NederlandsNederlands - België
Uw account

Your shopping cart is empty

Gebruik de lichtsnelheid om inline concentraties te meten

Blogbericht Elscolab - Gebruik de lichtsnelheid om inline concentraties te meten

Brekingsindex als inline concentratiemeting zonder problemen.

Het principe om concentratie van een oplossing te bepalen door gebruik te maken van de breking van licht, is niet nieuw. Dit was al in de oudheid bekend, weliswaar niet in onze contreien. Bij ons was het wachten op de Nederlandse astronoom Snellius die in 1621 de wiskunde achter dit fenomeen herontdekte en publiceerde.
 

Principe

Het meten van de brekingsindex van licht komt neer op het meten van de snelheid van licht in verschillende media. In vacuüm is de lichtsnelheid, c, gekend en constant. In ieder ander medium is de lichtsnelheid lager. De brekingsindex, n, geeft aan hoeveel de lichtsnelheid in een bepaald medium vertraagt.

Met v=snelheid van het licht in onderzocht medium.

De lichtsnelheid in een medium en dus de brekingsindex is afhankelijk van de temperatuur en de golflengte. Daarom wordt de brekingsindex gemeten met monochromatisch licht van 589nm bij 20 °C of 25°C. Gebruik makend van de golftheorie van de Nederlandse fysicus en astronoom Christiaan Huygens kan je aantonen dat de hoek waaronder de lichtstralen breken voldoet aan:

Als we de invallende hoek, α, variëren zal de uitgaande hoek, β, ook veranderen. Op een zeker moment zal de gebroken lichtstraal β parallel lopen met het scheidingsoppervlak.

Deze hoek wordt de kritische hoek genoemd.
Deze kritische hoek is exact wat een refractometer, het toestel voor het meten van de brekingsindex, meet.
 

Praktisch

In een refractometer wordt de lichtstraal door een prisma gestuurd waarvan de brekingsindex exact bekend is. Het prisma staat in contact met het medium waarvan de concentratie bepaald moet worden. Door de materiaalkeuze, de geometrie, de eigenschappen van het prisma en de lichtbron is het mogelijk de kritische hoek te meten. Afhankelijk van de concentratie van het medium varieert de kritische hoek en dus ook de hoeveelheid licht dat volledig gebroken wordt en niet verdwijnt in het medium. Dit “gereflecteerde” licht valt op een CCD camera en vormt de zogenaamde ‘optical image’.

De plaats op de CCD camera waar het licht net niet meer gedetecteerd wordt, noemt men de ‘borderline’. Deze positie is enkel afhankelijk van de kritische hoek waaruit dan eenvoudig de brekingsindex kan berekend worden.
 

Concentratiemeting

De brekingsindex van een oplossing is, zoals we hebben gezien, afhankelijk van de concentratie. Uiteraard is de brekingsindex ook afhankelijk van de chemische samenstelling van de vloeistof, maar als vuistregel mag je aannemen dat 1% verschil in concentratie overeenkomt met 0.002 verschil in brekingsindex. Uiteraard speelt ook de temperatuur een rol. Hiervoor wordt automatisch gecompenseerd, maar een verschil van 0.0001 in brekingsindex correspondeert ongeveer met een temperatuurverschil van 1°C voor waterige oplossingen. Omgerekend naar concentratieverschil betekent een delta van 1°C een verschil in concentratie van 0.05%. Temperatuurcompensatie is duidelijk noodzakelijk. In realiteit is de invloed van temperatuur en concentratie op de brekingsindex jammer genoeg niet lineair. Daarom zijn iets ingewikkeldere formules nodig voor de juiste berekeningen. De software berekent de exacte compensatie met polynome functies.

Conclusie

Het meten van de brekingsindex met een refractometer is een uiterst geschikte methode om inline de concentratie van een vloeistof te bepalen in een industrieel proces. Door de uitgekiende constructie, de hoogstaande elektronica en het ontbreken van bewegende delen vragen deze toestellen weinig of geen onderhoud en hoeven ze bovendien geen regelmatige kalibratie.

Vragen? Meer informatie nodig?
Aarzel niet ons te contacteren.

09/08