FI96451C

FI96451C - Refraktometri

Info

Publication number: FI96451C
Application number: FI933907A
Authority: FI
Inventors: Jan Kaohre
Original assignee: Janesko Oy
Priority date: 1993-09-07
Filing date: 1993-09-07
Publication date: 1996-06-25
Also published as: FI933907A0; FI933907A; FI96451B; US5742382A

Description

96451

Refraktometri

Keksinnön kohteena on refraktometri, joka käsittää runkorakenteen, johon on sovitettu valolähde, optinen ikku-5 na ja valoherkkä detektori, jolloin optinen ikkuna on sovitettu sijoitettavaksi kosketuksiin mitattavan liuoksen kanssa ja valolähteestä tuleva sädekimppu on sovitettu johdettavaksi optisen ikkunan ja liuoksen rajapintaan, jolloin osa sädekimpusta heijastuu takaisin liuoksesta ja 10 osa imeytyy osittain liuokseen ja saadaan aikaan kuva, jossa valoisan ja pimeän alueen rajan paikka riippuu kokonaisheijastuksen rajakulmasta, joka on liuoksen konsentraa-tion funktio ja tieto rajan paikasta on sovitettu muunnettavaksi sähköiseen muotoon valoherkän detektorin avulla ja 15 jolloin valolähteen ja optisen ikkunan väliin on sovitettu kuituoptiikka, jonka läpi sädekimppu on sovitettu kulkemaan optiselle ikkunalle.

Refraktometrin toimintaperiaate on ollut tunnettu jo yli sata vuotta. Nykyään refraktometrejä käytetään varsin 20 paljon hyvin monilla eri aloilla. Esimerkkeinä refraktometrin käyttöaloista voidaan mainita elintarviketeollisuus, puunjalostusteollisuus, kemian teollisuus ja erilaiset tutkimukset yleensä.

Refraktometrimittauksen olennaisena seikkana on va-25 lon heijastumisesta aiheutuvan kuvan analysointi. Em. kuva-analyysin tehtävänä on löytää kokonaisheijastuksen rajakulman paikka, siis toisin sanoen raja, jossa valoisa alue muuttuu pimeäksi alueeksi.

Aiemmin tunnetuissa sovellutuksissa on käytetty 30 useita erilaisia periaatteita kokonaisheijastuksen rajakulman löytämiseksi. Esimerkkinä tällaisista periaatteista voidaan mainita periaate, joka lähtee ajatuksesta, että valoisan alueen kirkkaus on vakio eri rajakulmilla. Tällöin koko kuva-alueelta saadun valon määrä vastaa valoisan alu-35 een osuutta koko alueesta. Monet kaupalliset instrumentit 96451 2 käyttävät edellä mainittua periaatetta. Periaatteen epäkohtana on kuitenkin sen herkkyys valolähteen ja optisen tien vaihteluille.

Toisena tunnettuna periaatteena voidaan mainita rat-5 kaisu, jossa refraktometrin optisesta ikkunasta heijastuvaa kuvaa katsotaan rivikameralla. Rivikamerassa on monta, esimerkiksi 256 valoilmaisinta integroituna riviin samalle mikropiirille. Kamerasta voidaan vuorotellen lukea ilmaisinten mittaamat valon määrät. Laskemalla kynnysarvon ylit-10 tävien ilmaisinten lukumäärä saadaan kokonaisheijastuksen rajakulman paikka määrätyksi. Tällaista periaatetta käytetään esimerkiksi K-Patents Oy:n valmistamissa ja myymissä PR-01-B, PR-01-E ja PR-01-S -refraktometreissä.

Edellä esitetyt laitteet toimivat periaatteessa hy-15 vin, mutta käytännössä syntyy ongelmia, jotka aiheutuvat optiselle ikkunalle tulevan valosädekimpun kulmajakautuman epätasaisuudesta. Lopputuloksen tarkkuuden kannalta on olennaista, että sädekimpun kulmajakautuma on mahdollisimman tasainen. Aiemmissa ratkaisuissa sädekimpun kulmajakau-20 tuman tasaisuus ei ole ollut paras mahdollinen ja aiemmissa ratkaisuissa on joskus jouduttu jopa suhteellisen työläisiin toteutuksiin kulmajakautuman tyydyttävän tasaisuuden aikaansaamiseksi.

Keksinnön tarkoituksena on saada aikaan ratkaisu, 25 jonka avulla aiemmin tunnetun tekniikan epäkohdat voidaan eliminoida. Tähän on päästy keksinnön mukaisen refraktometrin avulla, joka on tunnettu siitä, että kuituoptiikka on muodostettu yhdestä, halkaisijaltaan ennalta määrätystä optisesta kuidusta, jonka paksuus on sovitettu niin, että 30 optinen kuitu kerää valolähteestä lähtevän kartiomaisen sädekimpun ilman valolähteen ja optisen kuidun välissä olevaa linssiä tai vastaavaa.

Keksinnön etuna on ennen kaikkea se, että keksinnön avulla saadaan yksinkertaisella tavalla aikaan hyvin tasai-35 nen sädekimpun kulmajakautuma, jolloin mittauksen tarkkuus

II

96451 3 paranee aiempiin ratkaisuihin verrattuna. Tasaisella kulma-jakautumalla tarkoitetaan tässä sitä, että sädekimpun kaikissa kulmissa on sama määrä valoa. Etuna on myös keksinnön yksinkertaisuus, jolloin keksinnön käyttöönotto muodostuu 5 edulliseksi. Etuna on edelleen se, että mitään kohdistusop-tiikkaa ei tarvita valolähteen ja kuituoptiikan väliin, vaan valo voidaan johtaa suoraan kuituoptiikan muodostamaan sauvaan.

Keksintöä ryhdytään selvittämään seuraavassa tarkem-10 min oheisessa piirustuksessa esitetyn erään edullisen sovellutusesimerkin avulla, jolloin kuvio 1 esittää periaatteellisena kuvantona refrak-tometrin toimintaperiaatetta, kuvio 2 esittää keksinnön perusperiaatetta sovitet-15 tuna periaatteellisesti kuvion 1 tilanteeseen ja kuvio 3 esittää esimerkkiä refraktometristä, jossa sovelletaan keksinnön mukaista ratkaisua.

Refraktometriä, jota käytetään prosessissa, esimerkiksi puunjalostusprosessissa mittaamaan prosessiliuoksen 20 konsentraatiota nimitetään prosessirefraktometriksi. Pro-sessirefraktometri sijoitetaan prosessiin niin, että ref-raktometrin mittapään optinen ikkuna, joka on muodostettu esimerkiksi prismasta, on kosketuksissa prosessiliuokseen. Prosessirefraktometri mittaa prosessiliuoksen taitekerroin-25 ta mittapään prisman ja prosessiliuoksen rajapinnassa syntyvän kokonaisheijastuksen avulla. Kuviossa 1 on esitetty periaatteellisesti edellä esitetty mittausperiaate.

Valolähteestä 1 tuleva sädekimppu ohjataan prisman 2 ja prosessiliuoksen 3 rajapintaan. Osa sädekimpusta hei-30 jastuu kokonaan takaisin liuoksesta, osa imeytyy osittain liuokseen. Sädekimpun heijastumisesta syntyy kuva 4, jossa valoisan alueen 5 ja pimeän alueen 6 rajan 7 sijainti kuvassa 4 riippuu kokonaisheijastuksen rajakulmasta ja näin ollen siis taitekertoimesta. Määrittämällä valoisan alueen 35 5 ja pimeän alueen 6 rajan 7 sijainti kuvassa 4 saadaan 96451 4 selville prosessiliuoksen konsentraatio. Rajan 7 sijainti voidaan määrittää riviin sijoitettujen valoilmaisinten avulla. Mittauksessa käytettyjen valoilmaisinten lukumäärä on suuri, esimerkiksi K-Patents Oy:n valmistamassa ja myy-5 mässä prosessirefraktometrissä PR-01-S on 256 valoilmaisinta integroituna samalle mikropiirille. Valoilmaisinten muodostama detektori muuttaa kuvan 4 piste pisteeltä sähköiseksi signaaliksi. Valoisalla alueella olevilta valoilmaisimilta saadaan tietty signaali ja pimeällä alueella ole-10 viita valoilmaisimilta tietty signaali.

Edellä esitetty mittausperiaate ja refraktometrin toiminta yleensä on alan ammattimiehelle täysin tunnettua tekniikkaa, joten ko. seikkoja ei esitetä tarkemmin tässä yhteydessä.

15 Kuviossa 2 on esitetty keksinnön mukaisen refrakto metrin perusperiaate sovitettuna periaatteellisesti kuvion 1 esimerkkiin. Kuviossa 2 on käytetty vastaavissa kohdissa samoja viitenumerolta kuin kuviossa 1.

Keksinnön olennaisen ajatuksen mukaan valolähteen 1 20 ja optisen ikkunan 2 väliin on sovitettu kuituoptiikka 8, jonka läpi sädekimppu on sovitettu kulkemaan optiselle ikkunalle 2. Kuituoptiikka 8 on muodostettu yhdestä optisesta kuidusta 8a. Kuidun paksuus sovitetaan valolähteen mukaan. Kuidun paksuus voi olla esimerkiksi muutamia millimetrejä. 25 Esimerkkinä tyypillisestä halkaisijasta voidaan mainita alue olennaisesti 1-2 mm. Kuidun paksuus valitaan niin, että sen läpi saadaan kulkemaan riittävä määrä valoa. Kuitua hyväksi käyttävä sovellutus perustuu siihen, että valolähteen mukaan sovitettu kuitu kerää valolähteestä lähtevän 30 kartiomaisen sädekimpun ja leikkaa terävästi laajat kulmat pois sekä sekoittaa ja homogenisoi valon. Olennaista on se, että ainoastaan se osa valosta menee optiselle ikkunalle, joka heijastuu kuituoptiikan 8 sisällä seinästä toiseen tai kulkee suoraan kuidun läpi. Kulkiessaan kuituoptiikan 8 35 läpi suurin osa säteistä osuu kuidun seinään, heijastuu em.

96451 5 osumakohdasta seinän toiseen kohtaan jne. Lopputuloksena on se, että kuituoptiikan 8 prisman puoleisesta päästä saadaan ulos sädekimppu, jonka kulmajakautuma on jo sellaisenaan hyvin tasainen. Kuituoptiikan 8 ulostulopäästä saadaan siis 5 ulos tasainen valokartio. On huomattava, että kuviossa 2 on esitetty havainnollisuuden vuoksi ainoastaan muutaman säteen kulku. Tasaisuutta voidaan vielä edullisesti parantaa sovittamalla kuidun 8a ulostulopäästä tulevan sädekimpun kulkutielle pieni diffuusori 9. Diffuusorina 9 voidaan 10 käyttää esimerkiksi mattalasia. Kuidun 8a ja optisen ikkunan 2 väliin, edullisesti diffuusorin 9 ja optisen ikkunan 2 väliin, voidaan sovittaa linssi tai linssiyhdistelmä 11, jonka avulla valokartio kohdistetaan optisen ikkunan hei-jastuspintaan, ts. siihen pintaan, joka on kosketuksissa 15 prosessiliuokseen.

Kuviossa 3 on esitetty esimerkki todellisesta ref-raktometristä, jossa käytetään keksinnön mukaista ratkaisua. Kuviossa 3 on vastaavissa kohdissa käytetty samoja viitenumerolta kuin kuvioissa 1 ja 2. Kuvioon 3 on lisäksi 20 viitenumeron 10 avulla merkitty valoherkkä detektori, jonka avulla tieto kokonaisheijastuksen rajakulman, ts. rajan 7 paikasta muunnetaan sähköiseen muotoon.

Edellä esitettyä esimerkkiä ei ole mitenkään tarkoitettu rajoittamaan keksintöä, vaan keksintöä voidaan muun-25 neliä patenttivaatimusten puitteissa täysin vapaasti. Näin ollen on selvää, että keksinnön mukaisen refraktometrin tai sen yksityiskohtien ei välttämättä tarvitse olla juuri sellaisia kuin kuvioissa on esitetty, vaan muunlaisetkin ratkaisut ovat mahdollisia. Esimerkiksi prisman ei välttämättä 30 tarvitse olla juuri sellainen kuin kuvioissa jne.

Claims

96451 6

1. Refraktometri, joka käsittää runkorakenteen, johon on sovitettu valolähde (1), optinen ikkuna (2) ja valo- 5 herkkä detektori (10), jolloin optinen ikkuna (2) on sovitettu sijoitettavaksi kosketuksiin mitattavan liuoksen (3) kanssa ja valolähteestä (1) tuleva sädekimppu on sovitettu johdettavaksi optisen ikkunan (2) ja liuoksen (3) rajapintaan, jolloin osa sädekimpusta heijastuu takaisin liuokses-10 ta (3) ja osa imeytyy osittain liuokseen (3) ja saadaan aikaan kuva (4), jossa valoisan (5) ja pimeän alueen (6) rajan (7) paikka riippuu kokonaisheijastuksen rajakulmasta, joka on liuoksen (3) konsentraation funktio ja tieto rajan (7) paikasta on sovitettu muunnettavaksi sähköiseen muotoon 15 valoherkän detektorin (10) avulla ja jolloin valolähteen (1) ja optisen ikkunan (2) väliin on sovitettu kuituoptiikka (8), jonka läpi sädekimppu on sovitettu kulkemaan optiselle ikkunalle (2), tunnettu siitä, että kuituoptiikka (8) on muodostettu yhdestä, halkaisijaltaan ennalta 20 määrätystä optisesta kuidusta (8a), jonka paksuus on sovitettu niin, että optinen kuitu (8a) kerää valolähteestä (1) lähtevän kartiomaisen sädekimpun ilman valolähteen (1) ja optisen kuidun (8a) välissä olevaa linssiä tai vastaavaa.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen refraktometri, 25 tunnettu siitä, että kuidun (8a) halkaisija on olennaisesti 1-2 mm.

3. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen refraktometri, tunnettu siitä, että kuituoptiikan (8) ja optisen ikkunan (2) väliin on sovitettu linssi tai 30 linssiyhdistelmä (11), joka on sovitettu kohdistamaan säde- kimpun optiselle ikkunalle (2).

4. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen refraktometri, tunnettu siitä, että sädekimpun kulkusuunnassa katsottuna kuituoptiikan (8) jälkeen ref- 35 raktometriin on sovitettu diffuusori (9). 7 S6451