Устройство и принцип действия рефрактометра

Одним из полезных, очень простых устройств, работающий на непрямом методе измерения, то есть без сложного, длительного и дорогостоящего лабораторного анализа являются рефрактометры. Существуют множество разновидностей: для сахара, меда, патоки, сиропов, джемов, фруктовых соков, компотов, молока и продуктов переработки, СОЖ (смазочно-охлаждающая жидкость), спирта, алкогольных полуфабрикатов (например сусла, браги).

Применение

Это оптический прибор, функционирующий на явлении рефракции (отсюда и произошло его название), используемый в разнообразных 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.

Интересно, что широчайший спектр применения, казалось бы совершенно разнородных веществ никак не влияет на устройство и метод измерения.
Да, может добавляться одна или две дополнительные шкалы, но по внешнему виду, если нет никаких пометок на корпусе, понять для чего предназначена та или иная версия, 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, рефрактометры, и сравнить их стоимость с минимальной зарплатой, то на последнюю можно купить в зависимости от модификации в среднем 3-4 прибора. А это лучший признак того, что инвестиции 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.

Преимущества

Для крупных компаний, у которых есть возможность финансировать за счет собственных финансовых ресурсов ведомственные лаборатории, расположенные не далеко от производственных мощностей, не сложно делать 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 виды рефрактометров снабжены двумя шкалами).
Кабинет в поле или в сад не вывезешь. Время экспресс теста очень быстрое. По сути оно ничем не ограничено. Никакой электроники, преобразующей аналоговые сигналы в цифровые, здесь нет.

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

1. Простое устройство. Механизм неразборный. Все элементы с завода 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 этом мы скажем когда будем рассматривать устройство.
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. Эта процедура не сложная, требует минимальных навыков и справится даже новичок.

Устройство

Все приборы (а есть еще стационарные, промышленные, цифровые) 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 каждую из этих линий.

Приемная

Состоит из полупрозрачной пластинки – стеклянной призмы. Это “предметный столик”, образно говоря, как например в биологических микроскопах. 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 всего 2 подвижные детали – 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. Отвертка входит в комплект.

Зачастую, при знакомстве с новым устройством, особенно с таким, которые нельзя разобрать и посмотреть, что даже там внутри, чтобы представить хотя бы в общих чертах, как эта штука работает, каким образом получается на выходе измеренное значение и к таким приборам относится компактный недорогий, быстрый и при этом точный рефрактометр, всегда хочется почерпнуть информацию из открытых источников (техническая документация, видео, профильные статьи). Этим сегодня мы и займемся.

Явление рефракции

В познавательных целях, дома можно провести эксперимент для понимания принципа работы рефрактометра. Достаточно стакана 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 это просто оптическая иллюзия для наших глаз. Это и есть явление рефракции.

1. 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 при ударе.
2. Резко меняются условия – от воздуха до воды.
3. 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, а его ход искривляется. Скорость зависит от нескольких параметров: физические и химические характеристик раствора, температура, длина волны светового луча.

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

Формулы и особенности

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

п=с/v, где:

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 присутствовать растворенные части, или во взвешенном виде, но без однородности погрешность будет значительной. Что имеется в виду ? Если выдавить из груши, сок, и в нем будут присутствовать крупные остатки клетчатки и они попадут на призму, то 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 и 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.