乳化液濃度光學折射檢測方法

駱鐵楠

（安標國家礦用產品安全標志中心有限公司，北京100013）

目前，乳化液濃度的檢測方法己經由破乳法、折光儀法，向自動檢測的方向發展。隨著科學技術的進步，各種乳化液濃度檢測技術不斷出現，主要有：光吸收法[1]、光學渾濁度法、電容法[2]、超聲波法[3-5]和其它方法[6-7]等4 類。現存的乳化液濃度檢測方法都存在不同方面、不同程度的問題。為此,提出了一種基于光折射檢測乳化液濃度的檢測原理，對各種實現方案進行分析，選擇最佳方案，并進行系統設計。

1 檢測原理及方案選擇

基于乳化液的光學折射特性來測量其濃度的方法稱為折光法[8]。折光法在結構上有3 種方案：

1）掠入射法。全角度光線（0°～90°）從光疏介質進入光密介質發生折射，通過檢測掠入射光線的折射位置（亮暗分界線）來檢測折射率，從而得出濃度。此方案亮暗區為絕對亮暗，分界線是有折射與無折射區域的臨界線。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進入光疏介質然后再進入光密介質，光路結構對稱，通過檢測出射光線的位置、落點來檢測折射率，從得出濃度。

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

圖2 棱鏡內反射法示意圖Fig.2 Sketch of reflection method

上述3 種方案都采用光電檢測器件檢測出射光線，但掠入射法和透射法都需要光線穿過被測液體，即光通路中含有液體部分，使得傳感檢測的光路部分結構設計較復雜，制造封裝密封面多，不利于檢測傳感器小型化，且透射法要求單色準平行光或準細光束，對光源方向性要求較高。因此，采用棱鏡內反射法。該方法的光通路不穿過被測液體，被測液體在與棱鏡接觸界面處對光通路進行調制，檢測系統所有的元件都布置在接觸界面一側，這樣僅在接觸界面處有1 個密封面，有利于檢測系統的結構設計和傳感器的小型化，是最佳的方案。

2 棱鏡內反射法檢測系統

2.1 測量原理

根據光的折射定律，光線從棱鏡進入被測溶液時，滿足如下關系：

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

2.2 光學系統及元件

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

2）量程及相關參數。根據煤礦生產對乳化液的濃度要求（3%～5%），據此設定測量系統的量程為0.5%～8%。各濃度乳化液的折射率見表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 檢測棱鏡

檢測棱鏡是該光學測量系統的核心元件，其直接接觸乳化液，因此要選用具有耐磨、耐高溫、抗腐蝕等物理化學性能的光學材料，選擇F3 光學玻璃作為棱鏡材料。

根據乳化液的濃度范圍和光學系統[10]的結構，檢測棱鏡需設計成一定的幾何形狀，特別是對它的出射面與乳化液接觸面（測量面）之間的夾角有一定的要求。在系統測量范圍內，形成的臨界角光線必須在出射面對稱于該面法線上。棱鏡的幾何結構如圖3。

1）角參數。根據棱鏡的幾何結構關系和反射定律，可以推導出棱鏡的各角參數。

圖3 棱鏡幾何結構圖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。在滿足檢測光學系統要求的條件下，并考慮測量系統機械結構的要求。

梯形棱鏡高h：h=0.5F1

式中：F1為聚光鏡在棱鏡介質中的焦距。

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 試驗及結果

根據上述設計參數，搭建了試驗平臺，并在此基礎上測量了ME10-2 牌號乳化液濃度，ME10-2 不同濃度乳化液折射率見表2。

測量結果表明，設計的乳化液濃度檢測系統能夠檢測不同濃度的乳化液，平均誤差為5.525%，可以滿足測量要求。

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

4 結 語

研究了各種基于折射的乳化液濃度檢測方案，通過對比分析，選擇了棱鏡反射式測量方案。用各種牌號的乳化油配制了各種濃度的乳化液，利用阿貝折光儀對其折射率參數進行了大量精密測量，獲得了各樣乳化液的折射率數據。詳細設計了棱鏡反射式乳化液濃度檢測系統，計算了分辨率，并通過試驗證明設計的乳化液濃度檢測系統是符合要求的。