Refraktometer

Forskellige måleprincipper for et refraktometer

Hånd refraktometer

Vintner måler grader Oechsle med refraktometeret

Den refraktometer er en måleindretning til bestemmelse af brydningsindekset af - flydende eller faste - transparente stoffer ved refraktometri . Det bruger lysets opførsel ved overgangen mellem et prisme med kendte egenskaber og det stof, der skal testes.

Hvis den generelle sammensætning af en væske er kendt, kan et refraktometer bruges til at måle koncentrationen af opløste stoffer i den. I forbindelse med høsten af ​​vin, sukkerroer og også æbler, bestemmes plantens sukkerindhold på denne måde.

I oftalmologi bruges et refraktometer til at bestemme øjets brydningsforhold .

Måleprincipper

Man kan skelne mellem tre måleprincipper:

• Transmitteret lys
• græsningsidé
• Total refleksion

Den brydning eller total refleksion af lyset anvendes. Fælles for alle tre principper er et _måleprisme med et kendt brydningsindeks (n _prisme ). Lyset spreder sig i forskellige vinkler ved overgangen mellem måleprismet og prøvemediet (n _væske ). Det ukendte brydningsindeks for prøvemediet måles via afbøjning af lys.

• Med det transmitterede lysprincip brydes et parallelt bundt stråler ved grænsefladen mellem de to medier.
• I tilfælde af græsningsincidens og total refleksion måles den kritiske vinkel for en bjælke med forskellige indfaldsvinkler på grænsefladen.

Design

Se gennem okularet på et håndholdt refraktometer. Aflæsning: 47 ° Oechsle.

Traditionelle refraktometre bruger ofte sollys eller en glødelampe som lyskilde, nogle gange med et farvefilter. En skala fungerer som en detektor, som kan aflæses med øjet ved hjælp af et optisk system.

Eksempler er:

• Hånd refraktometer
• Abbe refraktometer
• Pulfrich refraktometer
• Wollastons refraktometer (1802)
• Jelley refraktometer

De første undersøgelser med måleprismer blev allerede udført i 1761 og 1802, men brugbare refraktometre blev kun beskrevet af Ernst Abbe i 1874 og Pulfrich (1889) og Jelly (1934).

Differentielle refraktometre sammenligner brydningsindekset for en referenceprøve med den prøve, der skal testes, idet prøveinterfacet danner et prisme (som afbøjes i tilfælde af brydningsindeksforskelle).

Dagens refraktometre bruger en LED som lyskilde . En CCD-sensor bruges som detektor . En indbygget temperaturmåling eller termostatering giver mulighed for at kompensere for det temperaturafhængige brydningsindeks.

eksempler er

• Hånd- og bordpladeindretninger til små prøvemængder
• Procesrefraktometer til direkte installation i processen, f.eks. B. i rør eller tank

Derudover anvendes refraktometriske målemetoder i sensorerne på mere komplekse maskiner, såsom B. som en regnsensor i køretøjer eller en detektor i udstyr til højtydende væskekromatografi (HPLC). Her bruges ofte kontinuerlige brydningsindeksdetektorer .

Indflydelse af bølgelængden

Brydningsindekset for en prøve varierer for næsten alle materialer med forskellige bølgelængder. Denne såkaldte dispersion er karakteristisk for ethvert materiale.

I det synlige bølgelængdeområde kan der observeres et fald i brydningsindekset med stigende bølgelængde for lyset og næsten ingen absorption. I det infrarøde bølgelængdeområde er der ofte adskillige absorptionsmaximaer og udsving i brydningsindekset. For en højkvalitetsmåling af brydningsindekset med en nøjagtighed af brydningsindekset på op til 0,00002 skal målebølgelængden bestemmes meget præcist. Derfor indstilles bølgelængden i moderne refraktometre til en båndbredde på ± 0,2 nm for at sikre korrekte resultater for prøver med forskellige dispersioner.

Indflydelse af temperatur

Temperaturen har en meget stor indflydelse på brydningsindekset. Derfor skal prismen og prøven også kontrolleres. Til præcise målinger af brydningsindekset anvendes temperaturfølere og Peltier-elementer til termostatering af prøven og måleprismet .

Tidligere blev eksterne vandbade brugt til temperaturregulering. Dagens temperaturkontroller af Peltier-elementet fungerer hurtigere og kræver i modsætning til et vandbad ingen vedligeholdelse.

Strømningscelle med hældningstragt til et automatisk refraktometer muliggør hurtig udskiftning af prøven, f.eks. B. i kvalitetskontrol

Automatisk refraktometer

Skematisk struktur af et automatisk refraktometer: En LED-lyskilde belyser et prisme med en prøve på overfladen i forskellige vinkler. Afhængigt af brydningsindeksforskellen mellem prisme-materialet og prøven og lysstrålens indfaldsvinkel brydes lyset delvist ind i prøven og reflekteres eller reflekteres fuldstændigt. Den kritiske vinkel for total intern refleksion bestemmes ved at måle den reflekterede lysintensitet som en funktion af indfaldsvinklen

Automatiske refraktometre udfører nogle aktiviteter uafhængigt, kan undertiden kommunikere med andre måleenheder og gemme data.

Måleprincippet er baseret på bestemmelsen af ​​den kritiske vinkel for total refleksion: En lyskilde, normalt en lysdiode, er fokuseret på en prismeoverflade via et linsesystem. Et interferensfilter garanterer den specificerede bølgelængde. Ved at fokusere lyset på et punkt på prismeoverfladen dækkes et stort antal forskellige indfaldsvinkler. Som vist i den skematiske illustration af strukturen af ​​et automatisk refraktometer, er prøven, der skal måles, i direkte kontakt med måleprismet. Afhængigt af brydningsindekset for prøven trænger det indfaldende lys delvist ind i prøven (det brydes) ved indfaldsvinkler under den kritiske vinkel for total refleksion, mens lyset ved højere indfaldsvinkler reflekteres fuldstændigt ved prøve / prisme-grænsefladen . Denne afhængighed af den reflekterede lysintensitet af indfaldsvinklen måles med en CCD-sensor med høj opløsning. Brydningsindekset for prøven kan beregnes nøjagtigt ud fra videosignalet optaget med CCD-sensoren. Denne metode til måling af vinklen for total intern refleksion er uafhængig af prøveegenskaberne. Det er endda muligt at måle brydningsindekset for stærkt absorberende prøver eller prøver, der indeholder luftbobler eller faste partikler. Der kræves kun et par mikroliter af prøven, og prøven kan udvindes. Bestemmelsen er uafhængig af vibrationer og andre miljøpåvirkninger.

Flowceller

Forskellige typer måleceller er almindelige, fra mikroflowceller i nogle få mikroliter til prøveceller med en påfyldningstragt. Mikroceller sikrer god genvindelighed af dyre prøver og forhindrer fordampning af flygtige prøver eller opløsningsmidler. Mange flowceller har en påfyldningstragt til påfyldning.

Automatisk prøvefremføring

Automatisk refraktometer med prøveomskifter til måling af flere prøver

Hvis et automatisk refraktometer er udstyret med en flowcelle, kan prøven tilsættes enten ved hjælp af en sprøjte eller ved hjælp af en pumpe. Nogle refraktometre tilbyder også mulighed for at styre en peristaltisk pumpe indbygget i enheden. En slangepumpe gør det muligt at udføre flere målinger på en prøve uden brugerinteraktion. Dette eliminerer menneskelige fejl og øger prøvens gennemløb.

Hvis der kræves en automatisk måling af et stort antal prøver, kan nogle refraktometre kombineres med en prøveomskifter. Prøveveksleren styres af refraktometeret. Prøverne skal dog først udfyldes i prøveudskifterbeholderen.

Ansøgninger

Traditionelle anvendelser

Mange applikationer tjener til at bestemme koncentrationer i et bærermedium: Traditionelt anvendes refraktometre til at bestemme sukkerindholdet i vandige opløsninger, f.eks. B. Bestemmelse af modenhed under druehøsten , måling af den oprindelige urt ved brygning af øl og som biavl til bestemmelse af vandindholdet i honning . Der er etableret separate skalaer til disse applikationer i fødevaresektoren ( grader Oechsle , grader Brix , grader Platon ).

Refraktometre bruges også til at bestemme syrekoncentrationen i batterier. Olie-vand-koncentrationen i køleemulsionsblandinger måles i metalbearbejdningsmaskiner med det håndholdte refraktometer, ligesom måling af glykolindholdet i kølemidler eller saltvand i havvand. På det medicinske område anvendes et refraktometer til at bestemme proteinindholdet i urinen . Alternativt bestemmes densiteten ofte til de nævnte anvendelser ved hjælp af et hydrometer , en synkebalance. Den mest berømte her er sandsynligvis must-vejeren .

Yderligere anvendelser inden for kemi

I kemi bruges refraktometri til at kontrollere renheden af ​​organiske stoffer. Hver organisk væske har et karakteristisk brydningsindeks. Ud over renhedstesten bruges refraktometri også til kvantitativ analyse af to- eller flerkomponentblandinger og identifikation af stoffer.

Den specifikke brydning af et stof fås fra Lorentz-Lorenz-formlen

${\ displaystyle {\ text {Specifik brydning}} = {\ frac {n ^ {2} -1} {n ^ {2} +2}} \ cdot {\ frac {1} {d}}}$

Her er brydningsindekset, stoffets egenvægt. ${\ displaystyle n}$${\ displaystyle d}$

Multiplicering af den specifikke brydning med stoffets molære masse giver molekylær brydning : ${\ displaystyle M}$

${\ displaystyle {\ text {Molecular refraction}} = {\ frac {n ^ {2} -1} {n ^ {2} +2}} \ cdot {\ frac {M} {d}}}$.

Hvis et stofs brydningsindeks bestemmes ved forskellige bølgelængder (f.eks. Den gule natrium D-linie eller den røde hydrogenlinie), opnås en molekylær spredning af stoffer.

Et stofs brydningsevne afhænger af de funktionelle grupper i hvert enkelt molekyle. Molekylær brydning er summen af ​​de individuelle funktionelle grupper, atomer i et molekyle. Ved at summere trinene for hver funktionel gruppe (f.eks. C (monovalent): 2,41, C = C: 1,69, C2C: 2,38, C = O: 2,19, CH: 1, 09, -O-: 1,64) molekylær brydning kan beregnes for hvert molekyle og sammenlignes med den målte værdi.

Refraktometri var en af ​​de tidligste fysiske metoder til kontrol af strukturen og funktionelle grupper i molekyler.

Refraktometre anvendes også til at bestemme de optiske egenskaber af faste medier, f.eks. B. ved fremstilling af briller og ved kvalitetsvurdering eller identifikation af ædelsten. Det er også muligt at bestemme brydningsindekset for organiske faste stoffer ved hjælp af en Max Le Blanc- metode.

Køretøjsteknologi

Refraktometri bruges til at bestemme kølevæskens frostmodstand . Disse refraktometre har en temperaturskala for kølemidlets hældningspunkt . Andre metoder er svømmere, der måler glykolindholdet efter opdrift .

Oftalmologi

I oftalmologi og optik , er manuelle eller automatiske refraktometre anvendes til at bestemme og måle objektive brydning af de øjne , grundlaget for justering korrigerende linser, såsom briller eller kontaktlinser . Når Autorefractometer kan bruges Foucault-skæremetoder . Automatisering fremskynder undersøgelsesprocessen, gør den også anvendelig for lægfolk, men producerer ikke altid nøjagtige måleresultater. Et alternativ til brugen af ​​et refraktometer, især med små børn, er retinoskopi .

Gem lore

Det optiske ædelsten refraktometer ER604

Ædelsten er gennemsigtige mineraler og kan derfor undersøges ved hjælp af optiske metoder. Da brydningsindekset er en materialekonstant, der afhænger af stoffets kemiske sammensætning, giver det information om typen og kvaliteten af ​​en ædelsten. Bestemmelsen med et specielt ædelstensrefraktometer er en brugervenlig metode, hvor ægtheden og kvaliteten af ​​en sten kan vurderes. Ædelstenens refraktometer er derfor en del af basisudstyret i et gemologisk laboratorium. På grund af brydningsindeksets afhængighed af bølgelængden af ​​det anvendte lys ( dispersion ) udføres målingen normalt ved bølgelængden af ​​natrium D-linjen (nD) på 589 nm. Dette filtreres enten ud af dagslys eller genereres af en monokromatisk lysemitterende diode ( LED ). Visse sten som rubin, safir, turmalin eller topas er optisk anisotrope . De har en dobbeltbrydning, der er afhængig af lysets polariseringsplan . De to forskellige brydningsindeks bestemmes ved hjælp af et polarisationsfilter . Ædelsten refraktometre tilbydes både som klassiske optiske instrumenter og som elektroniske måleinstrumenter med direkte digitalt display.

Se også

• Grad Oechsle
• Klosterneuburg cider vejer
• optik

Weblinks

Wiktionary: Refractometer  - forklaringer på betydninger, ordets oprindelse, synonymer, oversættelser

• Auto refraktometer sammenlignet med monokulær subjektiv brydning. (PDF; 1,1 MB) Arkiveret fra originalen den 30. april 2006 ; Hentet 29. december 2009 . 
• Moderne automatiske refraktometre i sammenligning. (PDF; 135 kB) Arkiveret fra originalen den 26. april 2005 ; Hentet 29. december 2009 . 
• Refraktometer-regnemaskine til bestemmelse af den endelige grad af gæring og alkoholindhold i øl i hobbybryggerisektoren

litteratur

• aprentas (red.): Laborpraxis . 6. udgave. bånd 2 : Målemetoder. Springer International Publishing Switzerland, Cham 2017, ISBN 978-3-0348-0967-2 , kapitel 10: Bestemmelse af brydning , s. 83-92 , doi : 10.1007 / 978-3-0348-0968-9_10 . 
• Standard DIN EN ISO 10342: 2010-11: Oftalmiske instrumenter - refraktometre for øjet ( beuth.de ).

Individuelle beviser

1. ^ Herbert Feltkamp, ​​Peter Fuchs, Heinz Sucker (red.): Farmaceutisk kvalitetskontrol. Georg Thieme Verlag, 1983, ISBN 3-13-611501-5 , s. 248-249.
2. ^ Clairaut, Mem. Acad. R. 388 (1761).
3. ^ William Hyde Wollaston: XII. En metode til at undersøge brydnings- og spredningsevner ved prismatisk refleksion . I: Filosofiske transaktioner fra Royal Society of London . bånd 92 , 1802, s. 365-380 , doi : 10.1098 / rstl.1802.0014 (fri fuldtekst). 
4. ↑ Ernst Abbe: Nyt apparat til bestemmelse af brydnings- og spredningskraften for faste og flydende legemer . Mauke's Verlag (Hermann Dufft), Jena 1874, OCLC 9297565 ( digital kopi - ny udgave: Forgotten Books, [sl] 2016, ISBN 978-1-334-01028-6 ). 
5. ↑ C. Pulfrich: En ny refraktometer . I: Tidsskrift for analytisk kemi . bånd 28 , nr. 1 , 1889, s. 81-82 , doi : 10.1007 / BF01375871 . 
6. ↑ EE Jelly: XVI. - Et mikrorefraktometer og dets anvendelse i kemisk mikroskopi . I: Journal of the Royal Microscopical Society . bånd 54 , nr. 4 , 1934, s. 234-245 , doi : 10.1111 / j.1365-2818.1934.tb02319.x . 
7. ↑ differentieret refraktometer RIDK-102 fra året 1989
8. ↑ JW Brühl: Om indflydelsen af ​​singlen og den såkaldte multiple binding af atomer på kroppens lysbrydningskraft . I: Tidsskrift for fysisk kemi . 1U, nr. 1 , 1887, s. 307 , doi : 10.1515 / zpch-1887-0136 . 
9. ↑ James D. Forbes: på farven på Steam under visse omstændigheder . I: Fysikens annaler . bånd 123 , nr. 8 , 1839, s. 593-599 , doi : 10.1002 / andp.18391230805 ( digitaliseret på Gallica ). 
10. ↑ JW Brühl: Undersøgelser af molekylær brydning af organiske flydende legemer med stor farvedispergerbarhed . I: Rapporter fra det tyske kemiske selskab . bånd 19 , nr. 2 , 1886, s. 2746–2762 , doi : 10.1002 / cber.188601902246 ( digitaliseret på Gallica - Hier, s. 2760). 
11. ↑ E. Conrady: Beregning af atomrefraktion for natriumlys . I: Rapporter fra det tyske kemiske selskab . bånd 22 , 1889, s. Ref. 224 ( digitaliseret på Gallica ). 
12. ↑ JW Brühl: Om indflydelsen af ​​den enkelte og den såkaldte multiple binding af atomer på kroppens lysbrydningskraft. Et bidrag til undersøgelsen af ​​sammensætningen af ​​benzen og naphthalenforbindelser . I: Rapporter fra det tyske kemiske selskab . bånd 20 , nr. 2 , 1887, s. 2288–2311 , doi : 10.1002 / cber.18870200239 / fuld ( digitaliseret på Gallica ). 
13. ↑ JW Brühl: om molekylær brydning af organiske flydende legemer med stor evne til at sprede farver . I: Justus Liebigs kemiske annaler . bånd 235 , nr. 1-2 , 1886, s. 1-106 , doi : 10.1002 / jlac.18862350102 (her, s. 35). 
14. ↑ M. Le Blanc: En enkel metode til bestemmelse af brydningseksponenterne for optisk isotrope legemer . I: Tidsskrift for fysisk kemi . 10U, nr. 1 , 1892, doi : 10.1515 / zpch-1892-1027 . 
15. ↑ Stefan Sobotta: Varmepumpe praksis: teknologi, planlægning, installation . 2. udgave. Beuth Verlag, Berlin 2015, ISBN 978-3-410-23362-6 , pp. 216 ( begrænset forhåndsvisning i Google Book-søgning). 
16. ↑ Bernhard Lachenmayr, Annemarie Buser: Øje - Briller - Brydning: Schober-kursus: forstå - lære - anvende . 4. udgave. Thieme, Stuttgart 2006, ISBN 978-3-13-139554-2 , s. 38 ( begrænset forhåndsvisning i Google Book-søgning).