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[퀀티테이티브] 디플루이드 R2 검증

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quantitativecafe.com 운영자 마이클 쿠퍼는 캘거리 대학에서 물리학과 수학 학사학위를 받았으며, 석유 및 가스 분야에서 15년 동안 작업했습니다. 그는 커뮤니티와 협력을 통한 성장을 중요시하며, 독자들의 피드백을 기대하고 있습니다. 본 내용은 저자의 동의를 받아 번역되었습니다.
3줄 요약 : DiFluid R2 Extract는 설탕 용액의 굴절률을 대략 ±0.00005의 정확도로 측정한다. TDS 10%에서는 약 ±0.03% TDS의 정확도와 일치한다.

DiFluid R2 익스트랙트 검증

소개

얼마 전 DiFluid에서 R2 Extract 굴절계의 시제품 버전을 보내주었습니다. 그 후 이 굴절계는 생산에 들어갔고, DiFluid에서 친절하게도 생산 제품 중 하나를 보내주었습니다.
R2 Extract의 가장 마음에 드는 점 중 하나는 온도와 굴절률뿐만 아니라 일반적인 총 용존 고형물(TDS) 측정도 표시한다는 점입니다. DiFluid 담당자와 이야기한 결과, R2 Extract가 보고하는 굴절률이 nD20, 즉 나트륨 D 라인(589.3nm 파장)과 20°C에서 측정한 값의 추정치라는 것을 확인했습니다.
다음 게시물에서 이 굴절률 측정값을 사용할 예정이므로 참조 용액을 사용하여 확인하고 싶었습니다. 가장 쉽게 준비할 수 있는 표준 용액은 자당, 즉 정제된 식용 설탕 용액이기 때문에 이를 사용하기로 결정했습니다.
또한 한동안 인스턴트 커피를 사용하여 TDS 측정값을 검증해보고 싶었기 때문에 동시에 시도해보기로 했습니다.
항상 그렇듯이 원본 데이터와 분석은 GitHub에 업로드했습니다. 특히 이번 실험의 원본 데이터와 굴절률 측정에 대한 참고 자료 모음을 업로드했습니다.

건조 하기

기준 용액을 준비하기 위해 측정 된 양의 용질(설탕 또는 인스턴트 커피)을 증류수에 섞을 것입니다. 이러한 용액을 정확하게 측정하려면 용질에 수분이 없는지 확인해야 합니다.
시그마-알드리치 데이터시트에 따르면 자당은 최대 1%의 수분을 흡수할 수 있으며, 이 수분은 90°C로 가열하면 제거할 수 있다고 나와 있습니다. Dittmar 의 논문에 따르면 습도가 높은 조건에서 자당의 수분 함량이 1%를 초과할 수 있다고 지적합니다.
캐나다의 연방 규정은 응고 인스턴트 커피의 최대 수분 함량을 4.25%로 규정하고 있습니다.
따라서 각 용액을 두 개의 배치로 나누고 한 배치를 100°C의 오븐에서 24시간 동안 건조시켰습니다.

장비 및 재료

이 실험에는 다음과 같은 장비가 사용되었습니다:
0.01g 저울
0.001g 눈금
사전 제작 DiFluid R2 Extract 굴절계
생산용 DiFluid R2 Extract 굴절계
로저스 고운 백색 과립 설탕
맥스웰 하우스 오리지널 로스트 인스턴트 커피
사전 생산용 R2 Extract와 생산용 장치에서 제가 발견한 주요 차이점 중 하나는 측정에 사용되는 빛의 색입니다:
이 이미지에서는 왼쪽에 사전 제작 유닛이, 오른쪽에 생산 유닛이 표시되어 있습니다. 프리 프로덕션 유닛은 녹색 조명을 사용한 반면, 생산 유닛은 호박색 조명을 사용했습니다. 나트륨 D 라인의 색상과 정식 생산품과 색상이 비슷하기 때문에 이는 좋은 변화라고 생각합니다. 굴절률의 파장 의존성으로 인한 오류가 발생할 가능성이 적다는 의미라고 생각합니다.

실험 방법

이 실험을 위해 자당과 인스턴트 커피의 기준 용액을 건조된 형태와 건조 되지 않은 형태로 준비하여 측정했습니다. 각 용질에 대해 약 10%, 8%, 6%, 4%, 2%의 TDS를 가진 5개의 기준 용액을 준비했습니다.
각 참조 솔루션은 다음 절차를 사용하여 준비했습니다:
1.
10g 분동을 사용하여 0.001g 저울의 보정을 확인합니다.
2.
50g 분동을 사용하여 0.01g 저울의 보정을 확인합니다.
3.
샘플 용기를 0.001g 저울에 올려놓고 저울질합니다.
4.
건조 샘플을 샘플 용기에 측정합니다.
5.
깨끗하고 건조한 컵을 0.01g 저울에 올려놓고 계량합니다.
6.
계량된 건조 시료를 컵에 추가합니다.
7.
커피 샘플의 경우, 건조 샘플을 컵에 옮긴 후 샘플 용기의 무게를 측정하고 측정된 샘플 무게에서 빼서 컵에 옮긴 무게를 구합니다.
8.
원하는 용액 무게를 얻기 위해 실온 증류수를 컵에 추가합니다.
9.
고체가 남지 않을 때까지 용액을 저어줍니다.
기준 용액이 준비되면 증류수를 사용하여 두 굴절계 모두에서 0을 확인한 다음 건조 시켰습니다. 그런 다음 다음 측정 절차를 세 번 반복했습니다:
1.
용액을 몇 번 저어줍니다.
2.
피펫을 기준 용액으로 3번 세척합니다.
3.
기준 용액의 샘플을 각 굴절계로 옮겨 샘플 영역을 약 80%까지 채웁니다.
4.
즉시 두 굴절계에서 측정을 시작합니다.
5.
굴절계 측정 값을 기록합니다.
6.
두 굴절계를 모두 세척하고 건조시킵니다.
7.
마지막으로 스푼과 피펫을 세척하고 건조 시킨 다음 다음 기준 용액을 준비합니다.

결과 및 분석

자당 용액

먼저 자당 시료에 대한 굴절률과 준비된 TDS를 비교해 보겠습니다. 굴절계 측정값의 정확성을 평가하기 위해 수용액에서 자당에 대한 굴절률의 공개된 측정값과 비교할 수 있습니다.
학부 실험 실습 교재에서 나온 것으로 보이는 두 개의 참조 데이터 세트를 찾을 수 있었습니다:
각 포인트 클러스터를 확대하여 이러한 측정 값이 얼마나 잘 일치하는지 더 잘 파악할 수 있습니다.
10% TDS에서 기준 곡선 간에 약간의 불일치가 있으며, 사전 제작 R2 추출에서 한 번의 잘못된 측정 값이 발생했지만, 그 외에는 측정 값이 기준 곡선에 매우 근접합니다. 굴절률의 오차는 약 ±0.00005보다 적은 것으로 보입니다. TDS가 10%인 경우 이는 약 ±0.03% TDS의 정확도에 해당합니다.
두 굴절계 간 또는 건조 용질과 미건조 용질 간에 명확한 차이가 없으므로 자당의 수분 함량이 무시할 수 있는 수준임을 시사합니다.

인스턴트 커피 용액

인스턴트 커피 샘플의 경우 굴절률보다는 잔류 TDS를 살펴보는 것이 더 유용할 것입니다. 잔류 TDS는 굴절계가 보고한 TDS와 측정 된 무게로 계산한 TDS의 차이입니다. 다음 그림은 잔류 TDS와 준비된 TDS를 보여줍니다.
자당 측정 값과 비교하면 몇 가지 차이점을 즉시 확인할 수 있습니다:
단일 용액에 대한 측정 간에는 훨씬 더 많은 변화가 있습니다.
이러한 변화에도 불구하고 두 굴절계 간, 그리고 건조 된 용질과 건조 되지 않은 용질 간에는 분명한 차이가 있음을 알 수 있습니다.
각 용질에 직선을 맞춰 용질 간의 차이를 정량화할 수 있습니다.
기초 데이터에는 많은 변동이 있기 때문에 이러한 적합도를 너무 심각하게 받아들이는 것은 주의해야 합니다. 하지만 이 적합도에서 두 가지 결론을 도출할 수 있다고 생각합니다:
건조 커피에 대한 결과는 건조 되지 않은 커피에 대한 결과보다 약 4% 더 높습니다.
정식 출시 R2 Extract의 결과는 사전 생산된 측정기의 결과보다 약 1% 낮습니다.
첫 번째 문장은 건조 되지 않은 인스턴트 커피의 수분 함량이 약 4%임을 의미합니다.
자당 용액을 측정할 때 두 굴절계 간에 큰 차이를 보이지 않았다는 점을 고려할 때, 두 번째 결론은 두 굴절계가 원본 센서 데이터를 처리하는 방식에 약간의 차이가 있음을 시사합니다. 이는 특히 여과되지 않은 용액의 경우 용해되지 않은 고형물로 인해 측정이 더 어려워질 수 있는 경우에 두드러집니다.
또한 인스턴트 커피 용액에 대한 측정을 반복할수록 두 굴절계 모두 TDS 결과가 증가한다는 점도 주목할 가치가 있습니다. TDS가 높은 용액의 경우 두 굴절계 모두 결국 오류를 보고합니다. 다시 말하지만, 이는 시료에서 용해되지 않은 고형물이 침전되기 때문인 것으로 보입니다.

토론 및 결론

증류수를 사용하여 보정할 때 DiFluid R2 Extract는 자당 용액의 굴절률을 약 ±0.00005의 정확도로 측정하는 것으로 보입니다. TDS가 10%인 경우 이는 대략 ±0.03% TDS의 정확도와 일치합니다.
맥스웰 하우스 오리지널 로스트 인스턴트 커피를 사용해서는 깨끗한 결과를 얻을 수 없었습니다. 하지만 이 실험에서 두 가지 교훈을 얻을 수 있다고 생각합니다:
첫째, 인스턴트 커피로 캘리브레이션하는 경우 커피를 먼저 건조시키는 데 주의를 기울여야 합니다. 그러나 커피를 건조하면 다른 오류 원인이 발생할 수 있습니다. Liang 의 연구에 따르면 100°C에서 24시간 건조 하는 동안 커피 고형물의 약 2.5%가 휘발된다고 합니다. 즉, 건조된 커피는 건조 되지 않은 커피와 다른 구성을 가지며, 건조 되지 않은 커피를 위해 보정된 굴절계는 건조된 커피에 대해 정확한 결과를 제공하지 못할 수 있습니다.
둘째, 굴절계 측정의 정확도는 시료의 용해되지 않은 고형물에 의해 크게 영향을 받습니다. 시료를 필터링하면 문제가 해결되지만, 이 경우에도 시료의 구성이 변경되므로 실제로 측정하는 것은 우리가 마시는 커피가 아니라 필터링 된 커피입니다.
Micheal Cooper
캘거리 대학교에서 물리학과 순수 수학 학사 학위를 받았습니다. 또한, 5살 때부터 프로그래밍을 시작하여 이제는 제 두 번째 언어처럼 느껴집니다. 측정에 대한 애정이 항상 있었고, 15년 동안 석유 및 가스의 지진 탐사용 소프트웨어를 개발하는 일을 했습니다.
몇 년 전, 친구가 나에게 에스프레소를 소개하면서 과정에 반하게 되었습니다. 깊이 탐구할 때 특정 변수를 고립 하는 실험을 설계하는 것이 어려울 수 있습니다.
이 블로그를 시작한 이유는 이러한 탐구를 공식화하기 위해서 입니다. 혼자 작업할 때보다 커뮤니티와 협력하여 더 많이 성장할 수 있습니다.
여러분의 도움말이나 피드백을 환영합니다. 이 여정에 함께 해주셔서 감사합니다.
번역, 편집 : DSGNCOF_NEWS (@designcoffee_com)