葡萄酒線上糖度儀

引言

葡萄酒的兩個重要參數是酒精度和糖度。這兩個參數傳統的測量方法是取樣測量,酒精度的測量常用的是取樣蒸餾法,即將樣品中的酒精蒸餾出來後,用酒精計測量。糖度的測量方法很多,適合於檢測糖溶液的方法有旋光儀法,即將一束偏振光通過糖溶液,根據偏振面轉過的角度確定含糖量;另一種方法是將葡萄酒蒸餾出來的樣品用阿貝折射儀,根據糖濃度與折射率的關係測定糖度。

隨著設備自動化水平越來越高，線上折光儀在食品、飲料、生物、製藥、化工、石化、紡織等行業廣泛的套用。例如在生產果汁時需要生產出來的果汁為一個固定的的糖度（濃度），傳統的做法是人工頻繁的測量果汁的濃度或者使用密度儀來測量果汁的濃度，如果濃度合格則開始殺菌、灌裝。但這兩種方法都存在一定的缺陷，人工測量因為它是間隔測量很難保證所有產品濃度在合理的濃度範圍內；而密度儀儘管可以連續的測量出濃度，但密度儀的工作原理決定其測量結果在有些環境下不是很準確。密度儀的工作原理是連續的取固定體積的液體稱量其重量得出密度，因為密度與濃度成一定的函式關係，從而得出液體的濃度，但是當測量物質中含有氣泡、懸浮物、和結晶物質時，則密度儀得出的密度值和液體本身的密度會不一致。折光濃度儀是根據光線在液體中的全反射和折射這種物理現象測量液體的濃度。

原理

當一束光穿過一個媒介（空氣），進入另一個媒介（溶液），每個媒介都具有不同的折射率。這時，光不可能按照直線行走，而是在兩個媒介的分界面發生偏轉。偏轉的角度與媒介溶液的折射率nD存在著一定的函式關係。光線穿過媒介（空氣）射入分界面的角度，叫做“入射角”。其為光線與垂直於分界面平面之軸線所形成的夾角。如果我們構想有具有不同入射角的一系列光線，我們便會注意到，當我們從光源1開始，依次逐步改變到光源2、光源3、光源4等等的時候，我們總是會遇到這樣一種狀況，即入射光線不能進入媒介“B”（即產品），而是發生偏轉，變成與測量稜鏡的表面相互平行（光線3’）。發生這種現象時的入射角，叫做“臨界角”。它是兩種媒介空氣（測量稜鏡）和溶液（產品）的特性。

其數值可以利用下面的公式進行計算：其中=臨界角在此基礎上繼續減小入射角，使之超越臨界角，此時光線(1,2,3)在到達媒介“B”的時候，被反射回來，仿佛媒介“B”變成了一面鏡子。入射光線的偏轉不再遵循折射的規律，相反卻是遵循反射的規律。這就意味著，此時反射角與入射角完全相等。

公式

如果具有不同入射角的一束光線到達“A/B”（稜鏡/產品）分界面，我們就可以觀察到：那些入射角小於臨界角的光線，將會發生折射，並進入媒介“B”，而那些入射角大於臨界角的光線，將會發生反射，返回媒介“A”中，而臨界角的大小，是由媒介“A”和“B”決定的。
因此，這種現象可以用於測定這些媒介中某一種的折射率。如果我們認為媒介“A”（測量稜鏡）的nD是已知常數，並且我們改變媒介“B”（即需要分析的產品）的濃度，就有可能通過簡單地測量第一次發生反射時的臨界角（即反射光線3，與無窮接近的入射光線3和3’相關聯），然後便可以通過計算求得產品在任何濃度下的反射率。

原理圖

對照前面給出的公式，如果“A”（稜鏡）的nD是一個常數，我們就可以確定A=K，於是：通過測量臨界角，我們就可以求得有待分析的產品的反射率，即“B”的nD。
在E-Scan數字折光儀中，採用一個經過精心挑選的電子元件LED（發光二極體），由它發生一束光線。由於使用了專門的光學系統，這束光線通過測量稜鏡，並在那裡和有待分析的產品發生接觸。
稜鏡與液體之間的分界面，就是發生折射現象的部位。這束光線分成兩部分：一部分折射進入樣品之中，發生散射，並被產品吸收。這束光的另一部分在產品表面發生反射，仿佛產品表面起到鏡子的作用，遵循了前面提到的規律。接著，這部分光線落在儀器內部的光學成像檢測感測器（即CCD）之上。對這束光按照上述說明在該點產生的成像進行分析，我們就可以觀察到這束光分成二部分，一部分是明亮的，而另一部分實際上是黑暗的。光亮與陰影之間分割線的部位，與產品的反射率成正比。使用光學CCD感測器，可以對這條分割線的部位實現非常精確的測量，因為這種CCD感測器是由一系列3648個成像感測器（即像素）組成的，它們的相互間距僅為14微米，由明暗的分界面可以得出反射率。然後根據ICMUMSA標準（反射率換算糖度brix標準）可以得出產品濃度。E-Scan自帶PT100可以測量出產品的溫度，因為產品的濃度是隨溫度變化而變化的，它的CPU內置了ICMUMSA標準和溫度補償曲線，使得不論在任何濃度和溫度時測量的濃度值是準確的。並且將溫度值和濃度值在LED顯示屏上顯示出來，其中濃度值能以模擬量的形式輸出至控制系統，當濃度合格時開始殺菌、灌裝。這樣既提高了生產質量、又提高了生產速度。
由它的測量原理可以看出它的測量僅和透鏡處的液體有關，即使產品中含有氣泡、懸浮物、結晶物時，也不會對其測量結果帶來影響的。所以它特別適合在高稠度、高粘度、有大量懸浮物、或結晶物的液體測量中使用，例如：葡萄酒、番茄醬、明膠、果凍、混合果汁等。

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