.д.

Приборы оптического контроля

(см. приложение А)

оптический дефектоскоп: Прибор оптического неразрушающего контроля, предназначенный для обнаружения несплошностей и неоднородностей материалов и изделий.

лазерный эллипсометр: Прибор оптического неразрушающего контроля, предназначенный для измерения толщины и (или) показателя преломления прозрачных пленок поляризационным методом

оптический структуроскоп: Прибор оптического неразрушающего контроля, предназначенный для анализа структуры и (или) физико-химических свойств материалов и изделий.

оптический толщиномер: Прибор оптического неразрушающего контроля, предназначенный для измерения толщины объектов контроля и (или) глубины залегания дефектов.

оптический компаратор: Оптический прибор, предназначенный для однов ременного наблюдения объекта контроля и контрольного образца.

субтрактивный видеоанализатор: Оптический прибор для формирования разностно-го изображения объекта контроля и контрольного образца.

Неразрушающий контроль качества материалов и продукции, их эффективность

. дефектами, Применять методы неразрушающего контроля необходимо с учетом их возможности, чувствительности, производительности, эффективности. В контроль без разрушения контролируемого объекта входят: внешний осмотр невооруженным глазом или с помощью оптических приборов; . автоматические средства контроля (АСК) за 1-2 с. выявляют аналогичные дефекты. Применение методов неразрушающего контроля качества .

оптический дисдрометр: Оптический прибор для анализа объемного распределения микрочастиц в контролируемой среде.

К числу дефектов, обнаруживаемых неразрушающими оптическими методами, относятся пустоты (нарушения сплошности), расслоения, поры, трещины, включения инородных тел, внутренние напряжения, изменение структуры материалов и их физикохимических свойств, отклонения от заданной геометрической формы и т. д. С помощью оптических методов внутренние дефекты выявляются только в изделиях из материалов, прозрачных в оптической области спектра. Излучение преобразуется видимое изображение или в электрический сигнал. Для преобразования невидимого изображения в видимое используются индикаторы: пленки, пластинки которые под влиянием оптического излучения изменяют свою яркость или цвет (фотоаппаратура).

Оптические приборы НК делятся для контроля методом: прошедшего, отраженного, собственного излучения. Приборы оптической дефектоскопии делятся на визуально-оптические, для контроля внутренних поверхностей и обнаружения дефектов в труднодоступных местах, автоматического контроля дефектов поверхности.

К приборам этого класса относятся проекторы различного типа, в том числе

телевизионные, обычные и стереоскопические микроскопы, эндоскопы.

Телевизионные проекторы широко применяют в дефектоскопии и обладают

следующими преимуществами: возможностью усиления яркости, контраста изображения, сравнительно малыми световыми нагрузками на объект, равномерным распределением яркости экранов, высоким качеством изображения, наблюдения на большом удалении от объекта, широким спектральным диапазоном преобразования светового сигнала.

Наиболее распространена схема проектора с передающей телевизионной; трубкой. Она

включает источник света, объектив, передающую трубку, видеотракт с блоками усиления и обработки сигнала и видеоконтрольное устройство. — Приборы для контроля внутренних поверхностей и обнаружения дефектов в

труднодоступных местах . Приборы этого типа называют эндоскопами или бороскопами.

Принцип действия эндоскопов заключается в осмотре объекта с помощью

специальной оптической системы, позволяющей передавать изображение на значительное расстояние; (до нескольких метров).

Существуют линзовые, волоконно-оптические и комбинированные эндоскопы.

Приборы автоматического контроля дефектов поверхностей

Принцип определения поверхностных дефектов заключается в следующем. Если

неровности поверхности намного меньше, чем длина волны излучения, то падающий

лучистый поток отражается только в одном направлении, т. е. поверхность выступает в качестве зеркала. Если размеры неровностей того же порядка, что и длина волны излучения, то в рассеянии его главную роль играют дифракционные эффекты, если же неровности поверхности намного больше, чем длина волны излучения, то оно зеркально рассеивается на неровностях.

Методы и приборы неразрушающего контроля

. напряжения в объектах контроля. Информационными параметрами методов являются интегральные и спектральные фотометрические характеристики излучения. Наружный оптический контроль может применяться относительно объектов из любых материалов. Обнаружение внутренних дефектов (неоднородностей, напряжений) возможно .

Для дистанционного контроля в местах труднодоступных применяют современные

На страницах полиграфической прессы не раз рассматривалась проблема контроля качества на различных стадиях производства. Описывались отдельные и комплексные способы контроля, различные разновидности систем, их технические характеристики и пр., однако все без исключения авторы, как правило, сходились во мнении, что при работе следует комбинировать два способа контроля: визуальный и аппаратный.

Печатники со стажем часто придерживаются мнения, что визуального способа оценки качества вполне достаточно. При этом совершенно игнорируется тот факт, что результаты визуальной оценки во многом зависят от внешней обстановки, от физического состояния оценивающего и т.п. Применение аппаратных средств контроля позволяет оперативно и объективно определять отклонения технологических показателей и своевременно принимать меры по их устранению.

Прошедшая выставка drupa 2004 показала, что все ведущие производители печатной техники стали оснащать свое оборудование аппаратными системами контроля качества. Даже некоторые модели цветных принтеров теперь комплектуются устрой-ствами для построения ICC-профилей и калибровки.

Рис. 1. Образование основных цветов при запечатывании бумаги

Рис. 2. Кривые спектрального отражения красок

К современным средствам аппаратного контроля качества относятся денситометры, колориметры и спектрофотометры. Наибольшее распространение, прежде всего в силу дешевизны приборов, получили денситометрические методы оценки. Особенно широко денситометры используются для контроля печати триадными красками.

Различают два типа образования, или синтеза, цвета: аддитивный и субтрактивный.

Аддитивный синтез — это процесс получения цветов за счет смешивания (сложения) излучений трех основных зон спектра: синего, зеленого и красного. Различные цвета могут быть получены этим способом, например, на экране цветного телевизора с помощью трех электронно-лучевых трубок или разноокрашенных люминофоров синего (Blue), зеленого (Green) и красного (Red) цветов. Изменение цвета достигается при этом изменением соотношения мощности основных излучений.

Важной разновидностью аддитивного синтеза является так называемое пространственное смещение, основанное на том, что глаз не различает отдельно расположенных мелких разноцветных элементов изображения (например, растровых точек или люминофоров на экране). В результате мелкие разно-окрашенные точки, расположенные на достаточно малом расстоянии друг от друга, воспринимаются как участок, имеющий единый цвет, который определяется суммой отраженных от этих точек излучений.

Субтрактивный синтез представляет собой процесс получения цветов за счет поглощения (вычитания) излучений из белого цвета. При таком синтезе новый цвет получают с помощью голубого (Cyan), пурпурного (Magenta) и желтого (Yellow) красочных слоев. Эти цвета являются основными, или первичными, цветами субтрактивного синтеза. Голубая краска поглощает (вычитает из белого) красные излучения, пурпурная — зеленые, а зеленая — синие. Поэтому для того, чтобы субтрактивным способом получить, например, красный цвет, нужно на пути белого излучения поместить желтый и пурпурный светофильтры. Такой же результат будет получен, если на белую (отражающую весь спектр световых волн) бумагу нанести желтую и пурпурные краски.

Основные цвета аддитивного синтеза (синий, зеленый и красный) и основные цвета субтрактивного синтеза (желтый, пурпурный и голубой) образуют пары дополнительных цветов. При аддитивном синтезе дополнительные цвета дают серый и белый цвета, а при субтрактивном синтезе — серый и черный цвета.

Рассмотренные принципы образования цвета лежат и в основе получения цветных изображений в полиграфии.

Воспроизведение цвета в полиграфии

В полиграфии для получения цветных изображений, как правило, используют триадные печатные краски: голубую, пурпурную и желтую. Теоретически эти краски должны быть прозрачными, и каждая из них должна полностью вычитать излучение одной из зон спектра, пропуская остальной свет. Однако из-за неидеальности реальных красок при изготовлении печатной продукции используют четвертую дополнительную краску черную.

Из рис. 1 видно, что если наносить на белую бумагу триадные краски в различных сочетаниях, то можно получить все основные (первичные) цвета как для аддитивного, так и для субтрактивного синтеза (см. врезку). Этот факт доказывает возможность цветной печати при использовании триадных красок.

Изменение характеристик воспроизводимого цвета происходит по-разному, в зависимости от способа печати. В глубокой печати переход от светлых участков изображения к темным традиционно осуществляется благодаря изменению толщины красочного слоя. В высокой и офсетной печати цвета различных участков изображения передаются растровыми элементами различной площади, при этом характеристики воспроизводимого цвета регулируются размерами растровых элементов различного цвета.

При смешении красок в результате их наложения друг на друга цвет будет зависеть не только от колориметрических характеристик каждой краски, но и от их прозрачности, порядка наложения друг на друга и толщины красочного слоя.

В настоящее время разработаны стандарты для красного, зеленого и синего зональных светофильтров. Основное их различие состоит в зоне спектрального пропускания.

Status A соответствует денсит ометрическим требованиям ANSI PH2.18 и используется в основном для денситометрической оценки цветных фотографических отпечатков.

Status E используется в Европе и соответствует DIN 16536 для денситометрических измерений на отражение для фильтров с широкой зоной пропускания.

Status I описывает узкополосные фильтры и соответствует стандарту DIN 16536 для узкополосных фильтров.

Status T определяет фильтры с широкой зоной пропускания для денситометров на отражение и принят за стандарт в США.

Спектры пропускания зональных фильтров

Денситометры

Описанные особенности отражения/поглощения красок, а также теоретические основы аддитивного и субтрактивного синтезов цвета положены в основу работы денситометров. Согласно ISO 5-4 денситометры работают с четырьмя зональными светофильтрами: красным, зеленым, синим и ахроматическим черным. Прибор измеряет коэффициент отражения ? и рассчитывает величину оптической плотности по формуле D=lg(1/p).

Относительная спектральная чувст-вительность денситометра определяется распределением энергии в спектре источника излучения, спектральной чувствительностью фотоприемника, спектральным пропусканием светопоглощающей среды денситометра и спектральным пропусканием светофильтров.

Для упрощения и систематизации измерений используются шкалы оперативного контроля, различающиеся набором полей, включенных элементов и геометрическими размерами самих полей. По таким шкалам можно контролировать различные параметры печати и качества оттисков. Рассмотрим основные контролируемые параметры.

Оптическая плотность плашки (Density)

Одним из основных параметров при контроле печатной продукции и настройке печатной машины является плотность плашки (сплошного 100% красочного слоя). Величина оптической плотности зависит от толщины красочного слоя и концентрации пигмента в краске. Чем толще красочный слой на бумаге, тем выше измеряемая плотность. Таким образом, этот параметр позволяет контролировать количество краски, нанесенной на оттиск. В начале изготовления заказа по плотности плашки определяют момент выхода на режим печати.

Одной из важных характеристик денситометров является так называемый статус, определяющий систему измерений и влияющий на числовое значение измеряемой оптической плотности. Статус измерения определяет комплект применяемых зональных светофильтров, различающихся шириной спектрального пропускания (рис. 3).

В денситометрах устанавливаются два фильтра: один поляризует свет от источника излучения; другой, повернутый по отношению к первому на 90?, отсекает зеркально отраженные от поверхности красочного слоя волны. Благодаря этому при измерении сильно отражающего свет мокрого оттиска и слабо отражающего сухого получаются одинаковые результаты.

Действие поляризационного фильтра

Рис. 3. Различные стандарты для зональных фильтров

Рис. 4. Пример растискивания

В современных приборах для измерения цвета пользователю предоставляется возможность самому выбирать, с каким стандартом (комплектом фильтров) он будет работать. На Американском континенте работают в основном со стандартами ANSI, в Европе с немецкими DIN. К сказанному стоит добавить, что показания приборов, работающих по разным стандартам, будут различными.

Как видно из первой таблицы, наибольшие расхождения между разными стандартами характерны для желтой краски. Результаты измерений в других зонах спектра не будут различаться столь значительно, однако, согласовывая с типографией вопрос об оптических плотностях триадных печатных красок, надо обязательно указывать, какому стандарту соответствует значение контрольного показателя зональной оптической плотности. Необходимо также указать, какое значение D приводится: абсолютное или относительное. В США часто указывается абсолютное значение, в европейских (в том числе российских) типографиях принято определять оптические плотности относительно тиражной бумаги (запечатываемого материала).

В процессе высыхания краски коэффициент отражения света ее поверхностью изменяется. Вследствие этого разница плотности одного и того же красочного слоя во влажном и сухом состоянии может составлять 0,2D (оптическая плотность сухого оттиска меньше плотности сырого). Чтобы облегчить контроль оттисков, современные денситометры оснащаются поляризационными фильтрами, которые обеспечивают идентичность измерений сырой и сухой краски (см. врезку).

Показатель растискивания (Dot gain)

Важной проблемой является контроль размера растровых элементов при переносе их с фотоформы на форму и далее на оттиск. Известно, что размеры растровых элементов на оттиске существенно возрастают по сравнению с их размерами на печатной форме. Это явление называется растискиванием и объясняется воздействием ряда оптических и механических факторов. Степень механического растискивания зависит от свойств краски, увлажнения и офсетной резины, подачи краски и характеристик поверхности бумаги.

Таблица 1. Оптические плотности в соответствии с различными стандартами (измерения выполнены денситометром D19C компании GretagMacbeth)

При анализе запыленности воздуха предпочтение отдают методам, основанным на предварительном осаждении пыли, так как большинство из них позволяют определять массовую концентрацию взвешенных частиц. К недостаткам этих способов следует отнести циклический характер измерения, высокую трудоемкость и низкую чувствительность анализа. Наиболее часто применяют гравитационный, радиоизотопный и оптические методы.

Метод измерения оптической плотности пыли

Оптический метод основан на явлении поглощения света при прохождении его через пылегазовую среду. Пылемеры, построенные на этом принципе, практически безынерционны, не требуют пробоотборного устройства и позволяют определять мгновенные значения концентрации пыли без внесения возмущений в исследуемую среду. Недостатками метода являются влияние изменений химического и дисперсного составов пыли на результаты измерений и сравнительно узкий интервал измеряемых концентраций.

В оптических методах используются зависимости физических свойств (оптической плотности, степени поглощения или рассеивания лучей) пылевого осадка или запыленного потока газа от концентрации пыли.

Часто вместо коэффициентов пропускания и отражения используют оптическую плотность D.

Оптическая плотность D, мера непрозрачности слоя вещества для световых лучей. Равна десятичному логарифму отношения потока излучения F0, падающего на слой, к ослабленному в результате поглощения и рассеяния потоку F, прошедшему через этот слой:

иначе, Оптическая плотность есть логарифм величины, обратной пропускания коэффициенту слоя вещества:

Связь между интенсивностями падающего светового потока I0 и светового потока I, прошедшего через окрашенный раствор, устанавливается законом Бугера-Ламберта.

Согласно этому закону однородные слои одного и того же вещества одинаковой толщины поглощают одну и ту же долю падающей на них световой энергии. Графически закон Бугера-Ламберта представлен на рисунках.

Из рисунка видно, что оптическая плотность одинакова для одинаковых по толщине слоев и, что общая оптическая плотность нескольких слоев равно сумме оптических плотностей отдельных слоев (свойство адитивности):

D1-4 = D0-1 + D1-2 + D2-3 + D3-4 = 1,2 = 0,3 + 0,3 + 0,3 + 0,3.

Другими словами, оптическая плотность вещества прямо пропорциональна толщине поглощающего слоя. В этом состоит основной колориметрии закон Бугера-Ламберта.

Позднее Бером было установлено, что при прохождении света через газы и растворы степень поглощения вещества зависит от числа частиц в единице объема, то есть оптическая плотность зависит от концентрации вещества:

D = k·l·C, где k - показатель поглощения – постоянная величина, характерная для растворов вещества (для света определенной длины волны); l – толщина слоя; C – концентрация вещества.

Эта зависимость оптической плотности от концентрации вещества в растворе и толщины поглощающего слоя известна под названием закона Бугера-Ламберта-Бера.

Таким образом, оптическая плотность D есть мера непрозрачности вещества толщиной l для оптического излучения. Оптическая плотность характеризует ослабление оптического излучения в слоях различных веществ (красителях, светофильтрах, растворах, газах и т. д.). Оптическая плотность не зависит от площади поперечного сечения падающего на слой вещества светового потока, она зависит только от толщины поглощающего слоя, концентрации поглощающего вещества и поглощающей способности вещества

Измерение оптической плотности до степени светопоглощения или рассеивания света называется фотометрическим методом анализа. С помощью его можно определять до 5•10-9 г вещества в пробе.

ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ФОТОМЕТРИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ.

Для фотометрических измерений используют две большие группы приборов: фотоколориметры и спектрофотометры. В колориметрах нужные спектральные диапазоны выделяются при помощи светофильтров, ограничивающих участки спектра, в которых могут проводится измерения. В спектрофотометрах участки спектра выделяются при помощи призм или дифракционных решеток, что позволяет устанавливать любую длину волны в заданном диапазоне. Конкретная последовательность операций при измерении оптической плотности или пропускания зависит от конструкции спектрофотометра или колориметра. Однако основные принципы остаются неизменными. Сначала устанавливают необходимую длину волны, выбирая светофильтр на колориметре или вращая соответствующую рукоятку на спектрофотометре. Затем устанавливают нуль. Для этого в световой поток помещают кювету со стандартным раствором. Изменяя ширину щели, добиваются того, чтобы показания прибора соответствовали величине, предусмотренной инструкцией. На следующем этапе стандартный раствор заменяют исследуемым и производят отсчет величины оптической плотности или пропускания.

В фотометрическом спектрофотометре сочетаются два основных прибора: монохроматор, служащий для получения монохроматического светового потока, и фотоэлектрический фотометр, предназначенный для измерения интенсивности света.

Монохроматор состоит из трех основных частей: источника света, диспергирующего устройства (устройства, разлагающего белый свет в спектр) и приспособления регулирующего величину интервала длин волн светового пучка, падающего на раствор.

Наиболее употребительным источником света является лампа накаливания с вольфрамовой нитью, длины волн излучения которой лежат в пределах 350 – 2000 нм. Этот источник света пригоден для большинства аналитических целей, так как позволяет производить измерения в ближайшей ультрафиолетовой, видимой, а также в ближней инфракрасной областях спектра.

Для разложения света в спектр применяются стеклянные и кварцевые призмы, а также дифракционные решетки. Призмы обладают довольно большой дисперсией и большой светосилой. Кварцевые призмы дают возможность работать в ультрафиолетовой области спектра. Очень важной деталью спектрофотометра является щель, с помощью которой можно регулировать интенсивность светового потока: чем меньше ее раскрытие, тем меньше света проходит через нее и тем уже интервал длин волн светового пучка, пропускаемого щелью.

Фотоэлектрический фотометр состоит из вакуумных фотоэлементов, усилителя постоянного тока и компенсирующего устройства (потенциометра), шкала которого проградуирована в единицах оптической плотности и процентах светопропускания.

Устройство и принцип действия спектрофотометра.

Структурную схему спектрофотометра можно представить в виде следующих основных блоков:

источник света,
монохроматор,
кюветное отделение,
фотоэлемент,
регистрирующее устройство.

Световой пучок от источника света попадает в монохроматор через входную щель и разлагается дифракционной решеткой или призмой в спектр. В монохроматический поток излучения, поступающий из выходной щели в кюветное отделение, поочередно вводятся контрольный и исследуемый образцы. Излучение, прошедшее через кювету, попадает на фотоэлемент, который преобразовывает световую энергию в электрическую. Электрический сигнал затем усиливается и регистрируется.

В основу работы спектрофотометра положен принцип измерения отношения двух световых потоков: потока, прошедшего через исследуемый образец, и потока, падающего на исследуемый образец (или прошедшего через контрольный образец).

Усилитель постоянного тока с коэффициентом усиления близким к единице, обеспечивает передачу сигналов на вход микропроцессорной системы (далее - МПС), МПС по команде оператора поочередно измеряет и запоминает напряжения UT и U, пропорциональные темновому потоку фотоэлемента, потоку, прошедшему через контрольный образец, и потоку, прошедшему через исследуемый образец. После измерения МПС рассчитывает коэффициент пропускания Т исследуемого образца. Значение измеренной величины высвечивается на цифровом фотометрическом табло.

Измеритель ИКВЧ (с).

Для наиболее конкретного представления об измерительном приборе, мною был рассмотрен измеритель типа ИКВЧ (с). Он предназначен для непрерывного измерения оптической плотности пылегазовых сред и пульсаций оптической плотности дымовых потоков, а так же массовых концентраций взвешенных частиц (пыли) через пересчетную функцию. Измерители применятся на производствах, требующих проводить контроль запыленности, задымленности и для мониторинга окружающей среды, являются стационарными автоматическими приборами и состоят из моноблока оптического канала (МОК) и насадок с устройствами защиты от пыли, тубуса оптического концентратора (ОК) и выносного блока индикации (БИ).

Параметры контролируемой среды в газоходе:

1) температура от 0 до 300° С;

2) скорость газового потока до 20 м/с.

Измеритель имеет диапазон измерения абсолютного значения оптической плотности от 0 до 2,0 Б на измерительном расстоянии 10 м.
Цена деления младшего разряда оптической плотности – 0,001 Б.
Предел шкалы представления расчетных значений массовой концентрации пыли – 3000 мг/м3 на измерительном расстоянии 1 м. Цена деления единицы младшего разряда – 3 мг/м3 и 0,03 мг/м3 – при переключении чувствительности.
Пределы допускаемого значения основной приведенной погрешности измерения оптической плотности +/- 2,0 %.

Измерители имеют прерывистую звуковую и световую сигнализацию о повышении установленных пороговых значений МКП или среднего значения пульсаций оптической плотности.

Время непрерывной работы измерителей без корректировки показаний – не менее 30 сут.
Время прогрева измерителей – не более 30 мин.
Номинальное время установки показаний – не более 10 с.

Измеритель конструктивно включает в себя следующие блоки:

МОК;
блок индикации (БИ);
тубус оптического концентратора (ОК);
пылезащитные насадки.

Принцип работы измерителей и его составных частей поясняет функциональная схема.

В основу принципа действия измерителей положен метод определения оптической плотности пылегазовой среды по степени ослабления модулированного электромагнитного излучения.

Базовым блоком измерителя является МОК. МОК включает в себя оптический блок, фотоприемное устройстово измерительного канала (ФПУ Ик), блок обработки сигналов (БОС), блок питания (БП). Оптический блок состоит из линзы объектива (3), световода (7), электрически регулируемой диафрагмы (4).

Оптический концентратор (ОК) служит для формирования импульсов излучения и сигнала опорного канала и состоит из линзы коллиматора (3), излучателя (ИЗЛ.), механически регулируемой диафрагмы (6) и электронной схемы устройства сопряжения.

Преобразованные ФПУ оптические импульсы соответствующих каналов в электрические подаются на синхронный детектор (СД) БОС. СД управляется генератором импульсов (ГИ), который так же управляет формирователем импульсов управления излучателем (ФИУ Из.). Продетектированные сигналы опорного и измерительного каналов поступают на дифференциальный усилитель постоянного тока (УПТ) с автоматическим переключением коэффициента передачи +/- (40+/-0,2) дБ, в зависимости от уровня разностного сигнала.

Наряду с первичной обработкой сигнала ЦПУ, БОС управляет электроприводом (ШД) диафрагмы измерительного канала по команде с БИ и температурной коррекцией результатов измерений.

Блоки электропитания МОК и БИ включают в себя импульсные источники электропитания (ИИЭ), преобразующие напряжение сети 220 В частотой 50 Гц в уровни напряжения необходимые для питания блоков.

Пылезащитные насадки, при помощи которых монтируются МОК и ОК на объекте, должны постоянно продуваться очищенным сухим воздухом из магистрали или от пневмосистемы.

Заключение

Оптические методы измерения концентрации пыли занимают ведущее место среди других для непрерывного контроля пылевых выбросов в промышленности. Он является наиболее простым и надежным, поэтому на базе оптических методов разработаны промышленные пылемеры, используемые во многих странах мира для контроля выбросов цементных заводов, тепловых электростанций и др. В основу оптических пылемеров положены явления поглощения света движущимся пылегазовым потоком и рассеяния света движущимися частицами пыли. Точность и достоверность результатов пылевого контроля при использовании оптических методов определяются главным образом стабильностью свойств частиц пыли. Для практических целей имеются ограничения по дисперсному составу пыли, который не должен изменяться при колебаниях ее концентрации.

На основе явления поглощения созданы оптические абсорбционные пылемеры, на основе явления рассеяния - оптические пылемеры светорассеяния. Из них первые нашли применение при измерении концентрации до нескольких граммов на кубический метр, вторые могут быть использованы при измерении низких концентраций.

Цель работы: проверить шкалу оптической плотности с помощью стандартных растворов хромата калия и сульфата меди. Построить кривые зависимости оптической плотности от длины волны при различной ширине щели и рассчитать соответствующие погрешности.

Приборы и реактивы: две кюветы толщиной 1 см, стандартные растворы.

Содержимое работы - 1 файл

Отчет №2.docx

Кафедра общей и специальной химии

по лабораторной работе №2

Проверка шкалы оптической плотности с помощью стандартных растворов

Студентка гр. Хим С-09

Приборы и реактивы: две кюветы толщиной 1 см, стандартные растворы.

Краткая теория:

Шкалу оптической плотности проверяют, используя растворы соединений высокой чистоты известной концентрации, поглощение которых определено. Поскольку значения оптической плотности могут изменяться из-за малейших неточностей в определении положения полос, следует использовать соединения с достаточно широкими и пологими полосами поглощения. Из соединений, наиболее подходящих для этих целей, используют хромат калия, дихромат калия, нитрат калия, сульфат меди и т.д.

Фотометрический анализ относится к абсорбционным методам, т.е. основан на измерении поглощения света веществом. Он включает спектрофотометрию, фотоколориметрию и визуальную фотометрию, которую обычно называют колориметрией.

Основой количественного анализа является закон Бугера-Ламберта-Бера:

Где: - молярный коэффициент поглощения,

- толщина светопоглощающего слоя,

и - соответственно интенсивности света, прошедшего через раствор и растворитель,

-концентрация вещества, моль /л.

Свет поглощается раствором избирательно: при некоторых длинах волн светопоглощение происходит интенсивно, а при некоторых свет не поглощается. Интенсивно поглощаются кванты света, энергия которых равна энергии возбуждения частицы и вероятность их поглощения больше нуля. Молярный коэффициент поглощения при этих частотах (или длинах волн) достигает больших значений.

Молярный коэффициент поглощения равен оптической плотности одномолярного раствора при толщине слоя 1 см.

Чтобы выделить узкую спектральную полосу на пути, разложенного в спектр излучения, устанавливают непрозрачный экран со щелью (чем уже щель, тем шире спектр). Ширина щели определит спектральную полосу монохроматроа. Если вместо экрана разместить в квазинепрерывный ряд фотоприемники, то на каждый приемник будет падать излучение со спектральной полосой, определяемый геометрическими размерами фоточувствительной площадки приемника. Таким образом, сигнал каждого фотоприемника будет соответствовать интенсивности падающего на него излучения узкой спектральной полосы, а вся совокупность этих сигналов будет соответствовать спектру излучения.

Оптическая плотность- мера поглощения света прозрачными объектами (такими, как фотопленка) или отражения света непрозрачными объектами (такими, как фотография). Вычисляется как десятичный логарифм отношения потока излучения падающего на объект, к потоку излучения прошедшего через него (отразившегося), т.е. это есть логарифм от величины, обратной к коэффициенту пропускания (отражения):

Спектр поглощения- зависимость интенсивности поглощенного веществом излучения (как электромагнитного, та и акустического) от частоты. Он связан с энергетическими переходами в веществе. Спектр поглощения характеризуется так называемым коэффициентом поглощения, который зависит от частоты и определяется как обратная величина к расстоянию, на котором интенсивность прошедшего потока излучения снижается в е раз. Для различных материалов коэффициент поглощения и его зависимость от длины волны различны.

а) для приготовления раствора хромата калия растворили 0,0407 г соли К₂СrO₄ в 0,05 н. растворе гидроксида калия, перенесли раствор в мерную колбу 1 л, разбавили до метки тем же раствором щелочи и перемешали;

б) для приготовления раствора сульфата меди 2,006 г медного купороса CuSO₄·5H₂O поместили в стакан и залили дистиллированной водой, к которой прибавлено 1,0 мл серной кислоты. После растворения навески раствор перенесли в мерную колбу 100 мл, добавили до метки дистиллированной воды и перемешали .

Для измерений подготовили две кюветы шириной 1 см.
Записываем спектры поглощения растворов сульфата меди в интервале

400—750 нм, хромата калия в интервале215 — 500 нм относительно дистиллированной воды.

Запись спектров поглощения проводим для различной ширины щели с целью установки наиболее приемлемых условий для измерений.

По результатам измерений строим графики и рассчитываем погрешности.

Вывод: в данной лабораторной работе была проведена проверка шкалы оптической плотности с помощью стандартных растворов хромата калия и сульфата меди. Построены кривые зависимости оптической плотности от длины волны при различной ширине щели. При большой ширине щели (для сульфата меди это 6 нм, и для хромата калия- 6 нм) получились более точные результаты, чем при узкой. Следовательно, при узкой ширине были большие погрешности.

Читайте также: