介绍mpre-scan临界角折射仪的工作原理、技术参数、性能特点, 及在硫酸厂干燥酸浓度测定方面的应用。
在硫酸生产过程中,炉气干燥过程是非常重要的一个环节, 而干燥用酸的浓度则是影响干燥效果的主要因素之一。因此, 必须严格控制酸浓, 适当的控制范围为93%~9 5%。
目前, 在国内的硫酸生产过程中, 对干燥酸浓度的分析方法通常有: 密度法、电导法、沸点法, 等等,它们各有利弊。近年来, 在国内外硫酸生产过程中, 采用了全反射式( 即临界角)折射率分析仪测量干燥酸浓。这种分析仪精度高(可达到0.1%h2so4 ;)稳定可靠, 维护量小。以下对mpr e-scan临界角折射仪作简要介绍。
1、mpre-scan临界角折射仪的原理
根据光学原理可知, 当光线从一种介质进入另一种介质时, 将发生折射(如下图所示)折射率n为光线在这两种介质中的传播速度之比, 亦即为入射角正弦值与折射角正弦值之比:
但是, 如图2 所示,当光线从光密物质进入光疏物质时, 折射光将向界面方偏移。当入射角大到一定程度时,折射光就会沿介质界面进行传播, 这时的入射角称为临界角在数学上临界角的定义为:
式中: n1--第一种介质的折射率;n2--第二种介质的折射率.
当入射角大于临界角时, 光不能按折射定律进入光疏物质, 而只会发生“全反射”现象。
临界角折射仪就是根据当光从光密介质中进入光疏介质时, 连续改变其光线入射角, 使光线周期性发生折射--全反射, 通过测量出其反射光线的明暗变化规律, 从而测得溶液浓度。
2、mpre-scan临界角折射率仪的构造原理
如图所示，光线经透镜/光,过一狭缝射到一个以每分钟3600转的速度,转动的八角棱镜上。棱镜转动45度，转时, 从八角棱镜射出的光线会从透镜2 上的位置a 扫射到位置b处;棱镜再转45度时,光线会再从位置a返回到位置b处,随着棱镜的不断转动，这一过程不断循环。连续扫射的光线经透镜2聚焦到蓝宝石与工艺溶液的界面上。当光线从位置a扫射到b时,射向溶液的光线便经历了一个“ 折射、临界状态~ 全反射” 的过程, 相反亦然。这一过程以每秒480次的周期循环。在全反射光线处,加一光敏晶体管, 接收全反射光及部分发生折射后的反射光, 输出近似方波的脉冲信号。当光线发生全反射时, 光敏晶体管输出值处于前沿,当光线发生折射时, 输出值处于后沿。
当工艺介质浓度发生变化时, 光线的临界角亦相应发生偏移。
这样, 就导致在每一光线周期变化过程中, 全反射所经历的时间发生变化。相应地,光敏晶体管输出亮、暗脉冲宽度发生变化( 如图 ), 据此便可测得介质浓度。由以上可知, 介质密度或浓度的变化,导致了折射率和临界角的变化, 反映在入射光全反射持续时间的变化, 表现为光敏晶体管输出方波宽窄r 的变化,这一特性正是临界角折射仪的最大优点。mpr e-scan折射仪不依赖于得到信号的方波幅度。并且与工艺介质的颜色无关,与工艺介质含杂质颗粒、混浊与否无关。mpr e-scan折射仪中棱镜的旋转速度对测量值亦无影响。总之, mpre-scan折射仪的输出信号仅仅取决于工艺介质的折射率。
3、mpre-scan临界角折射仪的应用
3.1、技术参数
精度：     +/- 0.1% 或 0.000075 r.i.；
量程：     最小 0.0015 r.i. ，最大 0.2146 r.i. ；
可重复性：  0.05%或更好；
灵敏度：   0.05%或更好；
响应时间：
变送器：   250m.s.至15min；
传感器：   当量程为0.015r.i.时，对于0.0015r.i.的变化响应时间
工艺温度：  高达 150℃（300℉）；
环境温度：  -40--50℃；
现场显示：  6.7’tft-lcd,640*480pixel；
处理器：    intel586sx,133mhz;
触湿材质：  alloy20/sapphire/teflon/viton；
管道适配器：各尺寸alloy 20/20内衬ptfe管道适配器（流通池）；
信号输出：  4-20ma /0-10vdc/rs232c；
电源：     85-260vac 50-60hz。
3.2 折射率仪对干燥酸浓的测最精度
90%--99.5%浓硫酸的折射率如下图所示, 基本为线性关系。在90 % 浓度下,折射率值约为1.438 ; 在96%浓度下, 折射率值约1.429 ；在99.5% 浓度下, 折射率值约为1.420。即在90 % ~9 6% h2so4范围内, 折射率差值1.438-1.429=0.009（此即为折射率量程）。根据上述技术数据, mpre-scan临界角折射仪的精度( 分辨率) 为0.0003 , 因此在90%--96%h2so4范围内, 其精度优于:0.0003 /0.009 x ( 96-90)%=0.2%（h2so4）。
3.3 干燥酸浓的在线分析及调节
如右图所示, mpr e-scan临界角折射仪安装在干燥酸冷却器出口, 用以在线测定硫酸浓度。mpre-scan临界角折射仪测得的硫酸浓度信号送至调节控制器中。当干燥酸浓低于设定值时, 调节控制器将串酸阀门开度加大,输入吸收系统的浓酸, 从而使干燥酸浓度上升, 待浓度达到设定值时关调节阀。
4、结束语
mpre-scan临界角折射率仪目前在国内外应用的较多。在中石油吉化、中石化安庆石化、中海油惠炼公司、美国孟莫克化工、法国北部里立磷肥厂、德国巴斯夫公司、法国爱森公司、日本三菱化工株式会社、日本小林制药等公司，mpre-scan临界角折射仪已稳定可靠地运行了数年, 并且基本上无任何维护作量。

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刘 铭
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