उद्योग में रिफ्रैक्टोमीटर का उपयोग और चयन

एंजेलो डेपल्मा, पीएचडी द्वारा

रिफ्रैक्टोमीटर का उपयोग: तरल पदार्थों को उनके अपवर्तनांक के आधार पर चिह्नित करता है - अपवर्तन प्रकाश की गति में परिवर्तन के कारण होता है क्योंकि यह एक घनत्व वाले पदार्थ से दूसरे घनत्व वाले पदार्थ में जाता है। परिभाषा के अनुसार निर्वात का अपवर्तनांक 1 होता है, और किसी विलयन या शुद्ध द्रव का अपवर्तनांक समीकरण द्वारा परिकलित किया जाता है:
अपवर्तनांक = निर्वात में प्रकाश की गति/पदार्थ के माध्यम से प्रकाश की गति
जैसे-जैसे नमूने सघन या अधिक सघन होते जाते हैं, प्रकाश माध्यम से धीरे-धीरे गुजरता है। इसलिए, हवा का अपवर्तनांक 1.000293 है, पानी का अपवर्तनांक 20 डिग्री सेल्सियस पर 1.33298 है, और बेंजीन का 1.501 है, जबकि एनेस्थेटिक सेवोफ्लुरेन का अपवर्तनांक 1.2745 से 1.2760 तक है।
अपवर्तनांक स्नेल के नियम पर आधारित है, जो दो अलग-अलग माध्यमों, उदाहरण के लिए एक तरल घोल और हवा के बीच की सीमा पर पड़ने वाले प्रकाश के लिए आपतन कोण और विवर्तन कोण के बीच के संबंध का वर्णन करता है। विकिपीडिया अपवर्तनांक और स्नेल के नियम पर एक अच्छी पृष्ठभूमि प्रदान करता है।
जिस किसी ने भी नाव के पतवार को पानी में प्रवेश करते समय “झुकते” देखा है, उसने अपवर्तन का प्रत्यक्ष अनुभव किया है। यह घटना हवा की तुलना में पानी के माध्यम से प्रकाश तरंगों के धीमे प्रसार से उत्पन्न होती है। वाणिज्यिक रिफ्रैक्टोमीटर उसी सिद्धांत पर काम करते हैं, हालांकि “झुकने” की डिग्री को सटीक रूप से मापा जाता है।
अपवर्तक सूचकांक शुद्ध पदार्थों की एक अद्वितीय, स्थिर भौतिक विशेषता है, जैसे कि नींबू का तेल, लेकिन इसका सबसे आम उपयोग पानी में घुले पदार्थों की सांद्रता की गणना के लिए होता है। पानी में चीनी की मात्रा ("ब्रिक्स") को मापना एक आम अनुप्रयोग है। चित्र 1 दर्शाता है कि सांद्रता जितनी अधिक होगी, अपवर्तक सूचकांक उतना ही अधिक होगा।

रिफ्रैक्टोमीटर का उपयोग – तरंगदैर्घ्य और तापमान

रिफ्रैक्टोमेट्री मापन नमूने पर लागू प्रकाश की तरंगदैर्ध्य और नमूने के तापमान पर दृढ़ता से निर्भर करता है। मानक रिफ्रैक्टोमीटर 589.3 नैनोमीटर तरंगदैर्ध्य का उपयोग करते हैं, (सोडियम डी लाइन से उत्सर्जन को छोड़कर), और 20 डिग्री सेल्सियस पर माप लेते हैं। जबकि तरंगदैर्ध्य तय है, नमूना तापमान तब तक भिन्न होगा जब तक कि नियंत्रित न किया जाए, और रिफ्रैक्टोमेट्री माप को महत्वपूर्ण रूप से प्रभावित करता है।
उच्च तापमान पर तरल पदार्थ और विलयन कम सघन हो जाते हैं, इसलिए उच्च तापमान वाले नमूनों से गुजरने वाला प्रकाश कम विलेय (और विलायक) अणुओं से टकराता है। इसलिए कोई यह उम्मीद कर सकता है कि 25º C पर अपवर्तनांक 20º C से थोड़ा कम होगा। तापमान की भरपाई करने का एक तरीका 20º C से तापमान भिन्नता के लिए संख्यात्मक सुधार लागू करना है -
आईसीयूएमएसए सुधार तालिकाओं पर आधारित उचित संख्यात्मक सुधार शुद्ध चीनी और पानी के पदार्थों के लिए अच्छी तरह से काम करता है जहां अपवर्तक सूचकांक और तापमान परिवर्तन के बीच एक रैखिक संबंध होता है। जितना अधिक घुला हुआ पदार्थ कम शुद्ध होता जाता है और नमूना 20 डिग्री सेल्सियस से जितना दूर होता है, उतनी ही अधिक संभावित गणितीय त्रुटि होती है। लागू किया जाने वाला सबसे आम तापमान सुधार सूत्र आईसीयूएमएसए द्वारा विकसित किया गया है जब उन्होंने ब्रिक्स तालिका बनाई थी जो माप और संदर्भ तापमान पर अपवर्तक सूचकांक के बीच अंतर का अनुमान लगाती है।
अपवर्तक सूचकांक सुधार कारक सभी विलयनों और शुद्ध तरल पदार्थों के लिए अलग-अलग होते हैं। कुछ उच्च-स्तरीय उपकरण स्वचालित रूप से सुधार कारक लागू करते हैं, एक विशेषता जिसे स्वचालित तापमान क्षतिपूर्ति या स्वचालित तापमान सुधार के रूप में जाना जाता है। हालांकि, गैर-मानक तापमानों के लिए सबसे विश्वसनीय समाधान नमूने को ठीक 20º C तक गर्म या ठंडा करने की क्षमता है। सबसे कुशल प्रणालियाँ नमूने के ऊपर और नीचे दोनों तरफ से हीटिंग और कूलिंग प्रदान करती हैं, और पारंपरिक जल स्नान के बजाय पेल्टियर हीटिंग/कूलिंग का उपयोग करती हैं।
वाटर बाथ का रखरखाव एक समय लेने वाला काम है जिसमें समय-समय पर पानी बदलना और ऊपर से पानी भरना, और एल्गीसाइड मिलाना शामिल है। साथ ही वाटर बाथ के तापमान को मापने और अंशांकन की आवश्यकता होती है। इलेक्ट्रॉनिक पेल्टियर तापमान नियंत्रण वाटर बाथ की तुलना में अधिक कॉम्पैक्ट है और अधिक तापमान सटीकता और अधिक तेज़ संतुलन प्रदान करता है।
स्पेक्ट्रोस्कोपी के विपरीत, जो पदार्थों को उनके अवशोषण के आधार पर विशिष्ट रूप से पहचान सकता है, रिफ्रैक्टोमेट्री केवल तभी उपयोगी होती है जब विश्लेषण की जा रही सामग्री ज्ञात हो। उदाहरण के लिए एक सांद्रता पर नमक के घोल का अपवर्तनांक एक अलग सांद्रता के चीनी के घोल के समान हो सकता है। इस सीमा के बावजूद, औद्योगिक और वैज्ञानिक प्रयोगशालाओं में रिफ्रैक्टोमीटर सर्वव्यापी हैं, विशेष रूप से गुणवत्ता नियंत्रण सेटिंग्स में जहां एक तेज़ अपवर्तनांक माप यह इंगित करता है कि उत्पाद विनिर्देश के अनुसार है या नहीं।) निम्नलिखित अनुप्रयोग संभावनाओं के हिमशैल के सिरे मात्र हैं:

• पानी की लवणता
• पेय पदार्थों की मिठास
• मोटर ईंधन में हाइड्रोकार्बन की मात्रा
• ब्रिक्स, या किण्वन में चीनी सांद्रता
• मेपल सिरप की सांद्रता
• घोल में प्रोटीन

उद्योग के लिए रिफ्रैक्टोमीटर का उपयोग और चयन

क्योंकि प्रयोगशालाओं की ज़रूरतें उनके अनुप्रयोगों, मापन वातावरण, अनुपालन आवश्यकताओं, ऑपरेटर प्रशिक्षण और अनुभव स्तर के आधार पर व्यापक रूप से भिन्न होती हैं, रिफ्रैक्टोमीटर विक्रेताओं ने विभिन्न उद्योग सेटिंग्स को पूरा करने के लिए कई मॉडल पेश करके जवाब दिया है। ये डेस्कटॉप इकाइयों से लेकर हैंडहेल्ड, इलेक्ट्रॉनिक/डिजिटल से लेकर मैनुअल तक हैं, जिनमें सटीकता और दस्तावेज़ीकरण के विभिन्न स्तर हैं।
हर रोज़ इस्तेमाल करने वालों के लिए, रिफ्रैक्टोमीटर खरीदने में प्रदर्शन एक स्पष्ट कारक है। जो लोग केवल कीमत के आधार पर खरीदते हैं, वे मूल्य से चूक सकते हैं। अगर ठीक से रखरखाव किया जाए तो रिफ्रैक्टोमीटर लंबे समय तक चलते हैं। विश्लेषणात्मक उपकरण के पूर्ण मूल्य को समझने के लिए यह आवश्यक है कि खरीदार अपने मापों के मूल्य, उपयोग की आवृत्ति और गलत रीडिंग की लागत या खोए हुए अवसर को समझे। कम-अंत वाले उपकरण और गुणवत्ता वाले रिफ्रैक्टोमीटर के बीच लागत में अंतर उपकरण के जीवनकाल में प्रति माप केवल कुछ सेंट हो सकता है।

$200 से $2,000 के बीच की लागत वाले छोटे, हाथ में पकड़े जाने वाले या हथेली के आकार के रिफ्रैक्टोमीटर आमतौर पर वाइन या एंटीफ्रीज के परीक्षण जैसे विशिष्ट कार्यों के लिए उपयोग किए जाते हैं। ये उपकरण इलेक्ट्रॉनिक या बैटरी से चलने वाले या गैर-इलेक्ट्रॉनिक मॉडल हो सकते हैं जो परिवेशी प्रकाश पर निर्भर करते हैं और उपयोगकर्ता को दृश्य निर्धारण करने की आवश्यकता होती है। इलेक्ट्रॉनिक/डिजिटल डिज़ाइन कुछ हद तक बड़े और अधिक महंगे होते हैं, लेकिन वे अधिक सटीकता प्रदान करते हैं। छोटे रिफ्रैक्टोमीटर फील्ड वर्क, घर के लिए आदर्श होते हैं, “लैब” को नमूने के बजाय दूसरे तरीके से लाने के लिए।
$7,000 से $14,000 की कीमत वाली प्रयोगशाला रिफ्रैक्टोमीटर बड़ी विनिर्माण कंपनियों के लिए काम के उपकरण हैं जो उच्च स्तर की गुणवत्ता बनाए रखना चाहते हैं और कड़े गुणवत्ता दिशानिर्देशों का पालन करना चाहते हैं। उपकरणों की बेहतर ऑप्टिक्स और प्रदर्शन के कारण उच्च लागत उचित है। जहाँ हैंडहेल्ड मॉडल 0.1 और 0.01 के बीच रिज़ॉल्यूशन प्रदान करते हैं, वहीं प्रयोगशाला उपकरण 0.0001 तक पहुँच जाते हैं। ये रिफ्रैक्टोमीटर आमतौर पर कंप्यूटर के साथ इंटरफेस करते हैं और सटीकता और डेटा अखंडता दोनों की तलाश करने वाली उच्च-थ्रूपुट प्रयोगशालाओं के लिए पसंद के उपकरण हैं।

शोध अनुप्रयोगों या बहुत उच्च सटीकता की आवश्यकता वाले लोगों के लिए, शीर्ष-स्तरीय प्रयोगशाला रिफ्रैक्टोमीटर 0.00001 तक की सटीकता और 1.70000 तक पूर्ण अपवर्तक सूचकांक माप सीमा प्रदान करते हैं। इन उपकरणों में कंप्यूटर के साथ-साथ अन्य उपकरणों से भी कनेक्टिविटी की सुविधा है।

इन तीन प्रयोगशाला रिफ्रैक्टोमीटर श्रेणियों के अतिरिक्त, प्रक्रिया उद्योगों में काम करने वाली कंपनियां इन-लाइन रिफ्रैक्टोमीटर पर विचार कर सकती हैं जो अपवर्तक सूचकांक को निरंतर मापते हैं।

निष्कर्ष

रिफ्रैक्टोमेट्री एक समय-परीक्षित विश्लेषणात्मक विधि है जो आधुनिक प्रयोगशालाओं का मुख्य आधार बनी हुई है। सही रिफ्रैक्टोमीटर का चयन आपकी सटीकता, नमूना थ्रूपुट, माप के स्थान और अन्य उपकरणों के साथ अंतर-संचालन और डेटा हैंडलिंग और प्रसंस्करण की आवश्यकताओं पर निर्भर करता है।

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