Una visión profunda en la tecnología de mediciones de concentración de líquidos con índice de refracción

A finales de 2018, Vaisala adquirió Finnish K-Patents Group, pionero en mediciones de líquidos en línea para aplicaciones industriales. La adquisición le permite a Vaisala expandir su experiencia tecnológica y su cartera de productos de gas a medición de líquidos. La nueva área de productos, Mediciones de Líquidos, ofrece la reconocida tecnología de índice de refracción (RI) y productos de refractómetro de proceso en línea disponibles para muchos tipos de aplicaciones de control de procesos industriales.

Conceptos básicos de refractometría

Los científicos consideran que la medición del índice de refracción (IR) es una forma ideal de medir las concentraciones de líquidos.
El procedimiento es relativamente simple y se basa en la refracción de la luz. Un ejemplo simple de esta propiedad de la luz, aparece cuando uno coloca un lápiz en un vaso de solución. Parece que el lápiz se dobla cuando de hecho la luz se dobla.

Muchos experimentan este fenómeno de primera mano, por ejemplo, con una pajilla en un refresco o jugo o con remos de un bote de remos.

Un punto importante del principio de medición es comprender que incluso si hay partículas o burbujas de gas en la solución, el ángulo de flexión es el mismo que en las soluciones transparentes. Las partículas o burbujas no tienen influencia en el ángulo de flexión, por lo que lo único que influye en el ángulo es el cambio en la concentración de la solución.
 

El ángulo crítico

El estudio de la propiedad de la luz se ha convertido en la ciencia de la refractometría.

La luz viaja a diferentes velocidades en diferentes medios. Cuanto más denso es un medio, más lenta es la velocidad de la luz en ese medio. Cuando la luz pasa de un medio a otro en cualquier ángulo que no sea 90 °, cambia no solo la velocidad sino también la dirección en el límite entre los dos medios. Cuando un haz de luz ingresa al líquido, se refracta parcialmente al líquido y se refleja parcialmente. El punto donde comienza la reflexión total se llama ángulo crítico.

En la mayoría de las soluciones, la concentración de soluto en un solvente puede determinarse midiendo el RI. La relación entre el índice de refracción y la concentración depende del solvente y el soluto, la temperatura y la longitud de onda.

En la práctica, la dependencia de la longitud de onda (dispersión) se evita mediante el uso de luz monocromática. La dependencia de la temperatura se compensa matemáticamente mediante el uso de una fórmula de compensación.

Combinación de un refractómetro de proceso verdaderamente digital con un diseño resistente

El RI se desarrolló primero como una técnica de laboratorio que más tarde hizo una transición en la medición del proceso una vez que los refractómetros se desarrollaron y se volvieron mucho más resistentes. La construcción del refractómetro en línea en el proceso debe soportar condiciones duras y exigentes que pueden incluir elementos cáusticos, vibraciones, polvo, calor, presión o una combinación de estos.

Los refractómetros K-PATENTS® de proceso digital determinan el RI de la solución de proceso mediante la medición del ángulo crítico de refracción. El ángulo crítico lo mide una cámara digital CCD. El refractómetro de proceso proporciona una salida de CC de 4 a 20 mA o una señal de Ethernet proporcional a la concentración de la solución de proceso compensada por temperatura.

El refractómetro avanza la óptica CORE patentada de K-PATENTS® (elemento rígido óptico compacto), que incorpora todos los componentes ópticos LED (diodo emisor de luz), lentes, prisma y cámara CCD, así como el elemento de temperatura pT-1000 en uno módulo rígido. El módulo óptico CORE está aislado del cuerpo del refractómetro y, por lo tanto, las fuerzas externas como la presión, el flujo y los cambios de temperatura no influyen en la medición. No hay necesidad de mantenimiento regular debido a la construcción sin partes móviles, sin recortes y con la óptica CORE de estado sólido.

El mismo principio se aplica a varios diseños de modelos de refractómetro que son fáciles de instalar en tuberías, tanques y pequeños o grandes reactores. Las aplicaciones van desde sustancias peligrosas potencialmente explosivas hasta líquidos químicamente agresivos que requieren aleaciones especiales o piezas no metálicas, como productos químicos de la fabricación utilizados en el procesamiento de obleas de semiconductores.

Los refractómetros de proceso K-PATENTS® de Vaisala están encerrados, funcionan de forma continua, se interconectan con otros elementos de un sistema de control de proceso y son más caros que por ejemplo, los instrumentos portátiles, debido a su solidez y complejidad, los elementos necesarios para realizar monitoreos seguros de los procesos.

Con la tecnología única y patentada de índice de refracción, la medición de temperatura integrada y principio de medición digital, no es posible la desviación de medición, lo que hace que los refractómetros innovadores K-PATENTS® sean únicos y una solución de medición definitiva para todos los líquidos.