Plongée dans la technologie des mesures de la concentration liquide avec l'indice de réfraction

À la fin de l'année 2018, Vaisala a procédé à l'acquisition du groupe finnois K-Patents, pionnier de la mesure en ligne des liquides pour les applications industrielles. Cette acquisition permet à Vaisala d'étendre son expertise technologique et son portefeuille de produits en passant des mesures gazeuses aux mesures liquides. Notre nouveau secteur produit, Mesure des liquides, offre une technologie d'indice de réfraction (IR) et des réfractomètres de procédé en ligne de grande renommée, conçus pour de nombreux types d'applications de contrôle de procédures industrielles.

Les bases de la réfractométrie

Les scientifiques considèrent l'indice de réfraction comme une technique idéale de mesure des concentrations de liquide.
La procédure est relativement simple et basée sur la réfraction de la lumière. Cette propriété de la lumière se manifeste par exemple lorsque l'on dépose un crayon dans un flacon contenant la solution. Le crayon semble se plier, mais c'est en fait la lumière qui se plie.

Nombreux sont ceux qui vivent ce phénomène de première main, par exemple avec une paille dans un soda ou un jus, ou avec les rames d'une barque.

Un point important du principe de mesure est de comprendre que même s'il y a des particules ou des bulles de gaz dans la solution, l'angle de flexion est le même que dans les solutions claires. Les particules ou les bulles n'ont aucune incidence sur l'angle de flexion qui est en fait uniquement influencé par un changement dans la concentration de la solution.
 

L'angle critique

L'étude de la propriété de la lumière s'est développée pour devenir la science de la réfractométrie.

La lumière se déplace à différentes vitesses dans différentes solutions. Plus la solution est dense et plus la lumière se déplace lentement dans la solution. Lorsque la lumière passe d'une solution à une autre à n'importe quel angle autre que 90º, elle change non seulement la vitesse, mais également le sens à la séparation entre deux solutions. Lorsqu'un faisceau lumineux pénètre un liquide, il est en partie réfracté dans le liquide et en partie réfléchi à l'extérieur de ce liquide. Le point où la réflexion totale démarre est appelé l'angle critique.

Dans la plupart des solutions, la concentration du soluté dans un solvent peut être déterminé en mesurant l'indice de réfraction. Le rapport entre l'indice de réfraction et la concentration dépend du solvant et du soluté, de la température ainsi que de la longueur d'onde.

En pratique, la dépendance à la longueur d'onde (dispersion) est évitée en utilisant de la lumière monochromatique. La dépendance à la température est mathématiquement compensée en utilisant une formule de compensation.

Combinaison d'un réfractomètre de procédé véritablement numérique et d'un design robuste

L'IR a d'abord été exploité en tant que technique de laboratoire avant de transiter vers la mesure de procédé avec le développement des réfractomètres et l'optimisation de leur robustesse. La construction du réfractomètre en ligne du procédé doit résister à des conditions difficiles et exigeantes pouvant inclure des éléments caustiques, des vibrations, de la poussière, de la chaleur, de la pression ou une combinaison de ceux-ci.

Les réfractomètres de procédé numérique développés par K-PATENTS® déterminent l'indice de réfraction de la solution de procédé en mesurant l'angle critique de réfraction. L'angle critique est obtenu grâce à une caméra CCD numérique. Le réfractomètre de procédé émet un signal de sortie compris entre 4 et 20 mA CC ou un signal Ethernet proportionnel à la concentration de la solution de procédé à compensation de température.

Le réfractomètre est doté du module rigide breveté CORE-optics (élément Compact, Optimal, Rigide) de K-PATENTS®, qui intègre tous les composants optiques : LED (diode électroluminescente), lentilles, prisme, caméra CCD et élément de température pT-1000. Le module optique CORE est isolé du corps du réfractomètre et donc, les forces externes telles que les changements de pression, de flux et de température n'ont aucune incidence sur la mesure. Aucune maintenance régulière n'est requise en raison de la construction sans pièces mobiles, sans potentiomètres d'ajustement et avec le module CORE-optics.

Le même principe est appliqué à plusieurs modèles de réfractomètre faciles à installer dans des tuyaux, réservoirs et réacteurs de grande et de petite tailles. Les applications incluent aussi bien les substances dangereuses potentiellement explosives que les liquides chimiquement agressifs qui requièrent des alliages ou des pièces non métalliques tels que les fab chemicals utilisés dans le traitement des wafers.

Les réfractomètres de procédé Vaisala K-PATENTS® sont fermés, fonctionnent en continu et interagissent avec d'autres éléments d'un système de contrôle de procédé. Ils sont plus chers que les instruments portables, par exemple, en raison de leur robustesse et de leur complexité, nécessaires pour assurer une surveillance fiable pendant le procédé.

Grâce à la technologie d'indice de réfraction brevetée unique, au dispositif de mesure de la température intégré et au principe de mesure numérique, la dérive des mesures n'est pas possible, ce qui fait des réfractomètres innovants de K-PATENTS® une solution de mesure gagnante et unique pour tous les liquides.