Sukellus nesteiden pitoisuusmittauksissa käytettävään taitekerrointeknologiaan

Loppuvuodesta 2018 Vaisala osti suomalaisen K-Patents Oy:n, joka on teollisten nestemittausten edelläkävijäyritys. Yritysoston ansiosta Vaisala laajentaa teknistä osaamistaan ja tuotevalikoimaansa kaasumittauksista nestemittauksiin. Uusi nestemittausten tuotealue tuo taitekerrointekniikan ja prosessirefraktometrituotteet saataville monenlaisissa teollisuusprosessien hallintasovelluksissa.

Perustietoja refraktometriasta

Tutkijat pitävät taitekerrointa ihanteellisena tapana mitata nesteiden pitoisuuksia.
Suhteellisen yksikertainen menettelytapa perustuu valon taittumiseen. Tätä valon ominaisuutta voidaan havainnollistaa yksinkertaisesti asettamalla lyijykynä lasiin, jossa on nestettä. Näyttää siltä, kuin lyijykynä taipuisi, mutta itse asiassa valo taipuu.

Tämän ilmiön voi huomata arjessa esimerkiksi katsottaessa mehupilliä mehussa tai soutuveneen airoja vedessä.

Mittausperiaatteen kannalta on tärkeää ymmärtää, että taittumiskulma on sama riippumatta siitä, onko liuos kirkasta vai ei. Nesteessä mahdollisesti olevat hiukkaset tai kuplat eivät vaikuta taittumiskulmaan, vaan ainoa vaikuttava asia on liuoksen pitoisuus.
 

Kriittinen kulma

Valon ominaisuuksien tutkimusta käsittelevä tieteenala on nimeltään refraktometria.

Valo kulkee eri nopeudella eri väliaineissa: mitä tiheämpi aine, sitä hitaammin valo etenee. Kun valo siirtyy aineesta toiseen muussa kuin 90 asteen kulmassa, sen nopeus ja suunta muuttuvat aineiden rajapinnassa. Nesteeseen saapuessaan valonsäde taittuu osittain nesteen suuntaan ja osittain poispäin. Pistettä, jossa täydellinen heijastuminen alkaa, sanotaan kriittiseksi kulmaksi.

Useimmissa liuoksissa liuenneen aineen pitoisuus voidaan määrittää mittaamalla valon taitekerroin. Taitekertoimen ja pitoisuuden välinen suhde määräytyy liuottimen, liuenneen aineen, lämpötilan ja aallonpituuden perusteella.

Käytännössä riippuvuus aallonpituudesta (dispersio) vältetään käyttämällä monokromaattista valoa. Lämpötilariippuvuus puolestaan kompensoidaan matemaattisesti käyttämällä laskentakaavaa.

Kestävä ja aidosti digitaalinen prosessirefraktometri

Taitekerroinmenetelmä kehitettiin alun perin laboratoriotekniikaksi, joka otettiin myöhemmin käyttöön prosessimittauksissa, kun refraktometrit kehittyivät ja niistä tuli kestävämpiä. Prosessirefraktometrin täytyy kestää haastavia olosuhteita, kuten syövyttäviä aineita, tärinää, pölyä, kuumuutta, painetta tai näiden yhdistelmiä.

K-Patentsin® kehittämät prosessirefraktometrit määrittävät prosessiliuoksen taitekertoimen mittaamalla taittumisen kriittisen kulman digitaalisella CCD-kameralla. Prosessirefraktometri tuottaa 4–20 mA:n virtasignaalin, joka edustaa prosessiliuoksen pitoisuutta. Lisäksi signaali on mahdollista saada digitaalisena Ethernet-väylän kautta.

Refraktometri käyttää K-PATENTSin® patentoitua CORE (Compact, Optimal, Rigid Element) ‑optiikkamoduulia, joka sisältää kaikki optiset osat, valodiodit, linssit, prisman ja CCD-kameran sekä PT 1000 ‑lämpötila-anturin yhdessä kestävässä kotelossa. CORE-optiikkamoduuli on eristetty refraktometrin rungosta, joten ulkoiset tekijät, kuten paineen, virtauksen ja lämpötilan muutokset, eivät vaikuta mittaukseen. Käytettävä CORE-puolijohdeoptiikka sekä rakenne, jossa ei ole liikkuvia osia eikä trimmerivastuksia, mahdollistaa ratkaisun, joka ei tarvitse säännöllistä huoltoa.

Samaa periaatetta käytetään monenlaisissa refraktometrimalleissa, jotka on helppo asentaa pieniin tai suuriin putkiin, säiliöihin ja reaktoreihin. Käyttökohteet vaihtelevat räjähdysherkistä aineista kemiallisesti aggressiivisiin nesteisiin, kuten puolijohdekiekkojen käsittelyssä käytettäviin valmistuskemikaaleihin, jotka edellyttävät erikoismetalliseoksista tai muusta materiaalista kuin metallista valmistettuja osia.

Vaisala K-PATENTS® ‑prosessirefraktometrit ovat suljettuja ja jatkuvatoimisia, ja niillä on jatkuva yhteys muihin prosessinhallintajärjestelmän osiin. Kestävä rakenne ja monimutkainen tekniikka, joita tarvitaan luotettavaan prosessivalvontaan, tekevät niistä esimerkiksi kannettavia mittalaitteita kalliimpia.

Ainutlaatuisen patentoidun taitekerrointeknologian, sisäänrakennetun lämpötilamittauksen ja digitaalisen mittausperiaatteen ansiosta mittausryömintä ei ole mahdollista, mikä tekee K-PATENTSin® innovatiivisista refraktometreistä ainutlaatuisia ja käytännöllisiä mittausratkaisuja kaikentyyppisille nesteille.