深入了解使用折射率测量液体浓度的技术

在 2018 年末，维萨拉收购了芬兰 K-Patents 集团，该公司致力于工业应用的在线液体测量。这次收购使维萨拉将其技术专长和产品系列从气体测量扩展到液体测量。在液体测量这个新产品领域，将折射率测量技术和在线折光仪产品用于多种工业工艺过程控制应用。

折射率测量基础

科学家将折射率测量视为测量液体浓度的一种理想方式。
测量过程相对简单并且基于光的折射。说明这种光学特性的一个简单例子就是将铅笔放入玻璃杯溶液中所呈现的效果，因为光的偏折，铅笔似乎弯折了。

许多人亲身经历过这种现象，例如放入苏打水或果汁中的吸管，或者水中的船桨。

该测量原理的一个重要特点是：若往洁净溶液中加入不溶颗粒或气泡，偏折角度不发生变化。可见，颗粒或气泡对于弯折角度没有影响，影响弯折角度的因素是溶液浓度的变化。
 

临界角

对这一光学性质的研究已发展为折光测定法学科。

光在不同的介质中以不同的速度传播。在密度越大的介质中光速越慢。当光以非 90° 的任何角度从一种介质进入另一种介质时，它不仅改变了速度，而且在两种介质的边界处改变传播方向。光束进入液体时，它的一部分折射到液体中，一部分反射出去。全反射开始的点称为临界角。

在大多数溶液中，溶剂中溶质的浓度可以通过测量 RI 来确定。折光率和浓度的关系取决于溶剂和溶质、温度以及波长。

在实践中，使用单色光可避免波长相关性（色散）。温度相关性则通过使用补偿公式在数学上进行补偿。

将真正的数字过程折光仪与稳健的设计相结合

RI 首先是作为实验室技术发展起来的，后来随着折光仪的出现和日臻完善，逐渐用于工艺过程测量。工艺过程中的在线折光仪构造必须耐受严苛的条件，其中包括腐蚀性物质、振动、灰尘、热量、压力或这些因素的组合。

K-PATENTS® 数字过程折光仪通过测量折射的临界角来确定过程溶液的 RI。临界角通过数字 CCD 摄像头来测量。过程折光仪提供 4 到 20 mA 的直流输出或以太网信号，它们与经过温度补偿的过程溶液浓度成正比。

折光仪改进了 K-PATENTS® 紧凑型光学刚性元件 (CORE)，该元件将所有光学组件 LED（发光二极管）、透镜、棱镜和 CCD 摄像头以及温度元件 pT-1000 合并到一个刚性模块中。CORE 光学模块与折光仪主体隔离，因此外部因素（如压力、流量和温度）变化不会影响测量。由于仪表构造中没有活动部件，也没有微调和固态 CORE 光学元件，因此无需定期维护。

将相同原理应用到不同型号的折光仪设计中，以便将其轻松安装到多种管道、储罐和反应器中。折光仪应用范围从可能爆炸的危险物质到需要特殊合金或非金属部件的化学侵蚀性液体（如半导体晶片处理中使用的工厂化学物质）。

维萨拉 K-PATENTS® 过程折光仪是封闭式的，可连续工作，具有可连接过程控制系统的其他元件的接口。它比便携式仪表等更昂贵，因为其坚固性和复杂性，而且执行可靠的过程中监测需要用到特殊的元件。

折光率技术结合内置的温度测量和数字测量原理，消除了测量漂移，是用于液体的理想测量解决方案。