Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. ОБЗОР ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ ФОТОМЕТРМЕСКО-СЧЕТНЫХ МЕТОДОВ АНАЛИЗА ДИСПЕРСНОГО СОСТАВА СУСПЕНЗИЙ, МЕТОДОВ И СРЕДСТВ МЕТРОЛОГИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИИ 9
1.1. Инструментальные методы определения количества и размеров частиц 9
1.2. Методы и средства метрологического обеспечения 22
1.3. Классификация погрешностей ФС-метода 27
ВЫВОДЫ 31
ГЛАВА II. ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ФС-МЕТОДА ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАЗМЕРОВ ЧАСТИЦ 32
2.1. Разработка методики расчета параметровпервичного преобразователя 32
2.2. Вывод функции преобразования ФС-анализатора 39
2.3. Разработка метода экспериментального исследования параметров оптической схемы 46
ВЫВОДЫ 57
ГЛАВА III. РАЗРАБОТКА СХЕМ КОРРЕКЦИИ ПОГРЕШНОСТЕЙ, ОБУСЛОВЛЕННЫХ СВОЙСТВАМИ АНАЛИЗИРУЕМЫХ СРЕД 58
3.1. Седиментация частиц 58
3.2. Воздействие газовых пузырьков 64
3.3. Оптическая плотность среды 70
3.4. Совпадения частиц 76
ВЫВОДЫ 87
ГЛАВА ІV. ИССЛЕДОВАНИЕ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ ПОГРЕШНОСТЕЙ ОПТИЧЕСКОЙ СХЕМЫ 89
4.1. Расходимость лучей 89
4.2. Продольная сферическая абберация 97
4.3. Анализ погрешностей 106
ВЫВОДЫ III
ГЛАВА V. РАЗРАБОТКА МЕТОДА И СРЕДСТВ КАЛИБРОВКИ ДИАПАЗОНОВ ИЗМЕРЕНИЙ ФС-АНАЛИЗАТOРOВ 112
5.1. Разработка методики аттестации дисперсных систем, образцовых по численной концентрации 112
5.2. Разработка метода калибровки диапазона размеров 118
5.3. Разработка и экспериментальные исследования калибровочных систем 128
ВЫВОДЫ 136
ГЛАВА VІ. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ АНАЛИЗАТОРОВ
МЕХАНИЧЕСКИХ ПРИМЕСЕЙ 138
6.1. Описание анализаторов механических примесей 138
6.2. Экспериментальные исследования ФС-анализаторов 145
6.3. Применение ФС-анализаторов в народном хозяйстве 148
ВЫВОДЫ 153
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 154
ЛИТЕРАТУРА 158
ПРИЛОЖЕНИЯ 167
- Инструментальные методы определения количества и размеров частиц
- Разработка методики расчета параметровпервичного преобразователя
- Седиментация частиц
- Расходимость лучей
- Разработка методики аттестации дисперсных систем, образцовых по численной концентрации
Инструментальные методы определения количества и размеров частиц
Основными параметрами при определении дисперсности гетерогенной системы являются концентрация и размеры частиц (РЧ) дисперсной системы (ДС). В аналитической практике для диапазо-на размеров от 10 х до 10 микрометров концентрация ДС сред определяется центробежными, частотными, нефелометрическими, тур-бидиметрическими и др. методами, которые основаны на измерении интегрального содержания ДС [2,18,35,38,77]. Анализ показывает, что диапазон концентраций, охватываемый интегральными методами, находится в правой части шкалы весовой концентрации, начиная, примерно, с точки 10 4кГ-м"3(рис.1Л). Левая часть шкалы остается за пределами чувствительности этих методов. В то же время имеется большое количество технологических сред в различных отраслях промышленности с концентрациями дисперсной фазы ниже указанного предела [5,20,52,59,83].
Эту часть шкалы охватывают методы определения индивидуальных параметров частиц ДС, названные, в силу особенностей процесса измерения, счетными методами. По сравнению с интегральными, v чувствительность счетных методов достигает 10 х кГ-м а, что сопоставимо с содержанием одиночных частиц в объеме чувствительной зоны приборов. Поэтому в счетчиках концентрация определяется содержанием числа частиц /V в объеме анализируемой среды V , т.е. в единицах численной концентрации частиц а = N / V . Из счетных приборов известны счетчики Коултера [ 6,64], основанные на измерении электропроводности среды, изменяющейся при прохождении частицы через отверстие в кювете. Область применения приборов ограничена классом проводящих сред.
Предметом исследования диссертационной работы является фотометрическо-счетный метод анализа частиц, взвешенных в жидких технологических средах. ФС-метод основан на фотометрирова-нии импульсов света, рассеянных одиночной частицей. Разновидности ФС-метода, которые будут рассмотрены ниже, позволяют измерять параметры различных слабопоглощающих технологических сред, включая проводящие.
Диапазон параметров ДС определяет возможности применения разновидностей ФС-метода измерения. Опыт эксплуатации счетчиков в стране и за рубежом указывает на широкий круг задач, для решения которых необходимы данные дисперсионного анализа суспензий [32,52,53,75,83,98]. Анализ диапазонов измерений технологических сред, используемых во многих отраслях народного хозяйства, позволил классифицировать ДС по четырем основным группам (табл.І.Ї).
Разработка методики расчета параметровпервичного преобразователя
При разработке оптико-электронных приборов руководствуются комплексом требований, предъявляемых к параметрам проектируемого прибора в техническом задании [51,58,76]. Эти требования должны учитывать свойства анализируемых сред, погрешность измерения, условия эксплуатации, исполнение, а также специфику данного метода измерения.
Сущность ФС-метода определения параметров ДС заключается в формировании счетной зоны регистрации малых размеров в проточной измерительной кювете, пропускании через Ж анализируемой суспензии и регистрации импульсов от частиц при их поочередном пересечении СЗ. Сформулируем основные соотношения, необходимые для расчета параметров ПП ФС-анализаторов [45,4б].
title3 Седиментация частиц title3
Одним ИЗ способов, способствующих уменьшению оседания, является выполнение входного стакана с коническими стенками, направленными под углом к вертикали. В этом случае действие Fagz. » направленной перпендикулярно к поверхности соприкосновения частицы со стаканом, частично ослабляется составляющей силы тяжести, которая действует в направлении скатывающей силы. В том же направлении действуют касательные силы вязкости опускающейся при измерении жидкости. В результате действия указанных сил частица окажется в поле эффективного отбора среды.
Более эффективным средством является использование мешалки, создающей сдвиговые усилия в направлении оси вращения. Для отрыва осевших частиц размером 5 - 10 мкм с горизонтальной поверхности достаточна скорость Vom = 1,0 м/с [24 \. Такая скорость на расстоянии a = 0,02 м от оси вращения образуется при угловой скорости (0= 50 с , или при частоте вращения tV= 8 с . Для стакана, стенки которого составляют угол dL= 30 с вертикалью, частота будет равна 4 с . Следовательно, использование мешалки с частотой вращения 1Х= 4 с в стакане с коническими стенками приведет к уменьшению прилипания частиц. Однако добиться полного исключения влияния седиментации на результат измерения нельзя. В то же время количественная оценка этого влияния на-труднена из-за отсутствия экспериментальных констант по F для различных ДС. Поэтому следует определить искажение исходной кривой распределения РЧ -Ф(г), где Г - радиус частицы.
Расходимость лучей
Следует отметить, что фактическое влияние расходимости на погрешность в определении размеров частиц (или сечения) будет значительно меньше. Это вызвано параболическим характером распределения частиц в потоке движущейся среды, при котором основное количество частиц (около 95$) пройдет через сечение с линейным размером стороны (для Ж прямоугольного сечения), равным X = ± a [42,54]. Следовательно, с вероятностью Р = 0,95 можно утверждать, что относительная погрешность в определении поперечного сечения частиц Ы), вызванная расходимостью лучей в Ж, равна Д OJ/4GO. В рассмотренном случае,т.е. для 0 = ( = =0,4 мм погрешность в определении оптического сигнала составит Л СО / со 0,01, а для размеров частиц .
Разработка методики аттестации дисперсных систем, образцовых по численной концентрации
Калибровка диапазона численной концентрации заключается в установлении концентрационной зависимости типа К-щг J (1%) получаемой по известной методике с применением образцовых суспензий латексов и МФО [l4,85,89]. Наиболее сложной является процедура аттестации ДС с мелкими частицами диаметром в несколько микрометров. Рассмотрим этот вопрос применительно к частицам МФС [57].
Исходная концентрация МФС составляет 10 10 см . Для сферических частиц аттестацию следует произвести путем пересчета весовой концентрации С дисперсной фазы и среднего диаметра d найденных экспериментально, в вес средней частицы Р . cлeннaя концентрация в этом случае определяется по следующей формуле:
Оценим необходимую точность приготовления калибровочной суспензии. Вероятность того, что случайная ошибка приготовления Д выйдет за допустимые пределы, нормируемые погрешностью калибруемого прибора (Апр), будет определяться выражением [бз] параметры функции Лапласа. В частности, для Л пр = 10% и Я3 (Z ) = 0,997 ошибка в определении численной концентрации должна быть равной Дп=3,33$.
Из формулы (5.1) следует, что погрешность определения концентрации А п зависит от погрешностей веса А р , объема Д v , плотности Ар и диаметра Ad средней частицы. Погрешности Лр и А у определяются точностью взвешивания на аналитических весах и погрешностью мер вместимости. Суммарная погрешность А р + Av может быть доведена до 0,5$. Составляющей Ар следует пренебречь, так как табличное значение р задается с достаточно высокой точностью. Таким образом, погрешность аттестации МФС определяется, в основном, погрешностью Д .
Была проведена экспериментальная оценка точности определе-т ния с , для чего представительные пробы суспензии МФС наносились на специальную подложку, представляющую собой углеродную реплику с дифракционной решетки разрешением 1200 штрихов/мм. Полученные препараты фотографировались в поле зрения электронного микроскопа [її]. Дяя более точного измерения размеров d изображения частиц с фотопластинок проецировались на экран.
