Refraktometar REUR 40-80Bx Medikal-Bistra

Danas je nabavljen opto-elektronički refraktometar REUR 40-80Bx proizvođača Medikal-Bistra vjerojatno iz 1989. godine. Iako je Medikal-Bistra očito neki domaći proizvođač nismo uspjeli pronaći nikakve poveznice na ovu tvrtku. S obzirom da je sam refraktometar baždaren u stupnjevima po Brixu (Bx) možemo pretpostaviti da se radi o nekom industrijskom ili laboratorijskom refraktometru za mjerenje postotka suhe tvari (saharoze, odnosno šećera) u moštu kod procesa proizvodnje vina.

Jedan Brix označava jedan gram suhe tvari u 100 grama mošta na temperaturi od 20°C. Stoga je skala po Brixu najčešće baždarena na 20°C. Ukoliko je temperatura mošta manja tada se za svaki °C odbije 0,06% od očitane vrijednosti, a ukoliko je temperatura mošta veća onda se za svaki °C dodaje 0,07% na očitanu vrijednost u Bx.

Osim skale po Brixu raširene su još dvije skale za mjerenje koncentracije šećera u moštu. Naime, suha tvar koja se mjeri po Brixu uključuje ne uključuje samo šećer već i sve druge suhe tvari u moštu. Skala po Babou (Kl) pak predstavlja težinski postotak samo šećera, odnosno pokazuje koliko kilograma šećera ima u 100 kilograma mošta. Skala po Oechsleu (Oe) pak daje vrijednost specifične težine mošta, odnosno pokazuje za koliko grama litra mošta ima veću masu od litre vode pri istoj temperaturi. Sve ove tri skale moguće je međusobno preračunavati po određenim formulama ili gotovim tablicama kako bi se na kraju dobio podatak o količini šećera u moštu ili postotku alkohola u budućem vinu. S obzirom da se skale mogu međusobno preračunavati iz jedne u drugu vidimo da je ovdje riječ samo o različitoj kalibraciji mjerača, a ne nužno i o različitom principu mjerenja.

Instrumente koji se koriste za mjerenje suhe tvari u moštu možemo podijeliti u dvije skupine: moštne vage i refraktometri. Obje naprave su jednostavne konstrukcije i jednostavne za upotrebu.

Moštna vaga je zapravo aerometar za mjerenje gustoće tekućina. Koristi se stari Arhimedov zakon po kojem kruto tijelo uronjeno u tekućinu potone u tu tekućinu to više što je tekućina rjeđa. Najjednostavnija Izvedba moštne vage je stoga u obliku šuplje staklene cjevčice zatvorene na oba kraja, gdje je jedan kraj otežan (obično olovom) kako bi cjevčica vertikalno (više ili manje ovisno o gustoći) uronila u mošt.

Optički refraktometar pak koristi pojavu loma zrake svjetlosti kad ista na svom putu prelazi iz prozirne sredine jedne gustoće u prozirnu sredinu druge gustoće. Do loma zrake svjetlosti na dodirnoj površini između rjeđe i gušće prozirne sredine dolazi zbog promjene brzine svjetlosti, odnosno smanjenja brzine svjetlosti kad isto upadne u gušću optički prozirnu sredinu. No, da bismo do kraja shvatili princip rada jednostavnog optičkog refraktometra moramo usvojiti i pojmove graničnog kuta i totalne refleksije.

Na prvoj slici vidimo da zraka svjetlosti, ovisno o kutu upada, može na prijelazu između tvari različitih gustoća biti samo prelomljena za neki mali kut pod kojim nastavi dalje putovati, zatim može biti toliko prelomljena da slijedi dodirnu površinu tvari različitih gustoća (granični kut), i u konačnici, može biti prelomljena pod tako velikim kutom da se vrati natrag u tvar iste gustoće (totalna refleksija).

Taj kut ili indeks loma svijetlosti ključan je za rad refraktometra. Refraktometar je konstruiran tako da se postigne totalna refleksija svih zraka svjetlosti koje u određenom rasponu kuteva ulaze u staklenu prizmu. Kad se zatim na jednu površinu prizme kapne mjereni uzorak (mošt) na dodirnoj površini prizme i uzorka doći će do promjene indeksa loma svjetlosti, te se dio zraka u određenom rasponu upadnih kutova neće više reflektirati natrag u prizmu (totalna refleksija) nego će se nakon graničnog kuta prelomiti izvan nje. Pri tome će, kao što prikazuje posljednja slika, nastati veća ili manja tamna sjena na zaslonu refraktometra ovisno o gustoći mjerenog uzorka.

Indeks loma je na istoj temperaturi i istim gustoćama tvari uvijek konstantan, a na skali refraktometra ga dakle vidimo u obliku manjeg ili većeg stupca sjene. Najjednostavniji spektometri kao izvor svjetlosti koriste dnevno svjetlo ili bilo koji vanjski izvor umjetnog svjetla prema kojem se okrene optički sustav koji obično čini prizma i leća okulara. Prozirna tvar (mošt) stavlja se na jednu stranu prizme tako da se svjetlost osim preko rubova prizme lomi i na moštu. Optički refraktometri obično imaju iscrtanih više baždarenih skala, a osim spomenutih za mjerenje šećera u moštu, mogu imati npr. i baždarenu skalu za mjerenje postotka vlage u medu kao i za ispitivanje niz drugih prozirnih tvari. Princip je uvijek isti, a sve se svodi samo na odabir vrste, jačine i kuta svjetlosti koja se reflektira unutar prizme te baždarenje skale za određenu ispitivanu tvar.

Na gornjoj slici vidimo kako klasični ručni optički refraktometar ima jednostavno riješenu temperaturnu kompenzaciju skale pomoću bimetalne trake. Više baždarenih skala na okularu tako omogućava izravno i jednostavno očitanje vrijednosti bez potrebe za kompenzacijama i proračunima.

Naoružani ovim znanjem vrijeme je da zavirimo u unutrašnjost našeg refraktometra. Opto-elektronički refraktometar razlikuje se od gore opisanog optičkog refraktometra samo po tome što se koristi stalan izvor difuzne svjetlosti (žarulje, svjetleće diode, laseri i sl.), a kao detektor reflektirane svjetlosti koriste se foto osjetljive elektroničke komponente (foto-diode, foto-tranzistori, foto-otpornici i sl.). Odmah na prvi pogled je jasno da kod našeg primjerka nedostaje optička senzoska jedinica koja je izvedena kao vanjski zasebni modul. Tako ovdje raspolažemo samo sa napajačkom i mjernom komponentom refraktometra.

Krenimo prvo s mjernom jedinicom. Kao indikator postotka krute tvari koristi se ampermetar sa zakretnim svitkom i sa skalom baždarenom po Brixu (Bx). Podjela 40-80 Bx odgovara struji 4-20 mA.

Vidimo da sam ugradbeni instrument ima višestruku primjenu posebno kao indikator u različitim termometrima.

Naš primjerak ima ugrađene samo otpornike za kalibraciju. Vidimo da je u kućište instrumenta, ovisno o namjeni, moguće ugraditi i ispravljačke komponente te otporničke djelitelje napona.

Mehanizam za namještanje kazaljke instrumenta na nulu je potrgan. Fleksibilnu metalnu sajlu koja čini poveznicu između mehanizma na instrumentu i vijka na prednjoj ploči netko je toliko sarafio da je ista pukla. Srećom, dio mehanizma na samom instrumentu ostao je očuvan.

A sada ostatak elektronike. Elektronika refraktometra smještena je u četiri međusobno povezana modula (s desna na lijevo):

• modul mrežnog transformatora i ispravljača
• izvor napona i indikacija rada za izvor svjetlosti (žaruljicu) refraktometra
• modul ispravljača i stabilizatora napona
• pojačalo napona iz senzora (fotodiode) refraktometra za mjerni instrument sa elementima elektroničke kalibracije

Modularna izvedba sklopovlja omogućava jednostavne kombinacije i brzo lociranje kvara te zamjenu komponenti. Naša četiri modula su takve izvedbe da zahtijevaju šumu žica za povezivanje, no s druge strane vrlo su dobro označeni te je lako izvesti njihovo ožičenje.

Modul mrežnog transformatora i ispravljača osigurava istosmjerni napon 9V/1A za napajanje žaruljice refraktometra (ispravljen preko Graetzovog mosta montiranog na vrhu modula), te izmjenične napone od 15V i 2x15V koji se ispravljaju i stabiliziraju na slijedećem modulu.

Modul ispravljača i stabilizatora napona izmjenične napone od 15V i 2x15V sa prvog modula ispravlja na stabilizirani napon od 5V i simetrični napon od 2x12V za napajanje naredna dva modula. Ispravljanje je izvedeno diodama, a stabilizacija upotrebom stabilizatora 7812, 7912 i 7805.

Regulator napona za izvor svjetlosti (žaruljicu) refraktometra. Vidimo da se radi o visokostabiliziranom izvoru koji uključuje serijski tranzistorski stabilizator napona upravljan operacijskim pojačalom IL741. Regulator 7805 moguće služi kao izvor referentnog napona za IL741, a zavojnica i elektrolitski kondenzatori su u filtarskom dijelu. Šteta što nemamo optoelektronički senzor da vidimo za koji izvor svjetla je izvedena ovakva stabilizacija. Na ovaj modul spaja se i kontrolna LED označena sa “POGON” na prednjoj ploči refraktometra.

Posljednji u nizu je modul pojačala napona iz senzora (fotodiode) refraktometra za mjerni instrument sa svim elementima kalibracije. Vidimo da se bazira na tri operacijska pojačala LM741 i tranzistoru 2N1711 te sadrži četiri višeokretna potenciometra za kalibraciju. Na ovaj modul također se spajaju kalibracijski potenciometri izvedeni na prednjoj ploči (MAX – MIN), te temperaturni kalibracijski potenciometar sa sklopkom montiran na zadnjoj ploči refraktometra.

Pogled na priključnu stezaljku sa zadnje strane. Prema optoelektroničkom senzoru refraktometra vodi šest žica (priključnice od 1 do 6): dvije za termopar za temperaturnu korekciju, jedna za dolazni napon iz senzora (fotodiode), jedna za napajanje izvora svjetla, jedna za regulaciju izvora svjetla i jedna za zajedničku masu. Priključnice 7 do 9 služe za spajanje mjernog napona ili struje na instrument (vidi shemu spajanja na kućištu instrumenta), a priključnice 10 do 12 su za dovođenje mrežnog napona napajanja.

S obzirom da je naš refraktometar nabavljen bez optoelektroničkog senzora mi ovaj uređaj opet možemo promatrati samo kao još jednu izvedbu voltmetra ili ampermetra. Jasno da ga možemo koristiti kao neki precizni voltmetar, no, također je dobar instrument i za neko kućno laboratorijsko ispitivanje otpoelektroničkih elemenata. Naravno da se uz to može popiti i čaša kakvog dobrog vina kojemu je već nekom moštnom vagom ili pak refraktometrom bio izmjeren postotak šećera te već imamo ispisanu razinu alkohola nastalu iz istog 🙂