7.3. Рефрактометры

Приборы, основанные на использовании зависимости показателя преломления бинарной смеси от соотношения ее компонентов, применяют­ся для определения концентрации различных растворов.

Показатель преломления n (относительный) определяется отношением синуса угла падения светового луча (sin α) к синусу угла преломления (sin β) при переходе его из одной среды в другую:

n= v₁/v₂= sin α/ sin β=n₂/n₁, так как n₁=C/v₁ и n₂=C/v₂,

где v₁ и v₂ - скорость распространения света в соответствующих средах;

n₁ и n₂ - их абсолютные показатели преломления;

C - скорость света в пустоте (вакууме).

Для двухкомпонентных растворов:

C₁/C₂=K [(n_см-n₂)/(n₁- n_см)],

где C₁ и C₂ - концентрации компонентов смеси;

n_см - показатель преломления смеси;

К- постоянная.

При К=1 и C₁ + C₂=100 % для C₁ = C_х: C_х /100- C_х =(n-n₂)/(n₁-n) ,

отсюда

C_х=100∙(n-n₂)/(n₁-n),

где (n₁- n₂) /100=К_n - инкримент показателя преломления, тогда

n=n₂+ К_n C_х.

Промышленные рефрактометры основаны на методе разностной призмы. Кювета включает в себя две или три полые призмы, одна из которых заполняется сравнительной жидкостью со средним значением показателя преломления.

Для двухпризменного преобразователя:

sin β=(n_x-n_ср)∙tg α.

Для трехпризменного:

sin β=2(n_x-n_ср) ∙tg α/2; (7.1)

n_x = n₂ +K C_х ; (7.2)

n_ср = n₂ +K.C_ср , (7.3)

вычитая из (7.2) выражение (7.3) получим n_x – n_ср =К(C_х – C_ср);

sin β=2КΔС tg α/2.

Измеряя рефрактометром отклонение светового пучка на выходе кюветного преобразователя, можно определить изменение концентрации ΔС анализируемого компонента.

Н а рис. 7.5 приведена схема рефрактометра. При n_x=n_ср фотосопротивления Ф1 и Ф2 равномерно освещаются. При изменении концентрации луч света отклоняется в ту или иную сторону. Разбаланс усиливается, и с помощью реверсивного двигателя РД поворачивается компенсационная пластина 5. Стрелка показывающего прибора 6, связанная с РД, указывает концент­рацию раствора.

Рис. 7.5

1- источник света; 2 - конденсорная линза; 3 - диафрагма; 4 - кювета; 5 – компенсационная пластина; 6 – показывающий прибор.

Другая группа рефрактометров основана на использовании явления полного внутреннего отражения.

При переходе из среды с большим показателем преломления в среду с меньшим (n₁>n₂) можно подобрать предельный угол α_пред< π/2, при котором β = 90°. При этом луч не проходит в менее плотную среду, а скользит по границе раздела сред. При всяком другом угле больше α_пред луч будет полностью отражаться от границы раздела. Этот эффект используют в волоконной оптике для передачи света по свето­водам. Отраженный свет делится на световую зону и затемненную. Рав­новесие получается тогда, когда граница светотени проецируется на ще­левую диафрагму.

Рефрактометр автоматический типа А2РП-Д предназначен для анализа прозрачных и полупрозрачных сред.

Прибор блочно-модульного исполнения с унифицированным выходным сигналом 4-20 мА постоянного тока. Принцип действия – измерение величины угла преломления светового луча, проходящего через жидкостную разностную призму. Рефрактометр собран по дифференциальной схеме.

Рефрактометрический преобразователь типа A1-ЕД2Р автоматичес­ки измеряет концентрацию сухих веществ в молочных продуктах и мо­локе. Пределы измерения 0 –74 % сухих веществ по сахарозе. Предел основной погрешности ±0,3 % сухих веществ.