رفرکتومتر اینلاین

رفرکتومتر یا رفراکتومتر دیجیتال

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.  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. نسبت سینوس دو زاویه تابش و شکست برابر با معکوس نسبت ضریب شکست‌های مربوط به دو ماده است. به این رابطه ریاضی قانون اسنل می‌گویند که در زیر نشان داده شده است.

کاربرد رفرکتومتر یا رفراکتومتر

از طریق تبدیل ضریب شکست، می‌توان وزن مخصوص و مقدار محتوای قندی را نیز به دست آورد. همچنین از مشخصه فیزیکی ضریب شکست محلول‌ها می‌توان در ارزیابی‌های مختلف مانند تعیین غلظت محلول، تعیین خلوص یک محلول و یا شناسایی یک محلول ناشناس استفاده کرد. برای این منظور کافی است که مقدار n یا همان ضریب شکست محلول را به ترتیب در مورد اول با یک مقدار استاندار و در مورد دوم با مقادیر مرجع مقایسه کرد.

می‌توان گفت که طراحی‌های رفرکتومتر به گونه‌ای است که کاربرد آن‌ها را چندمنظوره می‌سازد و می‌توانند نتایج را بر حسب ضرایب شکست و یا سایر موارد مانند اندازه‌گیری مستقیم پارامترهای شوری، شیرینی و یا جامدات حل‌شده (soluble solids) یا TDS نمایش دهند. رفرکتومترها امروزه در صنایع غذایی، کشاورزی، پزشکی، بهداشت، تجهیزات آزمایشگاهی، داروسازی، مهندسی مکانیک، صنایع شیمیایی و صنعت خودرو کاربرد دارند.

اجزای رفرکتومتر

اجزای رفراکتومتر دیجیتال یا رفرکتومتر دیجیتال یا بریکس متر دیجیتال شامل بخش‌های مختلفی از جمله یک منشور با ضریب شکست بالا (معمولا شیشه یا یاقوت کبود مصنوعی)، سنسور CCD و یک LED است که برای روشن کردن نمونه در بالای منشور نصب شده‌ است. در واقع، نور شکسته شده توسط منشور با کمک یک سنسور اندازه‌گیری می‌شود و رفراکتومتر دیجیتال یا بریکس متر دیجیتال زاویه شکست را تعیین می‌کند.

نحوه کار رفراکتومتر دیجیتال

در رفراکتومتر دیجیتال یا رفرکتومتر دیجیتال نور پس از عبور از منشور  به نمونه  منتقل می‌شود. اگر پرتو نوری با زاویه کمتر از زاویه بحرانی تابانده شود، دچار شکست می‌شود. اما اگر زاویه تابش پرتو نور بیشتر از مقداری باشد که به آن زاویه بحرانی می‌گویند، آنگاه به صورت کامل از مرز دو محیط بازتاب داده می‌شود. به این حالت بازتاب داخلی کلی (total internal reflection) می‌گویند. پس در این حالت، نور از مرز بین منشور و نمونه بازتاب می شود. نور منعکس شده توسط یک سنسور CCD یا CMOS 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.

به دلیل وابستگی به دما، این مقدار توسط الگوریتم‌های مشخصی تصحیح دمایی می‌شود و به ضریب شکست و یا سایر پارامترهای مخصوص تبدیل می‌شود. در قیاس با تجهیزات مشابه، رفراکتومترهای دیجیتال دارای مزیت سهولت استفاده، تصحیح دمایی خودکار و بازه‌های قابل تنظیم هستند.  این نوع رفراکتومترها را در اندازه‌های کوچک‌تر به عنوان رفراکتومتر پرتابل نیز می‌توان خریداری کرد. همچنین می‌توان رفراکتومترهای دیجیتال را برای اهداف خاص طراحی کرد و کارکرد آن‌ها را بهبود داد. اما باید توجه کرد که با این کار گستره کاربرد آن‌ها محدودتر می‌شود.

انواع رفراکتومتر دیجیتال

رفراکتومترهای دیجیتال برای اندازه‌گیری و خوانش مقدار یا به صورت نیمه‌اتوماتیک و یا به صورت تمام اتوماتیک عمل می‌کنند. در میان انواع مختلف رفراکتومتر‌های دیجیتال انواع زیر بسیار معروف‌تر هستند.

رفراکتومترهای دیجیتال اتوماتیک

رفراکتومترهای دیجیتال اتوماتیک به منظور صرفه‌جویی در زمان، کاهش خطای اپراتور و تولید نتایج سریع‌تر و صحیح‌تر طراحی شده‌اند. با استفاده از رفراکتومترهای اتوماتیک امکان اندازه‌گیری تحت شرایط محیطی کنترل‌ نشده مانند سنجش در دماهای مختلف و یا با نورهای با طول موج‌های مختلف فراهم می‌شود. پیکربندی‌های متنوعی وجود دارند که با نمونه‌بردارهای اتوماتیک و یا سیستم‌های پمپی کار می‌کنند و امکان بارگذاری، خوانش و برداشتن نمونه از چند محلول مختلف را فراهم می‌کند. مزیت دیگر این نوع رفراکتومترها، امکان اندازه‌گیری‌های دوره‌ای فرایندهای جاری است. معمولا رفرکتومترهای اتوماتیک برای کارکردهای تخصصی با توانایی‌های محدود اما بهینه طراحی شده‌اند. رفراکتومترهای آزمایشگاهی در این گروه جا دارند.

رفراکتومترهای دیجیتال اینلاین یا آنلاین

رفراکتومترهای دیجیتال اینلاین یا آنلاین برای مانیتورینگ فرایندهای پیوسته مورد استفاده قرار می‌گیرند و بر روی تانک‌ها و یا سیستم‌های لوله‌کشی نصب می‌شوند. طراحی رفراکتومترهای دیجیتال اینلاین به نحوی است که مقاوم باشند و نیاز بسیار کمی به تعمیر و نگهداری داشته باشند. همچنین این تجهیزات باید اندازه‌گیری‌های غلظت و بریکس را به صورت زمان واقعی (real-time) انجام دهند و محصول را در مرحله خام، متوسط و نهایی کنترل کنند. این تجهیزات ابزارهای بسیار مهمی در کنترل کیفی محسوب می‌شوند، علی الخصوص در شرایطی که به یک پاسخ سریع و دقیق نیاز است تا یک فرایند بهینه شود و یا مراحل فرایندهای حساس مانند تصفیه و یا کنترل کیفیت محصول تنظیم شود.

رفراکتومترهای تخصصی

رفراکتومترهای تخصصی نیز انواعی از رفراکتومترها هستند که برای هدف و اندازه‌گیری مخصوصی طراحی شده‌اند. این نوع از انواع رفراکتومتر نیز بر اساس قوانین کار رفراکتومترهای قبلی کار می‌کند و تنها تفاوت در این است که کالیبراسیون و نمایش واحد رفرکتومترهای تخصصی بر اساس نوع کاربردشان خواهد بود. متداول‌ترین نوع رفراکتومترهای تخصصی عبارتند از رفراکتومتر بریکس (Brix refractometer) و رفراکتومتر شوری (salinity refractometer).

رفراکتومتر بریکس

رفراکتومتر بریکس متداول‌ترین نوع رفراکتومترهای تخصصی است که برای سنجش میزان قند موجود در یک محلول مورد استفاده قرار می‌گیرد. مقدار ضریب شکست محلول ساکارز با افزایش غلظت قند، افزایش می‌یابد. رفراکتومترهای بریکس بر حسب درجه بریکس کالیبره می‌شوند. البته سایر انواع ذرات موجود در محلول نیز بر ضریب شکست آن تاثیر می‌گذارند، اما بریکس فقط سنجش نسبی از میزان قند مخصوصا در صنایع غذایی است. رفراکتومترهای بریکس معمولا برای یک بازه غلظت خاص بر اساس کاربردشان بهینه‌سازی می‌شوند. به عنوان مثال رفراکتومتر بریکس عسل دارای بازه 60 تا 90 درجه بریکس و رفراکتومتر بریکس میوه‌ داری بازه 0 تا 12 درجه بریکس است. معمولا با کاهش بازه اندازه‌گیری، دقت سنجش افزایش می‌یابد. به همین دلیل از رفراکتومترهای تخصصی متناسب با رنج بریکس محصول استفاده می‌شود.

رفراکتومتر شوری

رفراکتومتر شوری یکی دیگر از انواع رفراکتومتر تخصصی است که بیشتر در صنایع غذایی و پرورش آبزیان کاربرد دارد. با استفاده از رفراکتومتر شوری می‌توان نسبت ترکیب‌ها و میزان رقیقی محلول‌ها را تعیین کرد. رفراکتومترهای شوری برای سنجش میزان غلظت سدیم کلراید در آب و نمایش نتیجه بر حسب ppt، درصد، permille و یا وزن مخصوص کالیبره می‌شوند.