Рефрактометр. Класифікація, принцип дії і застосування

Рефрактометрія ― це метод дослідження речовин, заснований на визначенні показника (коефіцієнта) заломлення (рефракції) і деяких його функцій. Рефрактометрія (рефрактометричний метод) застосовується для ідентифікації хімічних сполук, кількісного і структурного аналізу, визначення фізико-хімічних параметрів речовин.

Класифікація рефрактометрів:

1.      Промислові

2.      Лабораторні

3.      Портативні цифрові

4.      Ручні портативні

Промислові та лабораторні рефрактометри призначені для дослідження речовин в наукових лабораторіях і контролю технологічних процесів на виробництві. Вони мають високу точність вимірювань але і порівняно великі розміри.

Портативні рефрактометри призначені для оперативного контролю речовин в лабораторії, на виробництві або в польових умовах. У свою чергу, портативні рефрактометри можна класифікувати на цифрові і ручні.

Портативні цифрові рефрактометри зазвичай мають рідкокристалічний дисплей, на якому відображається отримані результати вимірювань. Найчастіше вони також володіють додатковими опціями, такими як одночасне вимірювання густини і коефіцієнта заломлення розчину, перетворення результатів у різні одиниці вимірювання, підтримання температури зразка та інше.

Ручні (не цифрові) рефрактометри мають зазвичай більш компактні розміри і не мають ніяких електронних схем і елементів живлення (за виключення деяких моделей з підсвічуванням), що дозволяє їх з легкістю використовувати для вимірювань не тільки на виробництві, але і в домашніх умовах. Сьогодні такі рефрактометри дуже популярні, завдяки своїй точності, зручності експлуатації, портативності і невисокою доступної ціни.

На чому ж заснований принцип роботи рефрактометра?

Принцип дії рефрактометра ґрунтується на використанні явища рефракції (заломлення) світлового потоку. При переході променя світла з однієї речовини в іншу він відхиляється від прямолінійного напрямку на деякий кут. Співвідношення кута входження світлового променя в речовину і кута заломлення його на границі розділу двох середовищ називається коефіцієнтом (показником) заломлення.

Будова типового рефрактометра схематично зображено на малюнку нижче. Основним оптичним елементом рефрактометра є призма, на яку наноситься досліджувана речовина. Призма складається з матеріалу з високим показником заломлення.

Завдяки цьому, падаюче світло, проходячи через речовину і призму, переломлюється під досить великим кутом. Далі, через систему оптичних лінз, світло потрапляє на шкалу рефрактометра (проградуированную окружність). В залежності від кута заломлення промінь світла виявляється вище або нижче на шкалі приладу. Освітлена частина шкали при цьому буде світлою; та частина, на яку промінь світла не потрапляє, виявиться темною. Величина кута заломлення світла залежить від складу розчину і його концентрації. Таким чином, по положенню границі розділу між світлом і тінню можна однозначно визначити коефіцієнт заломлення чи оптичну щільність досліджуваного розчину.

Потрібно, однак, мати на увазі, що показник заломлення речовини також залежить від температури. Деякі моделі ручних рефрактометрів враховують вплив температури з допомогою функції ATC (Automatic Temperature Compensation System – система автоматичної компенсації температури). Всередині корпуса знаходиться біметалева пластина. Вона стискається або розтягується в залежності від перепадів температури. Біметалева пластина з'єднана з оптичною системою рефрактометра, плавно рухаючи її при змінах температури. Величина зрушень розрахована так, що вплив температури на коефіцієнт заломлення речовини повністю компенсується. При купівлі рефрактометра обов'язково звертайте увагу на наявність в ньому функції АТС. У разі її відсутності, необхідно користуватися спеціальними таблицями для перерахунку отриманих значень в залежності від температури навколишнього середовища.

Проведення вимірювань

Перед проведенням вимірювань ручний рефрактометр необхідно відкалібрувати. Для калібрування більшості рефрактометрів використовується дистильована вода. На головну призму за допомогою піпетки наноситься декілька крапель води, потім закривається захисне скло. При цьому потрібно стежити, щоб вода під захисним склом рівномірно покрила поверхню призми, не залишаючи бульбашок повітря. Далі з допомогою калібрувального гвинта (або у випадку з більш простими моделями калібрувальної отвертуи) на шкалі приладу виставляється значення 0,0. Після калібрування призму потрібно акуратно протерти м'якою ганчіркою (бажано використовувати ганчірочку для лінз окулярів, її матеріал не зашкодить лінзу рефрактометра). Тепер рефрактометр готовий до вимірам. Якщо шкала рефрактометра починається не з нуля (0 це дистильована вода), то рефрактометр калібрується по спеціальному маслу.   

Для проведення вимірювань здійснюються ті ж дії, що і при калібруванні, але замість дистильованої води на призму приладу наноситься досліджуваний розчин. Калібрувальний гвинт при цьому залишається в своєму первісному положенні. Після нанесення розчину необхідно почекати 30 секунд для того, щоб температура розчину зрівнялася з температурою приладу. Потім рефрактометр направляють на джерело світла (денне світло або лампа розжарювання) і знімають показання.

Після проведення вимірювань призму знову потрібно протерти м'якою ганчіркою. Ручний рефрактометр не можна опускати в воду; це може призвести до потрапляння води всередину приладу і затуманення шкали. Не вимірюйте рефрактометром жорсткі або корозійні речовини, так як вони можуть пошкодити покриття призми. Також не вимірюйте і дуже гарячі розчини, так як головна лінза може відклеїться. Для більшості рефрактометрів температурний межа 50С.

Застосування рефрактометрів

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

В пищевой промышленности:

       1. контроль качества пива, вина и других алкогольных напитков;

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

      3. определение концентрации сахара в напитках, сиропах, консервах;

      4. измерение массовой доли белков и сухих обезжиренных веществ в молоке;

      5. определение влажности меда.

В медицине:

1.визначення білка в сироватці крові;

2. визначення щільності сечі, субретинальної рідини ока;

У фармацевтичній промисловості:

1. дослідження концентрації розчинів різних лікарських препаратів.

При обслуговуванні автомобілів, тракторів, судів:

1. визначення сорту моторного палива;

2. температури замерзання охолоджуючих рідин;

3. вимірювання концентрації компонентів палива і масел.

Для визначення концентрації солей:

1. в акваріумах;
2. у питній воді і т. д.