Approfondimento sulla tecnologia delle misurazioni della concentrazione di liquidi con indice di rifrazione

Alla fine del 2018, Vaisala ha acquistato la K-Patents Group, azienda finlandese pioniera nelle misurazioni di liquidi in linea per applicazioni industriali. L'acquisizione consente a Vaisala di espandere la propria competenza tecnologica e il proprio portafoglio di prodotti, dalle misurazioni di gas a quelle di liquidi. La nuova area di prodotti, Misurazioni di liquidi, offre la rinomata tecnologia basata sull'indice di rifrazione (RI) e rifrattometri di processo in linea per molti tipi di applicazioni di controllo dei processi industriali.

Nozioni di base sulla rifrattometria

Gli scienziati considerano la misurazione dell'indice di rifrazione (RI) un modo ideale per misurare le concentrazioni dei liquidi.
La procedura è relativamente semplice e si basa sulla rifrazione della luce. Un semplice esempio di questa proprietà della luce si presenta quando si mette una matita in un bicchiere di soluzione: sembra che la matita si pieghi, quando in realtà è la luce a deviare.

Si può sperimentare questo fenomeno in prima persona, ad esempio con una cannuccia in una bibita o in un succo di frutta, oppure con i remi di una barca.

È importante comprendere che l'angolo di deviazione che si ottiene in una soluzione in cui siano presenti particelle o bolle di gas è lo stesso di quello ottenuto in soluzioni trasparenti. Le particelle o le bolle non hanno alcuna influenza sull'angolo di deviazione, quindi l'unica cosa che lo influenza è la variazione della concentrazione della soluzione.
 

L'angolo critico

Lo studio delle proprietà della luce si è evoluto nella scienza denominata rifrattometria.

La luce viaggia a velocità diverse nei diversi mezzi: più un mezzo è denso, più lenta è la velocità della luce in quel mezzo. Quando la luce passa da un mezzo all'altro con un'angolazione diversa da 90°, cambia non solo velocità, ma anche direzione al confine tra i due mezzi. Quando un raggio di luce penetra nel liquido, viene in parte rifratto dal liquido e in parte riflesso. Il punto in cui inizia la riflessione totale è detto angolo critico.

Nella maggior parte delle soluzioni, la concentrazione del soluto in un solvente può essere determinata misurando l'indice RI. La relazione tra l'indice di rifrazione e la concentrazione dipende dal solvente, dal soluto, dalla temperatura e dalla lunghezza d'onda.

In pratica, la dipendenza dalla lunghezza d'onda (dispersione) viene evitata utilizzando la luce monocromatica. La dipendenza dalla temperatura viene compensata matematicamente utilizzando una formula di compensazione.

Combinare un rifrattometro da processo completamente digitale con un design robusto

L'indice RI è stato inizialmente sviluppato come tecnica di laboratorio, per trasformarsi in seguito in un processo di misurazione una volta che i rifrattometri si sono sviluppati e sono diventati molto più resistenti. La struttura del rifrattometro in linea nel processo deve resistere a condizioni difficili e impegnative che possono includere elementi caustici, vibrazioni, polvere, calore, pressione o una combinazione di questi.

I rifrattometri da processo digitali sviluppati da K-PATENTS® determinano l'indice RI della soluzione di processo misurando l'angolo critico di rifrazione tramite una telecamera CCD digitale. Il rifrattometro da processo fornisce un'uscita CC da 4 a 20 mA o un segnale Ethernet proporzionale alla concentrazione della soluzione di processo con compensazione della temperatura.

Il rifrattometro migliora il modulo CORE-Optics (Compact Optical Rigid element) con brevetto K-PATENTS®, che incorpora tutti i componenti ottici LED (diodo a emissione luminosa), lenti, prisma e telecamera CCD, nonché l'elemento di temperatura pT-1000 in un unico modulo rigido. Il modulo CORE-Optics è isolato dal corpo del rifrattometro e pertanto le forze esterne, ad esempio variazioni di pressione, flusso e temperatura, non influenzano la misurazione. Non c'è bisogno della manutenzione periodica grazie alla struttura senza parti mobili, senza elementi regolabili e con il modulo CORE-Optics a stato solido.

Lo stesso principio viene applicato a vari modelli di rifrattometri, facili da installare in tubi, serbatoi e reattori piccoli o grandi. Le applicazioni spaziano dalla lavorazione delle sostanze pericolose potenzialmente esplosive all'impiego di liquidi chimicamente aggressivi che richiedono leghe speciali o parti non metalliche, come le sostanze chimiche utilizzate nella lavorazione dei wafer di semiconduttori.

I rifrattometri da processo Vaisala K-PATENTS® sono chiusi, funzionano senza interruzioni, si interfacciano con altri elementi di un sistema di controllo di processo e sono più costosi rispetto, ad esempio, a strumenti portatili, a causa della loro robustezza e complessità, elementi necessari per eseguire un monitoraggio affidabile.

Grazie all'esclusiva tecnologia dell'indice di rifrazione brevettata e al principio di misurazione digitale e della temperatura integrato, la deriva della misura non è possibile, rendendo in tal modo gli innovativi rifrattometri K-PATENTS® unici e una soluzione di misurazione adatta per tutti i liquidi.