Jste zde

Refraktometr = měření kvality a složení různých kapalin

Antonín Vojáček, 12. Duben 2020 - 20:11

Refraktometry jsou zařízení pro kontrolu kvality nebo složení kapalin, např. koncentrace cukru, soli nebo alkoholu v různých nápojích a nálevech. Průmyslové refraktometry pak umožňují instalaci do potrubí a provádět automatickou nepřetržitou kontrolu procesních kapalin i koncových produktů. Jak fungují a jak jsou konstruované?

Co je to refraktometr?

Refraktometr (někdy též uváděn jako refraktoměr, refractometr, refraktometer či refractometer) je optické snímací a měřící zařízení určené pro zjištění a kontrolu různých vlastností kapaliny pomocí měření změny lomu světla na rozhraní mezi optickou soustavou přístroje a stojící či proudící kontrolovanou kapalinou, která přiléhá k snímací ploše refraktometru.

Podle konstrukce / provedení refraktometrů se obvykle rozlišují na:

  • ruční hranolové mechanické refraktometry,
  • ruční digitální refraktometry,
  • ponorné refraktometry,
  • průmyslové refraktometry,
  • ABBÉ laboratorní refraktometry.

Příklady různých provedení refraktometrů - zleva: klasický ruční mechanický, stolní elektronický, průmyslový K-PATENTS, průmyslový ANDERSON-NEGELE.

K čemu se používají refraktometry?

Refraktometry se využívají zejména pro kontrolu / měření množství rozpuštěného cukru / sacharózy, soli nebo množství alkoholu v různých kapalinách, např. i v nápojích a nálevech. Ale prakticky lze měřit jakékoliv parametry kapalin, které nějak ovlivňují / mění její rychlost šíření světla (index lomu světla). Jako například různé změny množství příměsí či změny koncentrace složek kapalin, hustotu kapalin a emulzí apod.

Díky tomu je refraktometr důležité a hojně využívané zařízení pro kontrolu a dodržení technologických postupů, ať se jedná o chemický průmysl, automobilový průmysl, potravinářský průmysl, zdravotnictví, strojírenský a kovoobráběcí průmysl, chovatelství, zemědělskou výrobu apod.

Například lze jeho využití nalézt:

  • V potravinářském průmyslu a rostlinné výrobě - na měření změny koncetrace libovolné látky ve vodném roztoku, na měření kvality medu či mléka (množství vody, hustoty atd.), měření podílu rozpustných látek v kávě, na měření kvality vinné révy a ovocných šťáv (množství cukru - cukroměr, moštoměr), na kontrolu množství alkoholu, na měření "cukernatosti" kvasu při jeho fermentaci, apod.
  • Ve zdravotnictví, chovatelství a veterinárním lékařství - na kontrolu lidské nebo zvířecí moči, na kolostrum alias mlezivo, pro chov ryb ve slané vodě apod.
  • Ve strojírenství  - pro kontrolu nezámrzné kapaliny v teplonosných okruzích na bázi ethylenglykolu či propylenglykolu, pro kontrolu kvality nezámrzné kapaliny v teplonosných okruzích na bázi glycerínu,
     na chladicí obráběcí emulze, apod.
  • V automobilovém průmyslu - pro kontrolu nemrznoucích kapalin do ostřikovačů, nezámrznost chladicích kapalin motorů, pro měření kvality močoviny AdBlue apod.

 

 

Příklad nabídka mechanických ručních refraktometrů firmy http://www.refraktometr-eshop.cz přizpůsobené svojí stupnicí pro různé účely.

Jaký je princip funkce refraktometru?

Základním principem refraktometru je měřením indexu lomu světla prostřednictvím lomu paprsku světla na rozhraní čela měřícího zařízení a měřené kapaliny, které se snímací čelní část refraktometru dotýká nebo do které je ponořena. Vychází se zde ze základního fyzikálního principu lomu paprsku šikmo dopadajícího světla na optické rozhraní dvou prostředí s odlišný indexem lomu n1/n2 , tj. dvou materiálů s odlišnou optickou hustotou / rychlostí šíření světla.

Obecně platí, že pokud se jakékoliv vlnění dostane k rozhraní dvou prostředí, ve kterých má vlnění různou rychlost šíření, může dojít při průchodu vlnění tímto rozhraním ke změně směru jeho šíření. Tento jev se označuje jako lom vlnění nebo také refrakce, z něhož pak vzniklo i označení zařízení refraktometr. Lom je obecná vlastnost vlnění vycházející z Huygensova principu. U světla se rozdíl rychlosti v daném materiálu oproti jeho rychlosti ve vakuu označuje jako index lomu světla a lom je pak matematicky popsán tzv. Snellovým zákonem.

V praxi tak paprsek světla šikmo dopadající na rozhraní dvou opticky různých prostředí buď prochází a láme se, nebo se odráží, nebo se částečně láme i odráží, v závislosti na úhlu dopadajícího paprsku na rozhraní a indexech lomů obou prostředí. V případě dvou průhledných prostředí, kdy se paprsek šíří z prostředí opticky hustšího (prostředí o menším indexu lomu) do opticky řidšího (prostředí o větším indexu lomu), nastává lom od kolmice. V opačném případě (z opticky řidšího prostředí do hustšího) pak nastává lom ke kolmici. Vždy však musí paprsek světla dopadat pod úhlem větším, než je mezní úhel. Mezní úhel je takový úhel dopadu, při kterém paprsek po průchodu rozhraním svírá s kolmicí dopadu úhel 90°, a je tedy rovnoběžný s rozhraním. Při větším úhlu nápadů paprsku světla než mezní úhel se pak světlo od rozhraní odráží (nastává totální odraz) a do druhého prostředí neprochází. A právě měření změny úhlu zalomení paprsku nebo mezního úhlu, který je důsledkem rozdílného indexu lomu obou prostředí, refraktometr vyhodnocuje a zpracovává.

Protože hodnota rychlosti šíření světla / indexu lomu v prostředí představující snímací optickou část měřícího přístroje je pevná (udržovaná či kompenzovaná tak, aby byla stále stejná), systém reaguje pouze na změnu hodnoty rychlosti šíření světla / indexu lomu analyzované kapaliny.

Jakákoliv změna parametrů kapaliny, která ovlivní její hodnotu indexu lomu, tak je refraktometrem spolehlivě detekována. Proto v mnoha případech výsledek měření není uváděn jako samotný zjištěný úhel lomu, ale jako informace o změně stavu některého konkrétního parametru veličiny, tedy například změnu chemického složení kapaliny (přítomnost nebo změnu množství některé chemické látky - komponenty) nebo změnu hustoty.

Klasické ruční mechanické refraktometry

Všeobecně nejznámější jsou klasické "ruční mechanické" provedení refraktometrů s okulárem, které zcela jednoduše využívají výše uvedeného základního principu.

Jsou tvořené zešikmeným skleněným hranolem, který slouží současně jako snímací plocha i přijímač světla z okolí, příklopným víčkem a okulárem se stupnicích cejchovanou v univerzálních jednotkách refrakčního indexu nD, Brix stupnicí  koncentrace cukru/sacharózy v roztoku (1 stupeň Brix (°Bx) = 1 g sacharózy / ve 100 g roztoku) nebo konkrétní veličině, po kterou je daný konkrétní refraktometr určen, například množství alkoholu v nápoji, množství vody v medu, teplotu tuhnutí nemrznoucí směsi či chladící kapaliny apod.   

 

Popis konstrukce typického ruční mechanického refraktometru.

Na šikmou plochu hranolu stačí kápnout několik kapek testované kapaliny, přiklopit průsvitné víčko, která provede rozprostření kapaliny pro celém hranolu, namířit hranol proti světlu a podívat se do okuláru. Zde se na kruhovém průzoru se svislou stupnicí je pak možné vidět horizontálně rozdělené rozhraní světelné a temné části. A právě toto rozhraní mezi neosvětlenou a osvětlenou plochou na stupnici určuje / ukazuje výslednou hodnotu měření buď refrakčního indexu nebo konkrétní měřené veličiny kapaliny.

Každý refraktometr může být podle svého účelu stupnicí přizpůsoben k jednotlivým druhům měření. Jako je hodnota cukernatosti, bod tuhnutí chladicí kapaliny, koncentrace řezné emulze, voda v medu, cukernatost v kvasu, refraktometr na alkohol a jiné. Refraktometr může obsahovat jednu i více stupnic. 

Elektronické refraktometry

Průmyslové elektronické refraktometry pro provozní účely, které obsahují vlastní zdroj světla a vnitřní snímací elektroniku, pak využívají trošku jiného systému měření, konkrétně měření mezního úhlu.

U refraktometrických snímačů tohoto typu se totiž nevyhodnocuje úhel zalomení paprsku prošlého světla na rozhraní snímacího čela a měřenou kapalinou, ale vyhodnocuje naopak světlo odražené od rozhraní mezi hranolem a měřeným médiem. Svazek paprsků světla od zdroje je směrován k rozhraní mezi hranolem a měřeným roztokem. Paprsky světla pak dopadají na rozhraní pod různými úhly. V závislosti na velikostech úhlu dopadu a mezního úhlu projde část světla do kapalného média a část se odrazí od rozhraní. V případě, že úhel dopadu je větší než mezní úhel, dochází k úplnému odrazu. Tyto odražené paprsky se pak "odchytávají a směrují" další optikou do plošného snímače světla, kde se následně podle pozice přechodu světlo/tma vyhodnotí mezní úhel lomu světla a tím i měřený index lomu analyzované kapaliny.

Tento moderní systém tak může být již plně čistě elektronický a je založený na LED zdroji světla generující více směrové paprsky světla, optickém hranolu se snímací stranou pro kontakt s analyzovanou kapalinou a optoelektronickou snímací jednotkou s optickou zaostřovací soustavou. Ta se obvykle realizuje CCD snímačem nebo podobným plošným typem snímačem světla provádějící převod světla na elektrický signál, který se digitalizuje a následně procesorový programovým obrazu vyhodnotí a provede jeho převod na hodnotu indexu lomu či  konkrétní analyzovanou veličinu.

Celý uvedený proces funkce je podrobně odborně popsán na stránkách společnosti K-PATENS VAISALA LIQUIED MEASUREMENTS, který právě mimo jiné takové elektronické refraktometry vyrábí, v anglickém PDF Refractive Index Measurement Principle .

 

Popis konstrukce a princip elektronického vyhodnocení obrazu měření mezního úhlu odrazu a jeho převod na hodnotu indexu lomu analyzované kapaliny.

Závěr

Měření indexu lomu světla, jako prostředek nepřímého měření vlastností kapalin, je velmi efektivní a poměrně dost přesný způsob. Umožňuje analyzovat prakticky všechny tekuté materiály, mimo potravin také například průmyslové a chemické kapaliny, jakými jsou oleje, nemrznoucí směsi, brzdové a hydraulické kapaliny, louhovací látky, barvy a ředidla apod. Místo údaje o indexu lomu, což většině lidí nic konkrétního neřekne, lze rovnou zobrazovat konkrétní zkoumané veličiny. Prostě stačí jen zjistit převodní koeficient / charakteristiku závislosti změny indexu lomu kapaliny na dané hledané veličině.

Průmyslová provedení pak využívají prakticky shodný princip jako elektronické stolní refraktometry, ale vše musí být zapouzdřené do odolného pouzdra a uzpůsobeno náročným tepelným, mycím a někde i abrazivním podmínkám.

Odkazy:

Hodnocení článku: