Årgang Tidsskrift for Norges Birøkterlag. Birøkteren. Refratometeret av Arne Hagen

Transkript

1 Årgang Tidsskrift for Norges Birøkterlag Birøkteren Refratometeret av Arne Hagen Særtrykk fra Birøkteren 2003

2 Refraktometeret I Et absolutt nødvendig, om enn ikke tilstrekkelig kvalitetskriterium for honning er at vanninnholdet befinner seg under faregrensen for gjæring. Temaet blir naturlig nok aldri uaktuelt. Det siste halvåret har jeg holdt et par prekener om måling av vanninnhold i honning og er nå blitt bedt om å få ned noe om emnet på trykk. Så har skjedd før, men denne gangen har jeg tenkt å gå litt grundigere til verks. Bruk av refraktometer er den eneste praktisk anvendbare og sikre metoden til bestemmelse av vannmengden i honning. I løpet av noen artikler vil vi ta for oss litt om teorien bak refraktometeret, hvordan det er konstruert og så dets praktiske anvendelse. Noen vil sikkert finne framstillingen lite matnyttig innledningsvis, men hold ut. Gode råd, tips, hvordan unngå brølere etc. kommer etter hvert. Refraktometeret baserer seg, som vi kan få mistanke om på det optiske fenomenet som kalles refraksjon, eller lysbrytning til daglig. Dette opptrer når lys passerer gjennom substanser som har det vi med et gammelt uttrykk benevner forskjellig optisk tetthet. Det klassiske eksempelet fra skolestua er blyanten som stikkes i et glass vann og som tilsynelatende får en knekk. Nærmer vi oss birøkten forsiktig, vil de fleste ha lagt merke til de dekorative årene eller strømningene når vi løser opp sukker i fôrdunken. Noen har også sikkert lagt merke til det samme under oppvarming av vannet før de har i sukker. Dette er lærerike observasjoner. Vi har her beskuet væsker med varierende refraksjon. Hvorfor? Jo, - i det første tilfellet må det komme av at vi har vann/sukkerløsninger av forskjellige konsentrasjoner. I det andre tilfellet er det reint vann, men med forskjellig temperatur rundt omkring. Refraksjonen i væsker må være temperaturavhengig. Det er verd å vite. For å avmystifisere og etter hvert bli dus med refraktometeret, skal vi ta en titt på Fig. 1. Noen vil også ha møtt noe lignende på skolebenken. Den forestiller et stykke optisk plant glass som her grenser til et mindre optisk tett medium. Et slikt medium kan være luft, vann eller like greit honning. Linjen LO står loddrett på glassflata og kalles innfallsloddet. Lysstråler med denne retningen passerer rett igjennom glasset uten å brytes, LQ. Lys som kommer på skrå som SO på figuren med innfallsvinkel a, vil i glasset brytes mot innfallsloddet som OT med brytningsvinkel b. For ett og samme medium vil enhver innfallsvinkel resultere i en helt bestemt tilsvarende brytningsvinkel, og forholdet mellom dem er hele tida konstant. Oppdagelsen ble gjort av den smarte nederlenderen Snell i Dette forholdet er den såkalte relative brytningsindeksen mellom mediet og glasset. Godta så at sinus (sin) er et mål for vinklers Fig1: Geometrisk framstilling av lys som passerer inn i et stykke optisk plant glass fra et mindre optisk tett medium. Reflektert lys er ikke tatt med. Se ellers teksten. størrelse, og vi får da sin a: sin b = nab Hvis mediet er vacuum, eller for omtrent all praktisk nøyaktighet tørr luft, vil dette tallforholdet være hva vi kaller glassets (absolutte) brytningsindeks. Øker vi innfallsvinkelen for lyset, vil også brytningsvinkelen b øke, men som vi ser av figuren, kan ikke innfallsvinkelen være større enn 90º representert ved den grovtrukne strålen som brytes OG. Dette er grensestrålen med grensevinkelen g. Det er den som danner grunnlaget for den praktiske utformingen av refraktometeret med sitt glassprisme med kjent brytningsindeks. Her har vi betraktet lysets oppførsel etter klassisk, geometrisk optikk. Ser vi litt mer moderne på det, kommer vi til samme resultat hvis vi måler lysets hastighet i forskjellige medier. Brytningsindeksen er faktisk definert som forholdet mellom lysets hastighet i vakuum og lysets hastighet i det aktuelle medium. Nå kjenner vi brytningsindeksen for honning med forskjellig vanninnhold og kan dermed vite at for eksempel med 20% vann og ved 20 ºC er lyshastigheten omtrent km per sekund, mens den ved 19% er km per sekund. Greier du den med tommestokk og stoppeklokke? Neppe. Refraktometer er kjekt å ha. Følg med! 2 Særtrykk fra Birøkteren 2003

3 Refraktometeret II Fig. 2. Lysets gang i et håndrefraktometerprisme. Nærmere forklaring i teksten. I "Refraktometeret I" som sto i Birøkteren i april, studerte vi hva som skjer med lys som passerer inn i et stykke plant glass. Vi endte opp med at grensestrålen med tilhørende grensevinkel danner grunnlaget for refraktometeret. Glassets brytningsindeks kan vi få greie på, og hadde vi vært i stand til å måle grensevinkelen direkte, kunne vi brukt glassbiten som refraktometer. Det viser seg å være umulig, men nå skal vi se hvordan vi ved å forandre litt på glassets fasong indirekte kan få et mål for den, og dermed konstruere oss et praktisk anvendbart måleinstrument. Det prismet vi finner i et håndrefraktometer, er et rettvinklet prisme. Flatene som danner den rette vinkelen, og som ikke synes utapå, er prismets kateter. Den flata vi ser, og som vi smører honningen på, er hypotenusen. Se Fig. 2. For å sammenholde denne figuren med Fig. 1 i forrige artikkel, er innfallsloddet på hypotenusen (prismeflata) tegnet inn. Videre har vi lagt på et skikt honning som på figuren er sterkt overdrevet i tykkelse. Vi skal nå se hva som skjer med lys som vi sender gjennom honningskiktet og inn i prismet. Av pedagogiske grunner velger vi først lys med en helt spesiell retning, nemlig strålen I-I på figuren. Den passerer gjennom honningen og inn i det optisk tettere glasset og brytes følgelig mot innfallsloddet. Etter å ha gått gjennom glasset, treffer den prismets endekatet i nitti graders vinkel. Det vil si at den følger innfallsloddet og passerer ut av prismet uten å brytes, som antydet på figuren. Lys med andre retninger, for eksempel A-A og B-B vil treffe prismekateten under skrå vinkler og vil brytes fra innfallsloddet når det går ut i den mindre optisk tette lufta bak prismet. Som vi har vært inne på tidligere, kan ikke lyset som passerer fra honningen og inn i prismet ha større innfallsvinkel enn 90º. Dette lyset og dets mulige skjebne er skissert med de grovtrukne linjene G-G. Det brytes i prismet under grensevinkelen, treffer prismekateten, og ved overgang til luft brytes det fra innfallsloddet under vinkelen b. Intet lys slipper ut av prismet under større vinkel med innfallsloddet enn b. Vi har tegnet opp flere G-linjer for å illustrere at lys med de antydede retninger slipper ut av hele prismeflata. Kanskje begynner vi nå å ane hvorfor vi ser et lyst og et mørkt felt når vi titter inn i et refraktometer. Det er en matematisk, ufravikelig sammenheng mellom prismets brytningsindeks ng, vinkelen a, honningens brytningsindeks nh og vinkelen b. Kjenner vi tre av disse størrelsene, er dermed den fjerde gitt. I vårt tilfelle er prismets egenskaper bestemt en gang for alle. Det er nå mulig å bestemme vinkelen b med prismets katet eller med innfallsloddet som basis. Da er honningens brytningsindeks, og dermed dens vanninnhold kjent. Neste gang ser vi på resten av refraktometerets anatomi og hvordan vi i praksis tar hånd om lys og mørke for å bestemme vinkelen b. Særtrykk fra Birøkteren

4 Refraktometeret III Fig.3. Loddrett lengdesnitt som noe forenklet og skjematisk viser et håndrefraktometers indre anatomi. Mer i teksten. Sist kom vi så langt at vi sto med et måleprisme der det kom lys ut av prismets katetflate inntil en viss vinkel, b. Vi er blitt enige om at denne vinkelen er et uttrykk for måle substansens brytningsindeks, eller om dere vil, for honningens vanninnhold. Nå skal vi se hvordan vi kobler prismet sammen med litt mer optikk for greit å kunne avlese vår b. Figur 3 viser et loddrett lengdesnitt gjennom et litt forenklet og skjematisk håndrefraktometer. Til venstre kjenner vi igjen prismet, og til høyre har vi en anordning vi kan kalle kikkert. Lyset fra prismet passerer gjennom objektivet som danner et bilde i et plan bak dette. I dette planet plasserer vi refraktometerets avlesningsskala. Helt til høyre har vi okularet. Bildet som objektivet danner av lyset som kommer fra prismet er som mange vet, temmelig enkelt. Det består av en nedre, lys del som horisontalt, og forhåpentligvis skarpt, er atskilt fra en øvre, mørk del. Skarpstiller vi nå okularet, som rett og slett er en lupe, på avlesningsskalaen, vil vi se både grensen mellom feltene og skalaen skarpt samtidig. Avlesningsskyggens beliggenhet er et indirekte mål for vinkelen b. Nå er det jo ikke vinkelen som sådan vi er interessert i, men en eller annen egenskap ved målesubstansen som gir en slik vinkel. Derfor kan skalaen angi for eksempel brytningsindeks, en kjølevæskes frysepunkt eller som i vårt tilfelle en vannløsnings sukkprosent eller vannprosent etter BRIX. På Fig. 3 er det tegnet inn noen justeringsskruer. På refraktometre av typen ATA- GO, dets piratkopier og på mange andre fabrikater, finner vi en justeringsskrue for objektivet. Det er fjærbelastet, og slakkes eller strammes skruen, vil objektivet komme en smule over eller under instrumentets optiske akse. Det medfører at avlesningsskyggen forflyttes litt på skalaen og kan plasseres i korrekt posisjon. Andre typer kan ha to justeringsskruer for avlesningsskalaen. Den ene løsnes, og den andre strammes tilsvarende. Da forskyves skalaen i forhold til skyggen, og effekten blir den samme. Instrumentene bør være riktig justert av produsenten, men det har av og til vist seg klokt å undersøke dette. Justering kan bare gjøres hvis en har et korrekt instrument å sammenligne med, eller en har justeringsvæske eller justeringsplate,- et lite stykke glass med meget nøyaktig bestemt brytningsindeks. Noen har kanskje fått medsendt ei flaske eller en glassbit der det er risset inn 78,5. Mer om dette seinere. Håndrefraktometere med sin konstruksjon har av optiske grunner en begrenset spennvidde. Dette kommer av at det er en grense for hvor store forandringer i den meget omtalte vinkel b ett og samme instrument kan håndtere. Vi ser for eksempel at de refraktomterene som er mest aktuelle for oss har en BRIX-skala fra 58 til 92%. Skal vi lenger ned, må vi skaffe oss et annet instrument. Da vil vi se at prismevinkelen a (Fig. 2 i forrige artikkel) er en annen, og b kan igjen oppfanges av optikken. Vi nærmer oss de praktiske realiteter. Mer om en måneds tid Ṗ.S. Figur 2 i mainummeret er blitt flatklemt i reproduksjonen. Derfor står linjen L-O-Q skeivt på prismeflata. Den beskriver innfallsloddet og skal selvfølgelig stå vinkelrett på. Datateknikk kan være skummel. 4 Særtrykk fra Birøkteren 2003

5 Refraktometeret Praktisk bruk I Sist avsluttet vi med å si at vi nærmer oss de praktiske realiteter. Når dette kommer på trykk i begynnelsen av juli skal sommerhonningen snart høstes. Det blir tvingende nødvendig å vite hvordan vi bruker dette instrumentet som dere nå kjenner teorien bak og anatomien til. Her kommer en veiledning som i grove trekk skal lose dere gjennom bruken av refraktometeret. Prøveuttak. Honning som skal måles må være flytende og uten krystaller. Nyslynget honning eller honning tatt rett fra cellene kan derfor måles direkte. Pass på at det følger med minst mulig voks. Krystallinsk honning må smeltes. Bruk et lite glass med tettsluttende lokk. Fyll det trekvart opp med honning, dra lokket godt til og sett det i vannbad eller i varmeskap ved femti til seksti grader. Offisiell analyseprosedyre forlanger 50 ºC. Etter at alle krystaller er borte, avkjøles prøven til romtemperatur. Måling og avlesning. Når prøven er avkjølt, røres honningen slik at den blir homogen. Bruk et redskap som ikke kan ripe glasset, og overfør en passende mengde honning til prismet. Prismet skal akkurat dekkes helt etter at prismeklaffen er trykt på plass. Rett refraktometeret mot lyset. Da ser du forhåpentligvis en skarp avlesningsskygge, og du kan lese av uten problemer. Noen honninger kan gi en overgangssone på noen tiendedeler, og da skal du lese av der skyggen blir helt mørk. Ute blant dere er det instrumenter med ulike avlesningsskalaer. Her er en oppsummering: 1) Det er én skala, enten "BRIX" eller "HONEY". Det er da bare én avlesningsmulighet, og er instrumentet kjøpt hos HC, skal honningskalaen være BRIX-justert. 2) Det er både "BRIX" og "HONEY". Da skal BRIX-skalaen brukes. 3) Det er tre skalaer, "BAUMÉ", "BRIX" og "HONEY". BRIX-skalaen skal brukes. Der det bare er honningskala, avleser du vannprosenten direkte, justert etter BRIX. Der det avleses på BRIX-skala er det tørrstoffprosenten som avleses, og vannprosenten er følgelig lik 100 minus avlest verdi. Står avlesningsskyggen på 80,2 er altså vannprosenten 19,8. Temperatur. Som vi har vært inne på tidligere, varierer brytningsindeksen for en væske med temperaturen. Refraktometerene er kalibrert for 20 ºC. Holder honning og refraktometer den temperaturen, leser vi av riktig vannprosent. Vi kan imidlertid avlese ved andre temperaturer bare vi vet ved hvilken. Da kan vi korrigere for temperaturavviket. Det er viktig at instrument og honning har samme temperatur. Skal vi foreta målinger i et varmt slyngerom, skal vi la refraktometeret ligge der til det når rommets temperatur. Tar vi et refraktometer som holder 15 grader inn i et slyngerom som holder 28 og legger på en prøve, vet vi ikke ved hvilken temperatur vi måler Temperaturavhengigheten er bare i liten grad avhengig av sukkerløsningens styrke. I tabellen er korreksjoner for løsning med 20% vann som er brukbar enten honningen skulle ha 15 eller 25 prosent vann (ICUM- SA, 1974). Står du for eksempel i ditt slyngerom og svetter ved 28 grader og måler honning til 21,0%, ser du fra tabellen at dette er 0,6(1) prosent for mye. Korrigert prosent blir 20,4. Har du ikke tabellen for hånden, kan du lage deg et par huskeregler: For hver grad måler du en snau tiendedelsprosent feil. I hvilken retning? Varm honning blir mer flytende: For mye vann, trekk fra. Reingjøring. Skal du foreta mange målinger på samme sted, for eksempel i ditt slyngerom på 28 grader, utstyrer du deg med en bolle med rikelig med vann, en liter eller to. Vannmengden gjør at du ikke trenger å skifte det ut så ofte. La vannet få romtemperaturen. Dernest trenger du en mjuk svamp, stor som en fyrstikkeske og garantert fri for smuss. Til slutt trengs mjukt, vannoppsugende papir av tørkerullkvalitet eller bedre. Mett svampen med vann. La vannet løse opp og fjerne honningen fra prismet uten at du gnikker. Prismeklaffen tåler litt røffere behandling. Når honningen er løst opp og fjernet, - det ser du ved refleksen fra prismet, tar du mangedobbelt papir, trykker det mot prismet og stryker vekk vannet i ett drag. På denne måten renser og tørker du prismet med et minimum av gnikking. Det kan forlenge instrumentets levetid med noen år. Optisk glass er ikke spesielt glasshardt. Et snes års omgang med brukte refraktometre har vist meg at brutal reingjøring av prismet er en vesentlig årsak til deres uførepensjonering. Vi fortsetter om et par måneders tid. Lykke til med sommerhonningmålinger, helst under 20,5%. Temp. ºC Legg til % 0,74 0, ,52 0,45 0,37 0,30 0,23 0,15 0,08 0 Temp. ºC Trekk fra % 0 0,08 0,15 0,23 0,30 0,38 0,46 0,53 0,61 0,69 0,77 Særtrykk fra Birøkteren

6 Refraktometeret praktisk bruk II Som ventet har det ikke kommet noen spørsmål eller annen form for respons på det som hittil er skrevet om refraktometeret. Derimot har jeg, også som ventet, fått ett og annet spørsmål som tyder på at det som skrives ikke leses. Det kan være nyttig å ta en titt i forrige nummer av Birøkteren når det gjelder praktisk bruk av refraktometeret. Her er et nytt forsøk på noen tips og forklaringer. ARNE HAGEN Uklar avlesningsskygge kan være en alvorlig og uhelbredelig defekt hos et refraktometer. Men ikke alltid. Et instrument der det ble opplyst at ikke en gang skalaen var lesbar, reparerte jeg på den måten at jeg ba eieren vri litt på okularet. Dette er banalt, men like fullt nødvendig. Instrumentet må fokuseres. Skarpstill på avlesningsskalaen. Da får du i de fleste tilfeller også en skarp avlesningsskygge. Det hender av og til, spesielt med svært mørke honninger, at skyggen blir uklar og farget selv om måleredskapen er perfekt. Prøv følgende: Skjær til en liten, rettvinklet bit av acrylplast ("plexiglass") med mål 8 x 20 mm, eller gjerne mindre, helt ned til 5 x 5. Planslip den ene (kort)enden med fint smergelpapir. Plasser en meget liten dråpe honning på prismet. Press plastbiten med den slipte enden framover ned på dråpen. Det må ikke tyte ut noe honning foran ved den slipte enden. Rett refraktometeret mot lyskilden slik at mesteparten av lyset kommer inn parallelt med prismeflata. Det kan godt være at du nå har en avlesningsskygge som er langt bedre enn den du fikk ved vanlig prosedyre. Denne plastbitmetoden er meget smart når vi har svært små prøvemengder til rådighet. For vårt vedkommende kan det være tilfelle når vi skal måle honning fra enkeltceller der det kan være vanskelig å få med så mye at det dekker hele prismeflata. Med en plastbit på 5 x 5 mm er det fullt mulig å måle sukkerinnholdet i nektar fra blomster eller den du kan få trekkbiene til å gulpe opp, men det vil kreve at du investerer i et refraktometer med lavere måleområde enn det du har nå. Når en arbeider med ørsmå prøvevolum, er det viktig å være litt raskere enn ellers da uttørking går fortere da enn ved større prøvemengder. Et stadig tilbakevendende spørsmål er dette med "Brix" kontra reell vannprosent i honning. Jeg tør nesten ikke gå inn på det. En klartenkt svenske skal en gang ha sagt: "Tänk inte. Det endast förvirrar." Det er fare for at utsagnet gjelder i dette tilfellet, men vi gjør et forsøk og håper at forklaringa er riktig. Honning består av vann + sukker + "noe". Dette "noe" (som vi vet en god del om, men som vi ikke går nærmere inn på her), finnes dels oppløst, dels uløst i honningen. Brix-skalaen viser oss bare hvor mange vektprosent vann (100 minus avlest) det finnes i vann/sukkerløsningen. La oss tenke oss at vi har en porsjon honning som består av 20 g vann, 80 g sukker pluss "noe". "Brix"gir da: (20 x 100%) : ( ) = 20%. Den fysisk riktige vannprosenten er imidlertid på grunn av dette "noe": (20 x 100%): ( "noe") = mindre enn 20%. Det er meget vanskelig og arbeidskrevende å bestemme den fysisk riktige vannprosenten i honning, men det er gjort og det avviket fra "Brix" som en treffer på er fra minus 1,3 til minus 1,7%. De som har refraktometer med både "Brix" og honningskala, kan observere differansen der. Men, nok en gang: Det er "Brix" som skal brukes. Honninger kan variere en god del i sammensetning og følgelig også mengden av dette "noe". Derfor vil heller ikke et honningkalibrert refraktometer vise den helt riktige, fysiske vannprosenten. Det er kanskje like greit å fortsette med "Brix". At begge skalaer brukes i honninglitteraturen, og at det ofte ikke oppgis hvilken som er benyttet, gjør at en bør være klar over dette når det er snakk om kvalitetskrav, gjæringsfare og lignende. I analyseforskriften til The European Honey Commission brukes det honningskala som gir et vanninnhold 1,4% lavere enn "Brix". 6 Særtrykk fra Birøkteren 2003