Что такое рефрактометр – устройство и как работает

Одним из полезных, очень простых устройств, работающий на непрямом методе измерения, то есть без сложного, длительного и дорогостоящего лабораторного анализа является рефрактометр.

Что такое рефрактометр

Это оптический прибор, функционирующий на явлении рефракции (отсюда и произвошло его название), используемый в разноообразных отраслях производства и в быту:

• пищевая промышленность;
• производство меда;
• закупка и приемка молока;
• химия;
• автомобили (плотность аккумуляторной кислоты и охлаждающей жидкости);
• производство пива, водки, самогона, вина;
• медицина.

И это не полный перечень, но его достаточно, что однозначно утверждать, что существуют рефрактометры для сахара, меда, патоки, сиропов, джемов, фруктовых соков, компотов, молока и продуктов переработки, СОЖ (смазочно-охлаждающая жидкость), спирта, алкогольных полуфабрикатов (например сусла, браги).

Интересно, что широчайший спектр применения, казалось бы совершенно разнородных веществ никак не влияет на устройство рефрактометров, принцип действия и метод измерения.
Да, может добавляться одна или две дополнительные шкалы, но по внешнему виду, если нет никаких пометок на корпусе, понять для чего предназначен тот иной рефактометр, не представляется возможным.

И это огромный плюс ! Поскольку это редкий случай, когда для каждой из перечисленных выше отраслей организуется производство рефрактометров, нужны минимальные измерения в конструкции, а значит упрощается подготовка проектной документации, большинство деталей унифицировано, снижаются накладные расходы, себестоимость, а значит и отпускная цена, становясь доступной даже для частных лиц с невысоким уровнем дохода.

Если брать представленные в интернет-магазинах Украины на рынке измерительных приборов, рефрактометры, и сравнить их стоимость с минимальной зарплатой, то на последнюю можно купить в зависимости от модификации в среднем 3-4 рефрактометра. А это лучший признак того, что инвестиции в этот оригинальный измеритель конфентрации растворенных веществ в растворе достаточно скромные, и при этом, окупаемость будет очень быстрой (как правило до 1 года), а срок службы по уверениям производителей, если аккуратно эксплуатировать, достигает 10-ти лет.

Чем было вызвано появление рефрактометров ?

Для крупных компаний, у которых есть возможность финансировать за счет собственных финансовых ресурсов ведомственные лаборатории, расположенные не далеко от производственных мощностей, не сложно делать лабораторные аналитические исследования. У них для этого есть все оснащение: приборы, измерительное оборудование, посуда, мебель, химические реактивы и т.д.

Но как быть, если анализ необходимо провести прямо на месте ? Например на плантации сахарной свеклы, выдавив сок, чтобы проверить содержание сахара или на пасеке, сделав анализ меда на сахаристость и влажность (медовые ручные рефрактометры снабжены двумя шкалами).
Лабораторию в поле или в сад не вывезешь. По этой же причине столь популярны портативные влагомеры для зерна, способные работать на открытом воздухе и предоставлять результат за 1 минуту.

Немного забегая вперед, скажем, что для рефрактометров время экспресс теста еще быстрее. По сути оно ничем не ограничено. Никакой электроники, преобразующей аналоговые сигналы в цифровые здеь нет. Тест проводится мгновенно.

Этот инструмент столь компактный, что помещается в кармане. Пользоваться им может даже ребенок.

1. Простое устройство. Механизм неразборный. Все элементы с закова тщательно подогнаны.
2. Не требуются источники питания. Ни розетка, ни батарейки. Главное, чтобы было достаточная освещенность. Не важно – солнце это или лампа искусственного освещения.
3. Минимальный объем отобранной пробы. Это буквально миллилитры. Буквально капелька. Если взять больше, это ничего не даст. Главное - обеспечить тончайший слой площадью около 10 см2. Об жтом мы скажем ниде когда ьудем рассмаривать принцип работы и устройство рефрактометра.
4. Может использоваться десятки раз в день. Ограничений нет. Только подготовить, протерев оптику, где находится жидкий образец, насухо и можно продолжат дальше.
5. Очень важно, что предусмотрена калибровка, практически во всех моделях. Причем в отличие от ИК-анализаторов, где эта метрологическая процедура достаточно сложная, точнее требует навыков, знания теории и принципа измерения, для рефрактометра это все не нужно. Справится даже новичок.

 

Устройство рефрактометра

Все ручные рефрактометры (а есть еще стационарные, промышленные цифровые, лабораторные) имеют форму цилиндра. Разбирать прибор запрещено, иначе он утратит свои потребительские качества.

Присутствуют три оптических компоненты, “передающие луч” от одного к другому:

• приемная;
• передающая;
• воспринимающая (или визуальная).

Разберем кажду из этих линий.

Приемная

Состоит из полупрозрачной пластинки – стеклянной призмы. Это “предметный столик”, образно говоря, как например в биологических микроскопах, часто применяемых в лабораторной практике. Сюда помещается образец.
Чтобы обеспечить тонкий слой, как говорилось выше, предусмотрено стекло, с одной стороны вращающееся на шарнире. Во время измерения, это стекло прижимается к призме, сдавливает жидкость до минимальной толщины.
В целом, и это в значительной степени способствует длинному сроку жизни рефрактометра, в нем всегде 2 подвидные части – это уже указанный шарнир, а также вращающийся монокуляр, предназначенный для наведения резкости в зависимости от остроты зрения.

Передающая

Отклонившись от приемной линзы, внутри цилиндра поток лучей движется до светового поля. Это конечная точка.

Воспринимающая

Это измерительная шкала в виде светового поля, в которой рисочка движется вверх-или вниз, в зависимости от концентрации исследуемого раствора. Поскольку шкала находится внутри, непосредственно ее наблюдать не получится. Для этого предназначен монокуляр, с настройкой резкости.

✅Для надежного удержания на наружной поверхности цилиндра предусмотрена резиновая накладка с выступами.

✅Важным элементом является миниатюрный винт, служащий для калибровки рефрактометра. Отвертка входит в комплект.

 

Принцип действия рефрактометра

В познавательных целях, дома можно провести эксперимент для понимания как работает рефрактометр. Достаточно стакан с водой, ложки и сыпучего вещества (например соли). После приготовления раствора небольшой концентрации, если в него погрузить ложку, явно заметно, как на границе среды воздух – раствор, ложка преломляется.

Такое впечатление, что как будто она состоит из двух частей. На самом деле жто просто оптическая иллюзия для наших глах.

Почему это происходит ?

Вода только кажется с виду “мягкой” и податливой. Когда в воду падает самолет или другое тело с высокой скоростью, они разрушаются из-за высокой плотности воды. Потому что резко меняются условия – от воздуха до воды.

Фотоны солнечного луча (или искусственного от лампы), после движения в воздухе, сталкиваются с поверхностью водного раствора,с более высокой оптической плотностью и меняют свое направление (любой объект находящийся в растворе, преломляется). Причина в том, что меняется скорость – луч тормозится. Скорость зависит от нескольких параметров:

• физические и химические характеристик раствора;
• его температура;
• длина волны светового луча.

Интересно, что рассмотренный пример с ложкой в ставане, это фактически и есть прообраз рефрактометра. Если досыпать еще соли, то преломление (явление рефракции) будет еще больше. Если нарисать на поверхности посуды шкалу, то можно приблизительно “измерять”, как зависит линейное отклонение, наблюдаемое визуально от концетрации раствора.

Показатель преломления – это относительная величина и его можно рассчитать по формуле:

п=с/v, где:

n	показатель преломления
c	скорость света в вакууме (или воздухе)
v	скорость света в исследуемой жидкости

 

Проще говоря, чем например солонее морская вода, или чем сладче яблочный сок, тем выше оптическая плотность.

Следует отметить, что жидкость должна быть однородной. В ней могут присутствововать растворенные части, или во взвешенном виде, но без однородности погрешность при измерениях рефрактометром будет значительной. Что имеется в виду ? Если выдавить из груши, сок, и в нем будут писутствовать крупные остатки клетчатки и они попадут на призму рефрактометра, они могут исказить показания.

Когда выше мы говорили про устройство, то упомянули стекло на шарнире и про призму.

В микробиологических лабораториях, присутствуют такие приборы как гомогенизаторы. Они воздействуют на пакет с бактериологическими культурами, усредняя их показания, уменьшая неоднородность. Гомогенизаторы бывают механические, ультразвуковые и т.д.

Так вот стекло, прижимающееся к призме рефрактометра, в результате чего создается слой измеряемой жидкости – это в комплекте тоже в некоторой степени гомогенизатор. Например крупные комки в растворе сжимаются и в целом жидкость распределяется равномерно по поверхности слоем в сотые доли миллиметра.

Цифровые рефрактометры

Это следствие развития совеременных технологий. Лабораторные рефрактометры имеют специальную емкость, куда помещается тестируемое вещество. Дневной свет не нужен, поскольку просвечивание производится при помощи встроенного светодиодного источника.

После этого автоматически производится пересчет в проценты, которые и отображаются на дисплее. В некоторых моделях есть расширенный спектр измеряемыз величин: температура, фруктуза, глюкоза, лактоза и т.д.