Пристрій та принцип дії рефрактометра

Одним із корисних, дуже простих пристроїв, що працює на непрямому методі вимірювання, тобто без складного, тривалого та дорогого лабораторного аналізу є рефрактометри. Існує безліч різновидів: для цукру, меду, патоки, сиропів, джемів, фруктових соків, компотів, молока та продуктів переробки, СОЖ (мастильно-охолоджувальна рідина), спирту, алкогольних напівфабрикатів (наприклад, сусла, браги).

Пристрій та принцип дії рефрактометра

Застосування

Це оптичний прилад, що функціонує на явищі рефракції (звідси і походить його назва), що використовується в різноманітних галузях виробництва та в побуті:

• харчова промисловість;
• виробництво меду;
• закупівля та приймання молока;
• химия;
• автомобілі (щільність акумуляторної кислоти та охолоджуючої рідини);
• виробництво пива, горілки, самогону, вина;
• медицина.

Цікаво, що найширший спектр застосування, здавалося б абсолютно різнорідних речовин, ніяк не впливає на пристрій і метод вимірювання.
Так, може додаватися одна або дві додаткові шкали, але на вигляд, якщо немає жодних позначок на корпусі, зрозуміти для чого призначена та чи інша версія, не є можливим.
І це величезний плюс! Оскільки це рідкісний випадок, коли для кожної з перерахованих вище галузей організується виробництво рефрактометрів, потрібні мінімальні виміри в конструкції, а значить спрощується підготовка проектної документації, більшість деталей уніфіковано, знижуються накладні витрати, собівартість, а отже, і відпускна ціна, стаючи доступною навіть для приватних осіб із невисоким рівнем доходу.

Якщо брати представлені в інтернет-магазинах України, рефрактометри, та порівняти їхню вартість з мінімальною зарплатою, то на останню можна купити залежно від модифікації в середньому 3-4 прилади. А це найкраща ознака того, що інвестиції досить скромні, і при цьому окупність буде дуже швидкою (як правило до 1 року), а термін служби за запевненнями виробників, якщо акуратно експлуатувати, сягає 10 років.

Переваги

Для великих компаній, які мають можливість фінансувати за рахунок власних фінансових ресурсів відомчі лабораторії, розташовані не далеко від виробничих потужностей, не складно робити аналітичні дослідження. Вони мають для цього все обладнання: прилади, вимірювальне обладнання, посуд, меблі, хімічні реактиви тощо.
Але як бути, якщо аналіз необхідно провести прямо на місці? Наприклад на плантації цукрових буряків, видавивши сік, щоб перевірити вміст цукру або на пасіці, зробивши аналіз меду на цукристість та вологість (медові ручні види рефрактометрів забезпечені двома шкалами).
Кабінет у поле чи сад не вивезеш. Час експрес-тесту дуже швидкий. По суті, воно нічим не обмежене. Жодної електроніки, що перетворює аналогові сигнали на цифрові, тут немає.

Цей інструмент настільки компактний, що міститься у кишені. Користуватися ним може навіть дитина.

1. Простий пристрій. Механізм нерозбірний. Усі елементи із заводу ретельно підігнані.
2. Не потрібно джерела живлення. Ні розетка, ні батарейки. Головне, щоби була достатня освітленість. Не важливо – сонце це чи лампа штучного освітлення.
3. Мінімальний обсяг вибраної проби. Це буквально мілілітри. Буквально крапелька. Якщо взяти більше, то це нічого не дасть. Головне – забезпечити найтонший шар площею близько 10 см2. Про це ми скажемо, коли розглядатимемо пристрій.
4. Може використовуватись десятки разів на день. Обмежень немає. Тільки підготувати, протерши оптику, де знаходиться рідкий зразок, насухо і можна продовжувати далі.
5. Дуже важливо, що передбачено калібрування, практично у всіх моделях. Ця процедура не складна, потребує мінімальних навичок і впорається навіть новачок.

Пристрій

Всі прилади (а ще стаціонарні, промислові, цифрові) мають форму циліндра. Розбирати прилад заборонено, інакше він втратить свої споживчі якості. Присутні три оптичні компоненти, що “передають промінь” від одного до іншого: приймальна, передавальна, сприймаюча (або візуальна).

Розберемо кожну з цих ліній.

Приймальна

Складається із напівпрозорої пластинки – скляної призми. Це “предметний столик”, образно кажучи, як у біологічних мікроскопах. Сюди міститься зразок.
Щоб забезпечити тонкий шар, як говорилося вище, передбачено скло, що з одного боку обертається на шарнірі. Під час вимірювання це скло притискається до призми, здавлює рідину до мінімальної товщини.
В цілому, і це значною мірою сприяє довгому терміну життя рефрактометра, в ньому всього 2 рухомі деталі - це вже вказаний шарнір, а також монокуляр, що обертається, призначений для наведення різкості в залежності від гостроти зору.

Передавальна

Відхилившись від приймальної лінзи, усередині циліндра потік променів рухається до світлового поля. Це кінцева точка.

Сприймаюча

Це вимірювальна шкала як світлового поля, у якій рисочка рухається вгору-або вниз, залежно від концентрації досліджуваного розчину. Оскільки шкала знаходиться усередині, безпосередньо її спостерігати не вдасться. Для цього призначений монокуляр, з налаштуванням різкості.

Для надійного утримання на зовнішній поверхні циліндра передбачено гумову накладку з виступами.

Важливим елементом є мініатюрний гвинт для калібрування. Викрутка входить у комплект.

Найчастіше, при знайомстві з новим пристроєм, особливо з таким, які не можна розібрати і подивитися, що навіть там усередині, щоб уявити хоча б загалом, як ця штука працює, як виходить на виході виміряне значення і до таких приладів відноситься компактний недорогий, швидкий і при цьому точний рефрактометр, завжди хочеться отримати інформацію з відкритих джерел (технічна документація, відео, профільні статті). Цим сьогодні ми й займемося.

Явище рефракції

З пізнавальною метою, вдома можна провести експеримент для розуміння принципу роботи рефрактометра. Достатньо склянки з водою, ложки та сипучої речовини (наприклад солі). Після приготування розчину невеликої концентрації, якщо в нього занурити ложку, помітно, як на межі середовища повітря – розчин, ложка заломлюється.

Таке враження, що вона складається з двох частин. Насправді, це просто оптична ілюзія для наших очей. Це і є явище рефракції.

1. Вода тільки здається на вигляд "м'якою" і податливою. Коли у воду падає літак або інше тіло з високою швидкістю, вони руйнуються через високу густину при ударі.
2. Різко змінюються умови - від повітря до води.
3. Фотони сонячного променя (або штучного від лампи), після руху в повітрі, стикаються з поверхнею водного розчину, з більш високою оптичною щільністю і змінюють свій напрямок (будь-який об'єкт, що знаходиться в розчині, переломлюється).

Причина в тому, що змінюється швидкість - промінь гальмується, а його хід викривляється. Швидкість залежить від кількох параметрів: фізичні та хімічні характеристики розчину, температура, довжина хвилі світлового променя.

Цікаво, що розглянутий приклад із ложкою в склянці, це фактично і є прообраз рефрактометра. Якщо досипати ще солі, то заломлення буде ще більше. Якщо намалювати поверхні посуду шкалу, можна приблизно “вимірювати”, як залежить лінійне відхилення, спостерігається візуально від концентрації розчину.

Формули та особливості

Показник заломлення – це відносна величина та його можна розрахувати за формулою:

п=с/v, где:

Простіше кажучи, чим наприклад солоніше морська вода, або чим солодший яблучний сік, тим вища оптична щільність.

Слід зазначити, що рідина має бути однорідною. У ній можуть бути розчинені частини, або у зваженому вигляді, але без однорідності похибка буде значною. Що мається на увазі ? Якщо видавити з груші, сік, і в ньому будуть великі залишки клітковини і вони потраплять на призму, то можуть спотворити свідчення.
Коли вище ми говорили про пристрій, то згадали скло на шарнірі та про призму.
У мікробіологічних лабораторіях присутні такі прилади як гомогенізатори. Вони впливають на пакет із бактеріологічними культурами, середня їх показання, зменшуючи неоднорідність і бувають механічні, ультразвукові тощо.
Так ось скло, що притискається до призми рефрактометра, в результаті чого створюється шар рідини, що вимірювається - це в комплекті теж в деякій мірі гомогенізатор. Наприклад, великі грудки в розчині стискуються і в цілому рідина розподіляється рівномірно по поверхні шаром в соті частки міліметра.