折射率與折射儀的工作原理

發佈:2017-06-09, 週五

折射儀是一種光學裝置,可用來測量物質的折射度(通常為流體物質),並透過換算,可得到比重、糖度 (Brix,白利糖度)的資訊。

當電磁波(包含可見光)通過兩種不同介質之間,會因為其速度的改變,造成光線行進偏移,而產生一個角度,這種現象,被稱為「折射」 (Refraction)。而「屈折」,專指可見光的折射,所以折射儀通常被稱為屈折度計屈折計 (偶而也被誤植為曲折計或曲折度計)。

這也是為何筷子插入水杯時,肉眼會看到筷子被折屈。這是因為光線從水中的筷子表面反射進入空氣中以後,改變了方向的緣故。眼睛看到的光線,讓大腦誤以為水面下的筷子,是在眼睛直線方向的位置。

筷子在水中的折射現象

此外,各種特定單一波長的光線所產生的折射率 (n) 也不盡相同。目前通用的標準折射率,單位是以 nD 表示,它是以鈉燈所產生的雙波長光線 (588.995 nm  與 589.592 nm)取兩波長的中間值,也就是589.3nm,來定義折射率的絕對測量結果。早期也有用紅色氫氣燈 (656.2725nm, 單位 nC),藍色氫氣燈 (486.1327nm,單位 nF),來表示某物質的折射率。目前市面上的儀器,都是以 nD 為單位。新型的折射儀,更將燈源改為 LED,不但波長特性更穩定,燈源壽命也比鈉燈長得多,儀器更容易維護。目前已經逐漸取代傳統常需要定時校正的鈉燈源

另外一種會影響折射率的變因,是溶液的比重 (Specific Gravity),亦稱為質量百分比。舉例來說,不同比重濃度的蔗糖水,會有不一樣的折射率。因此,根據已知蔗糖比重的蔗糖水與折射率之間的關係,便能由溶液的折射率,反推溶液中的蔗糖比重,進而測量出樣品的糖度。通常,我們會以 Brix,白利糖度百分比,來表示樣品的糖份。也就是在 20°C 的溫度下,每100克水溶液中,有多少克的蔗糖?除了 Brix 之外,亦有用 Plato 柏拉圖當作糖分計量單位,常見於啤酒業用來表示黑麥汁的糖份。因此,折射儀,也常被稱為糖度計糖份計糖度儀

屈折度計發展至今,經過不斷改善,測量的速度、精度、儀器的穩定度、壽命,都已經獲得大幅改善,至今已經成為許多研究、品管,所不可或缺的儀器。新型的數位式折射儀,更採用全反射的測量方式,利用折射率與全反射角度呈正比的特性,來測量出樣品的折射率。相較於傳統 ABBE 阿貝式屈折度計,由於全反射屈折度計不需要讓光線穿透樣品到另外一邊再量測,因此對於不太透光、高黏稠度、或深色的樣品,新型的數位式折射儀,一樣能夠勝任。

Types of Refractometer

傳統 ABBE 與 全反射式屈折度計的比較

勢動科技代理來自德國 A.KRÜSS 的高品質屈折度計,在德國精密機構與光學設計下,這一系列的折射儀,不但精準,更是耐用。屈折度計常見的問題,便是光學鏡片接縫處漏液,這種現象在德國工藝之下,是很難發生的現象,對於酸鹼溶液,也無需特別照顧,滴上藍寶石光學窗,數秒內便完成測試,擦拭一下便能進行下次量測。加上目前原廠在價格上,回饋給全球客戶客戶,您能以最佳的性價比,購得一部來自德國的精密儀器。詳情請瀏覽勢動科技折射儀產品網頁,並連絡勢動科技

A.Kruss DR6000 Refractometer

不太透光又黏稠的的深色食用色素食用香料,一樣能夠精準測量糖度

台灣一直是全球重要的水果產地,食品業也是非常重要的產業,折射儀在這些產業以及相關研究領域的使用,已經行之有年。拿來測量果汁、果凍、食品添加劑、食用色素、食用香料的糖份。近年來,由於釀酒獨賣事業的開放,折射儀也是釀酒產業不可或缺的儀器之一。無論是葡萄酒 (紅酒、白酒),或者自釀啤酒,要得知原料或成品的品質,有兩個數據是依定要知道的,一是 OG 值 (釀造前原始比重),一是 FG 值 (釀造後最後比重)。關於白利糖度 (Brix)、柏拉圖糖度 (Plato)、比重 (SG, Specific Gravity) 三者間的關係,以及換算,可由下表得知:

 Table of Brix & Gravity

Brix 白利糖度、比重、柏拉圖 換算表