Fichas Técnicas: Refractómetros
Utilizando
la
Luz para Medir la Concentración
Principios
de
Operación y Aplicaciones de los Refractómetros Análogos
Los Refractómetros son
reconocidos mundialmente por su sencillez y precisión. Con
sólo unas cuantas gotas de una muestra líquida, cualquier
usuario puede medir la concentración de un sólido disuelto
fácilmente. Esta facilidad de operación aumenta tanto la
eficiencia como la productividad, y su versatilidad los ha
proporcionado un nicho sólido en una gran variedad de
mercados.
El Principio
de la Refracción
La introducción de la luz
en un líquido (Fig.1) es un fenómeno conocido como
refracción. Entre más concentrada una solución con sólidos
disueltos, más cambiará de dirección la luz (Fig. 2). Un
refractómetro mide el grado de cambio de dirección de la
luz, conocido como el ángulo de refracción. Se ha
establecido un índice para cada uno de estos ángulos de
refracción, y se puede utilizar este "índice de refracción"
(nD) para identificar o evaluar una muestra de líquido dada.
Principios de
Operación
Básicamente, los
refractómetros análogos consisten en un prisma principal y
una placa de luz diurna montados en el extremo de un
cilindro. Se extiende la muestra líquida en forma uniforme
por el prisma principal y se cierra la placa de luz diurna
encima de la muestra. Cuando la luz pasa por la placa de luz
diurna, toca la muestra y cambia su dirección antes de pasar
por el prisma. Después, el prisma dirige esta luz
reorientada hacia el interior del cilindro en donde pasa por
una lente primaria, la escala, y finalmente por una lente
secundaria enfocable.
Índice de
Refracción, Aplicaciones y Escalas Convertidas
Los refractómetros miden el
índice de refracción de una muestra líquida. Existen tres
variables que influyen en el índice de refracción de una
solución - composición química, concentración y temperatura.
Si se pueden fijar dos de las tres variables, entonces se
puede determinar la tercera por medio del uso de un
refractómetro. Existen algunas aplicaciones que implican el
uso de refractómetros análogos para verificar la composición
química y, por ende, identificar soluciones. La mayoría de
estas aplicaciones se encuentran en las plantas de
producción en donde un operador sabe lo que una solución
dada debe medir, y se aprovechan refractómetros para
verificar si las etiquetas son correctas y que no existan
substituciones. Básicamente, nunca se utilizan los
refractómetros para determinar la temperatura.
La aplicación más común de
los refractómetros es la de determinar la concentración de
los sólidos disueltos en una solución. En una solución dada
que contiene un solo sólido disuelto o en la cual solamente
un sólido cambia de concentración (es decir, todos los demás
sólidos son constantes), el índice de refracción cambiará en
conjunto con la concentración de dicho sólido disuelto. Por
lo tanto, todos los aumentos en concentración harán que el
índice de refracción se incremente. Una vez que se conozca
la composición química de la solución, se puede derivar una
escala que convertirá el índice de refracción en la
concentración de la solución.
Por ejemplo, la escala "Brix"
mide la concentración de la Sucrosa (azúcar) en el agua. Una
solución de sucrosa al 5% equivale a una lectura de índice
de refracción de 1.3403. Por cada % de Brix existe un índice
de refracción equivalente. Entonces, al trabajar con una
solución de sucrosa (conocida), un refractómetro puede
determinar el índice de refracción que se puede convertir en
un valor de Brix.
Para que la conversión sea
práctica, los fabricantes de refractómetros imprimen escalas
distintas al índice de refracción en la escala montada en el
interior del refractómetro. Esto le permite al usuario tomar
una lectura directa sin necesidad de una tabla de
conversión. La más común de las "escalas convertidas" es la
mencionada escala Brix. Otras escalas convertidas comunes
incluyen: Salinidad, Proteína de Suero, Gravedad Específica
de la Orina, Puntos de Congelación de Enfriadores, entre
otras.
Si hay más de un sólido
variable en una solución, no se puede utilizar un
refractómetro para determinar la concentración de una de las
variables. Mientras sí pueden producir el índice de
refracción neto, no pueden aislar un sólido variable de
entre varios.
Métodos y
Aplicaciones de los Refractómetros Análogos
Como se mencionó
anteriormente, el uso más común de los refractómetros
análogos es para determinar los sólidos disueltos. Por lo
tanto, parece que únicamente se utilizan con soluciones
puras o soluciones con tablas de conversión, pero en
realidad se utilizan para una gran variedad de soluciones.
Cualquier método o aplicación caerá dentro de una de las
siguientes cuatro categorías:
Estandarización Industrial
Los fruticultores necesitan
saber la cantidad de azúcar contenida en sus productos
mientras se encuentran éstos en la vid para ayudar a regular
la cosecha. El jugo de frutas contiene algunos otros sólidos
aparte del azúcar, entonces técnicamente la lectura de Brix
no debe interpretarse como la concentración de azúcar (los
demás sólidos afectarán al índice de refracción y alterarán
la lectura de Brix un poco). Los fruticultores pueden
utilizar los refractómetros porque conforman un instrumento
estándar del cual dependen todos los productores y
compradores de frutas. De hecho, muchas veces se utiliza el
valor de Brix medido por un refractómetro para fijar los
precios. En una industria en que el Brix al 0.1% puede
significar la diferencia entre decenas de miles de dólares,
el refractómetro es de suma importancia.
Concentraciones Relativas
A menudo se utilizan los
refractómetros para determinar si la concentración es
relativa a lo correcto (no necesariamente la concentración
exacta). Por ejemplo, un procesador de alimentos tiene una
muestra con muchos sólidos tanto agregados como naturales y
necesita saber cuánto azúcar habrá que agregar a la mezcla
final. Se puede tomar una lectura de ensayo de una muestra
que se sabe tiene el nivel perfecto de azúcar. Basándose en
esta lectura, el procesador de alimentos puede agregar
azúcar al lote actual hasta que la lectura sea igual a la
del lote de referencia.
Lecturas
Aproximadas
Los refractómetros son
excelentes para los usuarios que requieren de un valor
aproximado de sólidos disueltos. Los refractómetros análogos
no funcionan muy bien con los líquidos en aceites no
disueltos. La demarcación entre ambos campos tiende a ser
imprecisa y por ende difícil de leer con exactitud. Sin
embargo, normalmente se venden a compradores de productos
lácteos en México quienes necesitan comprobar que la leche
que compran de los agricultores locales no haya sido
diluida. Mientras la lectura esté cerca de 11% Brix, saben
que la muestra no ha sido adulterada. (Los refractómetros
digitales funcionan muy bien con todo tipo de aceites.)
Tablas de
Conversión
Un mercado importante para
los refractómetros es la industria de mecanización en donde
se utilizan tanto lubricantes como enfriadores para
disminuir la fricción y el calor durante el proceso de corte
y de molido. Por lo general, los lubricantes y los
enfriadores son aceites solubles en agua que se venden en
forma concentrada y se diluyen justo antes de usarse.
Típicamente, el proceso de dilución se controla mediante un
refractómetro análogo de Brix.
Aunque los valores que se
leen directamente de la escala no significan nada en
términos de concentración de un lubricante, es fácil
elaborar una tabla de conversión para proporcionarle al
usuario puntos de referencia para realizar la determinación
correcta. Muchas veces el usuario deberá diluir a una
solución al 6% para una aplicación y a 9% para otra. Si el
usuario desea utilizar un refractómetro, puede preparar cada
solución por volumen y después utilizar las muestras para
presentar los valores convertidos en la escala Brix (la
mayoría de los productores de lubricantes ya ha
estandarizado con refractómetros, entonces el proceso es aun
menos complicado). La información proporcionada con el
lubricante indicará que una solución de lubricante al 5%
indicará 2.3% Brix y una solución de lubricante al 9%
indicará 4% Brix. Al eliminar el proceso de dilución por
volumen del proceso, los gerentes de producción podrán
confiarle hasta al trabajador más inexperto la tarea crítica
de diluir los lubricantes correctamente.
Hechos y Mitos
de la Compensación Automática de Temperatura
con los Refractómetros Análogos
Como se explicó antes, el
índice de refracción está sujeto a la temperatura. La
mayoría de los fabricantes de refractómetros análogos ofrece
una selección de refractómetros que cuentan con un
compensador automático de temperatura (ATC) tipo bimetal. Es
solamente una tira bimetal que hace deslizar la escala hacia
arriba o hacia abajo sobre la base de los cambios de
temperatura de calibración. Los refractómetros ATC tienden a
ser menos precisos que una unidad sin ATC bien calibrada. El
tenener ATC presenta una ventaja solamente cuando la
temperatura ambiente del entorno de trabajo está sujeta a
cambios bruscos y la calibración no es práctica. En la
mayoría de los casos, la mejor solución es utilizar un
refractómetro sin ATC y recalibrar cuando la temperatura
ambiente haya cambiado más de 3ºC. La recalibración es un
proceso sencillo y realmente vale la pena la precisión
adicional.
Aplicaciones y
Usuarios Típicos
Fruticultores
Esencialmente, cualquier
tipo de fruta que se madura en la vid necesita cosecharse
con una ventana de desarrollo estrecha. Normalmente, la
madurez o el contenido de azúcar es el factor más importante
y debe probarse antes de la cosecha. Por lo general, los
fruticultores llevan un refractómetro análogo a la huerta en
donde pizcan una muestra de la fruta y exprimen el jugo
directamente al prisma del refractómetro. Esto les
proporciona un método consistente para medir el desarrollo
de su producto y ayuda a prevenir errores costosos. Nota: A
menudo, los compradores de fruta basan el precio que están
dispuestos a pagar en el contenido de Brix de la fruta
cosechada. Teniendo en cuenta que muchas veces un solo
comprador adquiere toda la cosecha, el 0.1% Brix importa
mucho con respecto al valor total en dólares de la cosecha.
Procesadores y
Empacadores de Alimentos
Los fabricantes y
empacadores de todo tipo de alimentos, desde mermeladas de
frutas hasta pepinillos, pueden utilizar los refractómetros
para controlar la consistencia de los productos de alimentos
líquidos. Los refractómetros análogos se emplean por lo
general tanto en los laboratorios de control de calidad como
en la línea de producción y representan un instrumento
inestimable para el control rápido y preciso de errores. En
una industria en la que un solo lote vale miles de dólares,
estos pequeños instrumentos pueden ser increíblemente
esenciales.
Productores y
Embotelladores de Bebidas
Una de las aplicaciones más
grandes y más apropiadas del refractómetro es en el proceso
de control de calidad de los productores y embotelladores de
bebidas. Desde refrescos hasta vinos de mesa, se emplean los
refractómetros durante todo el proceso para monitorear el
nivel de sólidos disueltos en la solución.
Agricultura
La agricultura biológica,
un derivado de la agricultura orgánica, utiliza muy pocos
aditivos para enriquecer el suelo, sin pesticidas o aditivos
inorgánicos. Hace varios años, se descubrió que ciertos
aditivos orgánicos elevarían la lectura de Brix del jugo de
las cosechas como el maíz. Al mantener estas lecturas de
Brix arriba de cierto nivel, los jugos de las plantas
funcionaban como una pesticida natural.
Cortar y Moler
Todos los fabricantes y
maquinistas dependen de lubricantes y enfriadores para
reducir tanto la fricción como el calor durante el proceso
de corte y molido. Normalmente se venden dichos lubricantes
en forma concentrada que se diluyen en agua. Este proceso de
dilución es crítico y exige mucho tiempo. Un lote incorrecto
puede producir la destrucción del trabajo o daños a máquinas
que costarían miles de dólares. Sin embargo, la dilución de
lotes grandes por volumen puede exigir mucho tiempo y ser
trabajoso. Los refractómetros proporcionan la solución ideal
al permitirle al usuario producir lotes grandes por
aproximación y después verificar la concentración con
exactitud para hacer la dilución más precisa.
Bomberos
Todos los departamentos de
bomberos cuentan con espuma resistente al fuego. La espuma
debe ser diluida correctamente para asegurar la efectividad
de la misma. Normalmente se emplean refractómetros para el
proceso de dilución y para verificar la calidad y los lotes
premezclados.
Piscicultura
Un
mercado importante para
los refractómetros es el de la piscicultura en donde se
utilizan para hacer una verificación rápida de la salinidad
de los tanques, los estanques y las instalaciones de
almacenaje. Eliminan la necesidad de los hidrómetros
complicados y frágiles. Como toda la cosecha está sujeta al
mismo ambiente acuático, los piscicultores no pueden tomar
riesgos con los niveles de salinidad tan críticos.
Otras
Aplicaciones Industriales
Un
sinnúmero de fábricas y
productores emplean los refractómetros para comprobar la
concentración de sólidos disueltos en diversas cantidades de
líquidos industriales. Por medio de una escala de
conversión, los refractómetros les proporcionan flexibilidad
para obtener al instante la información que necesitan. |
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