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        乳化液濃度光學(xué)折射檢測(cè)方法

        2021-04-06 01:05:00駱鐵楠
        煤礦安全 2021年3期
        關(guān)鍵詞:乳化液棱鏡折射率

        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(lèi)?,F(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(chēng)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(chēng),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(chēng)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。

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