Actualmente, măsurarea concentraţiei de substanţe dizolvate într-un lichid se face utilizând metoda refractometrică sau metoda densimetrică. Ambele metode prezintă avantaje importante în raport cu alte metode şi sunt larg utilizate pe plan mondial pentru măsurarea concentraţiei de substanţe în diferite ramuri industriale. În continuare prezentăm principiile de măsură ale metodei refractometrice, principii ce trebuiesc respectate în construcţia aparatelor de măsură a concentraţiei – refractometrele.
Realizarea unui refractometru se bazează pe fenomenele fizice ale reflexiei totale şi refracţiei luminii. Este cunoscut că o rază de lumină care trece dintr-un mediu A într-un mediu B, fiecare având un indice de refracţie diferit, nu va urma o linie dreaptă ci va suferi o abatere de la traiectoria iniţială.
Mărimea abaterii şi direcţia acesteia faţă de raza incidentă depind de indicele de refracţie – nD al mediului B. Un parametru de bază în studiul fenomenelor optice este unghiul de incidenţă care este unghiul sub care raza de lumină parcurge mediul A şi se măsoară între direcţia razei incidente şi o perpendiculară pe planul de separare al celor două medii în contact. Unghiul sub care raza de lumină parcurge mediul B se numeşte unghi de refracţie şi se măsoară între direcţia razei refractate şi perpendiculara pe planul de separare al celor două medii. Relaţia care leagă unghiurile de incidenţă şi refracţie şi indicii de refracţie ai celor două medii A şi B este cunoscută sub numele de formula lui Snell şi are următoarea expresie:
nDA / nDB = sinaB/sinaA
Prin creşterea valorii unghiului de incidenţă se observă că unghiul de refracţie tinde către 90 grade. La un anumit unghi de incidenţă valoarea unghiului de refracţie va fi de 90 grade. În acest moment, practic nu mai există refracţie iar unghiul de incidenţă se numeşte unghi critic sau unghi limită aL. Formula lui Snell se simplifică devenind:
nDB = nDA*sinaA
La unghiuri de incidenţă mai mari decât unghiul critic razele incidente nu vor mai fi refractate ci vor suferi o reflexie totală, unghiul de reflexie fiind egal cu unghiul incident.
Refractometrele realizate pe plan mondial sunt refractometre cu microprocesor care permit realizarea unor precizii de măsură ridicate şi care sunt realizate utilizând experienţă tehnică în optică, electronică şi mecanică fină.
Măsurarea concentraţiei unei soluţii se face pe baza indicelui de refracţie al respectivei soluţii de unde şi numele de refractometre. Fiecare material – solid, lichid sau soluţie – este caracterizat printr-un indice de refracţie nD care este raportul între viteza luminii în vid şi viteza luminii în materialul respectiv:
nDB = c / v = viteza luminii în vid / viteza luminii în mediul B
Indicele de refracţie este o proprietate fizică a materialelor precum densitatea sau vâscozitatea. În cazul soluţiilor (lichide cu substanţe dizolvate) cu cât concentraţia este mai mare cu atât densitatea creşte, viteza luminii scade şi deci, conform formulei, indicele de refracţie creşte. Se stabileşte astfel o relaţie bine determinată între concentraţie şi indicele de refracţie. În practică determinarea concentraţiei se face utilizând legile refracţiei şi reflexiei, având ca mediu soluţia/produsul de analizat. Utilizând ca mediu A o prismă cu indice de refracţie cunoscut şi ca mediu B soluţia a cărei concentraţie vrem să o cunoaştem, se determină valoarea unghiului limită şi din relaţia lui Snell rezultă valoarea indicelui de refracţie pentru soluţia analizată.
Un refractometru include, în general, următoarele subansamble:
• sursa de lumină LED
• lentilele de focalizare
• lentilele de intrare
• prisma de măsură
• lentilele de ieşire
• detectorul de imagine CCD
Dacă un fascicul de lumină conţinând raze cu unghiuri de incidenţă diferite întâlneşte suprafaţa de separare A/B (prismă/produs) vom observa că razele cu unghiuri de incidenţă mai mici decât unghiul critic vor fi refractate în timp ce razele cu unghiuri de incidenţă mai mari decât unghiul critic vor fi reflectate. Acest fenomen este folosit pentru a determina indicele de refracţie al unor soluţii ce conţin substanţe dizolvate, unghi ce depinde de concentraţia acestora.
Considerând cunoscută valoarea indicelui de refracţie nDA al mediului A – prisma de măsură, se poate măsura printr-un sistem electrono-optic valoarea unghiului critic şi utilizând formula unghiului critic prezentată anterior se determină indicele de refracţie nDB al soluţiei necunoscute.
nDA = K, nDB = K*sinaL unde K este indicele cunoscut al prismei, iar aL este unghiul critic măsurat.
Determinarea unghiului critic se face utilizând un detector CCD (Coupled Charged Display) de mare sensibilitate. Sursa de lumină emite un fascicul ce va fi prelucrat de un sistem de lentile şi apoi va fi supus fenomenelor optice (refracţie, reflexie) la zona de contact prismă/produs de analizat. Fasciculul de lumină va fi împărţit în două părţi: o parte se refractă şi se disipă în produsul de analizat, iar o parte se reflectă şi se transmite către detectorul CCD. Practic fasciculul de lumină se divizează într-o zonă luminoasă şi o zonă întunecoasă, graniţa de separare între cele două zone fiind determinată de unghiul critic. Prin analiza modului în care senzorul optic DDC este iluminat de către partea reflectată a fascicului luminos şi având în considerare că acesta are 2048 pixeli se poate determina cu precizie valoarea unghiului critic şi implicit a indicelui de refracţie al produsului analizat. Cunoscând indicele de refracţie se poate calcula concentraţia de substanţă din soluţia supusă analizei. Toate calculele, transformările şi determinările se fac sub controlul unui microprocesor inclus.
În plus, ţinând cont de faptul că valoarea indicelui de refracţie este influenţată de temperatura soluţiei de măsurat şi de temperatura prismei, microprocesorul, preluând informaţiile de la senzorii de temperatură, permite compensarea cu temperatura a indicelui de refracţie măsurat. Valorile calculate sunt afişate pe un display cu cristale lichide şi pot fi transmise la distanţă analogic sau/şi serial.
Refractometrul LR01 este un refractometru de laborator, cu microprocesor, destinat măsurării rapide a concentraţiei de substanţă dizolvată. Este suficientă o picătură de minim 0,3cm cubi pentru determinarea valorii indicelui de refracţie şi implicit a valorii concentraţiei. Sistemul optic inclus, compus în principal dintr-o prismă de safir, o sursă de lumină LED şi un senzor CCD, permite o rezoluţie foarte mare şi o repetabilitate deosebită.
Un senzor de temperatură permite compensarea automată cu temperatura a valorii măsurate.
Parametrii pot fi introduşi simplu de la tastatură, iar valorile măsurate se pot urmări pe un afişaj LCD cu 2 x 16 caractere. Măsurătoarea se poate face individual sau automat repetabil.
Refractometrul este prevăzut cu interfeţe flexibile pentru conectarea la PC sau la imprimantă.
Carcasa este din oţel inox şi este waterproof.
Caracteristici tehnice
• limite de măsură: 0 la 95 Brix (1,3330 … 1,5177 nD);
• precizie: ± 0,03 Brix (0,0004 nD);
• compensare cu temperatura (game Brix): automat în gama 5 … 45°C;
• compensare cu temperatura (game utilizator): 3 compensări diferite definite de utilizator;
• 10 scale de măsură: Brix, nD, Brix utilizator, alte game utilizator;
• senzor temperatură: intern Pt 1000; intrare pentru senzor extern de temperatură;
• sursă lumină: LED compensat electronic;
• prismă de măsură: safir sintetic;
• element de măsură: senzor optic CCD;
• tastatură cu membrană polyester, waterproof;
• display: LCD, 2 x 16 caractere;
• volum minim eşantion de măsură: min. 0,3cc;
• ieşire date: RS 232 pentru achiziţie, diagnosticare şi încărcarea / descărcarea tuturor parametrilor setaţi via PC; port paralel Centronix conectare la imprimantă;
• intrări/ ieşiri auxiliare: contacte intrare şi ieşire pentru START şi STOP măsurătoare;
• alimentare: alimentator extern 220Vca, 7VA;
• greutate: 4,8Kg.
Operarea se face simplu şi rapid utilizând tastatura inclusă şi afişajul pe cristale lichide.
Se iniţializează şi programează unităţile de măsură, domeniul de valori al concentraţiei, curba de compensare termică pentru gamele utilizator, modul de măsură – individual sau repetat – automat.
O parolă împiedică accesul persoanelor neautorizate la utilizarea refractometrului.
Conectarea la un calculator PC se poate face pe interfaţa serială RS 232. Datele măsurate pot fi imprimate utilizând o ieşire paralelă tip Centronics. Un conector auxiliar permite cuplarea unui senzor de temperatură extern Pt 1000 şi conectarea semnalelor digitale, externe, de start şi stop măsurare în regimul repetabil automat. Alimentarea se face de la un alimentator extern printr-o cuplă dedicată. Aceste refractometre se folosesc de obicei pentru a măsura concentraţia zahărului dizolvat în lichid, conţinutul de zahăr sau îndulcitori din băuturile răcoritoare, concentraţia de substanţe complementare pentru pasta de hârtie, concentraţia de zahăr şi cafea din soluţiile ce se folosesc drept umplutură pentru dulciuri, concentraţia de acid sufuric pentru bateriile auto, concentraţia din băile de tratare a fibrelor sintetice, concentraţia de zahăr la extracţia malţului în fabricile de bere etc. Aplicaţiile generale vizează industria alimentară, textilă, chimică, petrochimică.
Pentru informaţii tehnice şi de preţ, vă rugăm contactaţi:
SYSCOM 02 Bucureşti
AUTOMATIZĂRI INDUSTRIALE
Tel/Fax: 021/ 444 12 41; 410.52.81
Mobil: 0722 373 625
E-mail: comat-elth@cherrynet.ro
syscom02@as.ro