Zmętnienie cieczy i jej barwa to często kluczowe parametry w wielu procesach technologicznych. Do określenia mętności i barwy różnych cieczy w warunkach przemysłowych stosuje się urządzenia zwane fotometrami.
Teoretyczne podstawy fotometrii i zasady pomiarów opracowano w XIX i na początku XX wieku. Jednak dopiero rozwinięta elektronika, oferująca sprawne fotoelementy, spowodowała rozpowszechnienie się pomiarów fotometrycznych (w szczególności tzw. fotometrii obiektywnej). Tym co wykorzystują fotometry w pomiarze jest światło, czyli promieniowanie elektromagnetyczne, wykorzystywane w szerokim zakresie długości fal: od ultrafioletu, poprzez światło widzialne, do bliskiej podczerwieni.
Pomiary fotometryczne sprowadzają się do określenia stopnia osłabienia strumienia światła w wyniku przejścia przez mierzone medium. Ta prosta zasada została naukowo sformułowana w postaci prawa Lamberta-Beera, które mówi, że absorbancja (czyli logarytm dziesiętny ilorazu natężenia monochromatycznej wiązki światła, wchodzącej do ośrodka absorbującego i natężenia wiązki wychodzącej) jest wprost proporcjonalna do grubości warstwy i stężenia (własności) roztworu. Tyle teorii, a w praktyce?
Pomiar mętności
Pomiar mętności polega na określeniu natężenia światła promieni, odchylonych przez cząstki zawieszone w cieczy. Ciecz przepływająca przez komorę pomiarową, prześwietlana jest strumieniem światła. Po drugiej stronie komory znajdują się promieniście usytuowane detektory, wyłapujące promienie, które zmieniły tor na skutek odbicia się od cząsteczek zawartych w przepływającej cieczy. Im więcej cząsteczek w cieczy, tym więcej promieni trafiających do detektorów. Pomiar zmętnienia jest stosunkowo najczęstszym „zajęciem” dla fotometrów. Fotometry niezbędne są przy kontroli procesów filtracji – pozwalają nie tylko określić jakość produktu, ale także uchwycić moment awarii (np. przebicia filtra). Fotometry wykorzystywane są również do kontroli zanieczyszczeń kondensatu, wykrywania śladowych ilości oleju w wodzie, dawkowania katalizatorów oraz do kontroli mętności piwa (a raczej jej braku).
Najlepszy efekt pomiarowy uzyskuje się jeśli detektory są odchylone o kąt 1° w stosunku do osi promienia padającego. Niestety z przyczyn technicznych jest to niewykonalne, ponieważ nie da się wywiercić tak blisko siebie otworów na detektory, aby wzajemnie na siebie nie zachodziły. Z tego względu wybrano kąt 11°. Niestety odchylenie o 11° najsłabiej reaguje na cząstki wielkości koloidów – problem dotyczy głównie browarów. Tutaj najskuteczniejszy jest kąt 90°. Z tego powodu, wiodący producent fotometrów – niemiecka firma optek-Danulat – opracował czujnik dokonujący równoczesnej detekcji cząstek pod kątem 11° oraz 90°.
Pomiar barwy
Pomiary barwy znajdują zastosowanie m.in. w kontroli zabarwienia różnych produktów (piwa, syropu cukrowego, soków), kontroli procesów odbarwiania, zawartości wtrąceń w mediach procesowych (np. żelaza w kwasie solnym), miedzi, niklu, chromu w kąpielach galwanicznych, detekcji katalizatorów, stężenia glonów.
Pomiar barwy wykorzystuje także prawo Lamberta-Beera – im bardziej intensywna barwa roztworu, tym większa różnica między natężeniem światła wchodzącego i wychodzącego. Oczywiście kluczową sprawą jest dobór właściwej dla danego pomiaru (barwy) długości fali świetlnej i tzw. długości drogi optycznej. Niestety nie ma uniwersalnego wzorca barwy. Na potrzeby różnych branż opracowano wiele skal barw. W browarnictwie używana jest skala EBC, w cukrownictwie ICUMSA, w produkcji wody pitnej skala kobaltowo-platynowa. Wobec braku korelacji między skalami, optek-Danulat oferuje pomiary we wszelkich stosowanych skalach (EBC, Gardner, HAZEN, ICUMSA, Lovibond, skala jodowa, ASTM, SAYBOLD i inne).
Na zakończenie
Fotometry są coraz powszechniej stosowane w różnych zakładach przemysłowych. W wielu przypadkach wypierają one metody tradycyjnej analizy chemicznej. Fotometria jest bowiem szybka, tania w eksploatacji (brak jakichkolwiek odczynników, bardzo długa żywotność układów) i niezwykle pomocna przy automatyzacji procesów przemysłowych.
Więcej o pomiarach mętności i barwy ( i nie tylko) możecie przeczytać w czasopiśmie „Pod kontrolą”:
https://www.podkontrola.pl/akademia-automatyki-wybrane-pomiary-fizykochemiczne/
