Detaillierter Einblick in die Technologie der Flüssigkeitskonzentrationsmessung mit Refraktionsindex

Ende 2018 übernahm Vaisala die finnische K-Patents Group, einen Pionier auf dem Gebiet von Inline-Flüssigkeitsmessungen für Industrieanwendungen. Die Akquisition ermöglicht Vaisala, sein technologisches Know-how und Produktportfolio von Gas- auf Flüssigkeitsmessungen zu erweitern. Der neue Produktbereich Flüssigkeitsmessungen bringt die renommierte Refraktionsindex-Technologie (RI) und Inline-Prozessrefraktometerprodukte für viele Arten von Kontrollanwendungen in industriellen Prozessen auf den Markt.

Grundlegendes zur Refraktometrie

Wissenschaftler betrachten die Refraktionsindex-Messung (RI) als ideale Möglichkeit, um Flüssigkeitskonzentrationen zu messen.
Das Verfahren ist relativ einfach und basiert auf Lichtbrechung. Um diese Eigenschaft des Lichts zu demonstrieren, geben Sie zum Beispiel einen Stift in ein Glas mit einer Lösung. Es sieht so aus, als würde sich der Stift verbiegen, doch tatsächlich bricht das Licht.

Viele erleben dieses Phänomen im Alltag, zum Beispiel mit einem Strohhalm in einem Erfrischungsgetränk oder Saft oder mit den Rudern eines Ruderboots.

Ein wichtiger Punkt des Messverfahrens ist, dass der Lichtbrechungswinkel auch bei Partikeln oder Gasblasen in der Lösung der gleiche ist wie bei klaren Lösungen. Weder Partikel noch Gasblasen haben einen Einfluss auf den Lichtbrechungswinkel, einzig eine Änderung der Lösungskonzentration beeinflusst den Winkel.
 

Der kritische Winkel

Die Untersuchung der Eigenschaften von Licht hat sich zur Wissenschaft der Refraktometrie entwickelt.

Licht breitet sich in verschiedenen Medien mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten aus. Je dichter ein Medium, desto langsamer ist die Lichtgeschwindigkeit in diesem Medium. Wenn Licht in einem anderen Winkel als 90° von einem Medium zum anderen übergeht, ändert es nicht nur die Geschwindigkeit, sondern an der Grenzfläche zwischen den beiden Medien auch die Richtung. Wenn ein Lichtstrahl auf Flüssigkeit trifft, breitet sich ein Teil des Lichtstrahls weiter in der Flüssigkeit aus und ein anderer Teil des Lichtstrahls wird zurück in die Luft reflektiert. Der Punkt, an dem die Totalreflexion stattfindet, wird als kritischer Winkel bezeichnet.

In der Regel kann die Konzentration eines gelösten Stoffes in einem Lösungsmittel durch Messung des RI bestimmt werden. Das Verhältnis zwischen Refraktionsindex und Konzentration hängt von Lösungsmittel und gelöster Substanz, Temperatur und Wellenlänge ab.

In der Praxis wird die Wellenlängenabhängigkeit (Dispersion) durch Verwendung von monochromatischem Licht vermieden. Die Temperaturabhängigkeit wird mithilfe einer Kompensationsformel mathematisch kompensiert.

Wirklich digitales Prozessrefraktometer mit robuster Bauart

Der RI wurde zuerst als Labortechnik entwickelt. Er kam später in der Prozessmessung zum Einsatz, sobald die Refraktometer weiterentwickelt und wesentlich stabiler wurden. Die Inline-Refraktometer-Konstruktion muss rauen, anspruchsvollen Bedingungen standhalten, darunter ätzenden Elementen, Vibrationen, Staub, Hitze, Druck oder einer Kombination davon.

K-PATENTS® entwickelte digitale Prozessrefraktometer, mit denen der RI der Prozesslösung durch Messung des kritischen Brechungswinkels bestimmt werden kann. Der kritische Winkel wird mit einer digitalen CCD-Kamera gemessen. Das Prozessrefraktometer bietet einen 4 bis 20 mA Gleichstromausgang oder ein Ethernet-Signal proportional zur temperaturkompensierten Prozesslösungskonzentration.

Das Refraktometer erweitert die von K-PATENTS® patentierte CORE-Optik (Compact Optical Rigid Element), die alle optischen Komponenten – LED (Light Emitting Diode), Linsen, Prisma und CCD-Kamera sowie den Temperatursensor Pt-1000 – in einem kompakten Modul vereint. Das CORE-Optikmodul ist vom Refraktometerkörper isoliert, sodass äußere Einflüsse wie Druck, Durchfluss und Temperaturänderungen die Messung nicht beeinträchtigen. Aufgrund der Konstruktion ohne bewegliche Teile, ohne Trimmerpotenziometer und mit der Festkörper-CORE-Optik ist keine regelmäßige Wartung erforderlich.

Das gleiche Prinzip gilt für verschiedene Refraktometermodelle, die sich leicht in kleine oder große Rohre, Tanks und Reaktoren einbauen lassen. Die Anwendungen reichen von explosionsgefährlichen Stoffen bis hin zu chemisch aggressiven Flüssigkeiten, für die spezielle Legierungen oder nichtmetallische Teile erforderlich sind, wie zum Beispiel Chemikalien, die in der Halbleiter-Wafer-Fertigung verwendet werden.

Die Vaisala K-PATENTS® Prozessrefraktometer sind umschlossen, funktionieren durchgehend und kommunizieren mit anderen Elementen eines Prozesskontrollsystems. Sie sind zwar aufgrund ihrer Robustheit und Komplexität teurer als beispielsweise tragbare Messgeräte, aber so wird eine zuverlässige Überwachung während des Prozesses sichergestellt.

Mit der einzigartigen und patentierten Refraktionsindex-Technologie, der eingebauten Temperaturmessung und dem digitalen Messprinzip sind Messabweichungen ausgeschlossen. Die innovativen Refraktometer von K-PATENTS® sind einzigartig und stellen somit eine erfolgreiche Lösung für Flüssigkeitsmessungen dar.