FI113566B - Refraktometri - Google Patents

Description

ι 113566

Refraktometri

Keksinnön kohteena on refraktometri, joka käsittää runkorakenteen sisään kelluvasti sovitetun optisen modulin, joka käsittää prosessinesteeseen 5 sijoitettavan optisen ikkunan ja välineet valosädekimpun muodostamiseksi ja johtamiseksi prosessinesteeseen optisen ikkunan kautta ja prosessinesteestä heijastuvan valosädekimpun osan johtamiseksi takaisin ja edelleen välineet edellä mainitulla tavalla muodostuneen kuvan tarkastelemista varten, jolloin optinen moduli on sovitettu tukeutumaan runkorakenteeseen optisen ikkunan 10 ja runkorakenteen väliin sovitetun tiivistyksen avulla,

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.

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

• V Refraktometrimittauksen olennaisena seikkana on valon heijastumi- sesta aiheutuvan kuvan analysointi. Em. kuva-analyysin tarkoituksena on löy-·:··· 25 tää kokonaisheijastuksen rajakulma, siis toisin sanoen raja, jossa edellä esite- .*··. tyllä 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. Vanhemmissa *;;; 30 refraktometreissä on usein ollut ongelmana optisen ikkunan kulmanmuutokset laitteen runkorakenteeseen nähden. Kulmanmuutokset johtuvat usein siitä, et-:\i tä optinen ikkuna on kiinnitetty näissä laitteissa joustavan tiivistemateriaalin avulla. Mikäli optinen ikkuna on kiinnitetty jäykästi runkorakenteeseen, tiivis-temateriaalin pitää olla hyvin elastinen ja näin ollen tiettyjä heikosti elastisia

• I

*;·'! 35 materiaaleja ei voi käyttää. Useissa tunnetuissa refraktometreissä optiikka ja ♦ · » • · 2

11356C

valodetektori on kiinnitetty jäykästi runkoon, joten toisen ongelman aiheuttaa runkorakenteen vääntymisestä aiheutuva kulmamittauksen virhe.

Edellä mainittujen epäkohtien eliminoimiseksi on kehitetty uudentyyppinen refraktometri, joka on kuvattu Fl-patenttihakemuksessa 980221.

5 Tämän ratkaisun etuna on se, että optisen ikkunan kiinnitys on mahdollista myös käyttämällä heikosti elastista tiivistettä kuten teflonia ja silti kulmanmitta-uksen tarkkuus ei kärsi lainkaan.

Fl-patenttihakemuksessa 980221 kuvattu refraktometri toimii tietyissä ympäristöissä erittäin hyvin, mutta ongelmana ovat esimerkiksi agressiivis-10 ten nesteiden mittaukset. Agressiivisia nesteitä ovat esimerkiksi voimakkaat hapot ja emäkset kuten suola- (HCI), fluorivety- (HF), typpi- (HN03) ja rikkihappo (H2S04) sekä natrium- (NaOH), kaliumhydroksidit (KOH) ja ammoniakki (NH40FI). Useat hapot ja emäkset syövyttävät voimakkaasti useimpia ra-kennemetalleja tai vaihtoehtoiset metallit ovat kalliita ja vaikeasti työstettäviä, 15 kuten esimerkiksi tantaali ja zirkonium). Ongelmia syntyy edelleen myös vähemmän agressivisten aineiden mittauksessa tilanteissa, joissa epäpuhtauksia tai metalli-ioneja ei haluta prosessinesteeseen. Tällaisissa tilanteissa putkistojen ja instrumenttien prosessipinnat eivät saa sisältää metalliosia lainkaan.

Keksinnön tarkoituksena on saada aikaan refraktometri, jonka avul-20 la aiemmin tunnetun tekniikan epäkohdat pystytään eliminoimaan. Tähän on päästy keksinnön mukaisen refraktometrin avulla. Keksinnön mukainen refrak- : tometri on tunnettu siitä, että prosessinesteeseen kosketuksissa oleva runko- * · · : \; rakenteen osa, johon optinen ikkuna on sovitettu tukeutumaan tiivistyksen väli- tyksellä, on muodostettu kemiallisesti kestävästä, mekaanisesti jäykästä ja ·:··: 25 kestävästä sekä hyvän lämmönjohtavuuden omaavasta materiaalista ja että runkorakenteen osa, johon optinen ikkuna on sovitettu tukeutumaan, on sovi-tettu johtamaan optisen ikkunan ja runkorakenteen välisen tiivistysvoiman suuremmalle pinta-alalle.

t.t Keksinnön etuna on ennen kaikkea rakenteen soveltuvuus hyvin 30 erilaisten nesteiden mittaukseen. Ratkaisu on myöskin yksinkertainen mahdol- * » ’;·* listaen esimerkiksi muovimateriaalien käytön niiden osien kohdalla, jotka eivät ole kosketuksissa prosessinesteeseen tai eivät mekaanisesti joudu suureen :***: rasitukseen, joten valmistuskustannukset muodostuvat edullisiksi.

. . Keksintöä ryhdytään selvittämään seuraavassa tarkemmin oheises- 35 sa piirustuksessa kuvatun erään edullisen sovellutusesimerkin avulla, jolloin • * » • « 113566 3 kuvio 1 esittää periaatteellisena kaaviokuvantona refraktometrein toimintaperiaatetta ja kuvio 2 esittää keksinnön mukaista refraktometriä periaatteellisena sivukuvantona.

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

Kuten jo aiemmin on todettu refraktometri mittaa prosessinesteen 10 taitekerrointa optisen ikkunan 2 ja prosessinesteen 3 rajapinnassa syntyvän kokonaisheijastuksen avulla. Refraktometrin toimintaperiaate on alan ammattihenkilölle täysin tunnettua tekniikkaa, joten ko. seikkoihin ei perehdytä tarkemmin tässä yhteydessä. Tässä yhteydessä kuvataan ainoastaan olennainen perusperiaate.

15 Valolähteestä 1 tuleva sädekimppu ohjataan optisen ikkunan 2 ja prosessinesteen rajapintaan. Sädekimppu on kuvattu kuviossa 1 periaatteellisesti nuolten avulla. Osa sädekimpusta heijastuu kokonaan takaisin proses-sinesteestä 3, osa imeytyy osittain nesteeseen. Tästä aiheutuu kuva K, jossa valoisan alueen A ja pimeän alueen B rajan C paikka riippuu kokonaisheijas-20 tuksen rajakulmasta ja näin ollen siis prosessi nesteen taitekertoimesta.

Refraktometrin toiminta perustuu siis erittäin tarkkaan kulmamitta- »I I * : ukseen, koska kokonaisheijastuksen rajakulma määräytyy kahden aineen tai- • · « • V tekertoimen mukaan. Kuten edellä on jo todettu, useiden aiemmin tunnettujen refraktometrien yhteydessä on ongelmana usein ollut optisen ikkunan kulma-·:··: 25 muutokset laitteen runkoon nähden, koska optinen ikkuna on useissa ratkai- suissa kiinnitetty runkoon joustavan tiivistemateriaalin avulla. Joustavan mate-,··, riaalin käyttö tiivisteenä on johtunut siitä, että mikäli optinen ikkuna on kiinnitet ty jäykästi runkoon, tiivistemateriaalin tulee olla hyvin elastista ja näin ollen . heikosti elastisia materiaaleja ei voida käyttää. Useissa aiemmin tunnetuissa ·;;; 30 refraktometreissä optiikka ja valodetektori on kiinnitetty jäykästi runkoon, joten • · toisen ongelman on aiheuttanut rungon vääntymisestä aiheutuva kulmamitta-uksen virhe.

Edellä esitettyjen epäkohtien eliminoimiseksi on kehitetty ratkaisu, jossa valolähde 1, optinen ikkuna 2, välineet sädekimpun ohjaamiseksi ja va-;·\ 35 lodetektori on sovitettu jäykkään optiseen moduliin 4, joka näkyy kuviossa 2.

Optinen moduli 4 on sovitettu kelluvasti runkorakenteen ja optisen ikkuna väliin 113566 4 sovitetun tiivistyksen 5 varaan. Tiivistys voi olla esimerkiksi kartiotiivistys tai se voi muodostaa esimerkiksi pallopinnan jne. Koska optinen moduuli 4 kelluu laitteen runkorakenteeseen ja muuhun mekaniikkaan nähden tiivistyksen 5 varassa, eivät ulkoiset voimat, kuten prosessinesteen virtauksesta aiheutuvat 5 voimat, mekaaniset jännitykset putkistossa, lämpölaajeneminen ja paine, vaikuta mittauksen tarkkuuteen. Kelluvan optisen modulin 4 ansiosta voidaan optisen ikkunan, esimerkiksi prisman tiivistyksessä käyttää myös heikosti elastisia materiaaleja kuten teflonia.

Optinen moduuli 4 puristetaan sopivien jousielinten avulla tiivistystä 10 vasten, jolloin puristusvoima on vakio kaikissa lämpötiloissa. Näin ollen jou-sielimet kelluvan optisen modulin kanssa kompensoivat tiettyjen tiivistemateri-aalien heikon elastisuuden. Jousielimet on asennettu siten, että prosessilämpöä ei kulje niiden kautta optiseen moduliin. Jousielimiä ei ole esitetty kuviossa 2, vaan tässä yhteydessä viitataan ko. seikan osalta Fl-patenttihake-15 mukseen 980221, jossa rakenne on kuvattu tarkemmin.

Kelluva optinen moduli 4 on yhteydessä prosessinesteeseen 3 ja runkorakenteen kärkeen 6, ts. runkorakenteen siihen osaan, joka on kosketuksissa prosessiin, ainoastaan optisen ikkunan 2 kautta. Liitäntäpinta prosessin ja runkorakenteeseen kärkeen on minimoitu lämmönjohtumisen vaikeutta-20 miseksi. Optisen ikkunan 2 ja rungon kärjen 6 välissä on tiivistys 5. Liitäntä-pinnan tulee mahdollistaa pienet kulmanmuutokset optisen modulin akselin ja i V kärjen akselien välillä. Kuten edellä on todettu liitäntäpinta voi olla esimerkiksi * kartiomainen. Kelluvan optisen modulin ansiosta myös laitteen valmistus ja : huolto on helppoa. Moduli voidaan testata jo ennen varsinaista liittämistä ·:·*: 25 muuhun tekniikkaan.

:**; Kuten edellä on todettu optinen moduli 4 sisältää kaikki optiset ele- .···. mentit. Optinen moduuli sisältää myös lämpötila-anturin 8, koska tarkka pitoi- suusmittaus vaatii myös tarkan ja nopean prosessinesteen lämpötilamittauk-sen. Lämpötila-anturi 8 sijoitetaan rungon kärjen läheisyyteen niin, että lämpö-;;; 30 kontakti kärjen suuntaan ja edelleen prosessinesteeseen on maksimoitu.

Lämpötila-anturin 8 sijoituksen suhteen viitataan myös aiemmin mainittuun Fl-patenttihakemukseen 980221, jossa ko. seikka on kuvattu tarkemmin. Proses-:' ”: sineste 3 ohjataan optiselle ikkunalle virtausastian 7 avulla.

Optisen modulin kärjessä olevan optisen ikkunan 2 kartiopinnan ja

• I

35 runkorakenteen kärjen 6 kartiopinnan välissä oleva ohut, esimerkiksi 0,25 mm) teflonkalvo toimii tiivisteenä 5 kuten edellä on todettu. Teflonin heikon elasti- 113566 5 suuden vuoksi tiivistysvoima tuotetaan jousielinten avulla kuten edellä on todettu. Jousielimet painavat optista modulia kartiopintaa vasten, jolloin karttamaiseen tiivistepintaan kohdistuu koko jousielinten aiheuttama tiivistysvoima, esimerkiksi noin 500 Newtonia. Em. seikka asettaa runkorakenteen kärjen 5 6 materiaalille korkeat mekaaniset vaatimukset.

Tiivistemateriaali voi olla myös elastinen, jolloin tiivistävä voima tulee materiaalista itsestään ja ulkoista tiivistysvoimaa ei tarvita. Tiiviste voi olla myös geometrialtaan erilainen kuten esimerkiksi o-rengas. Joka tapauksessa tiivistepintaan aiheutuu suuri voima riippumatta tiivistemateriaalista tai tiivis-10 teen geometriasta, joten käytettävän materiaalin tulee olla mekaanisesti jäykkä.

Edellä mainittu lämpötila-anturin sijoitus asettaa runko-osan kärjen 6 materiaalille vielä suuria lisävaateita. Materiaalin tulee olla lämmönjohtoky-vyltään mahdollisimman hyvä ja kuitenkin kestävä, sillä lämpötila-anturi ei voi 15 kemiallisista syistä olla kosketuksissa prosessinesteeseen ja silti lämmönjoh-tumisominaisuuksien tulee olla hyvät. Runkorakenteen kärkiosa 6, ts. runkorakenteen prosessinesteeseen 3 kosketuksissa oleva osa, johon optinen ikkuna 2 on sovitettu tukeutumaan tiivistyksen 5 välityksellä, on muodostettu kemiallisesti kestävästä, mekaanisesti jäykästä ja kestävästä sekä hyvän lämmönjoh-20 tavuuden omaavasta materiaalista. Materiaalina voi olla esimerkiksi keraaminen materiaali. Erityisen edulliseksi on todettu safiirin käyttö em. osan valmis-i tusmateriaalina, sillä safiiri täyttää erinomaisesti kaikki edellä mainitut ehdot.

: Kuvion 1 esimerkissä runkorakenteen kärkiosa 6 on valmistettu sa- «· • *·. fiirikiekosta, jossa on karttamainen tiivistepinta. Safiirikiekko on kiinnitetty edel- ·:·*: 25 leen laitteen muihin runkorakenteen osiin, jotka voivat olla myös metallia, kos- ka ne eivät ole kosketuksissa prosessinesteeseen 3. On huomattava, että on käytännössä edullista, että runkorakenteen eri osat ovat ainakin osittain myös «· · prosessipinnan ulkopuolella valmistettu ei-metallisesta materiaalista, esimer-kiksi teflonista, koska prosessitiivisteen vuoto on mahdollinen. Prosessipuolel-”!! 30 la voidaan edullisesti käyttää esimerkiksi seuraavia materiaaleja. Runkoraken- *;· teen kärkiosa voidaan valmistaa safiirista ja prismana voidaan käyttää spinel 1 · * prismaa. Prisman tiivisteenä voidaan käyttää teflonkalvoa ja O-rengas tiivistei- nä prefluoroelastomeeriä. Virtausastia voidaan valmistaa esimerkiksi fluori-muovimateriaalista.

« » 35 Keksintöön liittyen on edelleen huomattava, että runkorakenteen kärkiosa 6, ts. safiirikiekko toimii myös tavallaan painerasitusta alentavana 113566 6 elimenä, koska pienelle pinta-alalle, ts. tiivistys 5, kohdistuva suuri tiivistysvoi-ma johdetaan jäykän safiirikiekon avulla suuremmalle pinta-alalle, jolloin ko. pinnan vastinpinta voidaan muodostaa osaan, joka on valmistettu vähemmän jäykästä materiaalista kuten esimerkiksi muovimateriaalista.

5 Edellä esitettyä sovellutusesimerkkiä ei ole mitenkään tarkoitettu ra joittamaan keksintöä, vaan keksintöä voidaan muunnella patenttivaatimusten puitteissa täysin vapaasti. Näin ollen on selvää, että keksinnön mukaisen ref-raktometrin tai sen yksityiskohtien ei välttämättä tarvitse olla juuri sellaisia kuin kuviossa on esitetty, vaan muunlaisetkin ratkaisut ovat mahdollisia.

10

Claims (3)

113566

1. Refraktometri, joka käsittää runkorakenteen sisään kelluvasti sovitetun optisen modulin (4), joka käsittää prosessinesteeseen (3) sijoitettavan 5 optisen ikkunan (2) ja välineet valosädekimpun muodostamiseksi ja johtamiseksi prosessinesteeseen (3) optisen ikkunan (2) kautta ja prosessinesteestä heijastuvan valosädekimpun osan johtamiseksi takaisin ja edelleen välineet edellä mainitulla tavalla muodostuneen kuvan tarkastelemista varten, jolloin optinen moduli (4) on sovitettu tukeutumaan runkorakenteeseen optisen ikku-10 nan (2) ja runkorakenteen väliin sovitetun tiivistyksen (5) avulla, tunnettu siitä, että prosessinesteeseen (3) kosketuksissa oleva runkorakenteen osa (6), johon optinen ikkuna (2) on sovitettu tukeutumaan tiivistyksen (5) välityksellä, on muodostettu kemiallisesti kestävästä, mekaanisesti jäykästä ja kestävästä sekä hyvän iämmönjohtavuuden omaavasta materiaalista ja että runkoraken-15 teen osa (6), johon optinen ikkuna (2) on sovitettu tukeutumaan, on sovitettu johtamaan optisen ikkunan (2) ja runkorakenteen välisen tiivistysvoiman suuremmalle pinta-alalle.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen refraktometri, tunnettu siitä, että materiaali on keraaminen materiaali.

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen refraktometri, tunnettu επί V tä, että materiaali on safiiri. • · *»» * • · * # 113566