FI108259B - Refraktometri - Google Patents

Description

108259

Refraktometri

Keksinnön kohteena on refraktometri, joka käsittää runkorakenteeseen sovitetun valolähteen, prosessiliuokseen sijoitettavan optisen ikkunan, 5 välineet sädekimpun ohjaamiseksi valolähteeltä optisen ikkunan ja prosessi-liuoksen rajapintaan, jolloin osa sädekimpusta imeytyy osittain liuokseen ja osa heijastuu kokonaan takaisin liuoksesta muodostaen kuvan, jossa valoisan ja pimeän alueen rajan paikka riippuu prosessiliuoksen taitekertoimesta sekä kuvadetektorin, jolla tarkastellaan edellä mainitulla tavalla muodostunutta kuvaa. 10 Refraktometrin toimintaperiaate on ollut tunnettu jo yli sata vuotta.

Nykyään refraktometrejä käytetään varsin paljon monilla eri aloilla. Esimerkkeinä refraktometrin käyttöaloista voidaan mainita elintarviketeollisuus, puunjalostusteollisuus, kemian teollisuus ja erilaiset tutkimukset yleensä.

Refraktometrin toimintaperiaatetta voidaan kuvata periaatteellisesti 15 seuraavalla tavalla. Refraktometri mittaa prosessiliuoksen taitekerrointa optisen ikkunan ja liuoksen rajapinnassa syntyvän kokonaisheijastuksen avulla. Valolähteestä tuleva sädekimppu ohjataan optisen ikkunan ja prosessiliuoksen rajapintaan. Osa sädekimpusta heijastuu kokonaan liuoksesta, osa imeytyy osittain liuokseen. Tästä aiheutuu kuva, jossa valoisan ja pimeän alueen rajan paikka 20 riippuu kokonaisheijastuksen rajakulmasta ja siis prosessiliuoksen taitekertoimesta.

Refraktometrimittauksen olennaisena seikkana on valon heijastumisesta aiheutuvan kuvan analysointi. Em. kuva-analyysin tarkoituksena on löytää kokonaisheijastuksen rajakulma, siis toisin sanoen raja, jossa edellä esitetyllä 25 tavalla muodostuvan kuvan valoisa alue muuttuu pimeäksi alueeksi.

Kuten* edellä esitetyistä seikoista tulee esille, refraktometrin toiminta perustuu erittäin tarkkaan kulmanmittaukseen, koska kokonaisheijastuksen rajakulma määräytyy kahden aineen taitekertoimen mukaan. Tunnetuissa refrakto-metreissä on usein ollut ongelmana optisen ikkunan kulmanmuutokset laitteen 30 runkorakenteeseen nähden, koska optinen ikkuna on usein kiinnitetty runko-.. rakenteeseen joustavan tiivistemateriaalin avulla. Mikäli optinen ikkuna on kiinni tetty jäykästi runkorakenteeseen, tiivistemateriaalin pitää olla hyvin elastinen ja näin ollen tiettyjä heikosti elastisia materiaaleja kuten teflonia ei voida käyttää. Useissa tunnetuissa refraktometreissä optiikka ja valodetektori on kiinnitetty jäy-35 kästi runkoon, joten toisen ongelman aiheuttaa runkorakenteen vääntymisestä aiheutuva kulmamittauksen virhe.

108259 2

Keksinnön tarkoituksena on saada aikaan refraktometri, jonka avulla aiemmin tunnetun tekniikan epäkohdat pystytään eliminoimaan. Tähän on päästy keksinnön mukaisen refraktometrin avulla, joka on tunnettu siitä, että valolähde, optinen ikkuna, välineet sädekimpun ohjaamiseksi ja kuvadetektori on 5 sovitettu jäykkään analysaattorimoduuliin, joka on sovitettu kelluvasti runkorakenteen sisään runkorakenteen ja optisen ikkunan väliin sovitetun olennaisesti joustamattoman tiivistyksen varaan puristamalla analysaattorimoduuli jousielin-ten avulla tiivistystä vasten.

Keksinnön mukaisen ratkaisun etuna on se, että kelluvan jäykän ana-10 lysaattorimoduulin vuoksi optisen ikkunan joustava kiinnitys on mahdollista myös heikosti elastisen tiivisteen avulla kulmamittaustarkkuuden kärsimättä. Keksinnön mukainen refraktometri on myös rakenteeltaan yksinkertainen, joten keksinnön käyttöönotto muodostuu edulliseksi. Keksinnön mukainen refraktometri on lisäksi käytössä hyvin joustava, sillä se voidaan asentaa hyvin monella tavalla 15 esimerkiksi prosessiputkistoon.

Keksintöä ryhdytään selvittämään seuraavassa tarkemmin oheisessa piirustuksessa esitettyjen esimerkkien avulla, jolloin kuvio 1 esittää periaatteellisena kaaviokuvantona refraktometrin toimintaperiaatetta, 20 kuvio 2 esittää keksinnön mukaisen refraktometrin erään sovellutus- muodon rakennetta periaatteellisena leikkauskuvantona ja kuviot 3-5 esittävät esimerkkejä keksinnön mukaisen refraktometrin erilaisista asennusmahdollisuuksista.

Kuviossa 1 on esitetty refraktometrin toimintaperiaate periaatteelli-25 sena kaaviokuvantona. Viitenumeron 1 avulla on merkitty valolähde ja viitenumeron 2 avulla optinen ikkuna, joka voi olla esimerkiksi prisma. Viitenumeron 3 avulla on merkitty prosessiliuos.

Kuten aiemmin on jo todettu refraktometri mittaa prosessiliuoksen taitekerrointa optisen ikkunan 2 ja prosessiliuoksen 3 rajapinnassa syntyvän 30 kokonaisheijastuksen avulla. Refraktometrin toimintaperiaate on alan ammatti-... henkilölle täysin tunnettua tekniikkaa, joten ko. seikkoihin ei perehdytä tarkem min tässä yhteydessä. Tässä yhteydessä kuvataan ainoastaan olennainen perusperiaate.

Valolähteestä 1 tuleva sädekimppu ohjataan optisen ikkunan 2 ja 35 prosessiliuoksen 3 rajapintaan. Sädekimppu on kuvattu kuviossa 1 periaatteellisesti nuolten avulla. Osa sädekimpusta heijastuu kokonaan takaisin prosessi- 3 .

10825? liuoksesta 3, osa imeytyy osittain luokseen. Tästä aiheutuu kuva K, jossa valoisan alueen A ja pimeän alueen B rajan C paikka riippuu kokonaisheijastuksen rajakulmasta ja siis prosessiliuoksen taitekertoimesta.

Refraktometrin toiminta perustuu siis erittäin tarkkaan kulmamittauk-5 seen, koska kokonaisheijastuksen rajakulma määräytyy kahden aineen taite-kertoimen mukaan. Kuten edellä on jo todettu, aiemmin tunnettujen refrakto-metrien yhteydessä on ongelmana usein ollut optisen ikkunan kulmamuutokset laitteen runkoon nähden, koska optinen ikkuna on useissa ratkaisuissa kiinnitetty runkoon joustavan tiivistemateriaalin avulla. Joustavan materiaalin käyttö 10 tiivisteenä johtuu siitä, että mikäli optinen ikkuna on kiinnitetty jäykästi runkoon, tiivistemateriaalin pitää olla hyvin elastinen ja näin ollen heikosti elastisia materiaaleja ei voida käyttää. Useissa tunnetuissa refraktometreissä optiikka ja valodetektori on kiinnitetty jäykästi runkoon, joten toisen ongelman on aiheuttanut rungon vääntymisestä aiheutuva kulmamittauksen virhe.

15 Edellä esitetyt tunnetun tekniikan epäkohdat on pystytty eliminoi maan keksinnön mukaisen refraktometrin avulla. Keksinnön mukaisessa refraktometrissä on olennaisena seikkana se, että valolähde 1, optinen ikkuna 2, välineet sädekimpun ohjaamiseksi ja valodetektori 4 on sovitettu jäykkään analy-saattorimoduuliin 5. Optinen ikkuna voi olla esimerkiksi prisma. Analysaattori-20 moduuli 5 on sovitettu kelluvasti runkorakenteen ja optisen ikkunan 2 väliin sovitetun tiivistyksen 6 varaan. Tiivistys voi olla esimerkiksi kartiotiivistys tai se voi muodostaa esimerkiksi pallopinnan jne. Koska analysaattorimoduuli 5 kelluu laitteen runkorakenteeseen ja muuhun mekaniikkaan nähden tiivistyksen 6 varassa, eivät ulkoiset voimat, kuten prosessinesteen virtauksesta aiheutuvat • ' 25 voimat, mekaaniset jännitykset putkistossa, lämpölaajeneminen ja paine, vai kuta mittauksen tarkkuuteen. Kelluvan analysaattorimoduulin 5 ansiosta voidaan prisman tiivistyksessä 6 käyttää myös heikosti elastisia materiaaleja kuten teflonia.

Analysaattorimoduuli 5 puristetaan jousielinten 7 avulla tiivistystä 6 30 vasten, jolloin puristusvoima on vakio kaikissa lämpötiloissa. Näin ollen jousi-elimet 7 kelluvan analysaattorimoduulin 5 kanssa kompensoivat tiettyjen tiiviste-materiaalien heikon elastisuuden. Jousielimet 7 on asennettu siten, ettei prosessilämpöä kulje niiden kautta analysaattorimoduuliin 5.

Kelluva analysaattorimoduuli 5 on yhteydessä prosessinesteeseen 3 35 ja runkorakenteen kärkeen 8a, ts. runkorakenteen siihen osaan, joka on kosketuksissa prosessiin, ainoastaan optisen ikkunan 2 kautta. Liitäntäpinta prosessiin • · -• >.

'’S

108259 4 ja runkorakenteen kärkeen on minimoitu lämmönjohtumisen estämiseksi. Optisen ikkunan 2 ja kärjen välissä on tiivistys 6. Liitäntäpinnan tulee mahdollistaa pienet kulmamuutokset analysaattorimoduulin akselin ja kärjen akselien välillä, kuten edellä on todettu, tiivistyksen liitäntäpinta voi olla esimerkiksi kartiomainen 5 tai pallomainen. Kelluvan analysaattorimoduulin 5 ansiosta myös laitteen valmistus ja huolto on helppoa. Analysaattori voidaan testata jo ennen varsinaista liittämistä muuhun mekaniikkaan.

Prosessimittalaitteissa joudutaan minimoimaan lämmön siirtyminen prosessista elektroniikkaan ja muihin lämpöherkkiin komponentteihin ja toisaalta 10 maksimoimaan näiden osien jäähdytys. Tarkka pitoisuusmittaus vaatii myös tarkan ja nopean prosessinesteen lämpötilamittauksen. Keksinnön mukaisessa refraktometrissä lämpö siirtyy sekä runkorakenteen että analysaattorimoduulin kautta elektroniikalle. Runkorakenteen kautta tapahtuva lämmönjohtuminen on estetty ohentamalla kärjen 8a seinämävahvuutta ja asettamalla lämpöeriste 9 15 kärjen 8a ja muun runkorakenteen, esimerkiksi kansiosan 8b väliin. Sopiva materiaali lämpöeristeelle 9 on esimerkiksi teflon.

Analysaattorimoduuliin 5 pääsee johtumalla lämpöä ainoastaan optisen ikkunan 2 ja tiivistyksen 6 kautta. Kärjen 8a seinämien kautta tulee säteily-lämpöä. Analysaattorimoduulin 5 kautta tapahtuva lämmön siirtyminen elektro-20 nilkalle on estetty erillisellä jäykällä eristeosalla 10, joka on osa analysaattori-moduulia. Eristeosan 10 tulee olla jäykkä, joten esimerkiksi tietyt keraamit ovat sopivia eristeitä.

Analysaattorimoduulin 5 eristeosan 10 läpi pääsevä lämpö johdetaan tehokkaasti runkorakenteeseen joustavalla, esimerkiksi levymäisellä lämpöjoh-25 teella 11. Analysaattorimoduulin 5 ja runkorakenteen väliin sovitettava lämpö-johde 11 on hyvin lämpöä johtavaa materiaalia, esimerkiksi kuparia tai alumiinia ja sen rakenne sallii analysaattorimoduulin 5 akselin suuntaisen liikkeen. Lämpö johdetaan runkorakenteesta laitteen ympäristöön runkorakenteen suuren ulkoisen pinta-alan avulla. Runkorakenteen ulkoista pinta-alaa voidaan kasvattaa 30 esimerkiksi kansiosan 8b sopivan rivoituksen avulla kuten kuvioissa on esitetty.

Keksinnön mukaisen refraktometrin yhteydessä voidaan prosessi-nesteen lämpötilan mittaus suorittaa erityisen edullisella tavalla. Prosessinesteen lämpötila mitataan sähköisen lämpötila-anturin 12 avulla. Lämpötila-anturin 12 lämpökontakti kärjen 8a suuntaan on maksimoitu ja muun mekaniikan suun-35 taan minimoitu. Lämpötila-anturi 12 on eristetty analysaattorimoduulista 5 sopivan eristemateriaalin, esimerkiksi teflonin avulla. Lämpötilamittauksen nopeu- 5 108259 teen vaikuttaa anturin massan lisäksi myös kärjen 8a massa. Riittävän nopean lämpötilamittauksen aikaansaamiseksi kärjen massa voidaan jakaa kahteen erilaiseen osaan. Lämpötila-anturi on suorassa kontaktissa kevyemmän osan kanssa. Pienen ja suuren osan välistä lämmönjohtumista voidaan pienentää 5 ohentamalla seinämää kärjen mekaanista puristusjäykkyyttä heikentämättä.

Keksinnön mukainen refraktometri asennetaan normaalisti pää-virtaukseen, eli se on ns. in-line mittalaite. Optisen mittausmenetelmän vuoksi optisen ikkunan tulee pysyä puhtaana. Laitteen asennuspaikka on tärkeä puhtaana pysymisen kannalta. Putkistoissa, joissa virtausnopeus on suhteellisen 10 suuri, putkiston mutkat pysyvät puhtaana. Näin ollen keksinnön mukaisen laitteen asennuspaikaksi on edullista valita juuri putken mutka. Mikäli putkikoko on pieni, voidaan käyttää erityistä virtausastiaa 13, joka asennetaan putken vakiomutkan tilalle. Kuviossa 3 on esitetty tällainen virtausastia. Virtausastia koostuu puolipallosta, jonka keskipisteenä on mittalaitteen optinen ikkuna. 15 Virtausastian tulo-ja lähtöputket 14, 15 on kohdistettu puolipallon keskipisteeseen ja keskenään 90 asteen kulmaan. Mikäli virtauksen aiheuttamaa puhdis-tusvaikutusta halutaan lisätä, tuloputkea 14 voidaan hieman supistaa kuten kuvion 3 esimerkissä on tehty. Virtausastia on itsetyhjentyvä kun se asennetaan kuvion 3 mukaiseen asentoon. Virtaustekniikan kannalta tulo- ja lähtöputken 20 liittäminen puolipalloon on helppoa, koska pallon ja sylinterin liitäntäpinta on ympyrä.

Keksinnön mukainen refraktometri voidaan asentaa suurehkoihin putkiin kuvion 4 mukaisella tavalla putken mutkan 16 kohdalle. Keksinnön mukainen refraktometri voidaan luonnollisesti asentaa myös suoraan putkeen 25 17 kuten kuviossa 5 on esitetty. Prosessinesteen virtaussuunnat on merkitty kuvioihin 3-5 nuolten avulla.

Edellä esitettyjä sovellutusesimerkkejä ei ole mitenkään tarkoitettu rajoittamaan keksintöä, vaan keksintöä voidaan muunnella patenttivaatimusten puitteissa täysin vapaasti. Näin ollen on selvää, että keksinnön mukaisen 30 refraktometrin ei välttämättä tarvitse olla juuri sellainen kuin kuvioissa on . esitetty, vaan muunlaisetkin ratkaisut ovat mahdollisia.

(Λ

Claims (5)

6 Ί 08259 t

1. Refraktometri, joka käsittää runkorakenteeseen sovitetun valolähteen (1), prosessiliuokseen (3) sijoitettavan optisen ikkunan (2), välineet 5 sädekimpun ohjaamiseksi valolähteeltä optisen ikkunan (2) ja prosessiliuoksen (3) rajapintaan, jolloin osa sädekimpusta imeytyy osittain liuokseen (3) ja osa heijastuu kokonaan takaisin liuoksesta (3) muodostaen kuvan (K), jossa valoisan (A) ja pimeän alueen (B) rajan (C) paikka riippuu prosessiliuoksen (3) taitekertoimesta sekä kuvadetektorin (4), jolla tarkastellaan edellä mainitulla 10 tavalla muodostunutta kuvaa (K), tunnettu siitä, että valolähde (1), optinen ikkuna (2), välineet sädekimpun ohjaamiseksi ja kuvadetektori (4) on sovitettu jäykkään analysaattorimoduuliin (5), joka on sovitettu kelluvasti runkorakenteen sisään runkorakenteen ja optisen ikkunan (2) väliin sovitetun olennaisesti joustamattoman tiivistyksen (6) varaan puristamalla analysaattorimoduuli (5) 15 jousielinten (7) avulla tiivistystä (6) vasten.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen refraktometri, tunnettu siitä, että runkorakenne on muodostettu kärkiosasta (8a) ja kansiosasta (8b) ja että kärkiosan (8a) ja kansiosan (8b) väliin on sovitettu lämpöeriste (9).

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen refraktometri, tunnettu siitä, 20 että analysaattorimoduuliin (5) on sovitettu jäykkä, lämmön johtumista estävä eristeosa (10).

4. Patenttivaatimuksen 2 tai 3 mukainen refraktometri, tunnettu siitä, että analysaattorimoduulin (5) ja kansiosan (8b) väliin on sovitettu lämpöjohde (11).

5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen refraktometri, t u n n e 11 u siitä, että lämpöjohde (11) on analysaattorimoduulin (5) aksiaalisuunnassa joustava osa. 7 108259