مبانی رفراکتومتری (قسمت اول)
رفرکتومتر، انواع آن و مفاهیم کاربردی
رفراکتومتر (Refractometer) یک وسیله نوری و دستگاه اندازه‌گیری آزمایشگاهی است که برای تعیین درجه خلوص مایعات به کار میرود.
اساس کار آن بر مبنای اندازه‌گیری شاخص شکستندگی یا همان اندیس شکست نور در مایعات میباشد تا از طریق آن بتوان به میزان خلوص مایع و یا همان غلظت محلول مورد نظر دست یافت.
هدف از این مقاله مروری بر عملکرد رفراکتومتر و تعاریف و مبانی مربوط به آن است. در ادامه با ما همراه باشید.
رفرکتومتر چیست؟
رفراکتومتر از ترکیب دو کلمه (Refract) به معنی شکست و (Meter) به معنی سنجش اندازه تشکیل شده است و به معنی کلی شکست سنج است.
رفراکتومتر از پر کاربرد ترین تجهیزات ابزار دقیق مورد استفاده در آنالیز سیالات میباشد که اساساً برای تشخیص میزان خلوص و شناسایی مواد محلول در مایع به کار میرود.
عمل و ساز و کار آن را رفراکتومتری مینامند که در واقع همان محاسبه ضریب شکست سیالات میباشد.
به این صورت که با کاهش سرعت و تغییر جهت نور، هنگام حرکت از فازی به فاز دیگر (مثلاً از هوا به محیط سیال مایع)، پدیده‌ی شکست نور رخ میدهد.
از آنجایی که نور هنگام عبور از جامدات معلق در مایع (مانند نمک‌ها، قندها و دیگر ناخالصیها) بیشتر شکسته میشود، از پدیده‌ی شکست نور می‌توان برای اندازه‌گیری غلظت محلول مایع و ذرات معلق آن استفاده کرد.
تاریخچه:
بسیاری طرح اولیه طراحی رفراکتومتر را حاصل زحمات ارنست آبه (Ernst Abbe)، در اواخر دهه ۱۸۰۰ میلادی میدانند؛ گرچه نمونه‌های ساده‌تر آن قبل‌تر ارائه شده بود. دستگاه آبه شامل ترمومترهای توکار و حمام سیرکولاتورهای آب بود که برای کنترل دمای دستگاه و مایعات استفاده میشد. بعدها قسمت میکروسکوپ نیز به دستگاه اضافه شد.
نام‌های دیگر رفرکتومتر:
دستگاه رفراکتومتر یا رفرکتومتر را با نام‌های دیگری نظیر غلظت سنج، شکست سنج، بریکس متر، بریکس سنج و انکسار سنج نیز می‌شناسند.
مصارف رفرکتومتر در صنایع گوناگون
رفراکتومتر در بسیاری از صنایع مانند علوم پزشکی و بیمارستانی، دامپزشکی، صنایع غذایی، شیمی، برق، کشاورزی و صنایع نفت و گازو به طور کلی در مراکز کنترل کیفی در صنایع مختلف جهت تعیین خلوص انواع مواد به کار میرود.
- پزشکی: تشخیص میزان اوره (Urine)، قند خون، چربی خون وهمچنین پروتئین خون
- صنایع دامی: مصارف دامپزشکی، تعیین غلظت محیط پرورش آبزیان مانند استفاده در حوضچه‌های پرورش برای اندازه گیری شوری و وزن مخصوص آب
- صنایع دارویی: در تشخیص‌های فارماکولوژی، اندازه‌گیری چگالی ویژه‌ی ادرار انسان
- در صنایع سنگ و گوهرشناسی: تعیین نوع سنگ قیمتی و درجه خلوص آن
- صنایع خودروسازی: کنترل وزن مخصوص اسید باتری، وزن مخصوص ضد یخ، اندازه گیری غلظت مایع خنک کننده
- صنایع غذایی: تعیین بریکس محلول قند، میزان الکل در نوشیدنیها، بررسی کیفیت عسل، تعیین درجه غیر اشباع روغنها
- صنعت فلزکاری: جهت بررسی غلظت روانکارهای بر پایه آب
-
انواع رفراکتومتر
به طور کلی چهار نوع رفراکتومتر دستی آنالوگ، رفراکتومتر رومیزی، رفراکتومتر دستی دیجیتال و رفراکتومتر آنلاین یا اینلاین موجود است:
1. رفراکتومترهای دستی:
همانطور که از نامشان پیداست این نوع رفراکتومترها به صورت دستی استفاده می‌شوند و به منبع تغذیه نیاز ندارند، همچنین نیازمند تعداد کمی نمونه مایع هستند. برای استفاده از آن کافیست مقدار کمی از مایع روی محل مشخص نمونه (منشور) قرار گیرد، درپوش آن بسته شود، سپس رفراکتومتر عمود بر منبع نوری قرار گیرد و از قسمت چشمی با استفاده از مقیاس‌های مخصوص در دستگاه، شاخص شکست آن خوانده شود.
2. رفراکتومترهای دیجیتالی:
اساس کار رفراکتومترهای دیجیتال به همان روش رفراکتومترهای آنالوگ است اما با این تفاوت که معمولاً یک منبع نور LED در دستگاه تعبیه میشود و برای خواندن شاخص شکست نیاز به دید چشمی نیست چرا که این مدل از رفرکتومترها مجهز به نمایشگر هستند و روی مانیتور آن نتایج قابل مشاهده خواهد بود. در رفراکتومترهای دیجیتال به دلیل آن که طول موج دقیقتر کنترل میشود، دقت اندازه‌گیری نیز بهبود می‌یابد.
3. رفراکتومترهای آزمایشگاهی:
رفراکتومترهای آزمایشگاهی به پاس زحمات مخترع آن (Ernst Abbe)، با نام Abbe نیز شناخته می‌شوند. برخلاف رفراکتومترهای دستی که عموماً پرتابل یا قابل حمل هستند این نوع رفراکتومتر بر روی میز قرار میگیرد. به دلیل آنکه معمولاً شامل کنترل دمای نمونه نیز می‌شوند داده های دقیقتری ارائه خواهند داد. همچنین دارای آرایش نوری هستند که برای حذف خطای ناشی از زوایای دید مختلف طراحی شده است.
4. رفراکتومترهای درون خطی
رفراکتومترهای درون خطی (inline process refractometers) قابل استفاده درصنعت میباشد و دارای سنسورهایی است که در مسیر عبور جریان خط لوله تاسیسات به منظور کنترل و تنظیم فرآیندهای غلظت و اختلاط قرار گرفته و با محاسبه دما و ضریب شکست نور، غلظت سیال عبوری را طی سه مرحله کالیبراسیون و فرآیند جبران سازی دما برحسب بریکس محاسبه میکند و بر روی نمایشگر خود نشان میدهد. این دادهها جهت پردازش به PLC سیستم ارسال خواهند شد.
مفاهیم:
ضریب شکست:
شکست نور زمانی اتفاق می افتد که نور در پی ورود از محیطی به محیط دیگر با ضریب شکست و چگالی متفاوت، خم و از مسیر خط مستقیم خود منحرف شود. علت این شکست این است که سرعت حرکت نور در محیط های مختلف که جنس و چگالی متفاوتی دارند، با یکدیگر متفاوت است. مثلا سرعت نور در هوا ۳۰۰ هزار کیلومتر در ثانیه است ولی در شیشه و آب به ترتیب ۱۲۵ و ۲۲۵ هزار کیلومتر در ثانیه می باشد. میزان شکست به دو چیز بستگی دارد:
- تغییر در سرعت: اگر ماده ای باعث افزایش یا کاهش سرعت نور شود، نور می شکند.
- زاویه تابش نور: اگر نور با زاویه بیشتری وارد ماده شود، میزان شکست نیز محسوس تر خواهد بود.
از سوی دیگر، اگر نور مستقیماً وارد ماده جدید شود (با زاویه 90 درجه نسبت به سطح)، نور همچنان دچار تغییر سرعت می شود؛ اما به هیچ وجه تغییر جهت نمی دهد و شکست رخ نمی دهد.
اگر ضریب شکست یک محیط با n نشان داده شود، برای یک ماده معین، ضریب شکست نسبت بین سرعت نور در خلأ (c) و سرعت نور در محیط (v) است و با فرمول زیر محاسبه می شود و پارامتری بدون واحد است:
شاخص بریکس:
درجه بریکس به طور معمول یک معیار تعیین میزان شکر در محلول است که بستگی به میزان انکسار نور دارد و در صنایع نوشابه‌سازی و آب‌میوه استفاده میشود. یک درجه بریکس برابر است با یک گرم ساکاروز در ۱۰۰ گرم محلول.
درجه بریکس (Brix) نشان دهنده درصد وزن مواد جامد حل شده موجود در یک محلول به وزن کل محلول میباشد، یا به عبارت دیگر، درصد وزنی مواد جامد موجود در محلول. پس هرچه درجه بریکس محلولی بیشتر باشد، غلظت مواد جامد در آن محلول نیز بیشتر خواهد بود.
با توجه به اینکه وزن مخصوص (وزن حجمی-وزن واحد حجم) مواد در دماهای مختلف متفاوت است، می بایست برای مقایسه صحیح و استفاده درست از جداول موجود، اندازه‌گیری‌ها همیشه در دمای ثابت و معینی انجام شود. این دمای ثابت و معین که به اصطلاح دمای آزمایشگاه نامیده میشود، 20 درجه سانتیگراد است. معمولاً برای کاربردهای عملی، اندازه‌گیری در دمای 18 تا 22 درجه سانتیگراد نیز قابل قبول است.
لطفا ادامه این مطلب را در مقاله های با عناوین مبانی رفراکتومتری (قسمت دوم) و مبانی رفراکتومتری (قسمت سوم)
مطالعه بفرمایید.
امیدواریم که این مطلب برای شما مفید بوده باشد، لطفا جهت کسب اطلاعات بیشتر از طریق منوی تماس با ما ، با شرکت ارتباط بگیرید.
