Prosessirefraktometrin kalibrointi

Abstract

Tämä insinöörityö tehtiin Janesko Oy:lle, joka vastaa K-Patents-konsernin tutkimus- ja tuotekehitystyöstä. K-Patents Oy valmistaa prosessiteollisuudessa käytettäviä optisen tiheyden mittaukseen perustuvia mittalaitteita, refraktometreja. Joulukuussa 2018 sekä Janesko Oy että K-Patents Oy siirtyivät Vaisala Oyj:n omistukseen.

Tavoitteena oli kokeellisin menetelmin löytää selitys sille, miksi tehdaskalibroitu mittalaite näyttää veden taitekertoimelle kirjallisuusarvosta poikkeavaa positiivista lukemaa. Elintarviketeollisuuteen tarkoitettu prosessirefraktometri mittaa vesiliuoksen sokeripitoisuutta. Puhtaalla vedellä tehdyissä mittauksissa veteen ei ole liuenneena sokeria, jolloin veden konsentraation tulisi olla 0,0 brix, mutta tyypillisesti laite kuitenkin näyttää lukemaa 0,2 brix.

Aikaisempia tutkimuksia aiheesta ei ollut, joten ennen työn aloitusta mietittiin fysikaalisten ilmiöiden pohjalta mahdollisia syitä, jotka mittausvirheen voisivat aiheuttaa. Tämän pohdinnan perusteella määräytyivät ensimmäiset tutkimukset. Varsinaista koesuunnitelmaa ei ollut, vaan jokainen tutkimus määräytyi aina edellisistä tutkimuksista saatujen tulosten ja niistä tehtyjen päätelmien perusteella.

Laboratoriotutkimusten perusteella suurimmaksi syyksi osoittautui mitattavan näytteen virheellinen lämpötilanmittaus. Kalibroinnin a-parametrien määrityksessä käytetään laitteen sisään integroidun PT-1000-lämpötila-anturin antamaa mittaustulosta. Todellisuudessa kuitenkin laitteen sisältämän elektroniikan lämpenemisen vaikutuksesta myös prisma lämpenee. Tästä syystä kalibroinnissa käytettävä PT-1000-lämpötila-anturin antama mittaustulos on liian matala, jolloin taitekerroin korjataan tyypillisesti liian suureksi.

This Bachelor’s thesis was done for Janesko Oy, a company that is responsible for K-Patents Group’s research and development. K-Patents Oy manufactures refractometers that use optical density measurement in the process industry. As of 1 January 2019, both Janesko Oy and K-patents Oy have been owned by Vaisala Oyj.

The aim of the thesis was to discover, by experimental methods, an explanation why a factory calibrated measuring device gives a positive reading that differs from the literal value of the refractive index of water. The process refractometer for the food industry measures the sugar content of an aqueous solution. In pure water measurements, there is no sugar dissolved in water, so the water concentration should be 0.0 Brix. However, typically the device shows a reading of 0.2 Brix.

In order to achieve an understanding of the physical phenomena which could cause the measurement error, it was necessary to do some pre-study. The first experiments were designed based on this study. There was no actual test plan, instead each of the experiments was based on the results of the previous experiments and the conclusions drawn from them.

Based on the laboratory experiments, the main cause is an error in measuring the sample’s temperature. The a-parameters of the calibration are based on the measurement of the internal PT-1000 temperature sensor. However, the electronics inside the refractometer cause the prism to warm up. Due to this, the reading of the internal temperature sensor is lower than the temperature on the surface of the prism. This causes the calibrated correction of the refractive index to be typically too high.