Рефрактометры

Рефрактометры — это оптические приборы, назначение которых — измерение коэффициентов преломления света в изучаемой среде. Рефракция (преломление светового потока) — основа работы таких устройств.

На практике вычисление коэффициента преломления вещества — это измерение соотношения угла вхождения и угла преломления луча на границе двух веществ. Метод, который базируется на этом принципе называется рефрактометрией. Он применим для идентификации химических соединений, в том числе такие, которые синтезируются впервые.

Количественный и структурный анализ — основная сфера применения метода рефрактометрии. Задача метода — определение физических и химических параметров вещества.

Рефрактометры бывают лабораторными и промышленными автоматическими.

Лабораторные рефрактометры

Рефрактометр Аббе — один из наиболее распространенных типов оборудования для измерения степени отклонения луча света от прямой линии на границе двух веществ.

Измерительная и осветительная призмы с высоким показателем преломления помещены в оправы, которые соединяются друг с другом шарнирами. Жидкость нужно наносить на гипотенузную грань измерительной призмы, рукоятка помогает на это время откинуть оправу осветительной призмы.

Конструкция прибора такова, что свет проникает через верхнюю призму с гипотенузной гранью матового типа. Рассеивающийся луч проходит через изучаемую жидкость под разными углами, среди лучей есть и тот, что скользит по поверхности нижней призмы, он падает на нижнюю призму под предельным углом преломления. Лучи с углом, больше предельного, не проходят через нижнюю призму. Потому выходящий через нее луч имеет резкую границу, если источник его монохроматичен.

Рефрактометр создает тонкий поток параллельных лучей, в котором есть выходной поток света из призм. За счет поворота призм его можно направить так, чтобы можно было видеть шкалу с показателями преломления и границу света. Коэффициент преломления жидкого вещества вычисляется по положению резкой границы света и тени на шкале.

• nC — C (656,3 нм);
• nD — D (589,2 нм) — для линии натрия, для линии гелия D-показатель находится на уровне 587,5618 нм;
• nF — F (486,1 нм).

Градус Брикс (Brix) имеет обозначение ˚Bx, это показатель отношения массы растворенной сахарозы к воде. Для измерения используется сахариметр, он определяющий удельную массу жидкости, или рефрактометр. Раствор в 30 ˚Bx содержит 30 граммов сахара на 100 граммов раствора. Значения Брикс переводятся в показатели преломления nD при помощи таблицы значений. Шкала Brix, как правило, используется в пищевой промышленности, чтобы определить, сколько сахара содержится в плодах и продуктах из них. Эту же шкалу применяют на производстве сахара.

Цифровые рефрактометры чаще всего применяются для анализа раствора сахара или сахарозы. Это простые, водонепроницаемые, компактные приборы, которые легко использовать на производстве. Они не требуют особой подготовки операторов. За счет этого приборы, определяющие градус Брикс, широко используются в сельском хозяйстве для мониторинга созревания плодов. С их помощью определяют оптимальное время сбора фруктов, ягод, овощей с учетом их назначения: прямое потребление или переработка.

Лабораторные рефрактометры бывают двух видов: портативные (ручные и цифровые) и стационарные.

Стационарные устройства имеют большие габариты, отличаются повышенной точностью. Они позволяют автоматизировать контроль технологических процессов на производственном предприятии. В лабораториях они незаменимы для контроля ректификации, а также в качестве универсальных детекторов для жидкостных хроматографов.

Портативные приборы применяются для оперативного мониторинга качества продукции в полевых условиях или на фабриках, заводах.

Калибровка рефрактометров осуществляется при помощи дистиллированной воды или специальных жидкостей.

Рефрактометры отличаются точностью и диапазоном значений, шкалами измерений (nD или Brix). Некоторые модели имеют функцию автоматической температурной компенсации. Есть специальные устройства для работы с замутненными жидкостями, с содержащими жиры, красители или с вязкими веществами, для солевых растворов или для контроля качества напитков (молочных, чая или кофе).

Отрасли применения рефрактометров многочисленны:

• медицина (анализ мочи на плотность, анализ субретинальной жидкости глаза, определение содержания белков в сыворотке);
• пищевое производство (измерение концентрации сахара, белков и других компонентов в молочной продукции, определение процента влаги в меде);
• нефтегазовая добыча (измерение температуры замерзания охладителей (жидкостей для охлаждения), анализ концентрации компонентов горюче-смазочных материалов, идентификация сортов автомобильного топлива);
• фармацевтика (анализ воды в сточных отходах, определение концентрации растворов);
• лабораторные рефрактометры используются также в химической отрасли, в научно-технических и научно-исследовательских направлениях деятельности.

Автоматические промышленные рефрактометры

Промышленные установки дают возможность контролировать технологическую цепочку, в которой ежесекундно известно, что происходит в каждой точке системы. За счет отводов и креплений рефрактометры встраиваются в технологическую трубу и позволяют проводить мониторинг концентрации и других состояний жидкостей в режиме реального времени. Например, можно контролировать процессы ферментации, содержание моющих щелочных средств в продукте.

Сфера применения промышленных рефрактометров: крупные пищевые производства, сахарная промышленность.

Промышленный автоматический рефрактометр состоит из двух основных блоков:

• измерительный (вмонтированный в емкость или трубу при помощи фитингов);
• отображающий данные.

Как правило, при монтаже системы рекомендуется отображающий блок монтировать на удалении 15 метров и более от измерительного блока.

В измерительном блоке призма выполнена из искусственного сапфира высокого качества, этот материал устойчив к налипанию проб, к механическим воздействиям.

Промышленные рефрактометры могут быть специализированными, например, измеряющими концентрацию соли, низко-концентрированных веществ, пропиленгликоля, этиленгликоля. В таких моделях есть своя шкала концентрации веществ, где могут отображаться фактическая температура образца и определяться точка его замерзания.

Есть также специальные модели рефрактометров, которые выявляют крайне низкие концентрации веществ в пробах (точность определения — от 0,0 до 2,0% Brix).