Il rifrattometro di processo è un analizzatore in linea per applicazioni industriali, progettato per operare in continuo e fornire misure in tempo reale senza necessità di campionamenti manuali. Consente di determinare la concentrazione di un soluto A disciolto in un solvente B all’interno di una miscela liquida binaria (a due componenti).

Il valore di concentrazione può essere espresso con diverse unità, come gradi Plato, Brix o densità, in funzione del settore applicativo di riferimento.

In ogni caso, la misura viene tipicamente fornita in percentuale (%), e non in unità come ppm o ppb.

Il Principio di Misura del Rifrattometro di Processo

PRINCIPIO OTTICO DI FUNZIONAMENTO

Il principio di misura del rifrattometro di processo è di tipo ottico. Lo strumento emette un fascio luminoso che attraversa una micro-finestra trasparente posta a diretto contatto con il fluido di processo. In queste condizioni si verificano due fenomeni:

• una parte della luce viene riflessa verso il sensore
• una parte della luce viene rifratta e si disperde all’interno del liquido

È importante sottolineare che la luce non attraversa l’intera tubazione o il serbatoio: non esiste un vero e proprio cammino ottico come avviene nella fotometria di processo.

La misura si basa esclusivamente sull’interfaccia ottica tra la lente e il fluido; è quindi sufficiente che la superficie della lente sia correttamente bagnata per ottenere una misura affidabile e precisa.

ESEMPIO FISICO DEL FENOMENO

Questo principio ottico si basa su un fenomeno molto comune: quando una matita o una cannuccia viene immersa in un bicchiere d’acqua, oppure quando si osserva un remo nel mare, questi appaiono visivamente “piegati”.

Già nel 1621, grazie agli studi di Snell, si comprese che un fascio di luce che attraversa l’interfaccia tra due mezzi diversi (ad esempio aria e acqua) si comporta in modo distinto:

• una parte dei raggi viene riflessa verso il mezzo di origine,
• una parte dei raggi viene rifratta, cioè cambia direzione penetrando nel secondo fluido con un angolo differente.

ANGOLO CRITICO E INDICE DI RIFRAZIONE

Quella specifica angolazione di incidenza del raggio luminoso per cui il raggio rifratto diventa tangente all’interfaccia tra i due mezzi è definita angolo critico.

L’indice di rifrazione di un materiale, indicato come nD, rappresenta invece il fattore numerico che descrive quanto la velocità di propagazione di una radiazione elettromagnetica, come la luce, venga ridotta all’interno di quel mezzo.

È proprio questa variazione di velocità che genera il fenomeno della rifrazione e che porta, ad esempio, alla percezione visiva della “piegatura” di una matita immersa in acqua.

Il primo rifrattometro fu sviluppato da Ernst Karl Abbe, fisico e professore presso l’Università di Jena, che ne descrisse il funzionamento nel 1873. Nei primi modelli era già presente un sistema di termostatazione del campione, realizzato tramite un tubicino attraversato da acqua a temperatura controllata: Abbe aveva infatti intuito fin da subito il ruolo determinante della temperatura nella misura dell’indice di rifrazione.

 

PERCHè IL RIFRATTOMETRO DI PROCESSO è UNO strumento digitale?

SORGENTE LUMINOSA E CONFRONTO CON IL LABORATORIO

Perchè questo analizzatore di concentrazione è di tipo digitale e non più analogico?

Innanzitutto la luce emessa è di tipo monocromatico con la lunghezza d’onda del sodio-d: siccome questa è la metodica del laboratorio, il confronto tra i risultati del rifrattometro di processo e le prove con i campioni in laboratorio è immediato ed eventuali scostamenti sono gestibili elettronicamente dal sensore stesso.

La luce quindi passa nel prisma che è bagnato dal processo e mentre parte si perde nel liquido parte ritorna indietro verso l’elettronica.

RILEVAZIONE TRAMITE SENSORE CCD

Variando la concentrazione del soluto A l’indice di rifrazione cambia e soprattutto cambia l’angolo critico (nell’immagine sotto rappresentato dal raggio rosso). Di questo raggio critico ne viene letta la posizione su un sensore CCD, costruendo una immagine ottica.

INTERPRETAZIONE DEL SEGNALE

Quindi in soldoni al variare della concentrazione nella fase liquida varia l’inclinazione del raggio rosso tratteggiato cioè cambia l’angolo critico in tempo reale, istantaneamente. Questo raggio proprio dell’angolo critico mi evidenza la linea di confine tra l’area scura e l’area chiara del sensore CCD creando una curva matematica che ci permette, calcolando la cuspide, cioè il punto esatto di variazione da curva concava a convessa, che rappresenta l’indice di rifrazione.

INDICE DI RIFRAZIONE 1,32 a 1,54 nD: È COMODO DA UTILIZZARE?

Dal punto di vista fisico, l’indice di rifrazione misurato da un rifrattometro di processo non si esprime su scale intuitive come 0–100% o 4–20 mA, ma tipicamente in un intervallo ristretto compreso tra 1,32 e 1,54 nD. Si tratta quindi di un range poco immediato per un operatore in campo.

Inoltre, considerando una precisione tipica dello strumento pari a ±0,00014 nD, risulta evidente come differenze tra valori come 1,32123 e 1,32137 siano di fatto impossibili da interpretare in modo pratico senza un adeguato supporto.

Conversione in unità più intuitive

Per questo motivo, nella maggior parte delle applicazioni industriali l’indice di rifrazione viene convertito in unità di misura più comprensibili e operative, come ad esempio gradi Brix (0–100%) o altre scale di concentrazione specifiche per il processo. Questa conversione consente una lettura immediata del dato e facilita il controllo e l’ottimizzazione del processo da parte dell’operatore.

Ma la temperatura del processo che varia influisce il Rifrattometro di Processo?

Durante lo studio di fattibilità, come primo passo, vengono eseguite prove sperimentali per determinare la curva di calibrazione specifica dell’applicazione. Questa fase è fondamentale perché la relazione tra indice di rifrazione e concentrazione non è universale, ma dipende da diversi fattori: natura del solvente, tipo di soluto, temperatura e lunghezza d’onda della sorgente luminosa.

Utilizzando una sorgente monocromatica a lunghezza d’onda definita (tipicamente la linea sodio-D), diventa quindi essenziale controllare con precisione la temperatura di processo. Questa viene misurata in continuo tramite una Pt1000 integrata in prossimità dell’ottica del prisma.

La ragione è che la compensazione della temperatura non segue un andamento lineare: varia infatti sia in funzione della temperatura stessa sia della concentrazione della soluzione. Allo stesso modo, anche la relazione tra concentrazione e indice di rifrazione è di tipo non lineare. Per questo motivo, la costruzione di una curva di calibrazione accurata rappresenta un passaggio indispensabile per garantire misure affidabili.

La concentrazione può essere calcolata dall’indice di rifrazione e dalla temperatura quando queste funzioni non lineari sono note: si conoscono diversi algoritmi di compensazione della temperatura ma nell’uso pratico, un semplice polinomio di 3° grado sia per la temperatura che per la concentrazione (in totale 16 coefficienti, vedi tabella Parameter Matrix C sotto il grafico di esempi) è sufficiente.

VANTAGGI DEL RIFRATTOMETRO DI PROCESSO

• il rifrattometro di processo è un analizzatore in linea, senza campionamento, che permette di vedere in tempo reale cosa accade nel processo e di controllarlo in modo continuo.
• con il rifrattometro si monitora costantemente la concentrazione, riducendo il consumo di materie prime e limitando la formazione di sottoprodotti da smaltire.
• l’utilizzo del rifrattometro di processo evita anche interventi manuali frequenti da parte degli operatori, spesso in condizioni difficili o pericolose, su turni continuativi.
• dal punto di vista del laboratorio, il carico di analisi ripetitive diminuisce: il controllo diventa più periodico e focalizzato sulla verifica del funzionamento del  rifrattometro.
• non ci sono interferenze legate al colore del fluido, perché il principio di misura del rifrattometro non dipende dallo spettro visibile.
• allo stesso modo, particolato e bolle non influenzano la misura: il segnale ottico del rifrattometro di processo resta stabile perché non viene modificato l’angolo critico di rifrazione.

LA NOSTRA OFFERTA TECNICA

Noi di Tecnova HT collaboriamo da oltre dieci anni con Vaisala per proporre rifrattometri di processo tra i più affidabili e performanti sul mercato. La gamma che mettiamo a disposizione è ampia e copre diverse esigenze applicative: i modelli PR53 e PR43 rappresentano il nostro riferimento principale per applicazioni industriali standard e avanzate, mentre disponiamo anche di soluzioni dedicate per ambienti ATEX e aree a rischio esplosione.

A questo punto, alla domanda “Il rifrattometro di processo come funziona?” sapete già rispondere in modo consapevole.

Se desiderate approfondire ulteriormente, possiamo accompagnarvi anche nella spiegazione fisica del principio di misura, con le formule matematiche di riferimento, oppure ripercorrere la storia del rifrattometro di processo e il contributo degli scienziati che ne hanno posto le basi teoriche.

Per un approfondimento completo, vi lasciamo il PDF qui sotto.