В различных отраслях промышленности при проведении каких-либо исследований, определении физико-химических параметров веществ или контроле качества готовой продукции необходимо знание показателя преломления света. Для этих целей существует специальный оптический прибор – рефрактометр.
Название этого прибора произошло от термина «рефракция» (лат. «refractus» – преломленный), веденного в научную сферу Ньютоном в начале 18 века.
Рефрактометр анализирует степень отклонения луча света от прямолинейного направления при переходе из одного вещества в другое. Соотношение угла вхождения луча и угла его преломления на границе раздела двух сред называется коэффициентом преломления.
Этот показатель возрастает пропорционально увеличению плотности субстанции. Относительный «вес» образца рефрактометр определяет в сравнении с дистиллированной водой (с ее помощью прибор предварительно откалибровывают).
Конструкция ручного рефрактометра
Основным оптическим компонентом рефрактометра, на который наносится исследуемое вещество, является главная призма. Она изготавливается из материала с высоким показателем преломления, поэтому луч света, проходящий через нее, отклоняется под большим углом. Через систему линз он проникает на шкалу, которая представляет собой градуированную окружность.
При разных углах преломления луч оказывается на шкале выше или ниже, оставляя одну из ее частей светлой, а другую темной. Коэффициент преломления определяется по положению границы раздела. Этот показатель напрямую зависит от состава анализируемого раствора и его плотности.
Некоторые модели рефрактометров учитывают также влияние температуры: внутри их корпуса расположена биметаллическая пластина, соединенная с другими компонентами. В разных термических условиях она сжимается или растягивается, плавно передвигая оптическую систему. Таким образом влияние температуры на коэффициент преломления компенсируется.
Функция АТС (Automatic Temperature Compensation System) в рефрактометрах крайне желательна, так как в противном случае полученные значения придется пересчитывать в зависимости от температуры окружающей среды с помощью специальных таблиц.
Типы рефрактометров
Современные приборы для рефракции подразделяются на:
- Промышленные
- Лабораторные
- Портативные (ручные, цифровые)
Промышленные и лабораторные рефрактометры имеют достаточно большие размеры, поэтому устанавливаются, как правило, стационарно. С их помощью проводят исследования различных веществ и контролируют технологические процессы на производствах. Такие приборы характеризуются высокой точностью и сложностью.
Портативные рефрактометры используются для оперативных измерений в лабораторных, производственных или полевых условиях.
Цифровые приборы оснащены жидкокристаллическими экранами, на которые выводятся результаты измерений. Как правило, они обладаю множеством дополнительных функций, в числе которых возможность измерять коэффициент преломления вместе с плотностью вещества, применение различных единиц измерения, учит температуры и пр.
Ручные рефрактометры – наиболее компактные и простые в эксплуатации устройства. Они не содержат электронных схем и элементов питания, могут использоваться как на производстве, так и в домашних условиях. Благодаря точности, удобству и приемлемой цене ручные приборы приобрели широкую популярность.
Калибровка и подготовка рефрактометра к использованию
Перед использованием рефрактометра его необходимо откалибровать. Некоторые модели требуют для этого специальную жидкость, однако основная масса может быть откалибрована с помощью дистиллированной воды.
Рассмотрим последний способ подробнее.
Если посмотреть в окуляр любого рефрактометра без калибровочной жидкости, его шкала будет окрашена только в синий цвет (рис. 1).
Для калибровки прибора на главную призму наносятся 2-3 капли дистиллированной воды (удобно делать это пипеткой). После закрытия защитного стекла вода должна равномерно распределиться по всей поверхности призмы – без пузырьков воздуха и сухих мест.
Через 30 секунд, достаточных для того, чтобы образец адаптировался к температуре окружающей среды, рефрактометр направляется в сторону естественного дневного освещения (флюоресцентное не допускается). В окуляре при этом отображается шкала с участками синего и белого цветов (рис. 2).
Основная задача калибровки состоит в том, чтобы достичь совпадения границ этих двух участков в отметке 0.0 (рис. 3) с помощью регуляции калибровочного винта.
После окончания настройки призма аккуратно протирается мягкой тканью.
Сферы применения рефрактометра
Рефрактометры широко применяются в различных отраслях промышленности для определения концентрации веществ в каких-либо средах.
Например, в химической сфере эти приборы используются для измерения содержания в растворах кислот, солей металлов, спиртов, гликолей, аминов, фунгицидов и пр. Ими же контролируют степень полимеризации синтетических смол и пластмасс.
На предприятиях, производящих текстиль, рефрактометры применяются для определения концентрации прядильных растворов, растворов капролактама, поликарбонатов.
В пищевой промышленности ими измеряют сахаристость и качество безалкогольных напитков, крепость и плотность алкогольной продукции, с их помощью анализируют состав соусов, сиропов, джемов, детского питания, молочных продуктов.
В газовой и нефтяной промышленности рефрактометры используются для определения концентрации водной смеси моноэтиленгликоля в природном газе, анализа состав масел, смазок и охлаждающих жидкостей.
На предприятиях, производящих канцелярские изделия, рефрактометрами измеряется концентрация крахмалов и других сухих веществ в клеящих составах.
В фармацевтике эти приборы применяются при изготовлении витамина С – для определения концентрации аскорбиновой и цетогулоновой кислот. Им же контролируется чистота синтезированных веществ, а также качество лекарственных препаратов.
Газовые интерференционные рефрактометры используются для анализа состава воздуха с целью обнаружения возможных утечек горючих газов.
Ручной рефрактометр является универсальным вспомогательным средством для простого и быстрого определения концентрации водосмешиваемых смазочно-охлаждающих жидкостей.
Кроме того, этот прибор позволяет выявить степень загрязненности эмульсий посторонними маслами, смазками и другими субстанциями. Таким образом предупреждаются возможные нарушения рабочего процесса.
На загрязненность СОЖ указывает размытая световая полоса на шкале рефрактометра.
С точки зрения технологических параметров наиболее удобным для большинства металлообрабатывающих предприятий являются рефрактометры для СОЖ со шкалой 0-20 % Brix. Они имеют компактный размер и могут легко использоваться даже в малых пространствах.
Для качественного анализа СОЖ этим прибором достаточно 2-3 капель эмульсии. Простая калибровка призмы и окуляра обеспечивают точность и воспроизводимость измерений.
Благодаря автоматической компенсации температуры в диапазоне 10…30 °C корректировать полученные значения не потребуется.
Скрытый калибровочный винт препятствует непреднамеренной регулировке рефрактометра во время его использования. Двойное соединение на пластине дневного света гарантирует точность ее установки.
Правила пользования рефрактометром
Качество измерений зависит от правильной и аккуратной калибровки прибора. Разница температур окружающей среды и образца негативно влияют на точность показаний, поэтому перед их снятием необходимо подождать около 30 секунд, как это описано выше.
Температура воздуха при калибровке в идеале должна составлять около +20° C. Однако, если устройство оснащено системой ATC, любая температура будет компенсирована.
Рефрактометр нельзя опускать в воду, так как попадание большого количества жидкости внутрь прибора может привести к затуманиванию шкалы.
Не следует измерять жесткие, абразивные и коррозионно-активные вещества (химикаты и т.п.), так как они могут повредить покрытие призмы.
Очищать инструмент необходимо мягкой тканью после каждого использования. Загрязнения на призме могут привести к ошибкам при измерениях.
Как и любой другой оптический прибор, рефрактометр требует осторожного обращения и хранения – только в таком случае он будет исправно работать много лет.