介绍MPR E-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、MPR E-Scan临界角折射率仪的原理

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-- 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、MPR E-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, MPR E-Scan折射仪的输出信号仅仅取决于工艺介质的折射率。

3、MPR E-Scan临界角折射仪的应用

3.1、技术参数
： +/- 0.1% 或 0.000075 R.I.；
量程： 0.0015 R.I. ， 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 15 min；
传感器： 当量程为0.015R.I.时，对于0.0015R.I.的变化响应时间< 500ms.
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： INTEL 586SX,133MHz;
触湿材质： Alloy 20/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
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, MPR E-Scan临界角折射仪的( 分辨率) 为0.0003 , 因此在90%--96%H2SO4范围内, 其优于:0.0003 / 0.009 X ( 96-90)%=0.2%（H2SO4）。
   

另外, MPR E-Scan临界角折射仪也可用于发烟酸的浓度测定。

 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。MPR E-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、

4.结束语
MPR E-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，MPR E-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。