Uma visão mais aprofundada da tecnologia de medição de concentrações de líquido com índice de refração

No final de 2018, a Vaisala adquiriu o grupo finlandês K-Patents, pioneiro em medição de líquidos em linha para aplicações industriais. A aquisição permite à Vaisala expandir sua experiência tecnológica e portfólio de produtos de gás para medição de líquidos. A nova área de produtos, Medição de Líquidos, traz a renomada tecnologia de índice de refração (IR) e produtos de refratômetro de processo em linha disponíveis para diversos tipos de aplicações de controle de processos industriais.

Noções básicas de refratometria

Os cientistas consideram a medição do índice de refração (IR) a maneira ideal de medir concentrações de líquido.
O procedimento é relativamente simples e baseado na refração da luz. Um exemplo simples dessa propriedade da luz se dá ao colocar um lápis em um copo de solução. O lápis parece se curvar quando, na verdade, a luz se curva.

Muitos percebem esse fenômeno em primeira mão, por exemplo, com o canudo de um refrigerante ou suco, ou com os remos de um barco a remo.

Um ponto importante do princípio de medição é entender que, mesmo que haja partículas ou bolhas de gás na solução, o ângulo de curvatura é o mesmo que em soluções claras. As partículas ou bolhas não influenciam o ângulo de curvatura, portanto, a única coisa que influencia o ângulo de curvatura é a alteração na concentração da solução.
 

O ângulo crítico

O estudo das propriedades da luz culminou no desenvolvimento da ciência da refratometria.

A luz viaja em velocidades diferentes em meios diferentes. Quanto mais denso o meio, mais lenta a velocidade da luz. Quando a luz passa de um meio para outro em um ângulo diferente de 90°, ela muda não apenas a velocidade, mas também a direção no limite entre os dois meios. Quando um feixe de luz entra no líquido, ele é parcialmente refratado para o líquido e parcialmente refletido. O ponto onde a reflexão total tem início é chamado de ângulo crítico.

Na maioria das soluções, a concentração de soluto em um solvente pode ser determinada ao medir o IR. A relação entre o índice de refração e a concentração depende do solvente e do soluto, da temperatura e do comprimento de onda.

Na prática, a dependência do comprimento de onda (dispersão) é evitada pelo uso de luz monocromática. A dependência da temperatura é compensada matematicamente pelo uso de uma fórmula de compensação.

A combinação do refratômetro de processo verdadeiramente digital com o design robusto

O IR foi primeiramente desenvolvido como técnica de laboratório que, posteriormente, fez uma transição para o processo de medição, já que os refratômetros se desenvolveram e ficaram muito mais resistentes. A criação do refratômetro em linha no processo deve suportar condições severas e exigentes que podem incluir elementos cáusticos, vibração, poeira, calor, pressão ou uma combinação de todos esses fatores.

A K-PATENTS® desenvolveu refratômetros digitais de processo para determinar o IR da solução do processo medindo o ângulo crítico de refração. O ângulo crítico é medido por uma câmera CCD digital. O refratômetro de processo fornece uma saída CC de 4 a 20 mA ou sinal Ethernet proporcional à concentração da solução do processo compensado pela temperatura.

O refratômetro avança o módulo óptico CORE (Compact Optical Rigid Element, Elemento rígido óptico compacto) patenteado pela K-PATENTS®, que incorpora todos os componentes ópticos LED (Diodo emissor de luz), lentes, prisma e câmera CCD, bem como o elemento de temperatura pT-1000, em um módulo rígido. O módulo óptico CORE é isolado do corpo do refratômetro e, portanto, forças externas, como pressão, fluxo e mudanças de temperatura, não influenciam a medição. Não há necessidade de manutenção regular devido à construção sem partes móveis, sem potenciômetros de ajuste e com o módulo óptico CORE de estado sólido.

O mesmo princípio se aplica a diversos designs de modelos de refratômetros que são fáceis de instalar em tubos, tanques e reatores pequenos ou grandes. As aplicações variam de substâncias perigosas potencialmente explosivas a líquidos quimicamente agressivos que exigem ligas especiais ou peças não metálicas, como produtos químicos do fabricante usados no processamento de pastilhas semicondutoras.

Os refratômetros de processo Vaisala K-PATENTS® são fechados, operam continuamente, fazendo interface com outros elementos de um sistema de controle de processo, além disso, são mais caros do que, por exemplo, instrumentos portáteis, devido à sua robustez e complexidade, elementos necessários para executar um monitoramento confiável em processo.

Com a tecnologia exclusiva e patenteada de índice de refração, a medição de temperatura e o princípio de medição digital embutidos, não há derivação de medição, o que torna os refratômetros inovadores K-PATENTS® exclusivos e uma solução de medição vantajosa para todos os líquidos.