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  • Jul 18, 2019

Refraktometry & Refraktometers

Prinzipien der Refraktometrie

Licht breitet sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten in unterschiedlichen Medien aus und wenn ein Lichtstrahl von einem Medium in ein anderes übertritt, dann ändert er seine Richtung. Der austretende Lichtstrahl wird gebrochener Lichtstrahl und das Phänomen wird Brechung oder Refraktion genannt.

Der Brechungsindex (RI) einer Substanz, normalerweise mit dem Buchstabe n bezeichnet, ist ein Maß für die Geschwindigkeit des Lichts in der Substanz und ist definiert als das Verhältnis der Geschwindigkeit des Lichts in der Substanz zu der in Vakuum. Aus Praktikabilitätsgründen wird die Geschwindigkeit des Lichts in Luft anstelle von der in Vakuum benutzt, wobei die Unterschiede sehr gering sind.

Brechungsindex einer gegebenen Substanz (n)  =  Geschwindigkeit von Licht in Vakuum
                                                                             Geschwindigkeit von Licht in der Substanz

Die Geschwindigkeit des Lichts durch das Medium hängt von der Wellenlänge (oder Farbe) des Lichts ab. RI muss daher für eine spezifische Wellenlänge, gewöhnlich die von Natriumlicht, definiert werden. Zum Beispiel kennzeichnet nD einen Brechungsindex basierend auf der Wellenlänge der Natrium-D-Linie von 589 nm.

RI ist auch eine Funktion der Temperatur. Ein Anstieg der Temperatur führt gewöhnlich zu einer Abnahme der Dichte und Licht breitet sich in einem Medium mit einer geringeren Dichte schneller aus. RI neigt daher dazu, bei steigender Temperatur abzunehmen.

Ein Refraktometer wird dazu benutzt, den Brechungsindex von Substanzen, gewöhnlich Flüssigkeiten, zu bestimmen. Die meisten Refraktometer basieren auf dem Effekt des kritischen Winkels, der den Gleichgewichtspunkt, den Schattenpunkt oder die Grenzlinie zwischen Brechung und vollständiger interner Reflektion am Übergang Prisma/Probe definiert.

Der RI der Probe wird aus der Geometrie des optischen Pfads und des Brechungsindex des Materials des Prismas abgeleitet.

Lesen Sie weiter: Warum fordern Sie nicht unser 100-seitiges Handbuch "Refraktometer - Grundprinzipien" an, das von Gilbert Stanley verfasst wurde.

Moderne digitale, automatische Refraktometer benutzen einen lichtempfindlichen integrierten Schaltkreise (selbst-gescanntes Array), um die genaue Position der Grenzlinie zu bestimmen. In die Geräte von Bellingham + Stanley ist auch spezielle Software zur Interpretation „unscharfer“ Grenzlinien integriert, die bei vielen Produkten auftreten. So ist keine subjektive menschliche Beurteilung bei der Bestimmung der Messergebnisse erforderlich - ein wesentlicher Vorteil eines automatischen Geräts.

Wenn sich die Zusammensetzung der Substanz ändert, so ändert sich auch der RI. Daher können durch die Messung des RI Informationen über die Zusammensetzung einer Substanz gewonnen werden. Wenn zum Beispiel die Substanz in einer Flüssigkeit aufgelöst wird, nimmt der RI zu. Daher kann die Messung des RI einer Zuckerlösung in Wasser zur Bestimmung der Lösungskonzentration benutzt werden.

Es gibt zahlreiche Anwendungen und daher sind Refraktometer mit einer oder mehreren Skalen kalibriert, um (einer) besonderen Anwendungen zu entsprechen. Bei optischen Geräten ist die Skala durch das Okular des Geräts sichtbar und der Messwert entspricht dem Wert, an dem die Grenzlinie die Skala schneidet. Bei elektronischen Geräten können verschiedene Skalen programmiert werden und das Ergebnis wird in digitaler Form angezeigt.

Neben der fundamentalen Brechungsindex-Skala ist die Brix-Skala die am häufigsten bei Refraktometern benutzte Skala. Brix, oder % Zucker, ist eine international anerkannte Skala, die die Konzentration von Saccharose in Wasser bei 20 C auf den RI der Lösung bezieht (Gewicht/Gewicht). Die meisten Nahrungsmittel sind komplexer als eine Saccharose-Lösung; viele andere lösbare Bestandteile können zum Gesamt-RI beitragen. Dennoch wird die Brix-Skala immer noch als Standard benutzt. Für nicht auf Saccharose basierten Produkten ist strenggenommen der Ausdruck „Saccharose-Äquivalent“ der richtige.

Allgemeiner werden Refraktometer zur Messung eines RI reiner Substanzen (Flüssigkeiten) als eine einmalige Charakteristik benutzt, oder sie werden zur Messung der Konzentration einer in einer anderen gelösten Substanz benutzt. Refraktometrie ist daher eine ideale Technik zur Qualitätskontrolle in vielen Industrien. Die häufigsten Anwendungen von Refraktometern sind in der Lebensmittel- und Getränkeindustrie, wo der gelöste Feststoffanteil eines flüssigen Nahrungsmittels als „Brix-Wert“ gemessen wird.

Typen von Refraktometern

Es gibt drei Haupttypen von Refraktometern: tragbare Handgeräte, die für Messungen an Ort und Stelle benutzt werden, hochgenaue Labormessgeräte zur Nutzung in Laboratorien und Prozess- oder „Inline“-Refraktometer zur Überwachung und Kontrolle von Produktionsprozessen.

Abbe-Refraktometers: Dies sind optomechanische Geräte, die ihren Namen dem Physiker Ernst Abbe des 19. Jahrhunderts verdanken

Automatische, digitale Refraktometer: Dies sind elektronische Festkörpergeräte mit flexibler Software, die hauptsächlich zur Nutzung in der Qualitätskontrolle gestaltet wurden

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