Empfohlene Ergebnisse

Refraktometer

Sie haben die Wahl – alles ist messbar

Die Refraktometer von Anton Paar verkörpern über 40 Jahre technische Expertise. Sie messen den Brechungsindex und die Konzentration von Flüssigkeiten, Gelen und Festkörpern. Diese äußerst universellen Refraktometer eignen sich für alle denkbaren Anwendungen in Industrien aller Art. Refraktometer der Abbemat-Serie werden mit Sorgfalt, Präzision und Werkstoffen von höchster Qualität produziert. Ein Abbemat ist eine sichere Investition in die Zukunft. Er liefert auf Jahre hinaus zuverlässige und präzise Ergebnisse.

Economy: "Der kostengünstige Abbemat für Routinemessungen."
Mit dem Refraktometer Abbemat 200 wird die ausgeklügelte Messtechnologie der Abbemat-Serie auch für Kunden mit geringem Budget erschwinglich. Dieses sofort einsatzbereite Refraktometer bietet alle wesentlichen Funktionen und intuitive Bedienbarkeit für kleinere Labors, die nur eine begrenzte Anzahl an Messungen durchführen und keine komplexen Daten verarbeiten wollen.

Performance: "Messen, messen, messen"
Die robusten und einfach zu bedienenden Refraktometer der Produktlinie Performance sind ideal für Routineanalysen und die Qualitätskontrolle, die sich von Prüfungen eingehender Rohstoffe, von Zwischenprodukten bis hin zu Endprodukten erstreckt. Das große Display zeigt ein klares Pass/Fail-Ergebnis für die Analyse einer Vielzahl von Proben, wenn die Zeit knapp ist.

Performance Plus: "Sofort zu allem bereit und fit für die Zukunft."
Die vielseitigen Refraktometer der Produktlinie Performance Plus sind für Forschung und Entwicklung und anspruchsvolle Anwendungen in der Qualitätskontrolle konzipiert. In Verbindung mit einer Peristaltikpumpe oder einem Probenwechsler ist eine einfache Befüllung möglich. Vielfältiges Zubehör ist problemlos nachrüstbar.

Heavy Duty: "Misst auch noch, wenn andere aufgeben."
Die Refraktometer der Produktlinie Heavy Duty sind für die Arbeit in rauen Umgebungen und für spezielle Anwendungen entwickelt worden, die hohe Temperaturen (Modell HT) oder viele Wellenlängen (Modell MW) erfordern. Auf einem externen PC-Monitor lassen sich die Ergebnisse auch fernab von der Probe überwachen. Zum Messen von Proben mit Feststoffpartikeln oder Luftblasen lässt sich die Heavy-Duty-Ausführung des Abbematen auf die Seite drehen, um Sedimentierungen und anderen Einflüssen vorzubeugen, die die Ergebnisse beeinträchtigen könnten.

Bei der Wahl des passenden Refraktometers für Ihre Erfordernisse stehen Ihnen unsere Experten gerne mit Rat und Fachwissen zur Verfügung. Anton Paar hat das richtige Refraktometer für jede Aufgabe.

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AdBlue® is an aqueous urea solution and was developed tolower nitrogen oxides in diesel emissions. Internationalstandards demand that refractive index is measured for thedetermination of the urea concentration in AdBlue®.

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Deuterium oxide, also known as heavy water, is used as amoderator in nuclear power plants to maintain the nuclearchain reaction. The purity and concentration of heavy watercan be analyzed with refractive index measurement.

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Measuring the curing behavior of nano-tuned gluewith Abbemat refractometers.

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Soluble solid content and acidity are major quality parametersin tomatoes. The soluble solid content in tomato products isdetermined by refractive index measurements and expressedas °Brix.

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Abbemat refractometers are powerful tools for determining the refractive index of nanoparticles in solution. The knowledge of the refractive index is fundamental for deriving the

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Abbemat refractometers are powerful tools for determining the refractive index of nanoparticles in solution. The knowledge of the refractive index is fundamental for deriving the right size distribution from laser diffraction data.


Brechungsindex

Der Brechungsindex (n) ist eine dimensionslose, stoffspezifische physikalische Größe.

Der Brechungsindex (n) eines Mediums gibt das Verhältnis der Lichtgeschwindigkeit in einem Material zur Lichtgeschwindigkeit im Vakuum unter Standardbedingungen an. Standardbedingungen sind eine Temperatur von 20 °C und ein Druck von 1013 mbar bei einer relativen Luftfeuchte von 50 %.

 

Beispiele für Lichtgeschwindigkeiten in verschiedenen Medien:
Vakuum 299 792 km/s
Luft 299 710 km/s
Wasser 225 000 km/s
Saphir 170 000 km/s

Je höher die optische Dichte eines Mediums ist, umso geringer ist die Lichtgeschwindigkeit innerhalb des Mediums und umso größer ist sein Brechungsindex.

Der Brechungsindex nSubstanz gibt das Verhältnis der Vakuumlichtgeschwindigkeit νVakuum zur Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichts νMedium im Medium an:

Der Brechungsindex hängt von der Temperatur T und der Wellenlänge λ des Lichtes ab. Aus diesem Grund werden Wellenlänge und Temperatur zusammen mit dem Brechungsindex angegeben. Refraktometrische Standardbedingungen sind eine Wellenlänge von λ= 589 nm (Sodium D-line) und eine Temperatur von T = 20 °C. Der Brechungsindex für diese Bedingungen wird üblicherweise nD oder nD geschrieben.

Beispiele für verschiedene Brechungsindizes (Wellenlänge = 589,3 nm, Temperatur = 20,0 °C):
Vakuum 1,00000 nD
Wasser 1,33299 nD
Dodecan 1,42172 nD
Tetrachlorethen 1,50580 nD
Bromonaphtalen 1,65784 nD
Saphir Al2O3 1,76 nD
YAG 1,83 nD
Diamant C 2,42 nD

 

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Messprinzip

Die Änderung der Lichtgeschwindigkeit an der Grenzfläche zweier Medien verursacht eine Richtungsänderung des Lichtstrahls. Das Licht, das auf ein Material mit einer unterschiedlichen optischen Dichte trifft, wird gebeugt bzw. gebrochen (außer es tritt in das Medium direkt zum Lot der Grenzfläche ein).

Der Winkel der Lichtbrechung bzw. Lichtreflexion ist abhängig von den Brechungsindizes zweier Medien (Veränderung der Geschwindigkeit und der Richtung).

 

Durch Messung des Grenzwinkels der Totalreflexion ist es möglich, den Brechungsindex einer unbekannten Probe zu bestimmen. Totalreflexion beschreibt die Situation, in der das Licht an der Grenzfläche vollständig reflektiert wird und kein Licht in das zweite Medium eintritt. Licht tritt nicht in das zweite Medium ein, wenn sich die optischen Dichten der beiden Medien unterscheiden und der Einfallswinkel des Lichtes groß ist. Wenn der Einfallswinkel einen bestimmten Wert, den so genannten Grenzwinkel der Totalreflexion, überschreitet, bricht sich das reflektierte Licht an der Grenzfläche zweier Medien. Der Grenzwinkel der Totalreflexion ist der Winkel, bei dem die Lichtbrechung in Totalreflexion übergeht. Bei Einfallswinkeln, die größer als der Grenzwinkel der Totalreflexion sind, tritt nur noch Reflexion und keine Lichtbrechung mehr auf. Dieses Phänomen bezeichnet man als Totalreflexion.

Abbildung 1: Abhängig vom Einfallswinkel des Lichts an der Grenzfläche zwischen zwei unterschiedlichen Medien wird der Lichtstrahl teilweise reflektiert und gebrochen (α<αGrenzwinkel der Totalreflexion) oder total reflektiert (α>αGrenzwinkel der Totalreflexion).

 

Wenn ein Lichtstrahl A die Grenzfläche zwischen Medium 1 (Brechungsindex = n1) und Medium 2 (Brechungsindex = n2, n2 > n1) in einem Einfallswinkel kleiner als α1 passiert, wird der Lichtstrahl teilweise an der Grenzfläche gebrochen (Winkel β1) und teilweise reflektiert (Lichtstrahl A’).

Wird der Einfallswinkel α1 erhöht, gibt es einen Winkel α2,. in dem der gebrochene Lichtstrahl B sich längs der Grenzfläche zwischen Medium 2 und Medium 1 befindet, während ein Teil des Lichtstrahls reflektiert wird (B’). Dieser Winkel wird als Grenzwinkel der Totalreflexion bezeichnet (αGrenzwinkel der Totalreflexion).

Erhöht man weiterhin den Einfallswinkel (α3 > αGrenzwinkel der Totalreflexion, Lichtstrahl C), wird das gesamte einfallende Licht vollständig durch das Medium 1 (C’) reflektiert und nicht länger gebrochen.

Dies geschieht nur, wenn sich das Licht von einem Medium mit einem höheren Brechungsindex [n2 = höherer Brechungsindex] zu einem Medium mit einem niedrigeren Brechungsindex [n1 = niedriger Brechungsindex] bewegt.

Die Messung des Brechungsindex von Medium 1 geschieht mittels Snell’schem Brechungsgesetz. Das Snell’sche Brechungsgesetz sagt aus, dass das Verhältnis der Brechungsindizes n1/n2 dem umgekehrten Verhältnis des Sinus der Winkel α1 und β1 gleicht.

Für den speziellen Fall α2 = αGrenzwinkel der Totalreflexion ist der Winkel α1 = β1 = 90°. Setzt man diese Winkel in das Snell’sche Brechungsgesetz, ergibt sich:

Das bedeutet, dass der Brechungsindex von Medium 1 bestimmt werden kann, wenn man nur den Grenzwinkel der Totalreflexion αGrenzwinkel der Totalreflexion und den Brechungsindex von Medium 2 kennt (bzw. misst).

 

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Messaufbau Abbemat

Die Messung des Brechungsindex einer Probe mit dem automatischen Refraktometer Abbemat basiert auf der Bestimmung des Grenzwinkels der Totalreflexion. Hierfür muss die Probe einen direkten Kontakt mit dem Messprisma haben.

 

Das Licht einer LED-Quelle trifft mit verschiedenen Einfallswinkeln auf die Prisma-Oberfläche, die in direktem Kontakt mit der Probe ist. Abhängig vom Unterschied der Brechungsindizes zwischen Probe und Prisma wird das Licht teilweise gebrochen und teilweise reflektiert oder total reflektiert (αGrenzwinkel der Totalreflexion). Der Grenzwinkel der Totalreflexion wird durch die Messung der Intensität des reflektierten Lichtstrahls auf einem CCD-Sensor in Abhängigkeit zum Einfallswinkel bestimmt.

 

Wird der Lichtstrahl total reflektiert (Einfallswinkel ist größer als der αGrenzwinkel der Totalreflexion) und auf dem CCD-Sensor abgebildet, ergibt sich eine hohe Lichtintensität auf dem CCD-Sensor. Wenn der Einfallswinkel kleiner als der Grenzwinkel der Totalreflexion ist, wird das Licht teilweise gebrochen und teilweise reflektiert, woraus eine niedrigere Lichtintensität auf dem CCD-Sensor resultiert.

Als Ergebnis erhält man eine Kurve für die vielen verschiedenen Einfallswinkel mit den jeweiligen Lichtstärken auf dem CCD-Sensor (siehe Abbildung 2):

 

Abbildung 2: Schematische Darstellung eines Refraktometers der Abbemat-Serie. Die zu messende Probe ist in direktem Kontakt mit dem Prisma. Abhängig vom Brechungsindex wird das einfallende Licht unterhalb des Grenzwinkels der Totalreflexion teilweise an der Grenzfläche zwischen Prisma und Probe gebrochen und reflektiert, wohingegen das Licht mit einem höheren Einfallswinkel total reflektiert wird. Die Intensität des reflektierten Lichts wird mit einem hochauflösenden Sensor gemessen.

 

Wie aus Abbildung 3 ersichtlich, ist ein steiler Anstieg der Lichtintensität erkennbar. Daraus lässt sich der Grenzwinkel der Totalreflexion bestimmen. Das Video-Signal, das mit einem CCD-Sensor aufgenommen wird, wird mittels der Fresnel-Theorie ausgewertet, die alle verschiedenen Einfallswinkel berücksichtigt, nicht nur den Grenzwinkel der Totalreflexion. Diese Technik garantiert eine deutlich präzisere und zuverlässigere Bestimmung des Brechungsindex als die einfache Ermittlung des Grenzwinkels der Totalreflexion.

 

Abbildung 3: Ermittlung des Grenzwinkels der Totalreflexion mit einem CCD-Sensor. Die kompletten Messdaten werden mit einer Fresnel-Theorie-Kurve angepasst, um den Grenzwinkel der Totalreflexion αGrenzwinkel der Totalreflexion präzise zu bestimmen.

 

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Abhängigkeiten

Wellenlänge

Der Brechungsindex variiert nahezu bei allen Materialien mit der Wellenlänge des Lichts. Dies nennt man Dispersion, sie ist typisch für ein bestimmtes Material.

Als Beispiel werden in Abbildung 4 die Dispersionskurve (rote Kurve) und die Absorption (grüne Kurve) von Wasser im sichtbaren bis zum Infrarot-Wellenlängenbereich gezeigt. Im sichtbaren Wellenlängenbereich sind eine Abnahme des Brechungsindex und nahezu keine Absorption erkennbar. Im Infrarot-Wellenlängenbereich dagegen treten verschiedene Absorptions-Maxima und Schwankungen im Brechungsindex auf.

 

Abbildung 4 Dispersionskurve von Wasser


Um eine hohe Genauigkeit von bis zu 2×10-5 in der Brechungsindex-Messung zu gewährleisten, muss die Wellenlänge genau eingestellt bzw. bestimmt sein. Deshalb wird die Wellenlänge in allen Refraktometern der Abbemat-Serie, die mit einer Wellenlänge ausgestattet sind, individuell mit einem Interferenzfilter mit einer Genauigkeit von bis zu ±0,2 nm eingestellt. Die meisten Messungen werden bei 589 nm, der Natrium-D-Linie, durchgeführt. Für spezielle Applikationen stehen weitere Wellenlängen von 436 nm bis zu 656 nm zur Verfügung. Jede einzelne Wellenlänge im Abbemat-Mehrwellenlängen-Modell (Abbemat MW) wird genau ausgemessen ("wahre Wellenlängen"). Eine präzise Messung des Brechungsindex wird gewährleistet, wenn man die wahre an Stelle der nominalen Wellenlänge benutzt.

Temperatur

Die Temperatur ist einer der Faktoren, die den Brechungsindex am meisten beeinflussen. Folglich muss die Temperatur des Messprismas und die Temperatur der Probe präzise eingestellt und gemessen werden.
Bei Refraktometern der Abbemat-Serie wird die Temperatur durch ein internes Peltier-Element kontrolliert, daher ist kein externer Thermostat notwendig.

 

Eine hochpräzise Temperaturregelung stabilisiert die Temperatur des Prismas und der Probe. Demzufolge befindet sich der Temperatursensor nahe der Probe. Auf Grund der guten Wärmeleitfähigkeit des Prismen-Materials wird eine schnelle Temperaturkontrolle der Probe garantiert. Der eingebaute Temperatursensor hat eine absolute Temperaturgenauigkeit von bis zu ±0,03 °C und eine Temperaturstabilität von bis zu ±0,002 °C.

 

Zusätzlich zur Kontrolle der Temperatur der Probe und des Prismas ist der gesamte optische Aufbau bei einer konstanten Temperatur stabilisiert. Dadurch wird eine Verzerrung von optischen Teilen verhindert und für eine hohe optische Stabilität ohne Nachjustierung von Bauteilen gesorgt.

 

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