Akademia Automatyki
Czym są pomiary refraktometryczne? Czyli pomiar stężenia, granicy faz w przemyśle

Czym są pomiary refraktometryczne? Czyli pomiar stężenia, granicy faz w przemyśle

Obecne zastosowanie pomiarów refraktometrycznych w różnych branżach jest ogromne i niezliczone – pomiar stężenia w procesach destylacji, gotowania, ekstrakcji i wiele innych. W dzisiejszym wpisie przypomnimy kilka najważniejszych zagadnień teoretycznych związanych z wyżej wymienionymi pomiarami.

Trochę teorii
  •  współczynnik załamania światła

Refraktometr mierzy  stężenie dwóch związków chemicznych, które  stanowią jednorodną mieszaninę czyli roztwór. Pomiar odbywa się pośrednio poprzez wyznaczenie współczynnika załamania światła, który jest charakterystyczny dla danego roztworu w danej temperaturze. Możliwy jest również pomiar roztworów wieloskładnikowych, wówczas mówimy o wyznaczeniu sumy kontrolnej całego roztworu.

Pomiar współczynnika załamania światła n jest w rzeczywistości pomiarem zmiany prędkości rozchodzenia się fali świetlnej w danym ośrodku, w stosunku do prędkości w innym ośrodku będącym ośrodkiem odniesienia. Jeżeli ośrodkiem odniesienia jest próżnia, to mówimy o bezwzględnym współczynniku załamania światła.  Bezwzględny współczynnik załamania światła n ośrodka definiuje się jako stosunek prędkości światła w próżni c do prędkości światła w danym ośrodku v.

Współczynnik załamania światła mierzy się światłem monochromatycznym ze względu na zależność od długości fali. Od niej zależy bowiem prędkość światła.  Współczynnik załamania światła mierzony przy tej długości fali jest zwykle oznaczany przez nD

  • kąt graniczny
Wyznaczenie kąta granicznego

Wyznaczenie kąta granicznego

Jeśli ośrodek A jest optycznie gęstszy niż B, kąt β jest zawsze większy niż α. Gdy kąt α jest zwiększany, kąt β osiąga w pewnym momencie kąt 90°, a promienie przemieszczają się wzdłuż granicy ośrodków. Jeśli kąt α jest dalej zwiększany, światło nie może dostać się do ośrodka B. Zamiast tego odbija się z powrotem do ośrodka A. Zjawisko to nazywa się całkowitym wewnętrznym odbiciem.

Refraktometr ma na celu pomiar kąta α, przy którym następuje całkowite wewnętrzne odbicie. Współczynnik załamania światła nB próbki można łatwo obliczyć za pomocą równania, dzięki temu, że nA jest dobrze znanym współczynnikiem załamania światła pryzmatu pomiarowego

 

  • pryzmat pomiarowy

Pryzmat pomiarowy pełni rolę ośrodka odniesienia o wyższym współczynniku załamania światła niż mierzone medium, ponieważ w przeciwnym razie nie będzie całkowitego odbicia wewnętrznego. Tworzy intrefejs między przyrządem a mierzonym medium. Promienie światła muszą być rzutowane na powierzchnię pryzmatu pod katami wybranymi tak, by można było zmierzyć żądany zakres współczynnika załamania światła. Różnica współczynników załamania światła musi być stosunkowo wysoka. Materiał pryzmatyczny powinien być chemicznie i mechanicznie tak odporny, jak to możliwe. Jednocześnie powinien być on optycznie jednorodny i najlepiej izotropowy (podobny we wszystkich kierunkach).

Liczne zastosowania refraktometru

Współczynnik załamania światła jest nieodłączną właściwością cieczy, a jego pomiar przydatną metodą ich identyfikacji. Wykorzystując pomiar współczynnika załamania światła, refraktometry VAISALA K-Patents gwarantują odpowiednie monitorowanie jakości produktu końcowego.

  • Jeśli potrzebujemy uzyskać informacje i zmianach stężenia medium w czasie rzeczywistym najlepszym rozwiązaniem będzie wykorzystanie refraktometru Vaisala K-Patent.  Refraktometr jest idealny do operacji, w których ciecz jest zatężana poprzez np. odparowanie, ultrafiltrację lub odwróconą osmozę. W celu optymalizacji procesu, refraktometr zapewnia ciągłe informacje na każdym etapie zatężania w koncentratorze.
Wyparki

Wyparki

  • Do pomiarów ciągłych stężenia uzyskanego roztworu, gdy substancja rozpuszcza się np. w wodzie refraktometr Vaisala K-Patent będzie również dobrym wyborem.  Refraktometr dostarcza natychmiastowych informacji o szybkości rozpuszczania i ilości rozpuszczonych ciał stałych. Sygnał wyjściowy refraktometru można wykorzystać do automatycznego sterowania operacją rozpuszczania, aby zawsze osiągnąć dokładne stężenie docelowe.
Zbiornik do rozpuszczania

Zbiornik do rozpuszczania

  • W przemyśle spożywczym, farmaceutycznym czy kosmetycznym powszechną operacją jest ekstrakcja ciał stałych.  W celu uzyskania składników z naturalnego surowca refraktometr Vaisala K-Patent służy do wykrywania ilości rozpuszczonych substancji stałych w cieczy po procesie ekstrakcji.
Ekstraktor

Ekstraktor

 

  • W branży spożywczej powszechne są procesy gotowania, np. w produkcji dżemów lub innych słodyczy.  Procesowy refraktometr służy do monitorowania współczynnika załamania światła podczas gotowania w celu ustalenia punktu końcowego oraz zwiększenia wydajności gotowania aż do uzyskania odpowiedniego stężenia.
Kocioł warzelny

Kocioł warzelny

  • Refraktometr Vaisala K-Patent sprawdza się dobrze również podczas procesu destylacji, która należy do najczęstszych i najważniejszych operacji jednostkowych. Monitoruje on w czasie rzeczywistym stężenie produktów destylacji. Kontrola destylacji jest niezbędna do spełnienia specyfikacji produktu, zmniejszenia kosztów inwestycji i energii oraz ograniczenia wpływu na środowisko.
Kolumna destylacyjna

Kolumna destylacyjna

Podsumowując, wysoka niezawodność i szybki czas reakcji refraktometrów VAISALA K-Patents zapewniają zarówno idealną metodę oznaczania stężeń oraz granicy faz produkt-woda, produkt-CIP czy produkt-produkt. Ponadto wykrywanie informacji w czasie rzeczywistym zapewnia szybką reakcję na możliwe zakłócenia procesu i ewentualne problemy.

Więcej szczegółów na temat pomiarów refraktometrycznych znajdziesz na łamach kwartalnika „Pod kontrolą”:

Temat wydania: Teoretyczne i praktyczne podstawy pomiarów refraktometrycznych