СПРАВОЧНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕФРАКТОМЕТРОВ Российский патент 1997 года по МПК G01N21/41 G06G1/06 

Устройство относится к области технической физики, а точнее к рефрактометрическим методам анализа структуры и состава различных сред. Предлагаемое справочное устройство для рефрактометров может использоваться в качестве приспособления при работе с рефрактометрами любой конструкции. Известно множество рефрактометров [1] у которых кроме шкалы показателя преломления имеется еще одна или две дополнительные, так называемые справочные, шкалы, например в рефрактометрах УРЛ, ИРФ-454Б2М имеется справочная шкала процентного содержания сухих веществ по сахарозе (шкала "Brix"), в рефрактометре ИРФ-460 имеется шкала процентного содержания концентрации водных эмульсий, в рефрактометре ИРФ-464 имеется шкала концентрации белка. Справочные шкалы связаны с основной шкалой показателя преломления определенными зависимостями, подтвержденными экспериментально. Причем в этих и других рефрактометрах основная шкала показателя преломления n_D (например для линии D спектра) неравномерная. Так, если рефрактометр построен по методу Аббе, его рабочая призма изготовлена из стекла с показателем преломления n_Dпр и ее выходная грань составляет угол θ с рабочей гранью, то для искомого показателя преломления можно записать

где β угол выхода лучей света из призмы.

Следует обратить внимание на то, что шкала n_D в рефрактометрах Аббе не только неравномерная, но и строго индивидуальная, т.е. должна строго соответствовать как углу призмы q так и показателю преломления партии стекла n_Dпр, из которого выполнена эта призма. Следовательно, справочная шкала, которая наносится на одной и той же подложке, что и основная, также должна быть строго индивидуальной. Ее расчет и технология нанесения усложняются тем, что при новой партии стекла рабочей призмы каждый раз требуется пересчет как основной шкалы n_D, так и справочных шкал, что нетехнологично. Кроме того, практика показывает, что количество наблюдаемых с помощью окуляра шкал в рефрактометре не может быть более трех, т.е. не более одной основной шкалы n_D и двух справочных. Это объясняется тем, что, во-первых, технологически трудно разместить в наблюдаемом с помощью окуляра рабочем поле более трех легко читаемых шкал, а, во-вторых, наблюдаемая через окуляр граница света и тени рефрактометров Аббе, выполняющая роль риски для снятия отсчетов, может быть искривлена, что может быть причиной ошибок при снятии отсчетов. Таким образом, если требуется производить экспрессный контроль различных продуктов с помощью рефрактометра, то требуется иметь при себе либо три-четыре специализированных рефрактометров с различными справочными шкалами, либо альбом таблиц, связывающих измеренный показатель преломления n_D с тем или иным искомым параметром исследуемого продукта. Ни то, ни другое неудобно и громоздко, особенно в случае оперативной работы в полевых условиях, в цехах предприятий, в пунктах досмотра, на перевалочных базах, на фермах, складах, пунктах заправки горючим и т.д. Гораздо удобнее иметь при себе один рефрактометр и компактное справочное устройство. В радиотехнике, в механике, в математике существует ряд приспособлений в виде номограмм, справочных дисков или линеек с системой основной и справочных шкал, снабженных подвижным индексом для определения искомых величин по известным значениям, установленных на основной шкале. Типичным таким известным устройством является логарифмическая линейка [2] которая имеет основание с нанесенными на нем параллельно друг другу шкалами, ползунок (бегунок) в виде рамки с прозрачной пластинкой с риской, которая перпендикулярна нанесенным на основании шкалам. Ползунок имеет выступы, которые установлены в пазах основания, а между рамкой ползунка и основанием установлена пружина для устранения люфта и устранения наклона пластинки с риской относительно шкал. Линейка позволяет, например, без таблиц определять значения синусов, косинусов, тангенсов и т. д. Линейка портативна, удобна. Однако, логарифмическая линейка, равно как в другие подобные приспособления, не имеют шкалы показателя преломления и других шкал, характеризующих связь между показателем преломления исследуемой среды и искомыми параметрами исследуемой среды.

Предлагается справочное устройство для рефрактометров, у которого основная шкала значений показателя преломления n20D

для линии D спектра (λ = 589 нм), приведенного к 20^oC, выполнена равномерной, а справочные шкалы процентного содержания сухих веществ по сахарозе ("Brix") S% массовой доли сахара в сусле S г/л, плотности виноградного сусла d, массовой концентрации общего экстракта в вине Мг/дм³, объемной доли спирта в дистилляте вина Ао% массовой доли спирта в растворе Ам% массовой доли спирта в растворе Ам% процентного содержания белка в сыворотке крови В% плотности мочи ρ процентного содержания сухих веществ в молоке СОМО% нанесены относительно основной шкалы таким образом, что при совмещении риски подвижного ползунка с соответствующими значениями основной шкалы выполняется условие:
S%0,084+699,82353(Δn)-1801,9215(D n)²+4696,422(Dn)³-6427,26(Dn) ⁴,
Sг/л=-13,4740+6011,0707(Dn)+42160,7076(Dn)² -870247,0293(D n)³+5115532,367(Dn)⁴,
d=1+2,5909(Dn)+2,6194(Dn)²-22,5355(Dn)³+67,5182(Dn)⁴,
Mг/дм³=6986,82940(Dn)+760,5370(Dn)²,
Ao%0,1667+1950,1355(Dn)-10319,1346(Dn)² -1089801,979(Dn)³+56410823,47(Dn)⁴,
Am%0,0008+1587,5918(Dn)-8228,9184(Dn)² -938480,1716(Dn)³+51667800,191(Dn)⁴,
B% -1,7946+587,947(Dn)+377,4705(Dn)²-53330,9026(Dn)³+1291766,4707(Dn)⁴, r=1+2,5(Dn),
COMO%567,21497(Dn),
где Δn=n20D- 1,33299
Для удобства и повышения точности отсчетов основная шкала n20D показателя преломления, шкала "Brix" S% и шкала плотности виноградного сусла d разделены на две части, одна из которых расположена на одной стороне основания, а другая на другой. Для оперативного определения вида нефтепродуктов, например топлива, на основании устройства нанесены сектора в виде сплошных и пунктирных линий, соответствующих минимально и максимально возможным значениям показателя преломления некоторых видов топлива. Для удобства и точных измерений на основании устройства нанесены значения температурных поправок измеренного показателя преломления n_D при отличных от 20^oC температурах для стекла, водных растворов и нефтепродуктов.

На фиг. 1 3 показаны обе стороны одного из возможных вариантов конструкции справочного устройства для рефрактометров.

Предлагаемое справочное устройство для рефрактометров содержит основание 1 с нанесенными на нем параллельно друг другу шкалами 2-11, ползунок 12 в виде рамки 13 с прозрачной пластинкой 14, например из стекла, с риской 15, которая перпендикулярна шкалам 2-11. Шкала 2 значений показателя преломления n20D

для линии D спектра, приведенного к 20^oC, является основной. Шкала 3 процентного содержания сухих веществ по сахарозе ("Brix") S% шкала 4 массовой концентрации сахаров винограда S г/л, шкала 5 плотности виноградного сусла d, шкала 6 массовой концентрации общего экстракта в вине Мг/дм³, шкала 7 объемной доли спирта в дистилляте A0% шкала 8 массовой доли спирта в дистилляте Ам% шкала 9 процентного содержания белка в сыворотке крови В% шкала 10 плотности мочи ρ шкала 11 процентного содержания сухих веществ в молоке COMO% являются справочными. Справочные шкалы 3-11 нанесены относительно основной шкалы 2 таким образом, что при совмещении риски 15 подвижного ползунка 12 с соответствующими значениями основной шкалы 2 выполняются условия:
S%0,0084+699,82353(Dn)-1801,9215(Dn)²+4696,422(Dn)-6427,26(Dn)⁴,
Sг/л=-13,4740+60,0707(Dn)+42160,7076(Dn)²-870247,0293(Dn)³+5115532,367(Dn)⁴, d=1+2,5909(Dn)+2,6194(Dn)²-22,5355 (Dn)³+67,5182(Dn)⁴,
Mг/дм³=6986,82940(Dn)+760,5370(Dn)⁴,
Ao%0,1667+1950,1355(Dn)-10319,1346(Dn)²-1089801,979(Dn)³ +56410823,47(Dn)⁴, Aм%0,0008+1587,5918(Dn)-8228,9184(Dn)²-938480,1716(Dn)³+51667800,191(Dn)⁴,
B% -1,7946+587,947(Dn)+377,4705(Dn)²-53330,9026(Dn)³+1291766,4707(Dn)⁴, r1+2,5(Dn),
COMO%567,21497(Dn),
где где Δn=n20D- 1,33299.
Основная шкала показателя преломления 2, а также справочные шкалы "Brix" 3 и плотности виноградного сусла 5 разделены на две части, одна из которых расположена на одной стороне основания 1, а другая на другой стороне. На основании 1 нанесены сектора в виде сплошных и пунктирных линий, соответствующих минимально и максимально возможным значениям показателя преломления некоторых видов топлива. Например, сектор 16 для бензина марки АИ-76, сектор 17 для бензина АИ-93, сектор 18 для топлива Тс-1, сектор 19 для керосина, сектор 20 для топлива Т-1, сектор 21 для реактивного топлива РТ и сектор 22 для дизельного топлива. На свободном от шкал месте основания 1 нанесены значения температурных поправок измеренного рефрактометром показателя преломления Δ n наиболее часто встречающихся сред: для стекла 23 Dn= 0,073•10^-4(t^o-20^o), для водных растворов 24 Dn 1•10^-4(t^o-20^o) и для нефтепродуктов 25 Dn 5•10^-4(t^o-20^o).

По бокам основания 1 (фиг.3) имеются пазы 26 и 27, являющиеся направляющими для ползунка 12, удерживают рамку 13 с помощью подпружиненных выступов 28 и 29. Количество и толщина штрихов основной шкалы 2 и справочных шкал 3-11 зависят от требуемой точности получения информации. Учитывая реальные условия в цехах, складах и даже в лабораториях пищевых, химических или нефтехимических предприятий, а именно, отсутствие стабильной температуры окружающей среды, можно предположить, что показатель преломления исследуемых продуктов будет измеряться не точнее ±1•10⁴. Поэтому для воспроизводства измеренного с такой точностью показателя преломления n20D

на шкале 2, достаточно иметь цену деления шкалы 2, равную 5•10^-4, толщину штриха 0,1 мм при общей длине шкалы 360 мм, как показано на чертеже. В случае получения более высоких точностей размеры справочного устройства и количество штрихов шкал 2-11 могут быть увеличены.

Предлагаемое справочное устройство для рефрактометров работает следующим образом.

Измеряют показатель преломления ntD

исследуемого продукта с помощью рефрактометра любой конструкции. Если в момент измерения показателя преломления температура окружающей среды отличалась от 20^oC, то в зависимости от вида продукта с помощью зависимости 23, 24 или 25 определяют поправку Δn. Перемещают ползунок 12 относительно основания 1, совмещают риску 15 ползунка 12 с соответствующим значением измеренного значения показателя преломления на шкале 2 с учетом поправки Dn. Затем в зависимости от продукта и решаемой задачи считывают показания по соответствующей справочной шкале. Например, требуется проверить качество напитка "Фанта". Для этого открывают бутылку, методом взбалтывания удаляют из напитка углекислый газ (CO₂), наносят 2-3 капли напитка на рабочую грань измерительной призмы рефрактометра и измеряют n20D. Предположим . Риску 15 ползунка 12 справочного устройства устанавливают так, чтобы ее положение соответствовало по шкале 2 измеренному значению n20D= 1,3494. По шкале "Brix" 3 находим, что при n20D= 1,3494 сухих веществ по сахарозе в данном безалкогольном напитке S% 11,02% т.е. ниже нормы примерно на 0,3% Предположим, нам требуется отобрать спелые плоды винограда для изготовления определенного сорта вина. Для этого прямо в поле измельчают несколько штук плодов, наносят сусло на рабочую грань призмы портативного рефрактометра, например ИРФ-470, и измеряют показатель преломления. Пусть результат измерения n20D= 1,3651. Риску 15 ползунка 12 устанавливают так, чтобы по шкале 2 был отсчет n20D= 1,3651, а по шкалам 4 и 5 находим долю сахара в сусле S г/л 200,51 г/л и плотность d 1,0853. По этим данным можно сразу определить какую спиртуозность вина можно получить из данного винограда. Таким же образом, пользуясь шкалой 11, можно определить степень разбавления водой молока, по шкале 10 плотность мочи ρ и т.д. Если на заправочной станции на колонке написано "Бензин АИ-93", а измеренный портативным рефрактометром показатель преломления бензина равен n20D= 1,4150, то можно быть уверенным, что из этой колонки заправляют автомобили бензином марки АИ-76, поскольку согласно секторам 16 и 17 справочного устройства бензина марки АИ-93 с таким низким показателем преломления не бывает.

Таким образом, предлагаемое простое по конструкции справочное устройство для рефрактометров позволяет расширить применение рефрактометрических методов исследования продукта не только в лабораторных, но и в полевых условиях. Для этого годятся рефрактометры любых конструкций. Главными преимуществами справочного устройства являются: портативность, простота пользования, высокая точность, наглядность. Конструкция справочного устройства для рефрактометров может быть различной, например в виде круглого диска. В этом случае ползунок 12 с риской 15 закрепляется на шарнире в центре диска, а шкалы 2-11 наносятся по окружностям, центр которых находится в центре диска. Можно прелагаемое устройство выполнить в виде двух цилиндров. Например, на внутреннем цилиндре можно нанести шкалы 2-11, а на внешнем подвижном прозрачном цилиндре вдоль образующей нанести риску 15. Такой вариант конструкции удобен тем, что роль внутреннего цилиндра может играть корпус рефрактометра. В этом случае портативный рефрактометр и справочное устройство представляют одно целое. Число справочных шкал может быть различным.

Экономический положительный эффект от внедрения предлагаемого справочного устройства для рефрактометров заключается, во-первых, в том, что резко возрастает спрос на применение рефрактометрических методов исследования продуктов там, где из-за отсутствия таблиц и специализированных рефрактометров ранее такие методы не могли применяться, во-вторых, изготовление серийно такого устройства проще, чем изготовление целой гаммы специализированных рефрактометров, в-третьих, с появлением предлагаемого устройства любой рефрактометр становится универсальным инструментом при исследованиях различных продуктов сельского хозяйства, химии, нефтехимии, биологических проб, лекарств и т.д.

Использование: устройство относится к технической физике, а точнее к рефрактометрическим методам анализа структуры и состава различных сред, и предназначено для использования в качестве приспособления к рефрактометрам различной конструкции. Сущность изобретения: в справочном устройстве для рефрактометров основная шкала значений показателя преломления выполнена равномерной, а справочные шкалы процентного содержания сухих веществ по сахарозе ("Brix") S%, массовой доли сахара в сусле S г/л, плотности виноградного сусла d, массовой концентрации общего экстракта в вине Мг/дм³, объемной доли спирта в дистилляте вина Aо%, массовой доли спирта в растворе Ам%, процентного содержания белка в сыворотке крови B%, плотности мочи ρ, процентного содержания сухих веществ в молоке COMO% нанесены параллельно основной шкале таким образом, что при совмещении риски подвижного ползунка с соответствующими значениями основной шкалы выполняются условия: S% = 0,084 + 699,82353( Δ n) - 1801, 9215 (Δn)²+4696, 422 (Δn)³-6427,26 (Δn)⁴, Sг/л=-13,4740+ 6011, 0707(Δn)+42160, 7076(Δn)²-870247, 0293 (Δn)³+ 5115532, 367(Δn)⁴, d=1+2, 5909 (Δn)+ 2,6194 (Δn)²- 22,5355 (Δn)³+ 67,5182 (Δn)⁴, M г/дм³= 6986, 82940 (Δn)+ 760, 5370(Δn)², Aо%=0, 1667 + 1950, 1355(Δn)-10319,1346(Δn) ²- 1089801,979•(Δn)³+ 56410823, 47(Δn)⁴, B%= -1, 7946+ 587, 947(Δn)+ 377, 4705(Δn)²- 5330, 9026 (Δn)³+1291766, 4707(Δn)⁴, ρ=1+2,5 (Δn), COMO%= 567, 21497(Δn), Am%= 0,0008 + 1587, 5918 (Δn)-8228, 9184(Δn)²- 938480, 1716(Δn)³+ 51667800, 191(Δn)⁴, где Δn = n20D

- 1,33299. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Справочное устройство для рефрактометров, содержащее основание с нанесенными на нем параллельно друг другу шкалами, ползунок в виде рамки с прозрачной пластинкой с риской, перпендикулярной нанесенным шкалам, отличающееся тем, что основная шкала значений показателя преломления n20D

для линии D спектра, приведенного к 20^oС, выполнена равномерной, а справочные шкалы процентного содержания сухих веществ по сахарозе ("Brix")S, массовой концентрации сахаров в винограде S, плотности виноградного сусла d, массовой концентрации общего экстракта в вине, объемной доли спирта в вине А_о, массовой доли спирта в растворе А_м, процентного содержания белка в сыворотке крови В, плотности мочи ρ, процентного содержания сухих веществ в молоке СОМО, нанесены относительно основной шкалы так, что при совмещении риски подвижного ползунка с соответствующими значениями основной шкалы n20D выполняются условия







ρ = 1+2,5(Δn);
COMO = 567,21497(Δn), % ,
где Δn = n20D-1,33299.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что шкала показателя преломления n20D шкала "Brix" и шкала плотности виноградного сусла разделены на две части, одна из которых расположена на одной стороне основания, а другая на другой стороне основания. 3. Устройство по пп.1 и 2, отличающееся тем, что на основании устройства нанесены сектора в виде сплошных и пунктирных линий, соответствующих минимально и максимально возможным значениям показателя преломления некоторых видов топлива. 4. Устройство по пп.1 3, отличающееся тем, что на основании устройства нанесены значения температурных поправок измеренного показателя преломления при отличных от 20^oС температурах для стекла, водных растворов и нефтепродуктов.