Принцип работы рефрактометра

На зеркальной гипотенузной грани CD измерительной призмы 4 свет преломляется (размеры неровностей на этой грани меньше длины волны). Вследствие того, что n_p γ_пр излучение не наблюдается. Таким образом, при угле преломления, равном γ_пр , возникает граница свет – тень. Величина n_p определяется из соотношения sin γ_пр = n_p/n_ст, где величина n_ст известна.

Ход лучей света при выходе его из измерительной призмы легко учитывается при градуировке прибора т. к. преломление света происходит на границе “стекло-воздух”,причем показатели преломления обеих сред известны. Угол преломления света на этой границе не влияет на точность измеренияn_p.

Рис. 4. Ход лучей в рефрактометре при измерении показателя преломления методом скользящего луча.

Оптическая схема прибора: 1-источник света, 2-конденсор, 3-осветительная призма, 4-измерительная призма, 5-призма прямого зрения, 6-объектив зрительной трубы, 7-сетка с перекрестием, 8-шкала, 9-окуляр зрительной трубы, 10-поле зрения окуляра.

Показатель преломления может измениться из-за температуры. В отдельных приборах температура вещества сохраняется стабильной благодаря специальной биметаллической пластине. Если температура вещества растет или понижается, пластина реагирует на это. Она корректирует показатели шкалы с учетом изменения температуры вещества. Впрочем, подобная функция нужна в отдельных случаях.

Как устроен прибор

Устройство рефрактометра можно расмотреть на примере простого и практичного аппарата TechLube RB-18 ATC. Главный элемент устройства — призма с высоким показателем преломления. Именно на нее наносят исследуемое вещество, концентрацию которого необходимо установить.

На линзу падает луч, который преломляется под определенным углом. Угол преломления света в линзе, на которую уже нанесено вещество (например, СОЖ) зависит от плотности исследуемого веществ. Свет, преломляясь, попадает на систему линз и отображается на шкале. Коэффициентом преломления называют соотношения между углом вхождения луча и углом преломления в среде.

Принцип рефрактометра используют очень давно, прибор применяется во многих сферах. Он доказал свою эффективность. Устройство рефрактометра со временем было усовершенствовано, так появились цифровые приборы, но работает система по старой схеме.

Показатель преломления может измениться из-за температуры. В отдельных приборах температура вещества сохраняется стабильной благодаря специальной биметаллической пластине. Если температура вещества растет или понижается, пластина реагирует на это. Она корректирует показатели шкалы с учетом изменения температуры вещества. Впрочем, подобная функция нужна в отдельных случаях.

Ознакомиться с огромным ассортиментом рефрактометров и других приборов для всевозможных исследований вы можете на сайте компании «Аналит-Прибор». Есть несколько аргументов в пользу сотрудничества именно с нами:

Правила пользования рефрактометром

Как уточнялось выше, перед использованием оборудование обязательно должно быть откалибровано. Если вы заинтересованы в длительной и бесперебойной работе устройства, обратите внимание на несколько правил эксплуатации:

Ознакомиться с огромным ассортиментом рефрактометров и других приборов для всевозможных исследований вы можете на сайте компании «Аналит-Прибор». Есть несколько аргументов в пользу сотрудничества именно с нами:

Делайте измерения максимально точными, а исследования — самыми эффективными вместе с обрудованием от «Аналит-Прибор»!

Величина сдвигов пластины рассчитана таким образом, чтобы полностью компенсировать влияние температуры на коэффициент преломления.

Разновидности прибора

• лабораторный – настольный прибор большого размера и веса;
• промышленный (поточный) – автоматический рефрактометр, который встраивается в технологические установки и работает в реальном масштабе времени;
• портативный – оптический прибор, которым пользуется большинство пчеловодов и продавцов меда, поскольку он имеет компактный размер и с максимальной точностью проводит все измерения.

Если анализы раствора планируется проводить в больших объемах и количествах на производственных предприятиях, нужно выбирать промышленные рефрактометры. Для частников же и представителей малого бизнеса лучший выбор – портативные приборы.

Портативные модели также могут быть двух типов:

• цифровыми – имеют жидкокристаллический экран, на котором изображаются показатели измерений, обычно работают от батареек и одновременно могут определять различные характеристики меда;
• ручными – лишены электронных схем и элементов питания, поэтому для их работы необходим естественный или искусственный свет.

Ручные рефрактометры привлекательны с точки зрения приемлемой цены, компактных размеров и высокой скорости анализа, однако более практичными являются цифровые модели, которые можно использовать даже ночью.

Если свет, выходящий из грани AB, пропустить через собирающую линзу 3, то в ее фокальной плоскости наблюдается резкая граница света и темноты. Граница рассматривается с помощью линзы 4. Линзы 3 и 4 образуют зрительную трубу, установленную на бесконечность. В их общей фокальной плоскости расположен крест, образованный тонкими нитями.

Рефрактометр служит для измерения показателей преломления жидких и твердых тел.

Устройство рефрактометра основано на явлении полного внутреннего отражения.

Зная показатель преломления одной из сред, и определяя на опыте предельный угол, можно с помощью (1) определить показатель преломления второй среды.

При измерениях показателя преломления с помощью рефрактометра можно пользоваться как методом полного внутреннего отражения, так и методом скользящего луча.

Оптическая схема рефрактометра представлена на рис. 1. Основной частью его являются две стеклянные прямоугольные призмы 1 и 2 изготовленные из стекла с большим показателем преломления. В разрезе призмы имеют вид прямоугольных треугольников, обращенных друг к другу гипотенузами; зазор между призмами имеет ширину около 0.1 мм и служит для помещения исследуемой жидкости.

Ход лучей при работе по методу скользящего луча изображен на рис. 2.

Свет проникает в призму 1 через грань EF и попадает в жидкость через матовую грань ED. Свет рассеянный матовой поверхностью, проходит слой жидкости и под всевозможными углами ( ) падает на сторону AC призмы 2.

Если свет, выходящий из грани AB, пропустить через собирающую линзу 3, то в ее фокальной плоскости наблюдается резкая граница света и темноты. Граница рассматривается с помощью линзы 4. Линзы 3 и 4 образуют зрительную трубу, установленную на бесконечность. В их общей фокальной плоскости расположен крест, образованный тонкими нитями.

Рис. 2. Ход лучей в рефрактометре

В некоторых случаях, когда дисперсия исследуемого вещества особенно велика, диапазон компенсатора оказывается недостаточным, и четкой границы получить не удается. В этом случае рекомендуется устанавливать перед осветителем желтый светофильтр

При визуальном совмещении границы раздела света и тени с серединой креста нити наблюдатель, вообще говоря, допускает небольшие ошибки, в результате которых измеренные значения для одного итого же вещества в разных опытах не вполне точно совпадают между собой (случайный разброс). Рекомендуется поэтому проводить в каждом случае несколько измерений показателя преломления и определять среднее значение.

Благодаря автоматической компенсации температуры в диапазоне 10…30 °C рефрактометры 0-20 % Brix выдают точные значения коэффициента преломления, не требующие корректировки.

Устройство стандартного ручного рефрактометра СОЖ

Образец смазочно-охлаждающей жидкости наносится на основной оптический компонент рефрактометра – главную призму. Материал, из которого она изготовлена, имеет высокий показатель преломления, поэтому проходящий через нее луч света отклоняется под большим углом. Далее через систему линз он попадает на шкалу, представляющую собой градуированную окружность.

Угол преломления, величина которого зависит от состава анализируемого раствора и его плотности, делит шкалу на участки разной освещенности. По положению границы света и тени определяется коэффициент преломления. Чем более размытой выглядит световая полоса на шкале, тем выше степень загрязнения СОЖ.

На этот показатель большое влияние может оказывать температура окружающей среды, поэтому некоторые модели рефрактометров снабжены системой АТС (Automatic Temperature Compensation System). Функцию компенсации температуры в таких приборах выполняет биметаллическая пластина, которая соединена с другими компонентами оптического устройства и плавно передвигает их, сжимаясь и растягиваясь в разных термических условиях.

Если рефрактометр не выполняет функцию АТС, полученные с его помощью значения необходимо пересчитывать с помощью специальных таблиц.

4. Портативные ручные

Рефрактометрия ― это метод исследования веществ, основанный на определении показателя (коэффициента) преломления (рефракции) и некоторых его функций. Рефрактометрия (рефрактометрический метод) применяется для идентификации химических соединений, количественного и структурного анализа, определения физико-химических параметров веществ.

Классификация рефрактометров:

3. Портативные цифровые

4. Портативные ручные

Промышленные и лабораторные рефрактометры предназначены для исследования веществ в научных лабораториях и контроля технологических процессов на производстве. Они имеют высокую точность измерений но и сравнительно большие размеры.

Портативные рефрактометры предназначены для оперативного контроля веществ в лаборатории, на производстве или в полевых условиях. В свою очередь, портативные рефрактометры можно классифицировать на цифровые и ручные.

Портативные цифровые рефрактометры обычно имеют жидкокристаллический дисплей, на котором отображается полученные результаты измерений. Чаще всего они также обладают дополнительными опциями, такими как одновременное измерение плотности и коэффициента преломления раствора, преобразование результатов в различные единицы измерения, поддержание температуры образца и прочее.

Ручные (не цифровые) рефрактометры имеют обычно более компактные размеры и не имеют никаких электронных схем и элементов питания (за исключение некоторых моделей с подсветкой), что позволяет их с легкостью использовать для измерений не только на производстве, но и в домашних условиях. Сегодня такие рефрактометры очень популярны, благодаря своей точности, удобству эксплуатации, портативности и невысокой доступной цены.

На чём же основан принцип работы рефрактометра?

Принцип действия рефрактометра основывается на использовании явления рефракции (преломления) светового потока. При переходе луча света из одного вещества в другое он отклоняется от прямолинейного направления на некоторый угол. Соотношение угла вхождения светового луча в вещество и угла преломления его на границе раздела двух сред называется коэффициентом (показателем) преломления.

Строение типичного рефрактометра схематически изображено на рисунке ниже. Основным оптическим элементом рефрактометра является призма, на которую наносится исследуемое вещество. Призма состоит из материала с высоким показателем преломления.

Проведение измерений

Для проведения измерений производятся те же действия, что и при калибровке, но вместо дистиллированной воды на призму прибора наносится исследуемый раствор. Калибровочный винт при этом остается в своем первоначальном положении. После нанесения раствора необходимо подождать 30 секунд для того, чтобы температура раствора сравнялась с температурой прибора. Затем рефрактометр направляют на источник света (дневной свет или лампа накаливания) и снимают показания.

После проведения измерений призму снова нужно протереть мягкой тряпочкой. Ручной рефрактометр нельзя опускать в воду; это может привести к попаданию воды внутрь прибора и затуманиванию шкалы. Не измеряйте рефрактометром жесткие или коррозийные вещества, так как они могут повредить покрытие призмы. Также не измеряйте и очень горячие растворы, так как главная линза может отклеится. Для большинства рефрактометров температурный придел 50С.

Применение рефрактометров

Рефрактометры широко используются в различных областях человеческой деятельности. Ниже перечислены некоторые из наиболее распространённых сфер применения рефрактометров:

В пищевой промышленности:

2. определение массовой доли растворимых сухих веществ в продуктах переработки плодов и овощей;

В медицине:

1. определение белка в сыворотке крови;

2. определение плотности мочи, субретинальной жидкости глаза;

В фармацевтической промышленности:

1. исследование концентрации растворов различных лекарственных препаратов.

1. определение сорта моторного топлива;

2. температуры замерзания охлаждающих жидкостей;

3. измерения концентрации компонентов топлива и масел.

Рассмотрим калибровку с помощью дистилянта.

Что такое рефрактометр — калибровка и применение

Перед использованием, оптический измеритель концентрации необходимо правильно откалибровать. Некоторые приборы требуют для калибровки специальную жидкость (например масло), другие могут быть откалиброваны с помощью дистиллированной воды.

Следует отметить, что процесс калибровки присущ и другим измерительным видам оборудования.

К примеру по эталонам (стандартным или контрольным образцам) калибруется инфракрасный анализатор для зерна, семян, продуктов, жмыха, шрота, комбикорма.

Рассмотрим калибровку с помощью дистилянта.

Начните процедуру, подняв пластинку для освещения дневным светом и помещая 2-3 капли дистиллированной воды на призме.
Закройте пластинку так, чтобы вода распространилась по полной поверхности призмы без воздушных пузырьков и сухих мест.

Подождите примерно 30 секунд прежде, чем Вы приступите к следующему шагу. Это позволит образцу адаптироваться к температуре окружающей среды.

Направьте оптический рефрактометр в направлении естественного дневного освещения и посмотрите в окуляр. Вы увидете круглую область (поле) с центром внизу.

Подкрутите калибровочный винт отверткой (входит в комплект) до тех пор, пока граница между верхней синей областью и нижней белой областью не встретятся точно в нулевой отметке.
.

Как только оптический измерительный прибор будет должным образом калиброван — он готов к использованию.

Аккуратно очистите инструмент (особенно пластинку и призму) с использованием мягкой ткани, затем капните 2-3 капли образца на призму.

Закройте пластинку для дневного света.
Следующий рисунок иллюстрирует то, что вы можете видеть в окуляре без любого образца.
Заметьте, что вся шкала окрашена синим.
При просмотре убедитесь, что вы используете естественный дневной свет. Вы не должны снимать показания в присутствии флуоресцентного света.

Это то, что вы видите после завершения процесса калибровки.
Заметьте, что при правильной калибровке граница синей и белой шкалы должна находиться строго на нулевой отметке при использовании дистиллированной воды как образец.

В следующем примере показана шкала при измерении сока винограда.

Вы можете видеть, что прибор показывает 23 % Brix, наиболее подходящее время для изготовления вина!
После окончания измерения убедитесь, что вы почистили и высушили все оптические элементы.

Обслуживание рефрактометра

Точное измерение зависит от осторожной и правильной калибровки.
Напоминанием, что различие между окружающей температурой и температурой образца снижают точность показаний.
Не забудьте подождать примерно 30 секунд перед снятием показаний.

Так как , то при рассмотрении пучка лучей, выходящих из измерительной призмы в зрительную трубу, видно, что нижняя часть поля зрения трубы освещена, а верхняя остается темной. Граница светотени, наблюдаемая в окуляр, соответствует предельному углу преломления жидкости.

Измерение показателя преломления жидкости рефрактометром АББЕ

Цель работы: изучить устройство и принцип действия рефрактометра, исследовать зависимость показателя преломления водного раствора сахара от его концентрации.

Приборы и материалы: рефрактометр ИРТ – 464, флаконы с раствором сахара различной концентрации.

1.Устройство и работа рефрактометра

Принцип действия рефрактометра АББЕ основан на явлении полного внутреннего отражения при прохождении светом границы раздела двух сред с разными показателями преломления.

Так как , то при рассмотрении пучка лучей, выходящих из измерительной призмы в зрительную трубу, видно, что нижняя часть поля зрения трубы освещена, а верхняя остается темной. Граница светотени, наблюдаемая в окуляр, соответствует предельному углу преломления жидкости.

2. Оптическая схема.

Оптическая схема рефрактометра (рис. 5) состоит из рефрактометрического блока, представляющего собой осветительную 1 и измерительную 2 призмы, поворотного зеркала 3, призмы прямого зрения 4, 5, и 6, линз объектива 7, 8, шкалы 9, линз окуляра 10, 11, 12, 13. Призма прямого зрения предназначена для устранения окрашенности границы раздела светотени и имеет возможность поворота вокруг своей оси на угол ± 450.

Порядок выполнения работы

1. Откинуть осветительную призму, тщательно протереть поверхности ватным тампоном, смоченным дистиллированной водой.

2. На поверхность измерительной призмы пипеткой нанести одну- две капли 2% раствора сахара. Плавно наложить и притереть осветительную призму на измерительной.

3. С помощью кольца 1 сфокусировать окуляр на линию раздела света и тени в поле зрения. Поворотом кольца 2 устранить в поле зрения окрашенность границы.

4. Снять отсчет по шкале показателя преломления (шкала nD, справа) с точностью до 4-х знаков после запятой. Измерения повторить три раза и подсчитать среднеарифметическое значение. Полученные значения занести в таблицу 1.

5. Измерить показатель преломления остальных растворов согласно пунктам 2-4.

6.Пользуясь среднеарифметическими значениями, построить график зависимости показателя преломления от концентрации раствора: n = f(c).

7. Сравнить полученный график с уравнением (3). Определить по графику постоянную F и показатель преломления воды n0.

8. Оформить работу в соответствии с правилами оформления.

где n_D – показатель преломления исследуемого вещества; n₀ – показатель преломления стекла, из которого сделана призма; β – предельный угол преломления.

В основу работы рефрактометра положен метод определения показателя преломления исследуемого вещества по предельному углу преломления или углу полного внутреннего отражения. Оптическая схема рефрактометра приведена на рис. 1.

Рис. 1. Оптическая схема рефрактометра

Исследуемый раствор помещают между плоскостями двух призм – осветительной 4 и измерительной 5. От источника света 1 конденсором (2, 3) луч света направляется на входную грань осветительной призмы, затем проходит тонкий слой исследуемого вещества и преломляется на границе исследуемого вещества и плоскости измерительной призмы. На основании закона предельного преломления

где n_D – показатель преломления исследуемого вещества; n₀ – показатель преломления стекла, из которого сделана призма; β – предельный угол преломления.

Предельный и преломленные под различными углами лучи, вышедшие из измерительной призмы через вторую ее грань, фокусируются объективом 8 зрительной трубы в ее поле зрения, образуя светлую и темную части поля, разделенные границей. Границей светотени является предельный луч.

Дата публикования: 2015-01-23 ; Прочитано: 1072 | Нарушение авторского права страницы