折射计,它是如何工作的和在食品工业中的作用

折射计是什么?

折射仪是一种设备用来测量折射率(n)的一种物质。这物理性质可用于制造各种各样的评估,如确定物质的纯度(通过比较n价值与一个标准的价值)或协助识别未知物质通过比较它n价值的参考价值。¹折射计是多才多艺的在他们的设计和使用,并能提供结果的折射率,或在其他情况下,直接测量的参数如可溶性固体,糖浓度或盐度。

一种物质的折射率是由真空中光速比光速穿越测试物质,如方程1所示。

折射率(n) =(在真空中光速)
(在测试物质光速)

方程1:物质的折射率的定义使用光的速度。

当光传播从一个中等到另一个,它不仅在速度变化方向,导致折射。这种现象是由图1,光束通过媒体传播速度v a和B_一个和v_B分别。

图1: 光折射介质和介质之间的界面。来源:作者。

根据斯涅尔定律,之间的关系的正弦入射角和折射角等于第二介质的折射率。²考虑界面的垂直平面,事件和折射光束形式角度θ_一个和θ_BA和B,媒体的折射率(n_一个和n_B),可以建立以下关系方程(2):

罪⁡θ_一个=n_B=V_一个
罪⁡θ_Bn_一个V_B

方程2:斯涅尔定律公式。

上述方程表明,可以找到一种物质的折射率测量入射角度和折射,而不是测量光速。

更好地理解折射计的工作原理,有另一个需要考虑的基本概念,关键的角。随着入射光束的角增加,那么折射角度(参见图2)。在一个特定的入射角,折射角度达到90°,最大的折射角。在这个特殊点,称为关键角,光束平行于界面和任何额外的旅行入射角的增加将导致光的反射。³如果我们现在考虑一个照亮棱镜接触液体(图2 b),下面的横梁旅行临界角折射和上面的横梁旅行的关键角度反映。当从正确的位置,观察临界角度可以被可视化为黑暗与光明之间的过渡区域。通过了解棱镜的折射率(n_一个)以及折射角度θ_B在关键的角(即。,90°), the refractive index of the liquid (n_B)现在可以确定。这个关系建立了大多数折射计的工作原理。⁴

准确地确定物质的折射率,必须做出额外的注意事项,特别是由于这个属性的依赖的温度和用于测量光的波长。因此,必须注意控制或补偿温度变化和波长。¹

图2: 表示光的折射和反射的临界点(A)和观察的临界角棱镜(B)反射光。折射光束被显示为红色,光束在黑色和临界角束反映在紫色。来源:作者。

折射率是特定于物质,使这个属性一种简单高效的方法来描述材料和评估他们的纯洁。当测试样本是一个简单的两个组件的混合物,比如水和糖或水和酒精,第一选择的特征是一个折射计。虽然更复杂的混合物可能会产生不准确的决定,折射计仍能给接受的近似的溶质浓度,适用于质量控制。出于这个原因,refractometers在实验室使用,在生产领域的行业和简单易用,低维护和提供快速的结果。解决方案的折射率通常是按体积与它的浓度直接成比例(m / V),也可以转化为集中质量(m / m)乘以密度的因素。这种关系使折射率和比重数据相互比较。比重,或相对密度,物质的密度比的标准物质,通常在4°C水。液体的相对密度可以由使用比重计,这是一个设备由一个密封的玻璃管和一个灯泡在底部,作为压舱物。这些设备有一个特定的密度,基于比重计´s浮力,液体的比重中放置可以读取规模印刷。另外,液体的比重可以确定使用比重瓶,这是一个玻璃容器中,容器体积和一个特殊的塞子,允许指定被完全填满,气泡逃跑。这个设备允许一个非常准确的体积测量,从而使液体的比重有待确定。⁶比重和折射率可用于确定二元混合物的组成,在过程控制和质量评估是至关重要的。摘要是廉价和简单的使用,例如,使它们适合homebrewers。然而,折射法使更快更直接的决定,需要比比重较小的样品测量,可以更方便,这使得大多数工业和食品生产的首选应用程序。

最常见的使用折射计测定固体在液体中溶解,在水中如糖浓度。通常,白利度表达的结果(°Bx),°Bx - 1在相当于蔗糖1克的100克的解决方案,代表的重量百分比(% w / w)的糖含量。⁵布里糖度是经常用来检查葡萄汁葡萄酒生产的糖含量,果汁、果冻和果酱、蜂蜜、牛奶和许多其他类型的饮料。其他具有可比性是用来表达的内容Oechsle等固体在溶液中,柏拉图和波美比重计。这些尺度的起源实际上是比重的概念。Oechsle规模建立测量的密度葡萄酿酒行业的必须。这种规模表示试样和水之间的密度差,与1度Oechsle (°Oe)对应于一个一升一克区别必须和一升的水。波美比重计(B°或°)实际上结合了两种尺度液体比重计决定的基础上,测量液体密度的密度比水轻,分别。波美比重计度建立了由氯化钠质量的比例溶解在水中,B为0°对应于纯水如B。15°的密度15%氯化钠在水中。柏拉图也是一个单位质量分数酿造工业发达,代表溶解固体的浓度在一个啤酒麦芽汁。度柏拉图(°P)量化作为重量百分比浓度的提取。布里糖度的主要区别是这只考虑糖,而柏拉图包括其他可溶性物质在麦芽汁。因此,10°P麦芽汁将包含10克的提取总重量为100克。

其他单位可以由特定的折射计,盐度等permille(‰)或相对密度在一个特定的温度。

阿贝折射仪

阿贝折射仪是第一个商业折射计,欧内斯特·阿贝在1869年发明的。尽管他们有着悠久的历史和一些修改来改善自己的表现,这些折射计的基本布局仍然是相同的(参见图3)。在这个配置中,样品被放置在两个棱镜,照亮棱镜,折射棱镜,附加在一个扶轮山。折射棱镜是由高折射率玻璃或蓝宝石,表面光滑。是粗暴的光束照亮棱镜表面根据每个表面点消散在四面八方。光线穿过样品,折射在接口的光滑表面折射棱镜和进入仪器的望远镜。望远镜配备了两个可调朋友棱镜,防止光色散通过收集不同关键光束定向白光。执行测量,棱镜旋转直到照亮和黑暗区域的边界与视野的中心。然后,折射率的值可以被读取。现代版的阿贝折射仪提高了设计功能,如它棱镜坐骑,固定望远镜支架和影子边界和规模的组合视图,允许一个更简单和更快的阅读。⁴设备是相当大的,因此它们作为板凳实验室折射计。他们可以用来测量液体和固体的折射率,提供高度精确测量。

图3:阿贝折射仪的表示。来源:作者。

传统的手持折射仪

手持折射仪是最常见和流行版本的临界角度折射计。紧凑,模拟仪器,易于运输,提供快速便捷的操作。他们是可靠的,只需要几滴样本,并提供几乎即时的结果,这使他们的首选攷虑决定。^4,7他们常用的酿酒师的成熟葡萄或酿酒商控制柏拉图程度的麦芽汁。

与阿贝折射仪、手持式仪器没有照明的。相反,他们有一个照明瓣产生光掠射角和持有的示例。光通过样品后,进入测量棱镜和其他眼镜,达到视野配备阅读范围(见图4),依赖于应用程序的规模可以毕业于例如,白利糖度,柏拉图,波美比重计度或直接比例的溶质(例如,酒精或乙二醇)。这些设备可以很容易地通过标定校准螺丝(使用蒸馏水作为参考),允许温度补偿。一些版本有一个内置的温度补偿系统,基于双金属片弯曲根据温度,调整规模。

图4: 手持折射仪的代表。来源:作者。

数字折射计

数字折射计功能通过使用LED照射样品放置在折射棱镜。然后测量折射光在一个图像传感器决定折射角度(图5)。这种阅读是temperature-corrected通过一系列专门的算法和转化为折射率或指定的参数。⁸相对于模拟设备,数字折射计收益的优点容易使用,自动修正和调整。他们可以作为手持小型数字折射计,允许可移植性,或专门为目标应用程序设计,提高性能,但限制的范围的能力。

图5: 表示数字折射计。来源:作者。

数字折射计可手动或半自动或全自动设计读数。在不同的变化,可以突出显示以下类型:

• 自动折射计
  自动折射计是为了节省时间和减少操作错误,提供更快和更准确的结果。他们允许测量不受控制的环境条件下,在不同的温度下或光波长等⁹。可用不同的配置与自动取样器或泵系统操作,允许加载,阅读和冲洗的多个样本。这些设备也能够定期测量正在进行的过程。自动折射计通常设计为特定的应用程序更具有有限但优化功能。
  
  
• 内联折射计
  内联折射计是用于监控过程不断和安装在管道系统或坦克。他们被设计成耐用,维护自由和提供嵌入式实时浓度测量和生产控制原料,中间体和最终产品。这些系统质量控制的一个重要工具,当一个快速和准确的反应是需要优化生产或管理等关键流程步骤在炼油,制造和质量控制操作。⁴

专门的折射计

专业折射计不超过设备设计为一个特定的任务或测量。在他们身上发生作用与前面描述的设备相同的原则,但他们校准和显示单位根据其用途。最常见的变化是白利折射计和盐度折射计。

• 白利折射计
  白利折射计也许是最常见的版本专门折射计,用于测量解决方案的糖含量。蔗糖溶液的折射率随着浓度的增加而增加,使用布里糖度和白利折射计校准。其他类型的溶解固体也影响折射率,但布里糖度只提供了一个近似测量可溶性固体的真正的食物产品。白利折射计通常优化特定的浓度范围,根据他们的具体使用。⁸例如,白利折射计为蜂蜜质量控制优化设计更高的浓度和显示一个不同规模设计检查蔬菜的质量。因为他们的特异性,供应商通常提供相关表格和图表白利糖度值与质量等定性参数(差,平均高和优秀的)或特定的重力和水含量。^10,11
  
  
• 盐度折射计
  盐或盐度测量在食品加工和生产调味料和卤水的控制,来确定比例的混合物和稀释。盐度折射计校准确定氯化钠浓度在水和显示读数零件‰(ppt)百分比(%),permille(‰)或比重。

屈光计检查是一个多才多艺的和可靠的技术,用于食品生产链的几个阶段。在生产部门,折射法用于监测作物生长,成熟的水果和蔬菜和确定最佳收获时间。¹⁰最臭名昭著的例子是在制糖工业中的应用,在甘蔗或甜菜评估成熟度和估计产量,和酿酒行业以确定最佳收获时间的葡萄。¹²在畜牧业,折射法可用于评价牛奶和初乳质量。这允许攷虑和即时的评价产品的质量,充足的营养参数喂养可能掺假的小腿和检测,如牛奶稀释。^13,14同样,屈光计检查被养蜂人检查产品掺假蜂蜜质量和屏幕。¹⁵在这样的例子,手持折射仪发挥重要作用因其低成本和能力进行字段,提供即时测量。然而,便携和简单的折射计通常只覆盖范围有限的折射率。因此,这些模型往往是针对一个特定的使用和显示范围有限的单位。例如,在新鲜水果和蔬菜需要测量白利折射计的操作范围0°到12°白利糖度和测量蜂蜜的糖分需要折射计60的操作范围°到90年°白利糖度。

在转换和食品加工、屈光计检查也是一个monetarization过程和质量控制的基本工具。在发酵的葡萄酒和啤酒,生产商检查糖和酒精含量与折射计专业提供阅读的比重必须和酒精。便携式或桌上型设备还用于生产线的各种各样的食品(如果汁、酸奶、堵塞,婴儿食品和糖浆),测量的总固体含量。专业也折射计用来测量中盐的浓度卤水,酱和罐头食品。这些质量控制检查是至关重要的维持生产规范,允许运营商批准,拒绝或纠正生产批次。

测量精度高和多功能性的桌上型折射计提供的,如阿贝折射仪和自动折射计,是极端重要的食品创新,质量控制和打击欺诈。这些单位更昂贵和更复杂的操作,然而,一个单元可用于测量折射率在整个范围的可能值和有助于减少测量之间的可变性。需要精确测量的例子是脂肪和油的筛查。¹⁶对于食品行业来说,基本了解其原料的来源和组成。例如,炼油厂依赖许多原始产品的起源不同,常常是未知的。因此,有必要找出产品的身份和纯度,经常通过折射率的测定。同样,筛选可以帮助识别食物欺诈等优质橄榄油掺假的廉价替代品。使用折射法,代替油的比例可以很容易地检测到。¹⁷

总之,折射法是评估的一个重要工具和控制原材料和最终产品的质量和纯度。这是一个技术能力提供样品处理量高,要求低的样品体积,易于处理和操作,容易清洁。通过折射率的测定,可以确定糖浓度新鲜水果、蔬菜、果汁和饮料,并确定酒精或提取含量啤酒,葡萄酒或烈性酒。可以执行奶制品和蜂蜜的质量控制和验证流程规范的大量食物。它还使合规的成分与标准进行测试,检测欺诈,控制质量,确保生产样品的纯度和协助酸的研究和开发,基地和溶剂的解决方案。

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