食品百科

13.2.6 成分量检测

2023-02-14

在食品生产过程中,利用工业分析仪表对所投入的原料、中间产品和最终产品的组成 成分及其含量进行分析测量与控制,显然要比间接测量与控制其他工艺条件参数(如温 度、压力等)更为直接和有效。

工业分析仪表的基本组成部分有传感器、信号处理单元、采样及预处理装置等,其测 量原理是基于被测物质的某种物理或化学性质与待测成分含量之间的对应关系,将被测 信息转换成电信号输出。

13.2.6.1 pH的检测

在食品和发酵等生产过程中,水溶液的酸碱度对氧化、还原、结晶、生化等反应的进行 都有很重要的影响。溶液的酸碱度可用氢离子浓度来表示,但由于氢离子浓度的绝对值 很小,所以常常将溶液中的氢离子浓度取以10为底的负对数,定义为pH。

pH=-1g[H+]

(1)测量原理 根据电化学理论,当电极与溶液相接触时,由于游离电荷或偶极子在 其接触界面上的重新排布,而产生双电层现象,其结果是在电极与溶液的界面间形成一个 相应的电位差,称为电极电位。不同材料的电极插入不同的溶液中所产生的电极电位是 不相同的。若将两个电极分别插入具有同名离子的溶液中,并在两种溶液中间用薄膜隔 开,即可构成化学原电池。

若将两个氢电极分别插入两种氢离子的溶液中组成一个原电池,其中一种溶液的氢 离子浓度为[H+]=1,另一种为待测氢离子浓度[H+]x的溶液,则该原电池的电动势E 可计算如下:

式中,氢电极的标准电位E01=E02=0,而[H+]=1,所以

式中 pHx——待测溶液的pH

R——气体常数(8.315J/K)

T——热力学温度,K

F——法拉第常数(96500C)

上式可简化为:

E=-ξ·pH

其中 ξ——转换系数(ξ=2.303RT/F),亦即pH计的灵敏度ξ=dE/d(pH)

上式表明,由两个氢电极所构成的原电池的电动势与待测溶液的pH成正比。在工 业测量中,通常用其他电极代替上述原电池中的氢电极,并以其中一个电极作为基准电 极,使其电极电位恒定不变(称为参比电极);而另一个电极电位是被测溶液pH的函数 (称为指示电极或工作电极),通过测量该原电池的电动势,即可获知待测溶液的pH。

(2) 参比电极

图13-27 甘汞电极

①甘汞电极: 如图13-27所示,甘汞电极由内、外两根玻 璃管组成,内玻璃管的上部装汞(图中2),电极1引出线插入其 中,汞的下面装甘汞(即糊状氯化亚汞)(图中3),内管的下部用 纤维棉4堵住;在内、外玻璃管之间充以饱和KCl溶液6作为盐 桥,当甘汞电极插入待测溶液中时,KCl溶液可通过外管下端的 多孔陶瓷芯7渗透到待测溶液中,从而构成导电通路。甘汞电极的电极电位为:

可见,甘汞电极的电极电位与氯离子的浓度有关。当KCl的浓度 一定时,甘汞电极具有恒定的电位,而与待测溶液的pH无关。通 常是用KCl饱和溶液。由于KCl溶液在不断地渗漏,必须定时或 者连续地予以补充。甘汞电极结构简单,电位稳定,但易受温度变化的影响。

②银-氯化银电极: 在铂丝上镀一层银,再在银的表面覆盖一层氯化银,将此电极 插入饱和KCl或HCl溶液中即可构成银-氯化银电极,它的电极电位仅与其内部所充的 标准溶液浓度有关,而与待测溶液的pH无关。

这种电极结构简单,工作温度比甘汞电极高,可使用至250℃,但价格较高。

(3) 指示电极

①氢-醌电极(醌-氢醌电极): 将铂片插入被测溶液,然后加入饱和的醌-氢醌即 可构成氢-醌电极。使用时另加入参比电极与氢-醌电极组成原电池,它所产生的电动 势与被测溶液氢离子浓度成对数关系。

氢-醌电极结构简单,操作方便,反应快,但只适用于测量酸性和弱碱性溶液。

②锑电极: 在金属锑表面覆盖一层金属氧化物Sb2O3。当电极插入水溶液中时,因 Sb2O3是两性化合物,在水中形成Sb(OH)3。锑电极的电极电位与待测溶液中的氢离子 浓度成对数关系。

锑电极结构简单,但因在强氧化物质中,三价锑易被氧化成五价锑,而使电极电位改 变,所以它的稳定性较差。

③玻璃电极: 由于氢-醌电极和锑电极在含有氧化性或还原性较强的溶液中使用 时,电极特性要发生变化,电极反应的条件变化较大,所以引起电极电位的波动。而玻璃 电极可克服这些不利因素,所以得到了广泛的应用。

玻璃电极结构如图13-28所示。它由银-氯化 银构成的内参比电极Q和阳离子响应性的敏感玻璃 球泡做成的外电极组成。在玻璃球泡内充有pH恒定 (pH0)的标准缓冲溶液,并与内电极相连。内电极又充 当电极引出线。测量时,玻璃球泡的外表面与待测溶 液接触,这时玻璃电极所产生的电极电位E既是待测 溶液pH(pHx)的函数,又是内部缓冲溶液pH(pH0)的 函数。由于内部标准缓冲溶液的pH(pH0)恒定,因此 借助于一只外参比电极(如图所示的甘汞电极)测得玻 璃电极的电极电位,即可获知待测溶液的pH(pHx)。 实际应用中,可根据待测pHx的变化范围来选择合适的pH0,以改变玻璃电极的初始电位,从而确定合适的测量范围。工业用的玻璃电极常有 pH0=0和pH0=7两种规格,可供选用。当pHx=pH0时,玻璃球膜两侧的电位差理应为 零,但实际上往往仍存在一个不对称电位,可通过外电路予以补偿。

图13-28 玻璃电极系统图

1—电动势测量装置 2—玻璃电极

3—甘汞电极 4—待测溶液

玻璃电极的使用范围常在pH=2~10之间,在此范围内其输出值与待测pH成线性 关系。若将外参比电极(如银-氯化银电极)与玻璃电极组成一个整体,则可构成复合玻 璃电极,使用更加方便。

(4) 测量仪表 如图13-29所示的测量线路用来将测量信号取出并显示pH。由 发讯部分发来的信号E,经参量放大器进行调制放大后再通过中间放大器进一步放大, 然后再经全波整流变成直流信号,经一级直流功放后,输出电流信号到电流表显示。另 一方面,输出信号在反馈电阻上的反馈电压与信号电压反向串联,形成闭环深度负反 馈。由于线路中采用了参量振荡放大器和深度负反馈,所以解决了零点漂移问题。为 了抵消玻璃电极的不对称电位,在反馈电路中又串入了可调的恒定电压,以使仪表能指 示在零位。

图13-29 测量线路框图

参量放大器是一种直流放大器,其作用是对信号进行调制和前置放大,图13-30为 其线路框图。该线路采用变容二极管组成一个高阻抗的输入回路,并经它把直流信号调 制成交流信号。因变容二极管在小信号时的漏电阻相当大,从而形成输入回路的高阻抗 特性。中间放大级的作用是把前级来的交流信号放大100倍。来自中间放大级的信号经 全波整流后变成直流信号,再经功率放大后,由电流表显示信号大小。

图 13-30 参量放大器框图

如前所述,由于玻璃电极的材质、厚度和加工工艺等原因造成玻璃电极存在不对称 电位。这种电位不随待测pH变化,但要与信号电压一起被输送到后级电路。当电极被 选定后,电极的不对称电位就是一个定值,故可以采用在输入电路中预先串联一个可调反 向恒定电势来抵消这部分的影响。

13.2.6.2 气体成分含量的分析

在发酵过程中,通过对所释放气体的成分分析,可以了解菌体细胞的代谢活性;通 过测量所排出的二氧化碳量,可反映菌量浓度。在食品生产过程中,可通过对某些气体 成分含量的分析,来估计生产量,或者为建立数学模型,实现在线优化控制等提供必要 的条件。

(1) 红外线气体分析仪 利用红外吸收原理制成的一种物理式分析器,具有灵敏度 高、量程宽、选择性好、对非待测组分抗干扰能力强、测量准确度高、滞后小等优点。

①基本原理: 红外辐射具有反射、折射、散射、干涉、吸收等性质。因此,当红外辐射 通过介质时,能被某些分子和原子所吸收,吸收的波带取决于分子或原子的结构。在红外 线气体成分分析仪中,主要利用1~25μm之间的一段光谱。

不同的气体对不同波长的红外辐射能具有选择性吸收的特性,当红外线通过混合气 体时,气体中的待测组分吸收红外线的辐射能,使整个混合气体因受热而引起温度和压力 的增高。这种温度和压力的变化,与被测组分的浓度有关。若把这种变化转换成便于测 量的信号(如电容量变化),就可确定待测组分的浓度。

②红外气体分析仪的分类: 红外气体分析仪大致分类如下:

国产QGS及HQG型红外线气体分析器属直读式、双光束、正式这一类。“正式”红 外分析器的特点是进入测量气室的混合气体中待测组分的浓度越大,则测量后输出的信 号也越大,即待测组分浓度与输出信号成正比关系。这类仪表具有较好的选择性、较高的 灵敏度,所以在工业生产过程中被广泛应用。“负式”红外分析器的特点是待测组分浓度 与输出信号成反比关系,这种形式的分析仪表灵敏度低,所以应用较少。

③直读式红外线分析器: 如图13-31所示,由红外辐射灯丝1发射出具有一定波 长范围的两束红外线,切光片3在同步电机2的带动下做 周期性旋转,连续地、周期性地遮断光源,将两束平行的红 外线调制成脉冲式红外线,频率为3~25Hz。这两束红外 线的波长范围基本相同,光强基本相等。一束红外线经参 比气室5进入检测室6的左侧,另一束红外线经测量气室 和滤波气室11后进入检测室6的右侧。参比气室中密封 的是不吸收红外线的气体(如氮气),它的作用是保证两束 红外线所走的光程相等,以免造成系统误差。因此经过参 比气室的红外线,其光强和波长范围基本上不变。而另一 束红外线通过测量气室时,由于测量气室中连续通入混合 气体,其中待测组分按其特征吸收波长吸收相应的红外线, 使透射光强减弱。检测室6由薄膜7隔开成为左右两室, 都封入了待测组分的气体。由于红外线在通过参比气室时 没有被待测组分吸收,射入检测室左侧气室的红外线能量 较大,而测量气室的红外线由于已被待测组分吸收了一部 分,即射入检测室右侧气室的红外线能量较小。这就导致 检测室左右两侧气体的温度变化不同,从而引起左侧气室的压力大于右侧气室的压力。此压力差推动薄膜7向右侧位移,从而改变了薄膜7与定 极板8之间的距离。由薄膜7与定极板8所组成的电容器的电容量将因此而发生变化, 再经放大器9转换成电压信号输出,并从指示或记录仪上显示或记录信号的大小,此信号 的大小代表了待测组分含量的多少。待测组分含量越高,则薄膜电容器的电容量的变化 也越大,输出信号也越大。滤波气室11用以消除背景气体对测量所造成的干扰。

图13-31 直读式红外气体分析器原理图

1—灯丝 2—同步电机

3—切光片 4—测量气室

5—参比气室 6—检测室

7—薄膜 8—定极板 9—放大器

10—记录仪 11—滤波气室

④补偿式红外线气体分析器: 上述直读式红外气体分析器结构简单,但稳定性较 差。为此,可采用补偿式结构,其优点是性能稳定可靠、受外界影响小,即使放大器稳定性 差些,对输出也无影响。通常有三种补偿方式即机械补偿式、光源补偿式和气室补偿式, 其中气室补偿式较好。

如图13-32所示,灯丝作为光源发出红外线,经切光片分成两路,一路经工作室到达 检测室,另一路经参比室再经斜面窗口、补偿气室和反射镜进入检测室。当经过工作室和 参比室的两束红外线的光程相等、进入检测室的能量相等时,检测室中的金属膜片与金属 固定片处于原始平衡位置,放大器无输出。如果两路红外线到达检测室的能量不等,则检 测室中金属膜片就产生位移,使其电容量发生变化,并经前置级、放大器使可逆电机带动 减速齿轮转动。减速齿轮带动补偿气室中的丝杠转动,丝杠带动补偿气室中的反射镜移 动,从而改变了反射镜到斜面窗口之间的距离e0。由于补偿气室中也充有待测组分气体, e0的改变也即改变了从窗口到反射镜之间气体层的厚度,则红外线经补偿气室后被吸收 的能量也就发生改变,以此来调节经过参比光路进入检测室的红外辐射能量。当从测量 光路和参比光路进入检测室的两束红外辐射能量相等时,则检测室中金属膜片又回到原 始平衡位置,放大器输出为零。根据减速齿轮的移动位置,即可确定待测组分的浓度。

气室补偿的优点是由电源波动引起的辐射光谱成分的变化对测量无影响,同时这种 补偿方式也无机械补偿中存在的缺点,所以这种补偿方式较理想,但补偿机构较复杂。

图13-32 补偿方式示意图

(2) 热导式气体分析仪 一种物理式气体分析仪,它能分析的气体种类很多,具有结 构简单、体积小、响应快、工作可靠等优点。在食品发酵等工业过程中常用来分析混合气 体中的CO2等含量。

①测量原理: 在热传导过程中,不同的物质由于导热系数不同,因而传热的能力也 不同。导热系数大,传热快。反之,则传热慢。对于彼此间无相互作用的多种组分的混合 气体,它的导热系数可近似地认为是各组分导热系数的算术平均值。只要测出混合气体 的导热系数,就可求得待测组分的体积分数。

由于气体导热系数很小,直接测量比较困难。所以在热导式分析仪中,都是把导热系 数的测量转换为随其变化的热敏电阻值的测量。

一般采用在如图13-33所示的小气室(热导室)中悬一根钨或铂电阻丝Rx作为热 敏元件。此电阻丝在0℃时电阻值为R0,通过一恒定电流后,电阻丝就产生热量并向四 周散热。待分析的混合气体由热导室的下面进入,从上面排出。因为气流量小,所以混合 气体流过气室所带走的热量可以忽略。电阻丝达到热平衡的温度为tx,此时电阻丝的电 阻值为Rx。如果混合气体的导热系数愈大,则散热条件愈好,热平衡时电阻丝的温度tx 也越低,电阻值Rx也越小;反之,混合气体的导热系数愈小,则tx愈高,热平衡时的电阻 值Rx就愈高。从而把混合气体导热系数的变化转换为电阻阻值的变化。因此只须测量 电阻值Rx的变化,即可测出混合气体导热系数的变化。

②测量桥路: 由上述测量原理可知,混合气体的导热系数变化反映了待测组分含量 (体积分数)的变化,而通过热导室可将混合气体导热系数的变化转换为电阻值的变化。 因此,只要通过测量桥路测得热导室的电阻值,即可求得待测气体组分的含量。测量桥路 的工作原理如图13-34所示,图中,R1和R3是测量气室,通以待测气样;R2和R4为参 比气室,其中密封有相当于该分析器测量下限浓度的参比气体,其电阻值固定。R0为桥 路调零电阻。当测量气室R1和R3中通入的待测气体中所含待分析组分含量为下限值 时,应有R1·R3=R2·R4,桥路处于平衡,此时测量桥路的输出为零。当测量气室中的待 测组分气体含量发生变化时,R1和R3的阻值也相应变化,电桥就有不平衡信号输出,输 出信号的大小与待测组分的含量相对应。

图13-33 热导式气体分析器发送器示意图

图13-34 热导式气体分析器测量桥路原理

13.2.6.3 液相中溶解气体的检测

(1)溶解氧的测量 测定溶解于液体中的气相氧的浓度或分压。

①溶解氧浓度测量原理: 在工业过程测量中,大多采用电化学传感器来测定液体中 的溶解氧浓度。这种电化学传感器是基于极限扩散电流与待测物质组分的浓度成正比的 关系来进行测量的,其基本结构实际上是一个化学电池。在该化学电池内部的传质过程 中主要是扩散在起决定性作用。

根据电化学理论,当电极表面上反应物质离子的浓度与电解质溶液中其他地方的离 子浓度之间存在着浓差梯度时,将有一些离子在电极与电解质溶液之间移动,以减少这一 浓差梯度,这种过程即称为扩散。在这种情况下所测得的电池电流将取决于由浓差梯度 所引起的扩散速率,故称之为扩散。

用于测定溶解氧浓度的电化学传感器通常采用隔膜式结构,亦即用一个透气性薄膜 把被测溶液同传感器内部的电极隔开。水分子不能透过该隔膜,而被测溶液中的溶解氧 却可以透过该隔膜扩散到电极上去。此时的扩散电流取决于溶液中的氧分子透过隔膜的 扩散速度。在透氧隔膜的材料、厚度以及电极的有效面积均已确定的情况下,只要测得传 感器在稳定状态下输出的电流,即可得知待测溶液中的溶解氧浓度。

②溶解氧浓度测定仪: 溶解氧浓度测定仪包括溶解氧浓度传感器和测量电路两个 组成部分。

a. 溶解氧浓度传感器: 如图13-35所示为原电池式溶解氧浓度传感器示意图,在传感器探头的端部安装有透氧隔膜1,它将电池的电解质溶 液与待测液体隔开。该隔膜可以采用聚四氟乙烯、聚全氟 乙丙烯等透氧性好并具有一定弹性和强度的薄膜材料。在 靠近该隔膜的内侧设置阴极2,在探头本体内另设阳极4。 阴极通常采用Pt、Au、Ag等离子化倾向小的贵金属,而阳极 通常采用Pb、Cd等离子化倾向大的金属材料。电解质溶液 通常采用KOH、KHCO3等碱性溶液(近年来也有的传感器 采用了凝胶状电解质)。在隔膜1与阴极2之间形成一层很薄的电解质溶液薄层。

图13-35 原电池式传感器 原理示意图

1—透氧隔膜 2—阴极

3—电解质 4—阳极

5—绝缘管

若假定阳极为Pb、电解质为KOH溶液,则该传感器内 部将产生如下的电极反应:

阳极 2Pb+4OH→2Pb(OH)2+4e

阴极 O2+2H2O+4e-→4OH

如果将传感器的两个电极与具有一定电阻的外电路(如图 中的电流表)相连,由于阳极上产生氧化反应,故阳极Pb在 电解质溶液中被氧化成铅离子Pb2+,并溶解在电解质溶液中,同时释放出电子通过外电 路到达阴极。待测溶液中的溶解氧透过隔膜与阴极之间的电解质溶液薄层扩散到阴极表 面,得到来自阳极的电子而发生还原反应。只要待测溶液中有氧气存在,该溶解氧就连续 不断地透过隔膜而扩散到阳极表面,上述反应就会持续下去,外电路中就有扩散电流通 过。根据传感器在稳定状态下输出的电流即可测定待测溶液中的溶解氧的浓度。

b. 测量电路: 溶解氧浓度测定仪的测量电路与相应的传感器探头配套使用,将传感 器输出的与溶解氧浓度成正比的微弱信号(一般为微安级)进行放大处理后,以0~10mA DC或4~20mA DC标准电流信号输出,或者转换成数字信号以数字形式显示被测溶液 中的溶解氧浓度。

如图13-36所示,来自传感器的微弱电流信号作用于测量电路的输入端,经过I-U变换后成为一个较大的电压信号U1,该信号再经检测电压放大器进一步放大。由于传 感器透氧隔膜的透氧系数和被测介质的氧溶解度都与温度有关,使传感器输出的扩散电 流随温度的升高而依指数规律增加,从而引起严重的温度误差。因此,在该电路中采用一 个温度自动跟踪放大器与检测电压放大器并联,以对上述非线性的温度误差进行自动补 偿。温度自动跟踪放大器中采用热敏电阻作为温度敏感元件,并将它设置在传感器内部, 以便与探头感受相同的温度。检测电压放大器和温度自动跟踪放大器均能进行调零和调 幅。经过检测电压放大和温度补偿后输出的直流电压信号U2再通过A/D转换,即可以 数字形式显示出待测介质中溶解氧浓度的绝对值(ppm)或相对值。

图13-36 测量电路原理框图

为了与电动单元组合仪表配套使用,还须将检测信号U2再经过U-I变换转换成 电流信号,然后再经过功率输出级变换成0~10mA DC或4~20mA DC的标准信号输出。

(2)溶解二氧化碳的测量 在发酵工程等领域中,由于微生物在生长繁殖过程中的 呼吸代谢而产生大量二氧化碳,其中一部分将以气体排出,另一部分将溶解于发酵液中。 培养液中溶解二氧化碳的浓度与溶解氧浓度的比率反映了菌体的呼吸活性,因此溶解二 氧化碳浓度的测定对于发酵过程控制具有重要意义。

①测量原理: 二氧化碳溶解于水生成H2CO3,随即又发生分解反应,其反应式如下:

由此可见,CO2进入溶液后引起H+离子浓度变化(亦即pH变化)。上述可逆平衡反应中 所形成的CO2、HCO3和CO32-的总量与培养液中的CO2分压相对应,可用二氧化碳分 压pco2来表示。溶液中H+离子的量与进入溶液的CO2量及溶液中所含碳酸氢盐的浓度 有关。溶液的pH变化与二氧化碳分压pco2的变化之间存在着如下关系:

式中 △(pH)——溶液的pH变化量

△(lgpco2)——溶液中溶解二氧化碳分压的对数值变化量

S——比例常数

由上式可知,通过测量溶液的pH,即可了解溶液中二 氧化碳分压pco2的变化情况。但是,上式表明,△(pH)与△ (lgoco2)成正比,而与pco2成非线性关系。为了使仪表显示 的测量结果与溶解二氧化碳分压pco2成线性关系,在测量 线路中应采用反对数放大器。

②传感器探头结构: 用于测量溶解二氧化碳浓度(分 压)的传感器探头结构如图13-37所示。在该探头内以平 头玻璃电极作为指示电极(其内部充以缓冲溶液,并插入一 支辅助电极),以Ag-AgCl电极作为该电化学传感器的参 比电极。探头端部固定有硅橡胶薄膜制成的透气隔膜,壳体内充以NaCl和NaHCO3电解质溶液。待测溶 液中溶解的二氧化碳可以透过隔膜,进入该隔膜 与玻璃电极平头端部之间的电解液薄层,使其pH 发生变化。因此,玻璃电极的电极电位变化即间 接反映了待测溶液中的二氧化碳浓度。为了获得 线性的输出-输入特性,该传感器探头应与一个 反对数模拟量转换器配合使用,如图13-38所 示,该电路是利用半导体二极管的指数型伏安特性来实现反对数运算的。

图13-37 溶解二氧化碳探头结构示意图

1—硅橡胶隔膜 2—平头玻璃电极

3—Ag-AgCl电极

4—电解质 5—外壳

图13-38 反对数放大器

13.2.6.4 溶液浓度的检测

通常利用电学或光学的原理来检测液体的浓度。例如电导法是利用溶液的电导率与 浓度的关系进行测量的,采用电导分析仪测量液体浓度时,只需将两个测量电极插入待测 溶液中,通过测量两电极间的溶液电导,即可得知待测溶液的浓度。又如光学浓度计是利 用液体物质对光线的透射、散射特性及其折光率或旋光特性与浓度的关系进行测量的。

(1) 电导分析仪 电导分析仪是通过测量溶液电导的变化而间接地推知溶液的浓度。

电解质溶液导电能力与电解质、电解质溶液的浓度及溶液的温度有关。对于强电解 质,它在水中完全电离,但是由于静电吸力和斥力的作用,使得离子在溶液中的活力受到 约束,因而能起导电作用的浓度(称为有效浓度)比实际浓度要小,其电导率随有效浓度的 增大而明显增大;弱电解质在水中只能部分电离,其电离度会随浓度增大而减小,因而其 电导率随浓度而增大比强电解质要小得多。从总体上讲,电解质溶液的导电能力是溶液 浓度的某种函数。

工业电导分析仪由电导池、转换器及信号显示器三个部分组成,如图13-39所示。

图13-39 工业电导仪组成框图

电导池是分析仪的检测部分,它与被测溶液直接接触,用以感受溶液的浓度变化,并 将其转换为溶液的电导或电阻变化。电 导池的结构如图13-40所示,通常由电 极、接线端子板和电极保护套管等组成。 电导池的两根电极彼此绝缘,其位置相 对固定,以保持两电极间的距离和面积 为一定值,通过引线把电极与接线端子 板相连。大多数工业电导仪的溶液温度 补偿电阻也内藏在电导池中。

转换器以其特定的测量电路将电导或电阻的变化转换成直流电压或电流信号,各种工业电导仪转换器的结构和复杂程度各 异,一般包括测量电路、放大器、整流器、稳压电源等部分。

图13-40 电导池结构示意图

1—电极 2—接线端子板

3—保护套管 4—温度补偿电阻

在实际测量中常常是测量溶液中两电极间的电阻来求取溶液的电导,最后确定溶液 的浓度。一种运算放大器式的电导测量电路如图13-41所示。

图13-41 运算放大器式的电导测量电路

电导池在忽略了极化和电容的影响后,可认为是一个纯电阻Rx,接在运算放大器反相 输入端1,同相输入端2接地,Rf为跨接在运算放大器输出与输入端之间的反馈电阻。因为 运算放大器的开环放大倍数很大,A点电位接近于0,称为“虚地”。这时I3=0,I1=I2

所以

式中,负号表示输入与输出电压相位相反。

可见,当输入电压Vi恒定,反馈电阻Rf一定时,该运算放大器测量电路的输出电压 V0与溶液的电导G成线性关系。

信号显示器用来显示转换器的输出,它可以是指示仪表或控制仪表,也可与电动单元 组合仪表等配套使用。

(2)旋光式浓度计 旋光式浓度计是基于光学方法的浓度测量仪表。

许多物质(如糖类溶液)能把通过它们的偏振光的振动平面旋转一定角度,这类物质 称为旋光质。旋光质的旋光度φ(亦即旋光质将偏振光振动平面旋转的角度)与旋光质溶 液的体积百分数c及偏振光所通过的溶液厚度l成正比。

φ=Kcl

式中,K称为旋光恒量。在规定的入射光波长和温度条件下,一定的旋光质的K值大致 为常数。所以,当K一定时即可通过测量旋光度φ来求知旋光质溶液的浓度c。

如图13-42所示为光电自动旋光计原理示意图,因起偏镜与检偏镜的主截面互相正 交,故在试样尚未进入光路之前,通过检偏镜的透射光强度为0。若将试样(待测的旋光 质溶液)置于起偏镜与检偏镜之间时,该旋光质溶液将使偏振光的振动平面旋转一定角度φ,从而使检偏镜后的透射光强度增强,光电倍增管输出的光电流增大。 此光电信号经相 敏放大后,驱动相敏电机,并由它带动偏振镜向补偿试样旋光度的方向偏转,当光电倍增 管输出的光电流重新恢复到最小值时,偏振镜所旋转的角度(-φ)恰等于试样的旋光度 (φ),但符号相反。 图中,使检偏镜以±ε的幅度做机械振动的目的是为了通过扫描来确 定零点,同时也可调制射向光电倍增管的光线。

图13-42 光电自动旋光计原理示意图