數(shù)字折光儀在測定腈綸油劑濃度上的應用

張樹林， 張鶴達

（大慶石化總公司腈綸廠，黑龍江大慶163714）

0 引言

UR-20型數(shù)字折光儀是一種比較新的連續(xù)測量液體“折光率”（濃度）的在線儀表。它是基于微處理器的一體化的數(shù)字折光儀，是光學技術、微電子技術、計算機技術的結(jié)晶，由光學組件、測量元件、溫度傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、LCD液晶顯示器和接口電路等組成。它具有數(shù)字化輸出、傳輸距離遠、抗干擾能力強、可以與微型計算機連接、安裝拆卸簡便等特點。其智能化程度高，測量功能強大，編程校驗簡便，是一種測量比較復雜油劑濃度的好工具。

UR-20數(shù)字折光儀是意大利Maselli公司生產(chǎn)的適宜工業(yè)在線測量，具有遠傳輸出，精度和分辨率較高的工業(yè)分析儀表，在我廠油劑配制測量上取得了較大成功。

1 UR-20數(shù)字折光儀的性能特點

1）測量范圍是 1.3330～1.5318 nD（0～95 Brix）。Brix刻度幅度：最小 0.0482 nD（30 Brix），最大 0.1988 nD（95 Brix）。精度：滿刻度的0.5%（最大精度 ±0.15 Brix）。

2）具有溫度自動補償功能，溫度補償范圍為-5～+105℃。儀表內(nèi)置有測量液體溫度的一個精密的傳感器，能夠直接測量工藝流程中介質(zhì)的溫度。因為折射率與介質(zhì)溫度有著一定的函數(shù)關系，所以可以利用專門的運算方法來對溫度實現(xiàn)自動補償。并能夠?qū)⒔橘|(zhì)溫度測量結(jié)果顯示在背光照明的液晶顯示屏（LCD）上。

3）可以采用兩線制模擬信號輸出，電源供給：DC24V（18～36V），0.6A。模擬輸出：可通過設置菜單配置 0～20 mA或4～20 mA。并可以通過RS422或RS485串口連接數(shù)字輸出，與微型計算機進行連接對數(shù)據(jù)處理分析。電信號輸出與儀表顯示的讀數(shù)成正比。

4）各項功能的最佳化和簡單化，由于采用了微處理器，因而除了能夠簡化操作界面之外，還可以提供下列各項優(yōu)越性能：對參數(shù)的編程進一步簡化；測量范圍可以由用戶定制；系統(tǒng)的定標操作更加方便；提供各項服務功能。

5）UR-20光學測量系統(tǒng)采用了特殊設計，因而對許多差異的敏感性顯著降低，例如對內(nèi)部液晶屏光源的強度，對測量棱鏡的次要涂層或混濁度，對電子元器件的老化，等等。

2 UR-20數(shù)字折光儀的工作原理

UR-20的工作原理，是基于光的全反射和折射這種物理現(xiàn)象。一束光穿過一個媒介“A”，進入另一個媒介“B”，每個媒介都具有不同的折射率。這時，光不可能按照直線行走，而是在2個媒介的分界面發(fā)生偏轉(zhuǎn)。偏轉(zhuǎn)的角度與媒介“B”的折射率nD存在著一定的函數(shù)關系。光線穿過媒介“A”射入分界面的角度，叫做“入射角”，這是折射研究中的帶有根本性的一項參數(shù)。其定義為光線與垂直于分界面平面之軸線所形成的夾角。

對照圖1，設想具有不同入射角的一系列光線，當從光源1開始，依次逐步改變到光源2、光源3、光源4等等的時候，總是會遇到這樣一種狀況，即入射光線不能進入媒介“B”（即介質(zhì)），而是發(fā)生偏轉(zhuǎn)，變成與測量棱鏡的表面相互平行（光線 3′）。

圖1 折光儀的原理

發(fā)生這種現(xiàn)象時的入射角，叫做“臨界角”。它是兩種媒介“A”（測量棱鏡）和“B”（產(chǎn)品）的特性。

其數(shù)值可以利用下面的公式進行計算：

式中，αL為臨界角。

在此基礎上繼續(xù)減小入射角，使之超越臨界角，此時光線1、2、3在到達媒介“B”的時候，被反射回來，仿佛媒介“B”變成了一面鏡子。入射光線的偏轉(zhuǎn)不再遵循折射的規(guī)律，相反卻是遵循反射的規(guī)律。這就意味著，此時反射角與入射角完全相等。

如果具有不同入射角的一束光線到達“A/B”（棱鏡/產(chǎn)品）分界面，可以觀察到：那些入射角小于臨界角的光線，將會發(fā)生折射，并進入媒介“B”，而那些入射角大于臨界角的光線，將會發(fā)生反射，返回媒介“A”中，而臨界角的大小是由媒介“A”和“B”決定的。因此，這種現(xiàn)象可以用于測定這些媒介中某一種的折射率。如果認為媒介“A”（測量棱鏡）的nD是已知常數(shù)，并且我們改變媒介“B”（即需要分析的介質(zhì)）的濃度，就有可能通過簡單地測量第一次發(fā)生反射時的臨界角（即反射光線3，與無窮接近的入射光線3和3′相關聯(lián)），然后便可以通過計算求得產(chǎn)品在任何濃度下的反射率。

對照前面給出的公式，如果“A”（棱鏡）的nD是一個常數(shù)，我們就可以確定A=K，于是：

通過測量臨界角可以求得有待分析的介質(zhì)的反射率，即“B”的nD。在UR-20數(shù)字折光儀中，采用一個經(jīng)過精心挑選的電子元件LED（發(fā)光二極管），由它發(fā)生一束光線。由于使用了專門的光學系統(tǒng)，這束光線通過測量棱鏡，并在此和有待分析的介質(zhì)發(fā)生接觸。

棱鏡與液體之間的分界面，就是發(fā)生折射現(xiàn)象的部位。這束光線分成兩部分：一部分折射進入介質(zhì)之中，發(fā)生散射，并被介質(zhì)吸收。這束光的另一部分在介質(zhì)表面發(fā)生反射，仿佛介質(zhì)表面起到鏡子的作用，遵循了前面提到的規(guī)律。然后，這部分光線落在儀器內(nèi)部的光學成像檢測傳感器（即CCD）之上。

對這束光按照上述說明在該點產(chǎn)生的成像進行分析，可以觀察到這束光分成二部分，一部分是明亮的，而另一部分實際上是黑暗的。光亮與陰影之間分割線的部位，與介質(zhì)的反射率成正比。使用光學CCD傳感器，可以對這條分割線的部位實現(xiàn)非常精確的測量，因為這種CCD傳感器是由一系列2048個成像傳感器（即像素）組成的，它們的相互間距僅為14 μm。

3 結(jié)構特點及安裝

UR-20數(shù)字折光儀的特點是設計巧妙，結(jié)構緊湊，可以采用十分經(jīng)濟的手段，安裝在工藝管線之上。儀器的正面板上設有1個液晶（LCD）圖形顯示器，1個聚酯鍵盤，其鍵呈現(xiàn)拱形，保證使用者既能看到測量數(shù)值和操作功能，又能對儀器進行編程。

UR-20數(shù)字折光儀基本上是由以下3個部分組成：

1）主機體。這是一個圓筒形殼體，帶有可拆卸的蓋板。殼體內(nèi)安裝有中央微處理器單元（即CPU）。外殼采用鰭狀設計，并采用耐腐蝕鋁，對于內(nèi)部產(chǎn)生的熱量具有良好的散熱效果，保證本機能夠安全地用于高溫產(chǎn)品。

2）隔離法蘭。本法蘭采用圓形結(jié)構，利用低導熱性的塑料制作，即使在高溫條件下，也同樣具有優(yōu)良的機械性能。這個部件對整個光學總成起著支撐作用，同時又在棱鏡支架（與介質(zhì)相接觸）和儀器的電子元件之間起到隔熱的效果。

圖2 折光儀的外形尺寸

3）棱鏡支架。這是一個圓柱形組件，具有雙重功能，一方面對測量棱鏡起著支撐作用，另一方面又確保儀器能夠?qū)崿F(xiàn)在工藝流程中的安裝。棱鏡支架采用AISI 316不銹鋼制作。采用以上的特殊結(jié)構設計使其具有以下特點：a.盡量減少零部件的數(shù)量，使其在安裝和拆卸方面都能夠?qū)崿F(xiàn)操作簡便，同時又能夠保證高度的可靠性。b.實現(xiàn)棱鏡支架與主機體之間的良好絕熱，同時又具有優(yōu)良的散熱效果，這就保證了工作的高度可靠性，保證電子元器件能夠始終維持在適宜的溫度范圍內(nèi)安全地工作，因此可用于測量高溫介質(zhì)的工作場合。

圖3 折光儀的安裝

由于具有以上的結(jié)構，這樣就保證了安裝拆卸簡便。這種安裝方法能夠保證產(chǎn)品以已知的、保持恒定的流量流速，通過數(shù)字折光儀的棱鏡。如圖3使用2個截止閥，實現(xiàn)數(shù)字折光儀與生產(chǎn)線的隔離，以便保證開展檢修工作期間，不必造成生產(chǎn)的中斷。UR-20數(shù)字折光儀的安裝，需要使用一個專用的安裝適配器。把適配器接頭安裝在工藝流程管道上的時候，安裝接頭都配備有一個可以拆卸的“偏轉(zhuǎn)器”塞頭?！捌D(zhuǎn)器”安裝接頭有3個功能：一是實現(xiàn)UR-20數(shù)字折光儀與工藝生產(chǎn)線之間的適配；二是提供簡便的方法，對介質(zhì)通過棱鏡的流速實施控制，達到自動清洗的目的；三是可以方便地接近棱鏡表面，在儀器處于在線工作的條件下，對棱鏡表面進行檢查，或是開展人工清洗。

為了使安裝工作更加簡便，采用三腳固定夾安裝組件與工藝管線連接，“三腳固定夾”金屬環(huán)鎖緊密封。棱鏡部位產(chǎn)品流過的橫截面積，是由可拆卸塞頭端部與棱鏡之間存在的間距決定的。

圖4 采用三角固定夾金屬環(huán)的安裝接頭

4 應用情況

腈綸纖維絲束的含油量是重要的質(zhì)量控制指標。在油劑調(diào)質(zhì)罐回流線上安裝UR-20型數(shù)字折光儀，測量油劑的濃度。這種數(shù)字折光儀以前沒有在腈綸行業(yè)中使用過，我們是經(jīng)過了試驗使用，效果比較好，得到了工藝使用及儀表維護人員的認可后購買安裝投用。經(jīng)過2a多的使用，效果良好，完全能夠滿足工藝的要求。這種數(shù)字折光儀測量準確、精度高、可靠性好，儀表維護量少，既降低了勞動強度又提高了控制精度，保證了絲束油劑的工藝控制指標，提高了絲束的質(zhì)量。