乳化液濃度光學(xué)折射檢測(cè)方法

駱鐵楠

（安標(biāo)國(guó)家礦用產(chǎn)品安全標(biāo)志中心有限公司，北京100013）

目前，乳化液濃度的檢測(cè)方法己經(jīng)由破乳法、折光儀法，向自動(dòng)檢測(cè)的方向發(fā)展。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，各種乳化液濃度檢測(cè)技術(shù)不斷出現(xiàn)，主要有：光吸收法[1]、光學(xué)渾濁度法、電容法[2]、超聲波法[3-5]和其它方法[6-7]等4 類。現(xiàn)存的乳化液濃度檢測(cè)方法都存在不同方面、不同程度的問(wèn)題。為此,提出了一種基于光折射檢測(cè)乳化液濃度的檢測(cè)原理，對(duì)各種實(shí)現(xiàn)方案進(jìn)行分析，選擇最佳方案，并進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

1 檢測(cè)原理及方案選擇

基于乳化液的光學(xué)折射特性來(lái)測(cè)量其濃度的方法稱為折光法[8]。折光法在結(jié)構(gòu)上有3 種方案：

1）掠入射法。全角度光線（0°～90°）從光疏介質(zhì)進(jìn)入光密介質(zhì)發(fā)生折射，通過(guò)檢測(cè)掠入射光線的折射位置（亮暗分界線）來(lái)檢測(cè)折射率，從而得出濃度。此方案亮暗區(qū)為絕對(duì)亮暗，分界線是有折射與無(wú)折射區(qū)域的臨界線。掠入射法示意圖如圖1。

圖1 掠入射法示意圖Fig.1 Sketch of grazing incidence method

2）透射法。特定角度光線從光密介質(zhì)進(jìn)入光疏介質(zhì)然后再進(jìn)入光密介質(zhì)，光路結(jié)構(gòu)對(duì)稱，通過(guò)檢測(cè)出射光線的位置、落點(diǎn)來(lái)檢測(cè)折射率，從得出濃度。

3）棱鏡內(nèi)反射法。部分角度光線（包含濃度變化范圍內(nèi)各臨界角度）從光密介質(zhì)射入光密與光疏界面，后返回光密介質(zhì)，通過(guò)檢測(cè)不同濃度液體的全反射臨界光線位置（亮暗分界線）來(lái)測(cè)定折射率，從而得出濃度。此方案亮暗區(qū)為相對(duì)亮暗，分界線是部分反射區(qū)域與全反射區(qū)域臨界。棱鏡內(nèi)反射法示意圖如圖2。

圖2 棱鏡內(nèi)反射法示意圖Fig.2 Sketch of reflection method

上述3 種方案都采用光電檢測(cè)器件檢測(cè)出射光線，但掠入射法和透射法都需要光線穿過(guò)被測(cè)液體，即光通路中含有液體部分，使得傳感檢測(cè)的光路部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較復(fù)雜，制造封裝密封面多，不利于檢測(cè)傳感器小型化，且透射法要求單色準(zhǔn)平行光或準(zhǔn)細(xì)光束，對(duì)光源方向性要求較高。因此，采用棱鏡內(nèi)反射法。該方法的光通路不穿過(guò)被測(cè)液體，被測(cè)液體在與棱鏡接觸界面處對(duì)光通路進(jìn)行調(diào)制，檢測(cè)系統(tǒng)所有的元件都布置在接觸界面一側(cè)，這樣僅在接觸界面處有1 個(gè)密封面，有利于檢測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和傳感器的小型化，是最佳的方案。

2 棱鏡內(nèi)反射法檢測(cè)系統(tǒng)

2.1 測(cè)量原理

根據(jù)光的折射定律，光線從棱鏡進(jìn)入被測(cè)溶液時(shí)，滿足如下關(guān)系：

式中：αi為光線入射角（在棱鏡一側(cè)）；αr為光線折射角（在液體一側(cè)）；ni為入射側(cè)介質(zhì)（棱鏡）折射率；nr為出射側(cè)介質(zhì)（被測(cè)液體）折射率。

2.2 光學(xué)系統(tǒng)及元件

1）光源及光電檢測(cè)器件。為了獲得穩(wěn)定清晰的亮暗分界，系統(tǒng)的光源采用激光二極管（LD）。采用CCD 作為光電檢測(cè)器件[9]，檢測(cè)亮暗分界線的位置，可以降低亮暗對(duì)比度和亮度變化帶來(lái)的測(cè)量誤差，提高測(cè)量精度。

2）量程及相關(guān)參數(shù)。根據(jù)煤礦生產(chǎn)對(duì)乳化液的濃度要求（3%～5%），據(jù)此設(shè)定測(cè)量系統(tǒng)的量程為0.5%～8%。各濃度乳化液的折射率見(jiàn)表1。

表1 各濃度乳化液的折射率Table 1 Refractivity of different concentrations

3）特征角。采用F3 光學(xué)玻璃做棱鏡材料，其折射率為1.616 4。選取MS10-5G，0.5%的臨界角αc0.5=39.5°，8.0%的臨界角αc0.8=39.6°, 光錐角△α=αc0.8－αc0.5=0.1°, 平均臨界角。

2.3 檢測(cè)棱鏡

檢測(cè)棱鏡是該光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)的核心元件，其直接接觸乳化液，因此要選用具有耐磨、耐高溫、抗腐蝕等物理化學(xué)性能的光學(xué)材料，選擇F3 光學(xué)玻璃作為棱鏡材料。

根據(jù)乳化液的濃度范圍和光學(xué)系統(tǒng)[10]的結(jié)構(gòu)，檢測(cè)棱鏡需設(shè)計(jì)成一定的幾何形狀，特別是對(duì)它的出射面與乳化液接觸面（測(cè)量面）之間的夾角有一定的要求。在系統(tǒng)測(cè)量范圍內(nèi)，形成的臨界角光線必須在出射面對(duì)稱于該面法線上。棱鏡的幾何結(jié)構(gòu)如圖3。

1）角參數(shù)。根據(jù)棱鏡的幾何結(jié)構(gòu)關(guān)系和反射定律，可以推導(dǎo)出棱鏡的各角參數(shù)。

圖3 棱鏡幾何結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Geometry structural of prism

梯形棱鏡上梯角∠ADB：

梯形棱鏡下梯角∠DBC：

2）外形尺寸參數(shù)。在滿足檢測(cè)光學(xué)系統(tǒng)要求的條件下，并考慮測(cè)量系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)的要求。

梯形棱鏡高h(yuǎn)：h=0.5F1

式中：F1為聚光鏡在棱鏡介質(zhì)中的焦距。

梯形棱鏡寬度c：c=10 mm。

3）聚光透鏡。

式中：φL為原始平行光束直徑；△α′為光錐在空氣中的錐角。

3 試驗(yàn)及結(jié)果

根據(jù)上述設(shè)計(jì)參數(shù)，搭建了試驗(yàn)平臺(tái)，并在此基礎(chǔ)上測(cè)量了ME10-2 牌號(hào)乳化液濃度，ME10-2 不同濃度乳化液折射率見(jiàn)表2。

測(cè)量結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的乳化液濃度檢測(cè)系統(tǒng)能夠檢測(cè)不同濃度的乳化液，平均誤差為5.525%，可以滿足測(cè)量要求。

表2 ME10-2 不同濃度乳化液折射率Table 2 Refractivity of different concentration

4 結(jié) 語(yǔ)

研究了各種基于折射的乳化液濃度檢測(cè)方案，通過(guò)對(duì)比分析，選擇了棱鏡反射式測(cè)量方案。用各種牌號(hào)的乳化油配制了各種濃度的乳化液，利用阿貝折光儀對(duì)其折射率參數(shù)進(jìn)行了大量精密測(cè)量，獲得了各樣乳化液的折射率數(shù)據(jù)。詳細(xì)設(shè)計(jì)了棱鏡反射式乳化液濃度檢測(cè)系統(tǒng)，計(jì)算了分辨率，并通過(guò)試驗(yàn)證明設(shè)計(jì)的乳化液濃度檢測(cè)系統(tǒng)是符合要求的。