Все о рефрактометрах

Среди современных рефрактометров можно встретить как автоматические, так и ручные модели. Эти устройства способны работать с широким диапазоном образцов и обеспечивают высокую точность в своих измерениях. Благодаря простоте использования и высокой надежности, рефрактометры нашли применение в различных областях науки и промышленности, где они используются для контроля качества, анализа состава и свойств различных материалов и веществ.

Что такое рефрактометр

Рефрактометр — это устройство, предназначенное для измерения степени преломления света в различных веществах. Этот процесс анализа востребован в множестве отраслей промышленности и используется в научных исследованиях, а также в контроле качества. Например, рефрактометры, реагирующие на изменение преломления света, применяются для определения состава воды, ее чистоты и уровня примесей. На основании полученных данных можно принимать решения по отбраковке материала, а также устанавливать его безопасность и физико-химические характеристики.

1. Угол падения и угол преломления света — это физические величины, которые взаимосвязаны друг с другом. Угол падения определяется в начале анализа, а угол преломления устанавливается после прохождения света через исследуемую жидкость.
2. В процессе измерений используется база эталонных величин, которая содержит углы преломления для различных типов материалов.
3. Специалист, зная углы отражения света, может точно определить состав жидкости, сверяя полученные результаты с базой эталонов.

Использование рефрактометра, вне зависимости от его типа, основано на перечисленных выше принципах. Основные различия устройств заключаются в точности измерений, функциональных возможностях и особенностях эксплуатации, которые могут варьироваться в зависимости от производителя.

На изображении представлен рефрактометр, специально разработанный для измерения ингибиторов.

Виды рефрактометров

Одним из первых рефрактометров для анализа воды является аппарат Аббе, который выполняет измерения с помощью призменных блоков и компенсирующих дисперсий, работая при длине волны 589,3 нм.

Современные рефрактометры прошли значительные модернизации и сейчас оснащены мощной электронной начинкой. Это значительно повысило их точность и скорость работы, а также расширило их область применения.

В зависимости от предназначения, производители предлагают несколько групп рефрактомеров:

1. Промышленные рефрактометры. Это крупные приборы, используемые на производственных предприятиях. Они интегрированы в производственные линии и выполняют постоянный контроль качества продукции. Эти устройства отличаются высокой пропускной способностью и уровнем автоматизации.
2. Лабораторные рефрактометры. Наиболее точные модели, предназначенные для выборочного анализа веществ в рамках научных экспериментов. Такие рефрактометры обычно устанавливаются в специализированные лаборатории и требуют строгого соблюдения условий работы.
3. Портативные рефрактометры. Компактные ручные устройства, которые используются для выездных процедур. Ими можно измерять качество воды в естественных источниках, а также анализировать образцы в условиях техногенных или природных катастроф.

На одном предприятии могут использоваться различные типы рефрактометров. Например, на производственной линии могут находиться промышленные модели, в то время как в специальном исследовательском центре установлены лабораторные устройства. Промышленные рефрактометры обеспечивают непрерывный контроль качества готовой продукции, а лабораторные модели выполняют углубленный выборочный анализ.

Что такое рефрактометр и как он работает?

Каждое вещество обладает уникальной плотностью, которая может изменяться при растворении одного вещества в другом. Например, чистый мед имеет большую плотность, чем мед, разбавленный сиропом. В то же время, готовое вино легче по сравнению с не полностью перебродившей брагой, когда дрожжи еще не завершили процесс переработки сахара в спирт.

Оптическим устройством, специализированным для определения плотности, является рефрактометр. Когда световой луч проходит через жидкость, его направление определяется изменением условий, что позволяет вычислить плотность вещества и его состав на основании угла преломления.

Конструкция и принцип работы рефрактометра

Рефрактометр измеряет плотность прозрачных жидкостей за счет эффекта преломления света. Устройство состоит из множества компонентов, а значительных изменений плотности вещества соответствуют изменения в скорости, с которой свет проходит через него, что приводит к увеличению угла, на который отклоняется свет от первоначального направления.

После этого световые лучи проходят через систему линз и попадают на шкалу прибора. На этой шкале отношение между двумя компонентами — освещенным и затемненным — даёт возможность определить коэффициент преломления, а, следовательно, и плотность вещества.

Для различных жидкостей результаты измерений могут быть выражены в разных единицах измерения.

• Содержание алкоголя в браге определяется в градусах.
• Концентрация сахарозы обозначается в градусах Brix (Брикс). Например, 25°Bx соответствует 25 граммам сахара в 100 граммах раствора.
• Шкала Baume (Боме) показывает плотность жидкости. Так, плотность дистиллированной воды при температуре 15°С составляет 0 Be°, а 15%-й раствор поваренной соли — 15 Be°.
• Показатель Water позволяет определить влажность продукта.

Эти шкалы отличаются частотой делений, то есть расстоянием между отметками. Существуют таблицы, которые помогают переводить градусы в Bx, но гораздо удобнее приобрести специализированный рефрактометр — простые модели стоят в пределах 2000-4000 рублей.

Несмотря на схожесть в принципе действия, у разных моделей рефрактометров могут быть различия в конструкции и области применения.

• Ключевым элементом является призма с высоким коэффициентом преломления, на которую наносится исследуемая жидкость.
• Защитное стекло снаружи призмы служит для защиты от повреждений и помогает обеспечить равномерное распределение образца, что повышает точность измерений.
• Калибровочный винт нужен для настройки оптической системы. Для предотвращения случайной регулировки винт имеет углубление, и его можно настроить только с помощью отвертки.
• Система линз фокусирует свет на шкале. Линзы сделаны в основном синий цвет, чтобы четко обозначить границы между светлым и темным участками шкалы.
• С учетом того, что при повышении температуры плотность большинства материалов снижается, для уменьшения погрешностей в конструкцию включена биметаллическая пластина, которая автоматически перемещает нулевую отметку с ростом температуры. Эта функция называется АТС — Automatic Temperature Compensation System. Настройка пластины происходит на заводе, и в дальнейшем донастройка не требуется.

Система ATC позволяет проводить измерения в диапазоне температур от 10°С до 30°С. Таким образом, рекомендуется выбирать рефрактометры с этой функцией. Если же такая возможность отсутствует, то измерения обязательно следует проводить при температуре 20°C, иначе возможны погрешности, которые придется корректировать по специальным таблицам.

Точность большинства приборов составляет 1-2,5% или 0,1-0,3 Brix. Хотя в большинстве случаев они аналогично устроены, каждый рефрактометр может иметь свою специфическую область применения.

Типы рефрактометров

Современные приборы для проведения рефрактометрии можно классифицировать на:

• Промышленные
• Лабораторные
• Портативные (включая ручные и цифровые)

Промышленные и лабораторные рефрактометры, как правило, достаточно большие и предназначены для стационарного использования. Эти устройства используются для исследования различных веществ и контроля технологических процессов на производственных предприятиях. Они характеризуются высокой точностью и комплексной конструкцией.

Портативные рефрактометры требуют меньших размеров и удобны для оперативных измерений в лабораторных, производственных или даже полевых условиях.

Цифровые рефрактометры обладают жидкокристаллическими экранами для отображения результатов измерений и обычно имеют множество дополнительных функций, таких как способность измерять коэффициенты преломления и плотности различных веществ, а также учитывать температуру и прочее.

Ручные рефрактометры представляют собой наиболее компактные и простые в использовании устройства. Эти приборы не имеют электронных компонентов и источников питания, что делает их удобными как для профессионального применения, так и для использования в домашних условиях. Из-за высокой точности, простоты в эксплуатации и доступной цены ручные рефрактометры пользуются большой популярностью.

Калибровка и подготовка рефрактометра к эксплуатации

Перед началом работы с рефрактометром его необходимо откалибровать. В некоторых моделях требуется специальная жидкость для этого процесса, но большинство моделей можно калибровать, используя дистиллированную воду.

Рассмотрим подробнее последний метод калибровки.

Если вы посмотрите в окуляр любого рефрактометра без калибровочной жидкости, его шкала будет окрашена лишь в синий цвет (см. рисунок 1).

Для калибровки на призму необходимо нанести 2-3 капли дистиллированной воды, что удобно делать с помощью пипетки. После защиты призмы стеклом жидкость должна равномерно распределяться по всей поверхности, не оставляя пузырьков и сухих участков.

По истечении 30 секунд, необходимого для того, чтобы образец адаптировался к температурным условиям окружающей среды, рефрактометр направляется на естественное дневное освещение (не следует использовать флюоресцентное освещение). В окуляре при этом должно отображаться разделение цветов: синий и белый (см. рисунок 2).

Цель калибровки — добиться совпадения границ этих двух участков, находящейся на отметке 0.0 (рис. 3) с помощью настройки калибровочного винта.

По завершении калибровки призму следует аккуратно протереть мягкой тканью.

Области применения рефрактометров

Рефрактометры находят широкое применение в самых различных областях. Они служат для анализа химических и физических свойств веществ, определения концентраций отдельных компонентов в растворах и смесях, а также для оценки качества продукции. Основные области применения включают:

• Пищевая промышленность: измерение влажности, содержания сахара, белков, сухого остатка и жиров в разных видах сырья и готовых продуктах, таких как соусы, джемы, детские пюре, мед, молочные изделия и сиропы.
• Производство алкогольных напитков: проверка содержания сахара и крепости вин, пива, спирта, а также ликероводочных изделий.
• Химическая промышленность: определение долей таких компонент в растворах как кислоты, гликоли, соли металлов, щелочи и другие химические соединения; мониторинг процессов полимеризации пластиков и искусственных смол.
• Фармацевтика: оценка качества медикаментов, проверка концентрации растворов, анализ содержащихся веществ.
• Научные исследования: изучение различных свойств веществ, растворов, смесей.
• Медицина: биохимический анализ крови (определение белка в сыворотке), клинический анализ мочи (измерение плотности).
• Нефтегазовая промышленность: анализ состава и влажности масел и газов (например, метана), оценка качества топлива.
• Машиностроение: контроль характеристик смазочно-охлаждающих жидкостей (СОЖ) для разнообразных транспортных средств — автомобилей, судов, специальной техники.
• Пчеловодство: проверка уровня влаги в меде перед его продажей.
• Контроль качества на различных типах производств: определение концентрации крахмала в клеевых составах, бумажной продукции и канцелярских товарах.

Рефрактометры могут быть полезны не только в профессиональных сферах, но и в быту. Их используют для самогоноварения, контроля характеристик охлаждающих жидкостей в автомобилях и компромиссного анализа некоторых продуктов питания.

Конструкция рефрактометра

Конструкция рефрактометра включает несколько основных компонентов:

• Призма: обычно изготавливается из прозрачного материала, такого как стекло или пластик, и служит для преломления световых лучей при их входе в прибор. Она имеет две поверхности, что создает необходимый угол для работы устройства.
• Капля исследуемого вещества: эта жидкость помещается на призму для последующего измерения ее показателя преломления.
• Система линз: используется для фокусировки изображения света, проходящего через образец, на окуляре или фотодатчике.
• Окуляр или фотоэлемент: служит для измерения интенсивности света, прошедшего через исследуемую жидкость.
• Регулировочные винты: предназначены для изменения положения образца и фокусировки изображения на окуляре или сенсоре.
• Источник света: освещает каплю исследуемой жидкости, позволяя четко увидеть изменения в преломлении света.
• Отражатель: используется для направления света на исследуемый образец и для равномерного освещения.

Применение рефрактометров

Рефрактометры находят применение в самых разных областях:

• Пищевая промышленность: определение содержания сахара, жиров и белков в продуктах, контроль соответствия качества и идентичности товаров.
• Фармацевтика: контроль за качеством и измерение концентрации активных компонентов в медикаментах, установка чистоты препаратов.
• Химическая промышленность: определение концентрации и состава растворов, контроль качества сырья и готовой продукции.
• Нефтегазовая отрасль: измерение плотности и содержания нефтепродуктов, обеспечение качественного контроля топлива и смазки.
• Сельское хозяйство: определение содержания влаги и минералов в почвах, контроль характеристик удобрений и анализ кормов для животных.

• Лаборатории: проверка качества образцов, а также проведение научных исследований и анализов, связанных с определением показателей преломления.
• Экологический мониторинг: исследование водоемов на предмет загрязнения и оценка эффективности процессов очистки.
• Косметическая индустрия: контроль качества косметических средств, таких как кремы, лосьоны, шампуни.
• Ветеринарная практика: анализ качества молока и других продуктов животного происхождения.
• Производство алкоголя: контроль степени дистилляции и определение крепости алкогольной продукции.

Кроме того, рефрактометры могут быть полезны в научной исследовательской деятельности, в учебных заведениях, а также в домашних условиях для контроля качества продуктов питания и напитков.