Refraktometer sind Messinstrumente für den Brechungsindex von Flüssigkeiten und somit auch für den Zucker- oder Alkoholgehalt:
Auf dem ersten Bild sieht man ein günstiges Handrefraktometer.
Es gibt welche für Zuckerlösungen und welche für Alkohollösungen.
Sie unterscheiden sich in der Beschriftung der Skala und eventuell auch im Messbereich des Brechungsindex.
Sie sind oft mit "ATC", einer automatischen Temperaturkompensation ausgestattet.
Auf dem zweiten Bild sieht man ein Abbe-Refraktometer, ein wesentlich teureres professionelles Laborgerät. Dieses hat normalerweise eine Skala für den Brechungsindex und eine für den Zuckergehalt in Brix. Der Alkoholgehalt lässt sich damit aber auch messen. Man braucht dafür eine Tabelle oder einen Rechner, um vom Brechungsindex auf die Alkoholstärke zu schließen. Eine Temperaturkompensation ist hier nicht eingebaut. Das wäre auch unsinnig, da es ein universelles Messinstrument sein soll, und man aber für jeden zu messenden Stoff eine andere Korrektur benötigen würde. Anstelle den Messwert je nach Temperatur zu korrigieren, wird der Messkopf normalerweise durch einen temperierten Wasserkreislauf auf die gewünschte Temperatur gebracht. Dann ist man auch unabhängig von der Verfügbarkeit und Genauigkeit von Temperaturkompensationstabellen oder-rechner für den jeweiligen Stoff.
Die Brechungsindexe von Zucker- und Alkohollösungen
Die Beziehung zwischen dem Brechungsindex und der Zuckerkonzentration ist recht linear:
Dagegen bei Alkohollösungen:
Die Kurve von Alkohollösungen ist nicht nur deutlich komplexer, sie dreht sogar um im oberen Alkoholstärkenbereich.
Das bedeutet, es gibt für manche gemessenen Brechungsindexe zwei mögliche Alkoholstärken.
So kann ein gemessener Index von 1.365 entweder 75.3 oder 93.2vol% bedeuten.
Der höchste Brechungsindex ist bei 1.3658 beziehungsweise nach unseren Daten bei 85.7vol%.
Der Bereich, wo es zwei Alkoholstärken pro Brechungsindex gibt, ist von 1.3614 - 1.3658 beziehungsweise 100 - 57.2vol%.
Verdeutlicht wird das von unserem Rechner Refraktometer bei hoher Alkoholstärke.
Dieser Rechner soll ermöglichen, auch Alkoholstärken nahe am Azeotrop messen zu können.
Die Skala von Alkohol-Refraktometern geht nämlich wegen dem Umkehren der Kurve nur bis 80vol%:
Diese Skala zeigt auch sehr deutlich, daß es im Bereich von über 50vol% immer schwerer wird, ein genaues Ergebnis abzulesen.
Im Bereich von 80vol% ist es dann so ungenau, daß eine Verwendung von einem Refraktometer nicht mehr sinnvoll ist.
Und auf der anderen Seite des Wendepunktes ist es leider auch nicht ideal.
Ein Refraktormeter eignet sich bei Alkohollösungen also eher, wenn man eine niedrige Alkoholstärke erwartet.
Wenn man aber eine gute Waage hat, kann man die Lösung vor dem Messen gut abgewogen verdünnen, dann die nun niedrigere Alkoholstärke messen und von dem Messwert auf die unverdünnte Alkoholstärke schliessen. Die Genauigkeit des Verdünnens entscheidet dann darüber, ob das etwas bringt. In unseren Rechner Refraktometer Temperaturkorrektur - Alkohollösungen haben wir eine Berechnungsmöglichkeit dieser Verdünnungsmethode eingebaut.
Ein weiterer Unterschied zwischen Zucker- und Alkohollösungen ist die Spanne des Brechungsindex:
Beim Zucker reicht er von 1.333 bis 1.3812 (von 0 bis 30Brix, was wahrscheinlich das höchste realistische ist). Das ist eine Spanne von 0.0482.
Beim Alkohol reicht er von 1.333 bis 1.3614 (von 0 - 100% Alkohol). Das ist eine Spanne von 0.0284.
Die Spanne von Alkohollösungen ist also wesentlich kleiner. Und das bedeutet, daß die Genauigkeit der Messung von Alkohollösungen deutlich geringer ist.
Der Bereich der Alkohollösungen ist aber in dem Bereich der Zuckerlösungen enthalten. Das ist anders als bei Dichtemessgeräten wie Spindeln. Der Dichtebereich von Alkohollösungen ist ein anderer als der von Zuckerlösungen. Das bedeutet, man kann ein Refraktometer für Zuckerlösungen auch für Alkohollösungen verwenden. Und andersherum. Man braucht nur Tabellen oder Rechner, die die Messwerte umrechnen können. Wir haben dafür diesen hier: Zucker ↔ Brechungsindex ↔ Alkohol
Die Temperaturkorrektur von Refraktometermessungen
Die "ATC" (automatic tempeature compensation) in den günstigen Handrefraktometern funktioniert über einen Bimetallstreifen. Je nach Temperatur wird er gekrümmt und dadurch die Skala verschoben:
Links zwischen den beiden Plastikteilen der Bimetallstreifen, rechts der Blick auf die Skala.
Da die Temperaturabhängigkeit des Brechungsindex für jeden Stoff anders ist, muss in das Handrefraktometer der für den Stoff passende Bimatallstreifen eingebaut sein. Da diese Funktion nicht abschaltbar ist, ist es also doch nicht ganz so, daß man ein Zucker-Handrefraktometer auch für Alkohol nehmen könnte. Dies funktioniert nur bei der Eichtemperatur von 20°C.
Die Temperaturkompensation durch einen Bimetallstreifen ist mehr oder weniger linear. Beziehungsweise linear zur Skalenlänge. Das bedeutet, es kann nur gut funktionieren, wenn sich der Brechungsindex auch je nach Temperatur und je nach Alkohol- oder Zuckerkonzentration genauso linear verhält. Und das wäre natürlich ein netter Zufall, wenn es so wäre. Bei Alkohollösungen aber ist die Skala ja selber überhaupt nicht linear. Und bei Alkoholstärken oberhalb des Wendepunktes korrigiert der Bimetallstreifen sogar in die falsche Richtung. Diese automatische Temperaturkompensation ist zumindest bei Alkohollösungen also sehr mangelhaft. Besser ist daher für Alkohol ein Handrefraktometer ohne Temperaturkompensation.
Hier sind unsere Rechner zur Temperaturkorrektur:
Refraktometer Temperaturkorrektur - Zuckerlösungen
Refraktometer Temperaturkorrektur - Alkohollösungen
Die Justierung von Refraktometern
Refraktometer können nur an einem Punkt justiert werden. Normalerweise nimmt man den Wert bei Wasser mit 20°C. Dafür haben wir den Rechner Refraktometer Justierung. Das bedeutet, je weiter man von diesem Punkt entfernt ist, desto unsicherer ist die Messung. Und leider sind auch teure Refraktometer nicht besonders genau. Refraktometer haben Vorteile:
- Wenig Flüssigkeit wird benötigt.
- Die Messung geht schnell.
- Die Laborgeräte haben eine eingebaute Temperaturregelung. - Manche Refraktometer können sogar kontinuierlich messen. Also es wird direkt der sich ändernde Brechungsindex einer Flüssigkeit gemessen.
Es lassen sich also sehr schnell die Indexe bei verschiedenen Temperaturen messen.
Aber allgemein ist die Genauigkeit niedriger als mit guten Spindeln oder anderen Messinstrumenten für die Dichte, wie Pyknometer.
Welche Refraktometer sind also für uns geeignet?
Im Endeffekt keine. Die Handgeräte haben zu viele Schwächen und die Laborgeräte sind für ihre nur mittelmäßige Genauigkeit zu teuer. Vor allem höherprozentige Alkohollösungen sollte man nicht mit Refraktometern messen. Also das Verdünnen auf Trinkstärke und Messungen im Bereich des Mittellaufendes, dafür sind Refraktometer ungeeignet.
Der Grund, warum wir trotzdem so viele Berechnungsmöglichkeiten für Refraktometer gemacht haben, ist, weil wir uns einfach mehr davon versprochen haben. Wir hatten zwar alte, aber eigentlich sehr gute Refraktometer gekauft und sie repariert. Diese alten, häufig gebauten Modelle von Zeiss Jena bekommt man je nach Zustand relativ günstig, sie müssen aber normalerweise komplett auseinandergebaut werden, gereinigt werden und oft muss auch ein Zahnrad ersetzt werden:
Wenn man gerne bastelt, dann ist das ein schönes Projekt.
Die Genauigkeit ist aber trotzdem nicht so hoch wie zum Beispiel mit Pyknometern.
Auf dem zweiten Bild sieht man ein Abbe-Refraktometer, ein wesentlich teureres professionelles Laborgerät. Dieses hat normalerweise eine Skala für den Brechungsindex und eine für den Zuckergehalt in Brix. Der Alkoholgehalt lässt sich damit aber auch messen. Man braucht dafür eine Tabelle oder einen Rechner, um vom Brechungsindex auf die Alkoholstärke zu schließen. Eine Temperaturkompensation ist hier nicht eingebaut. Das wäre auch unsinnig, da es ein universelles Messinstrument sein soll, und man aber für jeden zu messenden Stoff eine andere Korrektur benötigen würde. Anstelle den Messwert je nach Temperatur zu korrigieren, wird der Messkopf normalerweise durch einen temperierten Wasserkreislauf auf die gewünschte Temperatur gebracht. Dann ist man auch unabhängig von der Verfügbarkeit und Genauigkeit von Temperaturkompensationstabellen oder-rechner für den jeweiligen Stoff.
Die Brechungsindexe von Zucker- und Alkohollösungen
Die Beziehung zwischen dem Brechungsindex und der Zuckerkonzentration ist recht linear:
Wenn man aber eine gute Waage hat, kann man die Lösung vor dem Messen gut abgewogen verdünnen, dann die nun niedrigere Alkoholstärke messen und von dem Messwert auf die unverdünnte Alkoholstärke schliessen. Die Genauigkeit des Verdünnens entscheidet dann darüber, ob das etwas bringt. In unseren Rechner Refraktometer Temperaturkorrektur - Alkohollösungen haben wir eine Berechnungsmöglichkeit dieser Verdünnungsmethode eingebaut.
Ein weiterer Unterschied zwischen Zucker- und Alkohollösungen ist die Spanne des Brechungsindex:
Beim Zucker reicht er von 1.333 bis 1.3812 (von 0 bis 30Brix, was wahrscheinlich das höchste realistische ist). Das ist eine Spanne von 0.0482.
Beim Alkohol reicht er von 1.333 bis 1.3614 (von 0 - 100% Alkohol). Das ist eine Spanne von 0.0284.
Die Spanne von Alkohollösungen ist also wesentlich kleiner. Und das bedeutet, daß die Genauigkeit der Messung von Alkohollösungen deutlich geringer ist.
Der Bereich der Alkohollösungen ist aber in dem Bereich der Zuckerlösungen enthalten. Das ist anders als bei Dichtemessgeräten wie Spindeln. Der Dichtebereich von Alkohollösungen ist ein anderer als der von Zuckerlösungen. Das bedeutet, man kann ein Refraktometer für Zuckerlösungen auch für Alkohollösungen verwenden. Und andersherum. Man braucht nur Tabellen oder Rechner, die die Messwerte umrechnen können. Wir haben dafür diesen hier: Zucker ↔ Brechungsindex ↔ Alkohol
Die Temperaturkorrektur von Refraktometermessungen
Die "ATC" (automatic tempeature compensation) in den günstigen Handrefraktometern funktioniert über einen Bimetallstreifen. Je nach Temperatur wird er gekrümmt und dadurch die Skala verschoben:
Da die Temperaturabhängigkeit des Brechungsindex für jeden Stoff anders ist, muss in das Handrefraktometer der für den Stoff passende Bimatallstreifen eingebaut sein. Da diese Funktion nicht abschaltbar ist, ist es also doch nicht ganz so, daß man ein Zucker-Handrefraktometer auch für Alkohol nehmen könnte. Dies funktioniert nur bei der Eichtemperatur von 20°C.
Die Temperaturkompensation durch einen Bimetallstreifen ist mehr oder weniger linear. Beziehungsweise linear zur Skalenlänge. Das bedeutet, es kann nur gut funktionieren, wenn sich der Brechungsindex auch je nach Temperatur und je nach Alkohol- oder Zuckerkonzentration genauso linear verhält. Und das wäre natürlich ein netter Zufall, wenn es so wäre. Bei Alkohollösungen aber ist die Skala ja selber überhaupt nicht linear. Und bei Alkoholstärken oberhalb des Wendepunktes korrigiert der Bimetallstreifen sogar in die falsche Richtung. Diese automatische Temperaturkompensation ist zumindest bei Alkohollösungen also sehr mangelhaft. Besser ist daher für Alkohol ein Handrefraktometer ohne Temperaturkompensation.
Hier sind unsere Rechner zur Temperaturkorrektur:
Refraktometer Temperaturkorrektur - Zuckerlösungen
Refraktometer Temperaturkorrektur - Alkohollösungen
Die Justierung von Refraktometern
Refraktometer können nur an einem Punkt justiert werden. Normalerweise nimmt man den Wert bei Wasser mit 20°C. Dafür haben wir den Rechner Refraktometer Justierung. Das bedeutet, je weiter man von diesem Punkt entfernt ist, desto unsicherer ist die Messung. Und leider sind auch teure Refraktometer nicht besonders genau. Refraktometer haben Vorteile:
- Wenig Flüssigkeit wird benötigt.
- Die Messung geht schnell.
- Die Laborgeräte haben eine eingebaute Temperaturregelung. - Manche Refraktometer können sogar kontinuierlich messen. Also es wird direkt der sich ändernde Brechungsindex einer Flüssigkeit gemessen.
Es lassen sich also sehr schnell die Indexe bei verschiedenen Temperaturen messen.
Aber allgemein ist die Genauigkeit niedriger als mit guten Spindeln oder anderen Messinstrumenten für die Dichte, wie Pyknometer.
Welche Refraktometer sind also für uns geeignet?
Im Endeffekt keine. Die Handgeräte haben zu viele Schwächen und die Laborgeräte sind für ihre nur mittelmäßige Genauigkeit zu teuer. Vor allem höherprozentige Alkohollösungen sollte man nicht mit Refraktometern messen. Also das Verdünnen auf Trinkstärke und Messungen im Bereich des Mittellaufendes, dafür sind Refraktometer ungeeignet.
Der Grund, warum wir trotzdem so viele Berechnungsmöglichkeiten für Refraktometer gemacht haben, ist, weil wir uns einfach mehr davon versprochen haben. Wir hatten zwar alte, aber eigentlich sehr gute Refraktometer gekauft und sie repariert. Diese alten, häufig gebauten Modelle von Zeiss Jena bekommt man je nach Zustand relativ günstig, sie müssen aber normalerweise komplett auseinandergebaut werden, gereinigt werden und oft muss auch ein Zahnrad ersetzt werden: