Физика/7. Оптика

Лапшов С.Н.¹, к.т.н. Майоров Е.Е.², Патяев А.Ю.¹, Шерстобитова А.С.¹, д.т.н. Яськов А.Д.¹

¹Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, Россия

² Северо-Западный государственный заочный технический университет, Россия

Оптические свойства водных растворов этиленгликоля и пропиленгликоля и применение рефрактометрии для контроля их состава при антиобледенительной обработке корпусов самолетов

Промышленная рефрактометрия, использующая погружные датчики, представляет интерес для контроля антиобледенительной обработки корпусов самолетов в современных аэропортах [1-3] (в т. ч. для определения состава применяемых здесь водных растворов этиленгликоля и пропиленгликоля [4]). Использование рефрактометров требует точных количественных данных по оптическим свойствам применяемых растворов, включая показатель преломления n, его температурный коэффициент dn/dt, а также оптическое поглощение. Кроме того, интерес представляет ультрафиолетовая область длин волн, электронная полоса поглощения в которой формирует n и dn/dt. В связи с этим в настоящей работе были проведены измерения показателя преломления n, его температурного коэффициента dn/dt, ультрафиолетового пропускания T(λ), а также приведены конструктивные особенности погружного рефрактометра для контроля процесса антиобледенительной обработки корпусов самолетов.

Измеренные концентрационные зависимости n(k) могут быть представлены полиномом:

- для этиленгликоля:

k_e = 27240∙n _e³ – 1.1197∙10⁵∙n_e² + 1.5438∙10⁵∙n_e – 71350.62, (1)

- для пропиленгликоля:

k_p = 34309∙n_p³ – 1.4023∙10⁵∙n_p² + 1.9192∙10⁵∙n_p – 87920.25. (2)

Погрешность измерений показателя преломления в обоих случаях составляла Δn 0.0003, что в соответствии с (1) и (2) давало погрешность в определении массовой концентрации на уровне Δk 0.2 %, вполне удовлетворяя требованиям данной задачи.

В диапазоне температур t = 10-60 °C, при различных концентрациях k = 0-100 % зависимости n(t) были близки к линейным с погрешностью Δn 0.00154 для концентраций k < 5 % и Δn 0.00085 при больших значениях k. При этом погрешность в показаниях рефрактометра по шкале концентраций составляла Δk 1.7 %.

Температурный коэффициент dn/dt в зависимости от концентрации k приведен на рис. 1.

Рис. 1. Концентрационная зависимость dn/dt водных растворов этиленгликоля ( ) и пропиленгликоля ( ). Точки – экспериментальные данные, сплошная линия – квадратичная интерполяция

Величина dn/dt, требуемая для корректировки рефрактометрических данных, может быть представлена квадратичным полиномом, приведенным на поле рисунка. Нелинейный характер зависимости является особенностью рассматриваемых растворов. В большинстве жидкофазных сред рефрактометрическая поправка слабо зависит от температуры t и показателя преломления n.

Спектры ультрафиолетового пропускания T(λ) в кварцевой кювете с длиной прохода 0.5 мм показаны на рис. 2.

Рис. 2. Спектры ультрафиолетового пропускания T(λ): 1 – дистиллированной воды, 2 – чистого этиленгликоля, 3 – чистого пропиленгликоля

В этиленгликоле отчетливо наблюдается электронная полоса поглощения с максимумом на 241.8 нм. Соответствующая полоса для пропиленгликоля, по-видимому, находится при 200 нм. В дальнейшем предполагается сопоставить ультрафиолетовое поглощение с показателем преломления n и его дисперсией dn/dλ в видимой области длин волн (λ = 380-760 нм).

Рефрактометрический датчик для контроля процесса антиобледенительной обработки корпусов самолетов показан на рис. 3.

Рис. 3. (а) Внешний вид рефрактометрического датчика; (б) его структурная схема: 1 – призма, 2 – объектив, 3 – линейка ПЗС, 4 – электронная плата, 5 – дисплей, 6 – светодиод, 7 – волоконно-оптический жгут

Испытания датчика в условиях реального аэропорта подтвердили его достаточно высокие технические характеристики.

Литература:

1. Refracto 30GS. Портативный рефрактометр с расширенным диапазоном измерений // Mettler-Toledo International Inc. – Режим доступа: http: //ru.mt.com/.

2. Eclipse “Professional” Hand-Held Refractometer // Xylem Corporation. – Режим доступа: http: //www.globalw.com/.

3. De-icing of aeroplanes. Automatic Digital Refractometer RX-5000α // Essex Scientific Laboratory Supplies Ltd. – Режим доступа: http: //www.esslab.com/.

4. Жидкости для антиоблединительной обработки самолетов // Новые химические технологии. Аналитический портал химической промышленности. – Режим доступа:http://www.newchemistry.ru/.