FI84298C - Foerfarande och anordning foer bestaemning av koncentrationen av en komponent i en blandning. - Google Patents

Description

84298

MENETELMÄ JA LAITE SEOKSEN KOMPONENTIN KONSENTRAATION MÄÄRITTÄMISEKSI

Keksinnön kohteena on menetelmä ja laite seok-5 sen komponentin konsentraation määrittämiseksi.

Entuudestaan tunnetaan menetelmiä ja laitteita komponenttien konsentraation määrittämiseksi seoksessa, joissa konsentraatio määritetään hiukkasjoukon kokojakauman perusteella, kun tunnetaan puhtaiden komponent-10 tien kokojakaumat. Tällaista menetelmää on selostettu suomalaisessa kuulutusjulkaisussa FI 77535 (K. Lehmikan-gas, J. Tornberg). Entuudestaan tunnetun tekniikan osalta viitataan myös julkaisuihin GB 1 305 082 ja GB 1 347 169. Julkaisussa GB 1 305 082 mitataan valon 15 takaisinsirontaa eli käytettävä mittauskulma tulevan mittaussäteen kulkusuuntaan nähden on suurempi kuin 135°. Julkaisussa GB 1 347 169 depolarisaatiota ja vaimennusta sekä yhdensuuntaista detektointia että sirontaa hyväksikäyttäen. Kummassakin julkaisussa suu-20 reet mitataan yhdellä valitulla kulmalla.

Keksinnön tarkoituksena on aikaansaada uuden-tyyppinen menetelmä ja laite seoksen komponentin konsentraation määrittämiseksi, jossa määritetään konsentraatio käyttämällä määrityksen perusteena seoksen opti-25 siä ominaisuuksia, kun tunnetaan puhtaan komponentin optiset ominaisuudet.

Keksinnön mukaiselle menetelmälle ja laitteelle on tunnusomaista se, mitä on esitetty patenttivaatimuksissa 1 ja 6.

30 Keksinnön perustana se tärkeä havainto, että seoksen optiset ominaisuudet ovat erilaisia sen mukaisesti, mitkä ovat seoksen eri komponenttien 1. aineosien suhteet seoksessa, koska yksittäisillä komponenteilla on erilaiset optiset ominaisuudet.

35 Laboratoriokokeissa on havaittu, että muutetta essa seoksen eri komponenttien konsentraatioita syntyvät suurimmat erot seuraavissa optisissa ominaisuuksissa: 2 84298 valon depolarisaatiossa, valon sironnassa ja valon vaimennuksessa eri suunnista tapahtuvissa mittauskulmissa.

Keksinnön mukainen menetelmä ja laite perustuu näiden mainittujen suureiden määrittämiseen seoksesta, 5 ja komponenttien konsentraatioiden määrittämiseen mit-tattujen suureiden sekä seoksen eri puhtaiden komponenttien tunnettujen tai mitattavien vastaavien optisten ominaisuuksien avulla.

Keksinnön mukaisessa menetelmässä määritetään 10 ainakin kaksi eri suuretta, depolarisaatio, sironta ja/tai vaimennus, mittaussäteen kulkusuuntaan nähden eri kulmissa x ja määrätään ao. komponentin konsentraa-tio Cn yhtälöryhmän:

Dx = dlx · Cl + d2x · C2 + d^x · C3 + ... -r dnx · Cn, 15 Sa»x= six · Cl 1- S2x · C2 + s3x · C3 + . . . -r snx · Cn ja/tai

Kx = klx · Cl + k2x · C2 + k3x · C3 + ... + knx · Cn avulla, jossa x = mittauskulma mittaussäteen kulkusuuntaan nähden 20 Dx = seoksen depolarisaatio konsentraatiolla C, mitattuna kulmassa x

Scux « valon sironta seoksen konsentraatiolla C sironta-kulmassa a», mitattuna kulmassa x Kx = valon vaimennus seoksen konsentraatiolla C, mitat-25 tuna kulmassa x n = seoksen komponenttien lukumäärä l...n dnx = seoksen komponentin n depolarisaatiokerroin kulmassa x snx = seoksen komponentin n sirontakerroin kulmassa x 30 knx = seoksen komponentin n vaimennuskerroin kulmassa x

Cn = komponentin n konsentraatio seoksessa.

Seoksessa voi luonnollisesti olla useita eri komponentteja, joiden konsentraatiot halutaan saada selville.

35 Optisten vakioiden (dnx, snx, knx) määrittäminen puhtaista komponenteista voi tapahtua joko laboratoriossa tai tehtaalla prosessiin kalibroituna. Prosessikalib- 3 84298 rointi antaa tarkemman lopputuloksen, koska tällöin muut prosessimuuttujat tulevat myös huomioonotetuiksi kalibroinnissa.

Yhtälöryhmästä voidaan laskennallisesti 5 raukaista eri komponenttien konsentraatioiden arvot sekä tietenkin koko seoksen konsentraatio. Yhtälöitä yhtälöryhmään muodostetaan ainakin niin monta kuin seoksessa on komponentteja, jotta yhtälöryhmän tuntemattomat suureet voidaan ratkaista. Laskenta voi tapahtua 10 laskentalaitteella, joka on esim. mikrosuoritin, jonka ohjelmaan yhtälöryhmän ratkaiseminen on ohjelmoitu.

Eri kulmilla tapahtuvasta mittaamisesta on se merkittävä hyöty, että seoksen komponenttien konsentraa-tiot saadaan selville erittäin tarkasti, kun ne laske-15 taan muodostamalla eri mitatuista suureista erilaisilla mittauskulmilla haluttu määrä eri yhtälöryhmiä, joista samat suureet lasketaan tietokonetta hyväksi käyttäen moneen kertaan usealla eri tavalla, minkä jälkeen saatuja suureita voidaan käsitellä esim. tilastomatemaattisin 20 keinoin mahdollisimman tarkan tuloksen saamiseksi.

Keksinnön eräässä sovellutuksessa mitattavan seoksen läpi johdetusta valosta erotetaan depolarisoitu-nut valo ja polarisoitu valo jakamalla valo säteenjaka-jalla, kuten polarisaatioprismalla tai sen tapaisella, 25 kahteen säteeseen ja määritetään depolarisoitunut valo ilmaisinlaitteen avulla.

Keksinnön eräässä sovellutuksessa mittauksessa käytetään laservalolähdettä, joka lähettää monokromaattista ja koherenttia laservaloa, joka linearipolarisoi-30 daan polarisaattorilla ennen sen johtamista mitattavan seoksen läpi. Laservalolähde voi olla mikä tahansa sopiva tunnetun tyyppinen laservalolähde, esim. puolijohdelaser. Samoin polarisaattori voi olla mikä tahansa tunnetun tyyppinen polarisaattori, esim. polarisaatio-35 prisma.

Keksinnön eräässä sovellutuksessa mitattavan valonsäteen mittaussuunta muodostetaan seoksen läpi 4 84298 johdettavan säteen kulkusuuntaan nähden siirrettävän aukkolevyn tai sen tapaisen avulla.

Keksinnön eräässä sovellutuksessa aukkolevy on askelmoottorin pyörittämä aukoilla varustettu kiekko.

5 Aukkolevy voi olla luonnollisesti myös pitkänomainen aukoilla varustettu siirrettävä nauha tai vaihdettava levy, jossa on yksi tai useampia aukkoja.

Keksinnön eräässä sovellutuksessa mitattavan seoksen läpäissyt valonsäde ohjataan aukkolevylle fou-10 rierlinssin avulla.

Keksinnön eräässä sovellutuksessa ilmaisin-laitteeseen kuuluu ainakin kaksi detektoria säteenjakajassa jaettujen valonsäteiden intensiteettien määrittämiseksi. Detektorit voivat olla mitä tahansa sopivia 15 tunnetun tyyppisiä detektoreja.

Keksinnön etuna on, että se soveltuu seoksen komponenttien konsentraatioiden määrittämiseen sekä laboratorio-olosuhteissa että teollisissa prosesseissa.

Keksinnön etuna on, että se mahdollistaa ns. 20 on-line-määrityksen teollisessa prosessissa ja mahdollistaa siten prosessin tosiaikaisen säädön.

Keksinnön etuna on, että sillä on laajat käyttömahdollisuudet kohteissa, joissa tarvitaan seoksen komponenttien konsentraatioiden nopeaa ja tarkkaa määri-25 tystä, myös esim. sairaalatekniikan yhteydessä.

Seuraavassa keksintöä selostetaan yksityiskohtaisesti oheisen piirustuksen avulla, joka esittää kaaviomaisesti keksinnön mukaisen erään laitteen periaatteellista toimintakaaviota.

30 Seosnäyte johdetaan kolmitieventtiilin 12 tulokanavaan 14 ja venttiilistä läpivirtauskyvettiin 11. Kolmitieventtiilissä 12 on toinen tulokanava 13 vettä varten. Kolmitieventtiilillä 12 voidaan kytkeä seosnäytteen tulo kyvettiin 11 tai vettä voidaan johtaa 35 kyvettiin sen huuhtelemiseksi ja mittauslaitteiston kalibroimiseksi. Vedellä voidaan näyteseos myös laimentaa sopivaan mittauskonsentraatioon pääsemiseksi.

5 84298

Valolähteenä käytetään laservalolähdettä, joka on puolijohdelaser 1. Laservalolähteen lähettämä valonsäde linearipolarisoidaan polarisaatioprismalla 5.

Sen jälkeen valo johdetaan läpivirtauskyvetin 11 ja 5 siinä olevan näyteseoksen lävitse. Sitten valonsäde johdetaan fourierlinssin 8 läpi aukkolevyyn 6. Aukkolevy 6 on pyörivä kiekko, jota pyörittää askelmoottori 7. Aukkolevyssä olevat aukot on muodostettu eri kohdille kiekkoa, esim. eri etäisyyksille keskipisteestä, siten, 10 että ne vastaavat ennaltamäärättyjä mittaussuuntia, jotka muodostavat kulman mittaussäteen kanssa. Näyte-seoksen läpikulkiessaan polaroitu valo depolarisoituu, siroaa ja vaimenee.

Mitattavan seoksen läpi johdetusta valosta 15 erotetaan depolarisoitunut valo ja polarisoitu valo jakamalla valo polarisaatioprismalla 4 kahteen säteeseen. Detektori 9 mittaa depolarisoituneen valon intensiteettiä ja detektori 10 polarisoidun valon intensiteettiä. Näitä vastaavat signaalit sa ja s2 johdetaan 20 laskentalaitteen 3, mikrosuorittimen, vastaaviin sisääntuloihin 16 vast. 17. Mikrosuorittimen 3 sisääntuloon 18 tuodaan signaali s* myös aukkolevyn 6 asemasta, joka vastaa tiettyä mittaussuuntaa tai -kulmaa mittaussä-teeseen nähden.

25 Mikrosuoritin ohjaa myös signaalilla s3 kolmi- tieventtiiliä 12.

Tällä mittausjärjestelyllä voidaan mikrosuo-rittimessa määrittää näytteen läpi kulkeneen polarisoidun valon depolarisaatio, sironta ja vaimennus, ja 30 määrittää näyteseoksen eri komponenttien konsentraatiot mainittujen mitattujen suureiden ja puhtaiden komponenttien tunnettujen tai mitattavien vastaavien optisten ominaisuuksien avulla.

Mittausjärjestelyllä mitatut optiset suureet on 35 saatu ns. yhteenlaskeviksi. Yhteenlaskevuudella tarkoitetaan sitä, että seoksen aiheuttama mitattu depolarisaatio tietyssä kulmassa on seoksen puhtaiden kom- 84298 6 ponenttien aiheuttamien depolarisaatioiden summa painotettuna komponenttien konsentraatiolla. Samoin seoksen aiheuttama mitattu sironta tietyssä kulmassa on seoksen puhtaiden komponenttien aiheuttamien sirontojen 5 summa painotettuna komponenttien konsentraatiolla. Edelleen seoksen aiheuttama mitattu vaimennus tietyssä kulmassa on seoksen puhtaiden komponenttien aiheuttamien vaimennusten summa painotettuna komponenttien konsentraatiolla .

10 Esimerkiksi näyteseoksessa on kolme komponent tia 1, 2 ja 3. Tällöin tietyllä mittauskulmalla x seoksen polarisoidulle valolle aiheuttama depolarisaatio Dx =dlx · Cl + d2x · C2 + d3* · C3 sironta SotTnx=slx Cl s2x C2 s3x C3 15 vaimennus Kx =klx · Cl + k2x C2 + k3x · C3, joissa dlx, d2x, d3x = seoksen komponenttien 1, 2 ja 3 depola- risaatiokertoimet kulmassa x six, s2x, s3x = seoksen komponenttien 1, 2 ja 3 siron-20 takertoimet kulmassa x klx, k2x, k3x = seoksen komponenttien 1, 2, 3 vaimen- nuskertoimet kulmassa x Nämä kertoimet on määrätty edeltäkäsin laboratoriossa, joten ne tunnetaan. Dx, Sanx ja Kx mitataan mittausjär-25 jestelylla. Nain ollen ainoiksi tuntemattomiksi jäävät komponenttien konsentraatiot Cl, C2 ja C3, jotka voidaan ratkaista muodostetusta yhtälöryhmästä.

Samaan tulokseen päästäisiin mittaamalla esim. depolarisaatio kolmella mittauskulmalla Xi, xa ja x3 ja 30 muodostamalla näistä depolarisaatioarvoista kolmen yhtälön yhtälöryhmä. Konsentraatioiden arvot voidaan ratkaista, jos tunnetaan em. vakiokertoimet puhtaille komponenteille em. kulmilla.

Keksintöä ei rajata pelkästään edellä esitetty-35 jä sovellutusesimerkkejä koskevaksi, vaan monet muunnokset ovat mahdollisia pysyttäessä patenttivaatimusten määrittelemän keksinnöllisen ajatuksen puitteissa.

Claims (12)

1. Menetelmä seoksen komponentin konsentraa-tion määrittämiseksi, jossa menetelmässä polarisoitu 5 valonsäde johdetaan tietyssä suunnassa mitattavan seoksen läpi, määritetään valon depolarisaatio, sironta ja/tai vaimennus, ja määritetään seoksen komponentin konsentraatio mitatun suureen perusteella, tunnettu siitä, että määritetään ainakin kaksi 10 eri suuretta, depolarisaatio, sironta ja/tai vaimennus, raittaussäteen kulkusuuntaan nähden eri kulmissa x ja määrätään ao. komponentin konsentraatio en yhtälöryhmän: Dx = dlx · Cl + d2x · C2 + d3x · C3 + ... + dn* · Cn, SaOTx= six · Cl + s2x · C2 + s3x · C3 + ... + snK · Cn 15 ja/tai Kx = klx · Cl + k2x · C2 + k3x · C3 + ... + kn« · Cn avulla, jossa x mittauskulma mittaussäteen kulkusuuntaan nähden Dx = seoksen depolarisaatio konsentraatiolla C, mitattu-20 na kulmassa x Sctmx = valon sironta seoksen konsentraatiolla C sironta kulmassa am, mitattuna kulmassa x Kx = valon vaimennus seoksen konsentraatiolla C, mitat tuna kulmassa x 25 n = seoksen komponenttien lukumäärä l...n dnx “ seoksen komponentin n depolarisaatiokerroin kulmassa x snx * seoksen komponentin n sirontakerroin kulmassa x knx « seoksen komponentin n vaimennuskerroin kulmassa 30 x Cn « komponentin n konsentraatio seoksessa.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mitattavan seoksen läpi johdetusta valosta erotetaan depolarisoitunut valo ja 35 polarisoitu valo jakamalla valo säteenjakajalla, kuten polarisaatioprismalla tai sen tapaisella, kahteen säteeseen ja määritetään depolarisoitunut valo ilmaisinlait- 84298 8 teen avulla.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mittauksessa käytetään monokromaattista ja koherenttia valoa, kuten laservaloa, 5 ja se lineaaripolarisoidaan ennen sen johtamista mitattavan seoksen läpi.

4. Jonkin patenttivaatimuksista 1-3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mitattavan valonsäteen mittaussuunta muodostetaan seoksen läpi 10 johdettavan säteen kulkusuuntaan nähden siirrettävän aukkolevyn tai sen tapaisen avulla.

5. Jonkin patenttivaatimuksista 1-4 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mitattavan seoksen läpäissyt valonsäde ohjataan aukkolevylle fou- 15 rierlinssin avulla.

6. Laite seoksen komponentin konsentraation määrittämiseksi, johon laitteeseen kuuluu valolähde (1), joka on järjestetty johtamaan polarisoitu valonsäde tietyssä suunnassa mitattavan seoksen läpi; ilmaisinlai- 20 te (2), joka on järjestetty määrittämään valon depola-risaatio, sironta ja/tai vaimennus; ja laskentalaite (3), joka on järjestetty määrittämään seoksen komponentin konsentraatio mitatun suureen perusteella, tunnettu siitä, että ilmaisinlaite (2) on järjestetty 25 määrittämään ainakin kaksi eri suuretta, depolarisaa-tio, sironta ja/tai vaimennus, mittaussäteen kulkusuuntaan nähden eri kulmissa x, ja laskentalaite (3) on järjestetty määrittämään seoksen ao. komponentin konsentraatio Cn yhtälöryhmän;

30 D* = dl* Cl + d2* · C2 + d3* · C3 + ... + dn* · Cn, Sa*.*= sl* · Cl + s2* · C2 + S3* · C3 + . . . + s n* · Cn ja/tai Kx = kl* Cl + k2* · C2 + k3* · C3 + ... + kn* Cn avulla, jossa 35 x = mittauskulma mittaussäteen kulkusuuntaan nähden D* = seoksen depolarisaatio konsentraatiolla C, mitattuna kulmassa x 9 84298 Set™* = valon sironta seoksen konsentraatiolla C sironta kulmassa cu, mitattuna kulmassa x Kx = valon vaimennus seoksen konsentraatiolla C, mitattuna kulmassa x 5 n = seoksen komponenttien lukumäärä l...n dn>* = seoksen komponentin n depolarisaatiokerroin kulmassa x snx = seoksen komponentin n sirontakerroin kulmassa x kn* = seoksen komponentin n vaimennuskerroin kulmassa 10 x Cn = komponentin n konsentraatio seoksessa.

7. Patenttivaatimuksen 6 mukainen laite, tunnettu siitä, että laitteeseen kuuluu säteenjakaja (4), joka on järjestetty erottamaan mitattavan seoksen 15 läpi johdetusta valosta depolarisoitunut valo ja polarisoitunut valo.

7 84298

8. Patenttivaaatimuksen 6 tai 7 mukainen laite, tunnettu siitä, että valolähde (1) on laservalo-lähde ja laitteeseen kuuluu polarisaattori (5), joka on 20 järjestetty laservalon lineaaripolarisoimiseksi ennen sen johtamista mitattavan seoksen läpi.

9. Jonkin patenttivaatimuksista 6-8 mukainen laite, tunnettu siitä, että laitteeseen kuuluu siirrettävä aukkolevy (6) tai sen tapainen mittaussäteen 25 suuntaan nähden erilaisten mittauskulmien aikaansaamiseksi.

10. Jonkin patenttivaatimuksista 6-9 mukainen laite, tunnettu siitä, että aukkolevy (6) on askelmoottorin (7) pyörittämä aukoilla varustettu kiek- 30 ko.

11. Jonkin patenttivaatimuksista 6-10 mukainen laite, tunnettu siitä, että laitteeseen kuuluu fourierlinssi (8) mitattavan seoksen läpäisseen valonsäteen ohjaamiseksi aukkolevylle (6).

12. Jonkin patenttivaatimuksista 6-11 mukainen laite, tunnettu siitä, että ilmaisinlaitteeseen (2) kuuluu ainakin kaksi detektoria (9, 10 ) säteenjaka- 84298 10 jassa (4) jaettujen valonsäteiden intensiteettien määrittämiseksi. n 84298