Устройство рефрактометра

Рефрактометр — это специальный оптический прибор, который используют для измерения параметров различных веществ методом светопреломления. 

В этой статье мы рассмотрим виды, сферы применения, принцип работы, устройство рефрактометра.

Происхождение названия

Название прибора исходит из термина «рефракция» (лат. refractus — преломленный), который появился благодаря Исааку Ньютону ещё в начале XVIII века. Согласно Ньютону, рефракция — это атмосферно-оптическое явление, вызванное преломлением световых лучей в атмосфере. 

Оно проявляется в кажущемся смещении удалённых объектов, а иногда — в кажущемся изменении их формы. С помощью рефрактометра можно измерять концентрацию веществ через коэффициент преломления света.

Сферы применения

Показатель преломления света необходим при проведении различных исследований. С его помощью определяют физические и химические параметры веществ, проверяют качество продуктов. Поэтому рефрактометры широко применяются:

• В пищевой промышленности: контроль крепости алкогольных напитков, расчёт массовой доли растворимых веществ и концентрации сахара, измерение содержания жира, белков, влажности мёда.
• В медицине: определение белка в сыворотке крови, плотности мочи, концентрации лекарств.
• В химии: измерение количества кислот, солей, металлов и пр. веществ, контроль степени полимеризации синтетических смол, пластмасс.
• В фармацевтической промышленности: изучение концентрации кислот, растворов лекарственных препаратов.
• В нефтегазовой промышленности: определение качества топлива, охлаждающих жидкостей для автомобилей, сельскохозяйственной техники, судов, анализ состава воздуха, влажности метана.

Конструкция

Стандартный рефрактометр состоит из нескольких основных деталей. Среди них:

• Призма. Главный оптический элемент, на который наносят изучаемое вещество. Выполняется из материала, обладающего высоким коэффициентом преломления света. Поэтому луч, проходящий через неё, попадает на шкалу под большим углом отклонения.
• Шкала. Градуированная окружность, на которую попадает луч, образуя две области: освещённую и неосвещённую. Коэффициент преломления высчитывается в зависимости от положения границы раздела. У большинства моделей есть сразу несколько шкал, а именно:
  
  - Water — водяная шкала, показатели которой расположены в диапазоне 12-27%. Для определения влажности вещества.
  - Brix — для определения содержания сахара в мёде, со значениями 58-90%.
  - Baume — для измерения плотности жидкости градусами Боме.
  
  
• Защитное стекло на шарнире. Сжимает и разглаживает исследуемый слой вещества, опускаясь на него гладкой поверхностью.
• Калибровочный винт. Вращается при помощи миниатюрной отвёртки, идущей в комплекте с прибором. Сам винт расположен на наклонном срезе. С его помощью можно настраивать оптическую схему.
• Система оптических линз. Линзы, окрашенные в синий цвет и обладающие однородной структурой, расположены внутри корпуса, в области наклонного среза. Они преломляют свет. Синий окрас обеспечивает чёткое разделение света и тени на шкале.
• Биметаллическая пластина. Встроенная пластина, предназначенная для корректировки оптических характеристик прибора в зависимости от температурного уровня. Уменьшает влияние температуры на коэффициент светопреломления.
• Монокуляр. Отверстие для наблюдения за результатами исследования.

Принцип работы

Рефрактометр работает по принципу полного внутреннего отражения. Луч света, переходя из одного вещества в другое, меняет направление, образуя угол, величина которого зависит от состава и концентрации изучаемого раствора. 

Соотношение угла вхождения к углу преломления на границе раздела двух сред — это коэффициент преломления. С его помощью определяется оптическая плотность вещества.

Типы рефрактометров

Есть несколько типов приборов. А именно:

• Лабораторный. Настольные рефрактометры, обладающие наибольшей точностью. Применяются для научных исследований.
• Промышленный. Стационарный прибор с автоматическим принципом работы, который чаще всего встраивается в различные технологические установки, контролируя состав веществ в режиме реального времени. Может подключаться к компьютеру.
• Портативный. Компактный измеритель, наиболее подходящий для оперативного применения. Есть два вида портативных рефрактометров: ручной и цифровой.
  Первые изготавливаются без элементов питания и электросхем, измерение проводится только за счёт искусственного или дневного света. Цифровые работают от батареек, а показатели отображаются на встроенном ЖК-экране.

Калибровка

Чтобы прибор демонстрировал точные результаты, его предварительно необходимо подготовить к использованию. Для этого нужна процедура калибровки.

Чаще всего калибровка проводится с помощью дистиллированной воды. Она помогает выставить на шкале рефрактометра нулевое значение. Вода оказывает минимальное влияние на преломление света, демонстрируя нулевой коэффициент на линзе.

• Нужно поднять пластинку для освещения и пипеткой нанести на призму несколько капель воды. Затем закрыть стекло таким образом, чтобы жидкость равномерно распределилась под ним, не образуя пузырьков.
• Затем нужно выждать около 30 секунд, после чего направить прибор в сторону света и посмотреть в окуляр. Вы увидите круглую область с центром, расположенным внизу.
• После этого необходимо выставить нулевое значение при помощи калибровочного винта. Его подкручивают отвёрткой до тех пор, пока границы двух областей не соединятся в нулевой отметке. По завершении процедуры тщательно очистите линзу мягкой тканью, идущей в комплекте. Прибор будет готов к исследованиям.

Калибровку необходимо периодически повторять, если проводится много измерений с разными веществами. Это поможет избежать возникновения ошибок в его показателях.

Как пользоваться рефрактометром

Использование прибора для измерений мало чем отличается от процесса калибровки. Для замеров, как правило, требуется всего 2-3 капли материала. Его наносят на поверхность призмы, накрывая защитным стеклом. Образуется равномерный слой определённой толщины. 

Падающий луч света, проходя через призму с веществом, преломляется. Через систему оптических линз он попадает на шкалу. Через монокуляр можно наблюдать результат. По положению границы между синим и белым цветом шкалы определяется коэффициент преломления. 

Правила использования

Для получения правильных результатов необходимо, чтобы температура изучаемого состава и окружающего воздуха несильно различались. Поэтому перед снятием показаний необходимо выждать около 30 секунд. Чем тоньше слой вещества, тем точнее результат.

Инструмент нельзя погружать в воду, попадание влаги внутрь не допускается. Также запрещено наносить на него жёсткие или коррозийные вещества, а также химикаты, которые могут нанести вред призме. 

После каждого применения прибор необходимо очищать — исключительно тканью, идущей с ним в комплекте.

Рекомендуемая температура воздуха при калибровке — 20°C. Это не относится к моделям, оснащённым АТС: системой автоматической температурной компенсации.

Рефрактор — достаточно хрупкий предмет, требующий бережного хранения и эксплуатации. Срок его службы напрямую зависит от аккуратности при использовании.