رفراکتومتر دیجیتال یا رفرکتومتر دیجیتال یا بریکس متر یک وسیله نوری است که برای سنجش ضریب شکست (refractive index) مواد (معمولا سیالات) مورد استفاده قرار می‌گیرد. از طریق تبدیل این ضریب شکست، می‌توان وزن مخصوص و مقدار محتوای قندی را نیز به دست آورد. زمانی که امواج الکترومغناطیسی (شامل نور مرئی) از میان مرز دو ماده مختلف می‌گذرند، به دلیل تغییرات سرعت آن‌ها، مسیر امواج با زاویه خاصی تغییر می‌کند. به این پدیده فیزیکی، انکسار یا شکست (Refraction) می‌گویند. معمولا در عمل این واژه به شکست نور مرئی اطلاق می‌شود. دلیل شکسته دیده شدن چوب در آب نیز دقیقا به همین دلیل است که نور در مرز میان آب و هوا دچار شکست می‌شود. زمانی که نور از سطح چوب منعکس می‌شود و به هوا باز می‌گردد، مسیر نور دچار تغییر می‌شود. بنابراین چشم ما به جای مکان واقعی چوب، تصویر مجازی را در مسیر مستقیم بینایی می‌بیند. در این مقاله به بررسی اصول کار رفراکتومتر دیجیتال یا بریکس متر می‌پردازیم و مفاهیم اساسی مربوط به آن مانند ضریب شکست و قانون اسنل را توضیح می‌دهیم.
ضریب شکست (n) هر طول موج خاص نور با دیگری متفاوت است. امروزه ضریب شکست استاندارد بر حسب واحد nD بیان می‌شود. در واقع ضریب شکست n برابر است با سرعت نور در خلا نسبت به سرعت نور در یک ماده واسط خاص. به عنوان مثال، آب ضریب شکست ۱/۳۳ nD دارد که به این معنی است که نور در خلا ۱.۳۳ برابر سریع تر از آب حرکت می‌کند.
واحد nD بر اساس لامپ‌های سدیم است که طول موج نور دو برابر (۵۸۸/۹۹۵ nm و ۵۸۹/۵۹۲ nm) تولید می‌کنند. معمولا برای تعیین انکسار مطلق، میانگین این دو طول موج که برابر با ۵۸۹/۳ nm است را در نظر می‌گیریم. قبلا از لامپ‌های هیدروژن قرمز و واحد ضریب انکسار nC و هیدروژن آبی با واحد nF نیز استفاده می‌شد، اما امروزه این کار رایج نیست و در رفرکتومترها ضریب شکست را فقط با واحد nD اندازه می‌گیرند. علاوه بر این، در رفرکتومترهای جدید به جای لامپ‌های سدیم از لامپ‌های LED استفاده می شود که بسیار پایدارتر هستند و همچنین طول عمر بالاتری دارند. این کار رفرکتومتر را طولانی مدت پایدارتر و دقیق‌تر می‌کند.
بر اساس قانون اسنل، زمانی که نور از یک محیط با ضریب شکست پایین‌تر مانند هوا به محیطی با ضریب شکست بالاتر مانند آب وارد می‌شود، سرعت آن تغییر می‌یابد. این تغییر سرعت موجب می‌شود که یک پرتو نور هنگام عبور از یک ماده با ضریب شکست n1 به ماده دیگر با ضریب شکست n2، دچار تغییر زاویه شود.
نسبت سینوس دو زاویه برابر با معکوس نسبت ضریب شکست‌های مربوط به دو ماده است. به این رابطه ریاضی قانون اسنل می‌گویند که در تصویر زیر نشان داده شده است.
ضریب شکست که توسط رفراکتومتر دیجیتال یا رفرکتومتر دیجیتال اندازه‌گیری می‌شود، کاملا به دمای ماده وابسته است. هر چقدر دمای ماده بالاتر باشد، سرعت حرکت نور در آن ماده نیز بیشتر است و ضریب شکست آن نیز کمتر است. در تصویر زیر ضریب شکست آب در تناسب با دماهای مختلف نشان داده شده است.
در خلا نور با سرعت ثابت c منتشر می‌شود و از طول موج خود مستقل است. اما در تمام محیط‌های دیگر، سرعت نور به طول موج آن نیز بستگی دارد. هرچه طول موج نور کوتاه‌تر باشد، سرعت آن بیشتر می‌شود. وابستگی ضریب شکست به فرکانس را پراکندگی (dispersion) می‌گویند. پراکندگی باعث ایجاد پریسم یا رنگین کمان می‌شود، هنگامی که نور از هوا به آب می‌رود و و نور سفید به رنگ‌های سازنده‌اش تجزیه می‌شود.
بنابراین ضریب شکست همیشه باید همراه با طول موج نور مورد استفاده برای اندازه‌گیری و دمای ماده بیان شود. اما همان طور که در بالا ذکر کردیم، معمولا در رفرکتومتر دیجیتال ضریب شکست را در دمای بیست درجه سانتی گراد و با استفاده از نور با طول موج خط D سدیم اندازه می‌گیرند و به همین دلیل با واحد nD20 بیان می‌شود.
عامل دیگری که بر ضریب شکست تاثیر دارد، وزن مخصوص محلول است که با نام درصد جرمی نیز شناخته می‌شود. به عنوان مثال، آب ساکارز با غلظت‌های مختلف دارای ضریب شکست‌های متفاوتی خواهد بود. بنابراین بر اساس رابطه بین وزن مخصوص ساکارز و ضریب شکست محلول ساکارز مشخص، می‌توان ضریب شکست اندازه‌گیری شده را به وزن مخصوص محلول ساکارز تبدیل کرد. معمولا از بریکس متر و واحد بریکس (Brix) برای نمایش مقدار قند موجود در محلول استفاده می‌شود. تعریف بریکس به صورت زیر است:
در دمای بیست درجه سانتی گراد، چند گرم شکر در هر صد گرم آب وجود دارد.
واحد دیگری که از آن هم برای اندازه‌گیری مقدار شکر استفاده می‌شود، Plato نام دارد. از این واحد معمولا در صنعت آبجوسازی استفاده می‌شود. Plato مقدار شکر در گندم سیاه را نشان می‌دهد. به دلیل توانایی رفرکتومتر در اندازه‌گیری مقدار شکر، آن را قندسنج (sugar meter) نیز می‌نامند.
ساخت رفراکتومتر دیجیتال یا بریکس متر پیشرفت‌های زیادی داشته است. سرعت اندازه‌گیری، دقت، پایداری و طول عمر رفرکتومترها تا حد زیادی بهبود یافته‌اند. اکنون استفاده از رفرکتومتر به عنوان یک ابزار ضروری در بسیاری از صنایع به منظور کنترل کیفیت رواج دارد. رفرکتومترهای دیجیتال مدرن شیوه سنتی گذر نور را به روش اندازه‌گیری انعکاس کامل (total reflection) تغییر داده‌اند. مزیت روش انعکاس کامل این است که مقدار عبور (transmittance) نمونه تاثیر زیادی بر اندازه‌گیری نخواهد داشت، زیرا لازم نیست نور از نمونه بگذرد. بنابراین برای نمونه‌های با ویسکوزیته بالا، یا کدر و تیره رفرکتومترهای دیجیتال جدید به خوبی اندازه‌گیری را انجام خواهند داد.
در رفراکتومتر دیجیتال تصویر زیر، نور (شماره ۱) از یک منشور ( شماره ۲) با ضریب شکست بالا (معمولا شیشه یا یاقوت کبود مصنوعی) به نمونه (شماره ۳) منتقل می‌شود. اگر زاویه برخورد از مقدار مشخصی که به آن زاویه بحرانی می‌گویند، بیشتر شود، نور از مرز بین منشور و نمونه بازتاب می شود. به این حالت بازتاب داخلی کلی (total internal reflection) می‌گویند. نور منعکس شده توسط یک سنسور CCD یا CMOS (۴) تشخیص داده می‌شود. هر چقدر ضریب شکست نمونه مورد اندازه‌گیری کوچک‌تر باشد، زاویه بحرانی کوچک‌تر و سطح روشن سنسور بزرگ‌تر خواهد بود. بنابراین ضریب شکست نمونه را می‌توان توسط رفرکتومتر دیجیتال و از طریق نسبت منطقه روشن به منطقه تاریک در CCD محاسبه کرد.
در شرایط ایده‌آل، مرز بین ناحیه تاریک و روشن روی CCD بسیار مشخص و تیز خواهد بود، اما در واقعیت هنگام اندازه‌گیری نمونه‌های نیمه‌شفاف بخشی از نور توسط ذرات نمونه منعکس خواهد شد. همچنین اگر منشور رفرکتومتر هنگام اعمال نمونه تمیز نباشد (نمونه ناهمگن روی سطح منشور) همین اتفاق ممکن است رخ دهد. مورد دیگر زمانی است که مقدار نمونه برای اندازه‌گیری بسیار کم باشد. در این حالت هم مانند دو حالت قبل، انعکاس کامل نور در مرز هوا و نمونه دچار چالش می‌شود. بخشی از نور پراکنده (scattered) نیز به سطح CCD برخورد می‌کند و باعث ایجاد یک مرز مبهم (blurry) بین ناحیه تاریک و ناحیه روشن می‌شود. نور پراکنده باعث کاهش دقت اندازه‌گیری می‌شود و یکی از منابع اصلی خطا هنگام اندازه‌گیری ضریب شکست به شمار می‌آید. در تصویر زیر تفاوت بین اندازه‌گیری ضریب شکست در دو حالت تمیز (بدون نورهای پراکنده) و کثیف (وجود نورهای پراکنده) و مرز مبهم بین ناحیه روشن و تاریک نشان داده شده است. برای جلوگیری از وقوع خطا در اندازه‌گیری توصیه می‌شود که حتما منشور به صورت دوره‌ای تمیز شود.
به این دلیل که ضریب شکست به طول موج وابسته است، معمولا از یک دیود نوری یا LED با فیلترهای تداخل استفاده می‌شود تا نور با طول موج ۵۸۹/۲۹ nm دریافت شود. ضریب شکست به دما نیز وابسته است، پس باید اندازه‌گیری‌ها در دمای ۲۰ درجه سانتی‌گراد انجام شود. دو روش زیر معمولا برای این کار مورد استفاده قرار می‌گیرد:
نمونه تنظیم دما (thermostated) شود. در گذشته از ترموستات آب چرخشی برای این منظور استفاده می‌شد. در سال ۱۹۹۴ اولین رفرکتومتر دیجیتال با ترموستات حالت جامد مورد استفاده قرار گرفت. اما هنگام اعمال به واحد اندازه‌گیری، مدتی طول می‌کشید تا دما در ماده همگون شود. برای کوتاه‌تر کردن زمان مورد نیاز در هر اندازه‌گیری، در این رفرکتومترها از چندین سنسور دما استفاده شده است تا دمای قسمت‌های مختلف مانند منشور و محیط و بلوک اندازه گرفته شود. این کار بسیار پیش از آنکه توزیع دما در ماده کاملا همگون شود، محاسبه و تنظیم قطعی دما در مرز ماده و منشور را ممکن می‌سازد.
در رفراکتومترها یا بریکس متر های پرتابل نمی‌توان از ترموستات استفاده کرد. در این ابزارها نمونه در دمای محیط اندازه گرفته می‌شوند. دمای محیط ثبت می‌شود و نتیجه اندازه‌گیری از طریق محاسبات با ضریب جبران‌ساز دمایی (α) به دمای بیست درجه تبدیل می‌شود. ضریب جبران‌ساز دمایی به ماهیت نمونه بستگی دارد. بنابراین برای به دست آوردن نتایج صحیح و قابل اطمینان، استفاده از ضریب دمایی مناسب برای تبدیل نتایج به دمای مرجع بسیار مهم است.
شرکت پریسماتک تولید کننده انواع رفراکتومتر دیجیتال یا بریکس متر اینلاین، پرتابل و آزمایشگاهی است. برای مشاهده کاتالوگ و جزئیات بیشتر، به لینک‌های زیر مراجع کنید و یا با شماره‌های شرکت پریسماتک تماس بگیرید تا مشاوران ما به شما در انتخاب رفرکتومتر مناسب کمک کنند:
اگر این مطلب برای شما مفید بود، شاید به مطالب زیر نیز علاقه‌مند باشید:
کالیبراسیون رفرکتومتر چگونه انجام می‌شود؟
فلومتر الکترومغناطیسی ــ از صفر تا صد
کنداکتیویتی‌متر ــ به زبان ساده
پریسماتک اولین تولیدکننده رفرکتومتر، فلومتر و کنداکتیویتی‌مترهای صنعتی در انواع مختلف است. برای راهنمایی در انتخاب این ابزارها با شماره های شرکت تماس بگیرید.
محصولات پریسماتک:
انواع فلومترهای الکترومغناطیسی
یک پاسخ
با تشکر از تیم پریسماتک، مطلب خوب و کاملی بود.