رنگ سنج چیست؟

دستگاه‌های اندازه گیری رنگ از دهه ۱۹۴۰ وجود داشته‌اند، اما از آن زمان تاکنون سیر تکاملی طولانی را طی کرده‌اند. رنگ سنج‌های اولیه از فیلترهای آبی، قرمز و سبز رنگ استفاده می‌کردند. در دهه ۴۰ این ابزارها بسیار گران بودند. اما امروزه پیشرفت فناوری موجب شده تا رنگ سنج برای همه در دسترس باشد. این امر باعث شده تا قیمت آن نیز کاهش چشمگیری داشته باشد.

رنگ سنج

رنگ سنج دستگاهی است که برای اندازه‌گیری، مقایسه و ارزیابی رنگ به کار می‌روند. در صنعت از بسته‌بندی‌های غذا گرفته تا تولید فرش و قطعات پلاستیکی کوچک از دستگاه رنگ سنج برای اطمینان از مطابقت رنگ تولید شده با رنگی که در ابتدا مشخص شده، استفاده می‌شود. به همین دلیل از آن می‌توان در هر صنعتی استفاده کرد.

رنگ سنج‌‌ها در دو نوع به بازار عرضه می‌گردند: رنگ سنج جذبی و رنگ سنج بازتابی. هر یک از این دستگاه‌ها کاربردهای متفاوتی دارند. در ادامه این دو دستگاه را معرفی کرده‌ایم.

رنگ سنج جذبی

در این دستگاه نور تک رنگ طی فرایندی از نمونه عبور می‌کند و با ماده وارد برهمکنش می‌شود. از این دستگاه برای سنجش غلظت آنالیت و رنگ سنجی استفاده می‌شود. اما اگر جسم مورد نظر شفاف نباشد و یا به بیانی دیگر نور را از خود عبور ندهد، مانند پارچه، مقوا و … دیگر نمی‌توان از این نوع رنگ سنج استفاده کرد. در آن صورت است که رنگ سنج بازتابی به کمک ما می‌آید.

در مرحله بعد از عبور نور از ماده، نور با آشکارساز برخورد می‌کند. رنگ سنج میزان جذب ماده را در ناحیه مرئی (۴۰۰ تا ۷۰۰ نانومتر) نشان می‌دهد. یک محلول رنگی طول‌موج‌های خاصی از نور سفید را جذب می‌کند. به بیانی دیگر محلول رنگی همه طول‌موج‌‌های نور را جذب می‌کند و تنها یک رنگ را به صورت انتخابی از خود عبور می‌دهد (شکل ۲).

در رنگ سنج شدت نور عبوری از نمونه (I) با شدت نور اولیه (I_۰) مقایسه می‌شود و از این طریق میزان جذب نور به دست می‌آید. این دستگاه در واقع بر اساس قانون بیر لامبرت کار می‌کند. در ادامه این قانون را شرح داده‌ایم.

قانون بیر-لامبرت

طبق قانون بیرلامبرت جذب نور توسط یک نمونه متناسب با تعداد مولکول‌های جذب کننده است. هرچه تعداد این مولکول‌‌ها در یک ترکیب بیشتر باشد، میزان جذب نیز بیشتر می‌شود. بنابراین می‌توان با استفاده از میزان جذب، غلظت یک محلول را به دست آورد.

طبق این قانون میزان عبور از رابطه زیر به دست می‌آید. به طوری که در این رابطه I شدت نور عبوری از ماده و I_۰ شدت نور تابشی به ماده است.

T = I / I_۰

مقدار T عددی بین ۰ و ۱ است. عدد صفر به این معنی است که همه نور تابشی به ماده جذب شده و عدد یک نشان دهنده این است که همه نور تابشی از ماده عبور می‌کند. معمولا مقدار T را با درصد نشان می‌دهند:

T (%) = 100 I / I_۰

از طریق رابطه بالا میزان جذب ماده نیز به دست می‌آید:

A = -log I / I_۰

از روابط بالا پیدا است که میزان جذب و عبور بدون واحد هستند. طبق روابط بالا میزان عبور متناسب با نسبت شدت‌ها است. به همین دلیل واحدها از صورت و مخرج حذف می‌شوند.

معادله بیر-لامبرت یک رابطه خطی است که به شکل زیر بیان می‌شود:

A = ɛlc

در معادله بالا ε ضریب جذب مولی، c غلظت و l طول مسیر نوری است.

ε (ضریب جذب مولی): یک خاصیت وابسته به نمونه است که از اندازه‌گیری میزان قدرت جذب یک نمونه در یک طول‌موج خاص به دست‌ می‌آید.

c (غلظت): تعداد مول‌های حل شده در یک محلول است.

l (مسیر نوری): طول مسیری است که نور طی می‌کند.

محدودیت های قانون بیر لامبرت و انحراف از آن در یک مقاله جداگانه به صورت کامل توضیح داده شده است.

تا این قسمت با کلیات دستگاه رنگ سنج جذبی آشنا شدید. در ادامه طرز کار این دستگاه را شرح می‌دهیم.

طرز کار رنگ سنج جذبی

هنگام استفاده از رنگ سنج، ابتدا باید آن را کالیبره کرد. به این صورت که با استفاده از محلول‌های استانداردی که غلظت آن‌ها مشخص است، کالیبراسیون انجام می‌پذیرد. بعد از این که دستگاه کالیبره شد، محول مورد آزمایش در محل قرار گیری نمونه قرار می‌گیرد. پرتوی نور سفید از منبع نوری به سمت فیلتر هدایت می‌شود. پس از عبور نور از فیلتر، طول‌موج مورد نظر به دست می‌آید. در نهایت این نور تک رنگ به سمت محلول نمونه هدایت می‌شود. هنگامی که نور با نمونه برخورد می‌کند، قسمتی از آن توسط محلول جذب شده و قسمت دیگر آن از نمونه عبور می‌‌کند. نور عبوری با آشکارساز (فتوسل) برخورد می‌کند. در این فرایند نور به وسیله گالوانومتر به سیگنال الکتریکی تبدیل می‌شود.

رنگ سنج بازتابی

این نوع رنگ سنج دستگاهی سه کاناله است که رنگ را دقیقا مانند چشم انسان تجزیه و تحلیل می‌کند. در حقیقت رنگ سنج بازتابی اجزای رنگ را به صورت سه بعدی کمی می‌کند. سپس در یک فضای رنگ فرضی با استفاده از معیارهای a*b*L یا °L*C*h مکان یک رنگ را تعیین می‌کند. به بیانی دیگر یک رنگ را به مختصات فرضی تبدیل می‌کند. بنابراین دستگاه می‌تواند بر اساس این مختصات رنگ یک جسم را تعیین کند.

منحنی بازتاب یک جسم قرمز را در نظر بگیرید (شکل۶). طیف بازتابی جسم در بازه ۴۰۰ تا ۷۰۰ نانومتر نشان داده شده است. همان طور که می‌بینید جسم قرمز، رنگ قرمز را با قدرت بیشتری بازتاب می‌کند. به همین دلیل است که ما توپ را به این رنگ می‌بینیم. علاوه بر این هیچگاه منحنی بازتاب دو جسم یکسان نیست. زیرا رنگدانه‌های به کار رفته شده در آن جسم با رنگدانه‌های اجسام دیگر متفاوت است. بنابراین این منحنی مانند اثر انگشت جسم است.

طرز کار رنگ سنج بازتابی

در این رنگ سنج، نور از یک منبع داخلی به سطح نمونه تابیده می‌شود. هنگامی که نور از سطح جسم بازتاب می‌شود، از سه فیلتر عبور می‌کند: فیلتر قرمز، آبی و سبز. این فیلترها مقدار RGB (Red, Green, Blue) را که مطابق با چشم انسان است، برای یک جسم تعیین می‌کنند.

کالری متر بازتابی باتوجه به هندسه آن در سه مدل طراحی می‌شود. در زیر این سه مدل را معرفی خواهیم کرد.

رنگ سنج زاویه °۴۵/°۰

این مدل مشهورترین رنگ سنج برای کنترل کیفیت و تضمین محصول است. در این رنگ سنج منابع نوری تحت زاویه ۴۵ درجه نسبت به نمونه و گیرنده قرار می‌گیرند (شکل ۸ الف). و یا در مدلی دیگر آشکارسازها نسبت به لامپ‌ها و نمونه در زاویه ۴۵ درجه قرار دارند (شکل ۸ ب). این دستگاه برای اندازه‌گیری رنگ انواع سطوح، رنگ‌ها و رنگدانه‌ها عملکرد خوبی دارد.

رنگ سنج مدل کروی

این مدل به عنوان رنگ سنج ۸ درجه یا D8 شناخته می‌شود. رنگ سنج کروی نسبت به سایر مدل‌ها کمی پیچیده‌تر است. در این رنگ سنج منبع نور در داخل یک کره قرار می‌گیرد. سطح داخلی کره بسیار بازتابانده و به رنگ سفید است. نور به جای اینکه مستقیما با نمونه برخورد کند، با دیواره‌ها برخورد می‌کند و هزاران بار بازتاب می‌شود. بنابراین نور بازتابیده با نمونه برخورد می‌کند. آشکارساز و نمونه تحت زاویه ۸ درجه نسبت به خط عمود قرار دارند. به همین دلیل است که به این مدل، رنگ سنج ۸ درجه می‌گویند.

رنگ سنج چند زاویه ای

در بسیاری از صنایع از فلزات براق و یا مروارید استفاده می‌شود. در جسمی مانند مروارید رنگ‌های مشاهده شده از زوایای مختلف، متفاوت است. بنابراین این اجسام را نمی‌توان با رنگ سنج‌های دیگر اندازه‌گیری کرد. رنگ سنج چند زاویه‌ای می‌تواند این تغییر رنگ را به درستی تشخیص دهد.

از این رنگ سنج علاوه بر صنعت خودرو سازی، در لوازم آرایشی برای لاک ناخن، آرایش چشم و سایر صنایعی که مواد با خواص نوری جالب تولید می‌کنند، استفاده می شود.

کاربردهای عمومی رنگ سنج‌ها

علاوه بر کاربردهایی که در بالا ذکر شد، رنگ سنج‌ ها کاربردهای دیگری نیز دارند. مثلا از این رنگ سنج برای کالیبره مانیتورهای کامپیوتر استفاده می‌شود. همچنین طراحان می‌توانند رنگ هر چیزی را با این ابزار به دست آورند و در طرح‌های خود از آن رنگ‌ها استفاده کنند. البته رنگ سنج‌ها دارای محدودیت‌هایی هستند. مثلا در متامریزم (Metamerism، یک خطا در رنگرزی است. این پدیده زمانی رخ می‌دهد که دو شی در زیر یک منبع نوری همرنگ دیده می‌شوند ولی در زیر منبع نوری دیگر همرنگ نیستند) این دستگاه دچار خطا می‌شود.

از این دستگاه برای آزمایش کیفیت آب با استفاده از غربالگری مواد شیمیایی مانند کلر، فلوراید، سیانید، اکسیژن محلول، آهن، مولیبدن، روی و هیدرازین استفاده می‌شود. همچنین به تعیین غلظت مواد مغذی گیاهی (مانند فسفر، نیترات و آمونیاک) در خاک و یا هموگلوبین موجود در خون کمک می‌کند. در صنایع داروسازی از آن برای تفکیک داروهای تقلبی از داروهای اصلی استفاده می‌کنند. تولید کنندگان رنگ و منسوجات، رنگ سنج را جهت ارزیابی غلظت و کیفیت رنگ‌ها در رنگ سازی و رنگ آمیزی پارچه به کار می‌برند. از این دستگاه در زمینه‌های شیمیایی و بیولوژیکی به طور گسترده استفاده می‌کنند.

اکنون که با اساس کار این دستگاه آشنا شدید، در قسمت بعدی المان‌های تشکیل دهنده رنگ سنج را مورد مطالعه قرار می‌دهیم.

اجزای تشکیل دهنده رنگ سنج

رنگ سنج از ۴ جز اصلی تشکیل شده است. این اجزا عبارتند از:

• منبع نور: رایج‌ترین منبع نور مورد استفاده در رنگ سنج، لامپ تنگستن است.
• تک رنگ ساز یا مونوکروماتور: برای انتخاب طول‌موج خاص مورد استفاده قرار می‌گیرد. معمولا در رنگ سنج‌ها از فیلترهای رنگی برای انتخاب طول‌موج استفاده می‌شود. انتخاب رنگ فیلتر به رنگ محلول بستگی دارد. در جدول ۱ انتخاب رنگ فیلتر بر اساس رنگ محلول آورده شده است.
  

• سیستم آشکارساز: هنگامی که نور بر روی سیستم آشکارساز می تابد، یک جریان الکتریکی تولید می شود. این جریان از طریق گالوانومتر قابل مشاهده است.
• دستگاه اندازه‌گیری: جریان از آشکارساز به گالوانومتر منتقل می‌شود. این جریان با شدت نور متناسب است.

البته ذکر این نکته حائز اهمیت است که در رنگ سنج‌های جذبی نگهدارنده نمونه نیز به المان‌های تشکیل دهنده رنگ سنج اضافه می‌شود. برای اندازه‌گیری‌های رنگ سنجی از ظروف شیشه‌ای استفاده می‌شود. زیرا شیشه در ناحیه مرئی شفاف است. بنابراین همه طول‌موج‌ها را از خود عبور می‌دهد.

تا این قسمت از مقاله، انواع رنگ سنج معرفی شد. اما ممکن است این سوال برای شما پیش بیاید که رنگ سنج و اسپکتروفتومتر چه تفاوتی با هم دارند؟ پاسخ این سوال را در بخش بعدی بیان کرده‌ایم.

تفاوت رنگ سنج و اسپکتروفتومتر

با وجود شباهت‌هایی که اسپکتروفتومتر و رنگ سنج دارند، این دستگاه‌ها کاملا متفاوت هستند. بیشترین تفاوت آن‌ها هم مربوط به کاربردها و قابلیت رنگ سنج و اسپکتروفتومتر است.

اسپکتروفتومتر یا طیف سنج دستگاه بسیار قدرتمندی است. زیرا نسبت به رنگ سنج فوق‌العاده دقیق است. همچنین دامنه کاربردی آن وسیع است. اما رنگ سنج‌ها دستگاه‌های بسیار ساده‌ای هستند. علاوه بر این اسپکتروفتومتر قابل تنظیم است. می‌توان از این وسیله برای اندازه‌گیری انواع نمونه‌ها استفاده کرد. اما طیف سنج بسیار گران‌تر از رنگ سنج است. ذکر این نکته حائز اهمیت است که با وجود گران بودن اسپکتروفتومتر، استفاده از آن مقرون به صرفه است. به این دلیل که هم کاربردهای فراوانی دارد و هم دقیق‌تر است. طیف سنج هم میزان جذب و هم میزان عبور نور از یک نمونه را اندازه‌گیری می‌کند. اما با استفاده از رنگ سنج فقط می‌توانید میزان جذب نور را اندازه‌گیری کنید. علاوه بر این بازه طیف‌گیری رنگ سنج محدود است. ولی طیف سنج بازه طیف‌گیری وسیعی دارد.

جمع‌بندی

در این دانشنامه سعی کردیم کلیات رنگ سنج را بیان کنیم. گفتیم که دو نوع رنگ سنج در بازار وجود دارد: رنگ سنج جذبی  و بازتابی. رنگ سنج جذبی بیشتر برای موادی کاربرد دارد که شفاف هستند، مانند محلول‌ها و … . ولی اگر جسم مورد نظر مات باشد،  چون نور نمی‌تواند به درستی از داخل ماده عبور کند، از رنگ سنج‌های بازتابی استفاده می‌کنند. همچنین نحوه و اساس کار هر رنگ سنج را بررسی کردیم. علاوه بر آن به تفاوت‌های کالری متر و اسپکتروفتومتر هم پرداختیم و معایب و مزایای هر کدام را شرح دادیم.

انتخاب درست دستگاه بسیار مهم است. برای انتخاب رنگ سنج یا اسپکترفومتر، به اطلاعاتی نیاز دارید که در این زمینه به شما کمک می‌کند. ما مطلبی تحت عنوان راهنمای خرید اسپکتروفتومتر آماده کرده‌ایم که می‌تواند شما را به درستی در این زمینه راهنمایی کند.

منابع

1. https://zaya.io/urfu9
2. https://zaya.io/ak2vz
3. https://zaya.io/hfg8p
4. https://zaya.io/8ctg4
5. https://zaya.io/o5nlx
6. https://zaya.io/qllus