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Licht kann von Materialien absorbiert, transmittiert oder reflektiert werden. Ändert sich ein Material in der Zusammensetzung, beeinflusst das auch sein Verhalten gegenüber Licht. Mit einem Refraktometer kann eine dieser Eigenschaften - die optische Dichte, die auch Refraktionsindex oder Brechzahl genannt wird - bestimmt werden.
Die Brechzahlen transparenter bzw. schwach absorbierender Materialien sind für sichtbares Licht in der Regel größer als 1 und können als Verhältnis aus der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum zur Lichtgeschwindigkeit im untersuchten Material definiert werden. Andere physikalische Bedingungen herrschen bei stark absorbierenden Materialien zum Beispiel bei Metallen und anderen elektrisch leitfähigen Stoffen. Dort kann Licht mit Wellenlängen aus dem sichtbaren Bereich nur wenige Nanometer eindringen.
Oft werden Refraktometer genutzt, um die Konzentration eines bekannten Stoffgemischs zu überprüfen. Beim analogen Refraktometer wird der Wert auf einer Skala abgelesen. Diese Skala kann für den jeweiligen Einsatzbereich auf eine spezielle Maßeinheit angelegt sein. Auch mehrere nebeneinanderliegende Skalen sind möglich. Digitale Refraktometer geben den gemessenen Wert häufig als Refraktionsindex und in Grad Brix an. Grad Brix bzw. Prozent Brix ist eine sehr häufig verwendete Maßeinheit für Refraktometer.
Im Gegensatz zum Brechungsindex, der mit mindestens vier Nachkommastellen angegeben wird, genügt beim Brixwert oft die Angabe mit einer oder ohne Nachkommastelle. Das erleichtert sowohl das Ablesen als auch den Vergleich der Messwerte. Auch wenn ein Grad Brix als prozentualer Anteil der Saccharose in einer wässrigen Saccharoselösung definiert ist, können viele andere Flüssigkeiten mit einer Brixskala geprüft werden. Dazu werden für die jeweilige Substanz Vergleichsmessungen mit anderen Verfahren durchgeführt. Über solche Vergleichsmessungen können auch andere Skalen für spezielle Anwendungen erstellt werden.
Nach der Bauart kann man Refraktometer in Handrefraktometer, Tischrefraktometer und Prozessrefraktometer unterteilen. Falls Sie ein Refraktometer benötigen, das häufig im Labor oder an einem anderen festen Arbeitsplatz und nur gelegentlich an wechselnden Orten benutzt wird, dann ist ein Tischrefraktometer empfehlenswert. Diese Refraktometer bieten oft zusätzliche Funktionen, zum Beispiel für die Temperierung von Gerät und Probe oder Datenschnittstellen zur Übertragung der Messwerte an einen PC oder auf andere Geräte. Wenn Sie das Refraktometer längere Zeit bei sich tragen müssen, um zum Beispiel direkt auf dem Feld den Reifegrad von Früchten zu messen, oder um an verschiedenen Fahrzeugen oder Maschinen Kühl- oder Schmiermittel zu prüfen, sind leichte und einfach zu bedienende Handrefraktometer besser geeignet.
Möchten Sie mit einem Refraktometer Werte in einem Prozess kontinuierlich überwachen, sind die Messbedingungen und die Ausgabeform der Messwerte die entscheidenden Faktoren für die Auswahl. Falls Sie nicht sicher sind, ob die von uns angebotenen Prozessrefraktometer für Ihre Anwendung geeignet sind, können Sie unsere technische Abteilung per Telefon oder E-Mail kontaktieren. Dann kann gemeinsam geklärt werden, ob wir für Ihre Einsatzbedingungen ein Refraktometer anbieten können, das die Messergebnisse in der gewünschten Form liefert. Refraktometer für die ständige Überwachung von Prozessen werden meist fest eingebaut und übermitteln die Werte an einen PC oder Leitstand. Dadurch können die Messwerte permanent kontrolliert und ausgewertet werden. Ein Eingriff in den Prozessablauf ist auch automatisch möglich, indem bei Erreichen voreingestellter Grenzwerte über die Schaltausgänge Ventile oder Schalter ausgelöst werden. Falls gewünscht, lassen sich die Messdaten auch in einem zusätzlichen Datenlogger erfassen. Die Messwerte können nicht nur in den gebräuchlichen Einheiten für häufig gemessene Materialien dargestellt werden, sondern es können auch kundenspezifische Skalen für die zu messenden Materialien erstellt werden.
Wie viele andere Materialeigenschaften ist auch der Refraktionsindex von der Temperatur abhängig. Dieser Temperatureinfluss auf die Messergebnisse kann selbst bei einem einfachen analogen Handrefraktometer durch einfache Einbauten für die üblichen Umgebungstemperaturen vollständig kompensiert werden. Refraktometer mit automatischer Temperaturkompensation sind auf dem Gehäuse häufig mit ATC gekennzeichnet. Eine andere Möglichkeit, den Temperatureinfluss zu berücksichtigen, sind Anschlussmöglichkeiten für die Beheizung mit temperiertem Wasser. Besitzt ein Refraktometer nicht über eine Temperaturkompensation muss zusätzlich die Temperatur gemessen werden. Mit dem Messwert und der Temperatur kann dann mittels Tabellen oder Programmen der Wert ermittelt werden, der bei 20 °Celsius gilt..
Bei einem analogen Refraktometer mit optischer Skala ist die Ablesegenauigkeit sehr wichtig für die Genauigkeit des Messergebnisses. Die Ablesegenauigkeit ist neben der Geübtheit des Benutzers auch von der Skalenauflösung und der Anordnung der Beschriftung abhängig. Analoge Refraktometer können Genauigkeiten von ±0,2 % Brix bieten. Auch digitale Handrefraktometer moderner Bauart sollten Genauigkeiten von ±0,2 % Brix bzw. 0,0003 nD beim Brechungsindex gewährleisten. Hochwertige Laborgeräte und Inline Refraktometer, erreichen Genauigkeiten von ±0,1 % Brix bzw. 0,00014 nD für den Brechungsindex.
Bei einem analogen Refraktometer mit optischer Skala ist die Ablesegenauigkeit sehr wichtig für die Genauigkeit des Messergebnisses. Die Ablesegenauigkeit ist neben der Geübtheit des Benutzers auch von der Skalenauflösung und der Anordnung der Beschriftung abhängig. Analoge Refraktometer können Genauigkeiten von ±0,2 % Brix bieten. Auch digitale Handrefraktometer moderner Bauart sollten Genauigkeiten von ±0,2 % Brix bzw. 0,0003 nD beim Brechungsindex gewährleisten. Hochwertige Laborgeräte und Inline Refraktometer, erreichen Genauigkeiten von ±0,1 % Brix bzw. 0,00014 nD für den Brechungsindex.
Alle Refraktometer werden als Neugeräte von PCE Instruments justiert und kalibriert ausgeliefert. Sie können die Refraktometer und Handrefraktometer zwischen den Messungen mit der in der jeweiligen Betriebsanleitung genannten Flüssigkeit selbst überprüfen und eine Nullstellung bzw. Kalibrierung vornehmen. Wenn Sie nur Messungen in einem Teil des Messbereichs ausführen, können Sie auch spezielle Kalibrierflüssigkeiten für diesen Bereich verwenden. PCE Instruments bietet Ihnen aber auch Re-Kalibrierungen nach ISO am. Dabei werden die Refraktometer im Laborklima mit Referenz-Standards (zertifizierte Prüfflüssigkeiten) geprüft und Sie erhalten ein Kalibrierzertifikat, das die ermittelte Messgenauigkeit für das Refraktometer bescheinigt.
Viele Refraktometer mit analoger Anzeige haben eine Skala, auf der nicht der Refraktionsindex mit den vier Nachkommastellen angezeigt wird, sondern eine speziell für die jeweilige Anwendung geeignete Einteilung und Beschriftung der Messskala. Bei einem digitalen Refraktometer wird der Messwert intern umgewandelt und auf dem Display als Zahlenwert angezeigt. Eine sehr häufig verwendete Anzeigeeinheit ist das Grad Brix bzw. Prozent Brix, das über den Saccharosegehalt definiert ist. Es gibt aber auch Skalen für andere Zucker wie Dextran, Fructose, Glukose, Laktose, Maltose, für den Wassergehalt in Honig, für den Salzgehalt, den Chlorgehalt, die spezifische Dichte, für den Harnstoffgehalt, für den Anteil an Frostschutzmitteln auf Ethylenglykol- oder Propylenglykolbasis und den damit zu erreichenden Frostschutz in Grad Celsius. Außerdem gibt es einige Maßeinheiten speziell für Winzer und Brauer wie °Oechsle, °KMW (Klosterneuburger Mostwaage auch als Babo-Skala bezeichnet), %Vol Alc (Volumenprozent Alkohol), °Baumé.
Tisch- und Handrefraktometer können auch mit Mehrfachskalen ausgestattet sein. Hier als Beispiel zwei Mehrfachskalen zum einen für Messungen des Salzgehaltes und zum anderen für die Prüfung des Gehalts an Frostschutzmitteln.
Refraktometer für Salzgehalt
Refraktometer für Frostschutz
Viele unserer Refraktometer geben das Messergebnis in Grad Brix an. Eine Flüssigkeit hat ein Grad Brix (=1 % Brix), wenn sie dieselbe Dichte hat wie eine Lösung von 1 g Saccharose in 99 g Wasser; sie hat 10 Brix (=10 % Brix), wenn ihre Dichte die einer Lösung von 10 g Saccharose in 90 g Wasser ist. Die Saccharose dient hier als Bezugsmaßstab - Zuckergehalt. Das Maß für die lösliche Trockensubstanz in einer Flüssigkeit (und damit annähernd der Zuckergehalt) wird üblicherweise in "Grad Brix" (° Brix) angegeben. Indirekt erhält man hierdurch einen objektiven Wert des Reifegrades einer Frucht. Einige EG-Vermarktungsnormen (z.B. für Kiwis und Melonen) legen inzwischen fest, das "hinreichend reife" Früchte im Sinne der Norm bestimmte Brix-Werte aufweisen müssen. Diese beim Refraktometer gebräuchliche Maßeinheit ist benannt nach Adolf F. Brix, einem Wissenschaftler des 19. Jahrhunderts, der 1870 diese Kalibrierung entwickelte, um den Zuckergehalt von Flüssigkeiten zu bestimmen. Die EG-Vermarktungsnormen für Kiwis sowie für Melonen und Wassermelonen sehen die Refraktometer-Messung des Brix-Wertes ausdrücklich vor, um die Erntereife der Früchte festzustellen.
Haben Sie ein passendes Refraktometer ausgewählt, benötigen aber einen anderen als den angezeigten Wert, ist es oft möglich, diesen aus Tabellen zu entnehmen oder über Formeln zu berechnen. In einigen Fällen, empfiehlt es sich, über Referenzmessungen selbst Umrechnungsfaktoren zu bestimmen.
Sie messen an Ihrer Probe beispielsweise 12,9 % Brix. Dann machen Sie mit der gleichen Substanz eine Darrprobe im Trockenschrank oder eine chemische Analyse im Labor. Das Ergebnis ist hier z.B. 8,2 % Feststoffgehalt. Der Quotient aus Brixwert 12,9 % und Feststoffgehalt 8,2 % ergibt sich zu 1,57. Mit diesem Wert können Sie für beliebige andere Proben der gleichen Substanz den Feststoffgehalt aus dem Brixwert berechnen. Wenn Sie nun mit dem Refraktometer auf dem Feld, in der Fertigungshalle oder im Außendienst messen, brauchen Sie nur noch den angezeigten Brixwert durch 1,57 zu teilen und Sie erhalten sofort den Wert für den Feststoffgehalt.
Auch mit einem einfachen Handrefraktometer mit der Maßeinheit °Brix kann indirekt der potentielle Alkoholgehalt bestimmt werden. Je höher der Zuckergehalt eines Mostes ist, umso höher ist auch seine Dichte. Das heiβt, dass der Lichtstrahl eine geringere Geschwindigkeit hat und abgelenkt wird. Die Stärke dieser Abweichung ist abhängig von der Konzentration des Zuckers und anderer löslicher Stoffe. Steigt die Konzentration, werden einfallende Lichtstrahlen stärker aus der ursprünglichen Richtung abgelenkt. Es ist zu berücksichtigen, dass die Temperatur die Messung beeinflusst. Verfügt das eingesetzte Refraktometer nicht über eine Temperaturkompensation, ist die Temperatur separat zu messen und der entsprechende für 20 °Celsius geltende Messwert aus Tabellen zu entnehmen. Die Temperatur der Probe darf zwischen 20 °C ... 30°C liegen. Vor der eigentlichen Messung sollte das Refraktometer kalibriert werden. Die Probe muss vorbereitet werden, indem der Most gefiltert wird. Geben Sie nun 1 - 2 Tropfen der Probe auf das Prisma. Durch Andrücken des Klappdeckels wird die Probenflüssigkeit gleichmäßig verteilt. Es sollten immer mindestens zwei Messungen gemacht werden.
Aus einem Ergebnis zwischen 15 und 25 °Brix für 20 °C, kann mit folgender Formel der Alkoholgehalt berechnet werden:
Alkoholgehalt [% vol] = (0,6757 x Saccharosegehalt [°Brix]) - 2,0839
Hier ein Beispiel:
Mit dem temperaturkompensierten Handrefraktometer wurde ein Saccharosegehalt von 20,7 °Brix gemessen.
In die Formel eingesetzt ergibt sich:
Alkoholgehalt = (0,6757 x 20,7) - 2,0839
Alkoholgehalt = 13,987 - 2,0839
Alkoholgehalt = 11,903 % vol
Alternativ zur Formel kann der Wert auch aus Tabellen abgelesen werden.
Für Traubenmost mit 10,0 bis 74,9 Prozent Saccharosegehalt bzw. Prozent Brix finden Sie über folgenden Link eine Tabelle mit Brechungsindex, Volumenmasse, Invertzuckergehalt und Alkoholgehalt.
> Brixwert und Alkoholgehalt von Traubenmost
Eine besondere Art der Refraktometer stellt das Abbe-Refraktometer dar. Das von Ernst Abbe entwickelte und 1872 vorgestellte Refraktometer arbeitete nach dem Durchlichtprinzip. Die zu untersuchende Probe wird zwischen einem Beleuchtungsprisma und einem Messprisma platziert. Nur die von der Probe durchgelassenen Lichtstrahlen treffen das Messprisma und beleuchten die Ablesefläche. Bei einem Totalreflektometer beruht das Messprinzip auf der Tatsache, dass der Grenzwinkel der Totalreflexion an einer Grenzfläche von den Brechzahlen der beteiligten optischen Medien abhängt. Die Totalreflexion findet an der Grenzfläche des verwendeten Glases zur untersuchten Flüssigkeit statt. Das Glasprisma muss dazu eine größere Brechzahl als die zu vermessende Probe besitzen. Man kann auch sagen, die Probenflüssigkeit muss optisch dünner sein. Der Aufbau der Refraktometer ermöglicht eine präzise Grenzwinkelbestimmung mit einer Flüssigkeitsschicht, die als dünner Film auf ein Glasprisma aufgebracht wird.
In diesem Video wird die Anwendung analoger Refraktometer vorgestellt. Zu sehen sind die optischen Ablese-Skalen der Refraktometer. Als erstes wird das Refraktometer PCE-4582 für konzentrierten Saft, Kondensmilch, Honig, Marmelade, Emulsionen gezeigt. Dann wird Himbeersaft mittels dem PCE Refraktometer 2862 auf seinen Zuckergehalts Gehalt geprüft - Ergebnis 51 °Brix. Anschließend wird das Winzer - Refraktometer PCE-Oe bei der Weinanalyse gezeigt. Dies Refraktometer besitzt eine Dreifachskala für Oechlse, Saccharose/ Brix und KMN/Babo.