数字折光仪在测定腈纶油剂浓度上的应用

张树林， 张鹤达

（大庆石化总公司腈纶厂，黑龙江大庆163714）

0 引言

UR-20型数字折光仪是一种比较新的连续测量液体“折光率”（浓度）的在线仪表。它是基于微处理器的一体化的数字折光仪，是光学技术、微电子技术、计算机技术的结晶，由光学组件、测量元件、温度传感器、A/D转换器、LCD液晶显示器和接口电路等组成。它具有数字化输出、传输距离远、抗干扰能力强、可以与微型计算机连接、安装拆卸简便等特点。其智能化程度高，测量功能强大，编程校验简便，是一种测量比较复杂油剂浓度的好工具。

UR-20数字折光仪是意大利Maselli公司生产的适宜工业在线测量，具有远传输出，精度和分辨率较高的工业分析仪表，在我厂油剂配制测量上取得了较大成功。

1 UR-20数字折光仪的性能特点

1）测量范围是 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：满刻度的0.5%（最大精度 ±0.15 Brix）。

2）具有温度自动补偿功能，温度补偿范围为-5～+105℃。仪表内置有测量液体温度的一个精密的传感器，能够直接测量工艺流程中介质的温度。因为折射率与介质温度有着一定的函数关系，所以可以利用专门的运算方法来对温度实现自动补偿。并能够将介质温度测量结果显示在背光照明的液晶显示屏（LCD）上。

3）可以采用两线制模拟信号输出，电源供给：DC24V（18～36V），0.6A。模拟输出：可通过设置菜单配置 0～20 mA或4～20 mA。并可以通过RS422或RS485串口连接数字输出，与微型计算机进行连接对数据处理分析。电信号输出与仪表显示的读数成正比。

4）各项功能的最佳化和简单化，由于采用了微处理器，因而除了能够简化操作界面之外，还可以提供下列各项优越性能：对参数的编程进一步简化；测量范围可以由用户定制；系统的定标操作更加方便；提供各项服务功能。

5）UR-20光学测量系统采用了特殊设计，因而对许多差异的敏感性显著降低，例如对内部液晶屏光源的强度，对测量棱镜的次要涂层或混浊度，对电子元器件的老化，等等。

2 UR-20数字折光仪的工作原理

UR-20的工作原理，是基于光的全反射和折射这种物理现象。一束光穿过一个媒介“A”，进入另一个媒介“B”，每个媒介都具有不同的折射率。这时，光不可能按照直线行走，而是在2个媒介的分界面发生偏转。偏转的角度与媒介“B”的折射率nD存在着一定的函数关系。光线穿过媒介“A”射入分界面的角度，叫做“入射角”，这是折射研究中的带有根本性的一项参数。其定义为光线与垂直于分界面平面之轴线所形成的夹角。

对照图1，设想具有不同入射角的一系列光线，当从光源1开始，依次逐步改变到光源2、光源3、光源4等等的时候，总是会遇到这样一种状况，即入射光线不能进入媒介“B”（即介质），而是发生偏转，变成与测量棱镜的表面相互平行（光线 3′）。

图1 折光仪的原理

发生这种现象时的入射角，叫做“临界角”。它是两种媒介“A”（测量棱镜）和“B”（产品）的特性。

其数值可以利用下面的公式进行计算：

式中，αL为临界角。

在此基础上继续减小入射角，使之超越临界角，此时光线1、2、3在到达媒介“B”的时候，被反射回来，仿佛媒介“B”变成了一面镜子。入射光线的偏转不再遵循折射的规律，相反却是遵循反射的规律。这就意味着，此时反射角与入射角完全相等。

如果具有不同入射角的一束光线到达“A/B”（棱镜/产品）分界面，可以观察到：那些入射角小于临界角的光线，将会发生折射，并进入媒介“B”，而那些入射角大于临界角的光线，将会发生反射，返回媒介“A”中，而临界角的大小是由媒介“A”和“B”决定的。因此，这种现象可以用于测定这些媒介中某一种的折射率。如果认为媒介“A”（测量棱镜）的nD是已知常数，并且我们改变媒介“B”（即需要分析的介质）的浓度，就有可能通过简单地测量第一次发生反射时的临界角（即反射光线3，与无穷接近的入射光线3和3′相关联），然后便可以通过计算求得产品在任何浓度下的反射率。

对照前面给出的公式，如果“A”（棱镜）的nD是一个常数，我们就可以确定A=K，于是：

通过测量临界角可以求得有待分析的介质的反射率，即“B”的nD。在UR-20数字折光仪中，采用一个经过精心挑选的电子元件LED（发光二极管），由它发生一束光线。由于使用了专门的光学系统，这束光线通过测量棱镜，并在此和有待分析的介质发生接触。

棱镜与液体之间的分界面，就是发生折射现象的部位。这束光线分成两部分：一部分折射进入介质之中，发生散射，并被介质吸收。这束光的另一部分在介质表面发生反射，仿佛介质表面起到镜子的作用，遵循了前面提到的规律。然后，这部分光线落在仪器内部的光学成像检测传感器（即CCD）之上。

对这束光按照上述说明在该点产生的成像进行分析，可以观察到这束光分成二部分，一部分是明亮的，而另一部分实际上是黑暗的。光亮与阴影之间分割线的部位，与介质的反射率成正比。使用光学CCD传感器，可以对这条分割线的部位实现非常精确的测量，因为这种CCD传感器是由一系列2048个成像传感器（即像素）组成的，它们的相互间距仅为14 μm。

3 结构特点及安装

UR-20数字折光仪的特点是设计巧妙，结构紧凑，可以采用十分经济的手段，安装在工艺管线之上。仪器的正面板上设有1个液晶（LCD）图形显示器，1个聚酯键盘，其键呈现拱形，保证使用者既能看到测量数值和操作功能，又能对仪器进行编程。

UR-20数字折光仪基本上是由以下3个部分组成：

1）主机体。这是一个圆筒形壳体，带有可拆卸的盖板。壳体内安装有中央微处理器单元（即CPU）。外壳采用鳍状设计，并采用耐腐蚀铝，对于内部产生的热量具有良好的散热效果，保证本机能够安全地用于高温产品。

2）隔离法兰。本法兰采用圆形结构，利用低导热性的塑料制作，即使在高温条件下，也同样具有优良的机械性能。这个部件对整个光学总成起着支撑作用，同时又在棱镜支架（与介质相接触）和仪器的电子元件之间起到隔热的效果。

图2 折光仪的外形尺寸

3）棱镜支架。这是一个圆柱形组件，具有双重功能，一方面对测量棱镜起着支撑作用，另一方面又确保仪器能够实现在工艺流程中的安装。棱镜支架采用AISI 316不锈钢制作。采用以上的特殊结构设计使其具有以下特点：a.尽量减少零部件的数量，使其在安装和拆卸方面都能够实现操作简便，同时又能够保证高度的可靠性。b.实现棱镜支架与主机体之间的良好绝热，同时又具有优良的散热效果，这就保证了工作的高度可靠性，保证电子元器件能够始终维持在适宜的温度范围内安全地工作，因此可用于测量高温介质的工作场合。

图3 折光仪的安装

由于具有以上的结构，这样就保证了安装拆卸简便。这种安装方法能够保证产品以已知的、保持恒定的流量流速，通过数字折光仪的棱镜。如图3使用2个截止阀，实现数字折光仪与生产线的隔离，以便保证开展检修工作期间，不必造成生产的中断。UR-20数字折光仪的安装，需要使用一个专用的安装适配器。把适配器接头安装在工艺流程管道上的时候，安装接头都配备有一个可以拆卸的“偏转器”塞头。“偏转器”安装接头有3个功能：一是实现UR-20数字折光仪与工艺生产线之间的适配；二是提供简便的方法，对介质通过棱镜的流速实施控制，达到自动清洗的目的；三是可以方便地接近棱镜表面，在仪器处于在线工作的条件下，对棱镜表面进行检查，或是开展人工清洗。

为了使安装工作更加简便，采用三脚固定夹安装组件与工艺管线连接，“三脚固定夹”金属环锁紧密封。棱镜部位产品流过的横截面积，是由可拆卸塞头端部与棱镜之间存在的间距决定的。

图4 采用三角固定夹金属环的安装接头

4 应用情况

腈纶纤维丝束的含油量是重要的质量控制指标。在油剂调质罐回流线上安装UR-20型数字折光仪，测量油剂的浓度。这种数字折光仪以前没有在腈纶行业中使用过，我们是经过了试验使用，效果比较好，得到了工艺使用及仪表维护人员的认可后购买安装投用。经过2a多的使用，效果良好，完全能够满足工艺的要求。这种数字折光仪测量准确、精度高、可靠性好，仪表维护量少，既降低了劳动强度又提高了控制精度，保证了丝束油剂的工艺控制指标，提高了丝束的质量。