乳化液浓度光学折射检测方法

骆铁楠

（安标国家矿用产品安全标志中心有限公司，北京100013）

目前，乳化液浓度的检测方法己经由破乳法、折光仪法，向自动检测的方向发展。随着科学技术的进步，各种乳化液浓度检测技术不断出现，主要有：光吸收法[1]、光学浑浊度法、电容法[2]、超声波法[3-5]和其它方法[6-7]等4 类。现存的乳化液浓度检测方法都存在不同方面、不同程度的问题。为此,提出了一种基于光折射检测乳化液浓度的检测原理，对各种实现方案进行分析，选择最佳方案，并进行系统设计。

1 检测原理及方案选择

基于乳化液的光学折射特性来测量其浓度的方法称为折光法[8]。折光法在结构上有3 种方案：

1）掠入射法。全角度光线（0°～90°）从光疏介质进入光密介质发生折射，通过检测掠入射光线的折射位置（亮暗分界线）来检测折射率，从而得出浓度。此方案亮暗区为绝对亮暗，分界线是有折射与无折射区域的临界线。掠入射法示意图如图1。

图1 掠入射法示意图Fig.1 Sketch of grazing incidence method

2）透射法。特定角度光线从光密介质进入光疏介质然后再进入光密介质，光路结构对称，通过检测出射光线的位置、落点来检测折射率，从得出浓度。

3）棱镜内反射法。部分角度光线（包含浓度变化范围内各临界角度）从光密介质射入光密与光疏界面，后返回光密介质，通过检测不同浓度液体的全反射临界光线位置（亮暗分界线）来测定折射率，从而得出浓度。此方案亮暗区为相对亮暗，分界线是部分反射区域与全反射区域临界。棱镜内反射法示意图如图2。

图2 棱镜内反射法示意图Fig.2 Sketch of reflection method

上述3 种方案都采用光电检测器件检测出射光线，但掠入射法和透射法都需要光线穿过被测液体，即光通路中含有液体部分，使得传感检测的光路部分结构设计较复杂，制造封装密封面多，不利于检测传感器小型化，且透射法要求单色准平行光或准细光束，对光源方向性要求较高。因此，采用棱镜内反射法。该方法的光通路不穿过被测液体，被测液体在与棱镜接触界面处对光通路进行调制，检测系统所有的元件都布置在接触界面一侧，这样仅在接触界面处有1 个密封面，有利于检测系统的结构设计和传感器的小型化，是最佳的方案。

2 棱镜内反射法检测系统

2.1 测量原理

根据光的折射定律，光线从棱镜进入被测溶液时，满足如下关系：

式中：αi为光线入射角（在棱镜一侧）；αr为光线折射角（在液体一侧）；ni为入射侧介质（棱镜）折射率；nr为出射侧介质（被测液体）折射率。

2.2 光学系统及元件

1）光源及光电检测器件。为了获得稳定清晰的亮暗分界，系统的光源采用激光二极管（LD）。采用CCD 作为光电检测器件[9]，检测亮暗分界线的位置，可以降低亮暗对比度和亮度变化带来的测量误差，提高测量精度。

2）量程及相关参数。根据煤矿生产对乳化液的浓度要求（3%～5%），据此设定测量系统的量程为0.5%～8%。各浓度乳化液的折射率见表1。

表1 各浓度乳化液的折射率Table 1 Refractivity of different concentrations

3）特征角。采用F3 光学玻璃做棱镜材料，其折射率为1.616 4。选取MS10-5G，0.5%的临界角αc0.5=39.5°，8.0%的临界角αc0.8=39.6°, 光锥角△α=αc0.8－αc0.5=0.1°, 平均临界角。

2.3 检测棱镜

检测棱镜是该光学测量系统的核心元件，其直接接触乳化液，因此要选用具有耐磨、耐高温、抗腐蚀等物理化学性能的光学材料，选择F3 光学玻璃作为棱镜材料。

根据乳化液的浓度范围和光学系统[10]的结构，检测棱镜需设计成一定的几何形状，特别是对它的出射面与乳化液接触面（测量面）之间的夹角有一定的要求。在系统测量范围内，形成的临界角光线必须在出射面对称于该面法线上。棱镜的几何结构如图3。

1）角参数。根据棱镜的几何结构关系和反射定律，可以推导出棱镜的各角参数。

图3 棱镜几何结构图Fig.3 Geometry structural of prism

梯形棱镜上梯角∠ADB：

梯形棱镜下梯角∠DBC：

2）外形尺寸参数。在满足检测光学系统要求的条件下，并考虑测量系统机械结构的要求。

梯形棱镜高h：h=0.5F1

式中：F1为聚光镜在棱镜介质中的焦距。

梯形棱镜宽度c：c=10 mm。

3）聚光透镜。

式中：φL为原始平行光束直径；△α′为光锥在空气中的锥角。

3 试验及结果

根据上述设计参数，搭建了试验平台，并在此基础上测量了ME10-2 牌号乳化液浓度，ME10-2 不同浓度乳化液折射率见表2。

测量结果表明，设计的乳化液浓度检测系统能够检测不同浓度的乳化液，平均误差为5.525%，可以满足测量要求。

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

4 结 语

研究了各种基于折射的乳化液浓度检测方案，通过对比分析，选择了棱镜反射式测量方案。用各种牌号的乳化油配制了各种浓度的乳化液，利用阿贝折光仪对其折射率参数进行了大量精密测量，获得了各样乳化液的折射率数据。详细设计了棱镜反射式乳化液浓度检测系统，计算了分辨率，并通过试验证明设计的乳化液浓度检测系统是符合要求的。