- •Глава 1 . Кондуктометры
- •1.1. Контактные кондуктометры
- •1.2. Бесконтактные кондуктометры
- •Глава 2. Потенциометрические анализаторы
- •Глава 3. Влагомеры продуктов
- •3.1. Кондуктометрические влагомеры
- •3.2. Емкостные влагомеры
- •3.3. Влагомеры сверхвысокочастотные (свч)
- •3.4. Влагомеры инфракрасные (ик)
- •3.5. Влагомеры ядерно-магнитного резонанса (ямр)
- •Глава 4. Влагомеры для газов
- •4.1. Психрометрические влагомеры
- •4.2. Электрические гигрометры точки росы, или
- •4.3. Сорбционные влагомеры
- •4.4. Кулонометрические влагомеры
- •Глава 5. Плотномеры
- •5.1. Поплавковые плотномеры
- •5.2. Весовые плотномеры
- •5.3. Гидростатические плотномеры
- •5.4. Ультразвуковые плотномеры
- •5.5. Виброчастотные плотномеры
- •5.6. Радиоизотопные плотномеры
- •Глава 6. Газоанализаторы
- •6.1. Термокондуктометрические газоанализаторы
- •6.2. Термохимические газоанализаторы
- •6.3. Магнитные газоанализаторы
- •6.4. Кулонометрические газоанализаторы
- •6.5. Оптические газоанализаторы
- •6.6. Ультразвуковые газоанализаторы
- •Глава 7. Оптические анализаторы веществ
- •7.1. Колориметры.
- •7.2. Нефелометрические и турбидиметрические анализаторы
- •7.3. Рефрактометры
- •7.4. Поляриметры
- •7.5. Люминесцентные анализаторы
- •7.6. Инфракрасные анализаторы
- •Глава 8. Вискозиметры
- •8.1. Капиллярные вискозиметры
- •8.2. Шариковые вискозиметры
- •8.3. Ротационные вискозиметры
- •8.4. Вибрационные вискозиметры
- •8.5. Пенетрометры
- •Глава 9. Контроль отдельных специфических свойств пищевых продуктов
- •Глава 10. Хроматографические методы анализа состава газов и жидкостей
- •Глава 11. Измерительные информационные системы
- •11.1. Измерительные системы
- •11.2. Системы автоматического контроля
- •11.3. Процессорные измерительные средства
- •11.4. Информационно-вычислительные комплексы (ивк)
- •Заключение
- •Библиографический список
- •Глава 1. Кондуктометры……………………………………………4
- •Глава 2. Потенциометрические анализаторы……………12
- •Глава 6. Газоанализаторы …………………………………………46
- •Глава 7 . Оптические анализаторы веществ………………55
- •Глава 8. Вискозиметры……………………………………………….72
- •Глава 9. Контроль отдельных специфических
- •Глава 10. Хроматографичекие методы анализа
- •Глава 11. Измерительные информационные
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ПРИКЛАДНОЙ БИОТЕХНОЛОГИИ (МГУПБ)
А.С. Потапов
ТЕХНИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ И
ПРИБОРЫ ОТРАСЛИ
ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ СОСТАВА И КАЧЕСТВА
ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ
Лекции
МОСКВА 2007
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ПРИКЛАДНОЙ БИОТЕХНОЛОГИИ (МГУПБ)
Кафедра автоматизации биотехнических систем
А.С. Потапов
ТЕХНИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ И
ПРИБОРЫ ОТРАСЛИ
ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ
КОНТРОЛЯ СОСТАВА И КАЧЕСТВА
ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ
Лекции
для студентов специальностей 220301, 230102
МОСКВА 2007
УДК 681.2.002:664(075.8)
ББК 31.32
П 64
Рецензенты: М.В. Жиров, д-р техн. наук, проф. каф. «Системы управления» МГУ технологии и управления;
Л.М. Андросова, канд. техн. наук, с. н. с. ГУ ВНИМИ
Потапов А.С.
Технические измерения и приборы отрасли. Инструментальные методы контроля состава и качества пищевых продуктов: лекции / А.С. Потапов. – М.: МГУПБ, 2007. – 96 с.
ISBN 5–89168–150 – 1
Рассмотрены методы и приборы автоматического контроля основных параметров, характеризующих состав и качество пищевых продуктов, а также возможности использования приборов в процессорных измерительных системах.
Предназначены для студентов специальностей 220301, 230102. Могут быть использованы студентами технологических специальностей.
Автор выражает благодарность студентам Дианову Н.А., Максимовой О.А. и Самсонову Д.В. за помощь в подготовке рукописи.
Утверждены в качестве учебного пособия советом по издательской деятельности МГУПБ.
ISBN 5 – 89168 –150 – 1 © МГУПБ, 2007
© Потапов А.С., 2007
ВВЕДЕНИЕ
Управление технологическими процессами на современном предприятии перерабатывающей отрасли АТК не представляется возможным без объективной и оперативной информации о характеризующих их ход параметрах. Такую информацию получают с помощью измерительных преобразователей (датчиков) как общепромышленного назначения (для контроля температуры, давления, расхода, уровня), так и специальных (для контроля состава и качества сырья и готового продукта).
В первичных измерительных преобразователях широко применяются современные технические достижения в области приборостроения – микроминиатюризация, интегральные схемы. В основу действия специальных приборов положены методы фотометрии, инфракрасной спектроскопии; ультразвуковые волны, высокие и сверхвысокие частоты, ядерно-магнитный резонанс и т.д.
Характерная особенность пищевых продуктов заключается в том, что они являются химически активными и агрессивными средами. Кроме того, при ведении технологических процессов должна соблюдаться стерильность. При этом недопустимо внесение в продукт нежелательной микрофлоры или воздействие на развитие микробиальных процессов.
Все это накладывает определенные, специфические условия на средства измерения, применяемые в отрасли.
Все элементы первичных преобразователей, контактирующие с продуктом, должны быть коррозионно- и эрозионно-стойкими, исключающими возможность загрязнения продукта, появления постороннего запаха, ухудшения вкуса и цвета, снижения пищевой ценности.
Исключается применение токсичных материалов и сред. При использовании высокочастотных, сверхвысокочастотных, ультразвуковых и радиоактивных средств измерения должна учитываться возможность их нежелательного воздействия на контролируемый продукт.
В процессе конструирования приборов контроля, а также пробоотборников и других приспособлений необходимо предусматривать как возможность их безразборной автоматической мойки (при этом не допускается образование застойных зон, зазоров, щелей), так и удобство быстрой их разборки и замены, что можно обеспечить блочностью их построения и агрегатированием.
Предметом рассмотрения настоящего раздела курса являются первичные преобразователи, измерительные преобразователи и приборы контроля, предназначенные для получения информации о составе и качестве как сырья, так и готовых продуктов.
Глава 1 . Кондуктометры
В пищевой промышленности для различных технологических процессов применяются растворы солей, кислот и щелочей. Так, для посолки мяса применяются солевые растворы. Кислоты и щелочи используются для мойки оборудования и трубопроводов.
Осуществление автоматического контроля и регулирования их концентрации является весьма актуальной задачей, особенно при безразборной мойке оборудования.
Эти среды, как правило, являются хорошими электролитами, т.е. растворами с высокой электропроводностью, величина которой зависит от их концентрации.
Для контроля этого показателя в промышленности широко применяются так называемые кондуктометрические приборы -кондуктометры, отличающиеся высокой чувствительностью, сравнительной простотой и надежностью.
Кондуктометрический метод, как контактный, так и бесконтактный, основан на измерении электропроводности растворов. Кондуктометры, предназначенные для контроля концентрации солевых растворов, называются солемеры. Кондуктометры, предназначенные для контроля концентрации кислот и щелочей, носят название концентратомеров. Шкала таких приборов градуируется в процентах массовой концентрации. Единица измерения удельной электропроводности – cименс на метр в минус первой степени (См/м) и изменяется для водных растворов электролита от 10-4 См/м (бидистиллят) до 100 См/м (сильные электролиты). Это позволяет контролировать концентрацию с достаточно высокой чувствительностью.
Для разбавленных бинарных водных растворов электролитов удельная электропроводность ǽ определяется выражением:
ǽ = άC z(U+ + U-) ,
где С - концентрация растворенного вещества, %;
z – валентность растворенного вещества;
U+ и U-- подвижность катионов и анионов;
ά - степень диссоциации молекул.
Н а рис. 1.1 представлена зависимость электропроводности раствора от концентрации. Как правило, эта зависимость имеет экстремум. Контроль концентрации растворов можно осуществлять справа или слева от экстремума.
З
Рис. 1.1
ǽ=A e-B/T ,
где A и B - постоянные;
Т - абсолютная температура.
Для ограниченного диапазона температур справедлива линейная зависимость:
ǽt = ǽ0 [1 + ά (t- t0)] ,
где ǽ0- удельная электропроводность раствора при температуре t0 .
Для более широкого диапазона температур:
ǽ = ǽo [1 + β (t- t0) + γ( t- t0)2 ] ,
где β и γ - температурные коэффициенты.
1.1. Контактные кондуктометры
Конструктивно кондуктометрическая ячейка представляет собой два электрода площадью S, помещаемые в раствор на расстоянии l между собой. Сопротивление такой ячейки выражается формулой:
R =l/ ǽ S =K/ ǽ.
Здесь К - постоянная ячейки, которая определяется путем заполнения ее раствором с известной удельной электропроводностью. Как правило, используют 0,1 Н раствор KCl.
Кондуктометрические ячейки могут работать как на переменном, так и на постоянном токе. Однако в связи с явлениями электролиза раствора и поляризации электродов предпочтение отдается переменному току повышенной частоты (1000 Гц).
При погружении металлического электрода в электролит на границе металл–раствор возникает скачок потенциала. Это объясняется переходом положительных ионов металла в раствор и накопление на его поверхности отрицательного заряда. При протекании через электрод постоянного и переменного тока потенциал изменяется. Этот процесс называется поляризацией. Поляризация электрода имеет формальное сходство с процессом зарядки конденсатора. Влияние поляризации уменьшается с частотой пропорционально: .
Для того чтобы исключить влияние поляризации на результаты измерений в особо точных определениях электропроводности, сопротивление ячейки измеряют на двух частотах– 500 и 2000 Гц:
R500= Rp+ ΔR ; R2000= Rp+ ΔR/2 ,
где Rp - сопротивление раствора;
ΔR - сопротивление, обусловленное эффектом поляризации.
Отсюда
Rp =2R2000 – R500.
Р ис. 1.2
Rя - сопротивление ячейки; R1, R2 и R3 - постоянные сопротивления; С - электрическая емкость; Rр – реохорд.
Как правило, кондуктометрические ячейки включаются в мостовые измерительные схемы (рис. 1.2).
При изменении концентрации изменяется Rя , что приводит к разбалансу моста. Сигнал разбаланса усиливается электронным усилителем ЭУ и поступает на реверсивный двигатель РД, приводящий в действие стрелку измерительного прибора ИП и движок реохорда.
В контактной кондуктометрии получили широкое распространение 4-электродные ячейки (рис. 1.3). Эти ячейки имеют преимущество перед 2-электродными благодаря полному отсутствию поляризации на измерительных (внутренних) электродах.
Рис. 1.3
R1, R2 ,R3 - постоянные сопротивления; TV - трансформатор.
Разность потенциалов на внутренних электродах однозначно определяется концентрацией контролируемого раствора. К наружным электродам подводится напряжение переменного тока. Сопротивление R выбирается в 100 раз больше сопротивления датчика, что обеспечивает постоянство тока независимо от изменения электропроводности раствора.
Для исключения влияния температуры на величину электропроводности в концентратомерах используют температурную компенсацию Rt.
Приборостроительной промышленностью выпускаются концентратомеры с диапазоном измерения от 10-4 до 10 См/м. Погрешность измерения ±2,5 % от максимального значения шкалы. Контактные кондуктометры нашли применение для управления потоками продукта и моющих растворов в автоматических системах мойки. В настоящее время используются сигнализаторы раздела сред "вода – молоко" и "моющий раствор – вода".
Кондуктометрический прибор используется для контроля загрязненности конденсата молоком в вакуум-выпарных установках.
Измерение осуществляется с помощью мостовой схемы с автоматической температурной компенсацией. Электрическое сопротивление ячейки преобразуется в унифицированный токовый сигнал 4–20 мА. Прибор осуществляет переключение клапанов, направляющих конденсат в различные сборники в зависимости от его чистоты.
Переносной лабораторный кондуктометр КСМ-101 для определения КСl в бесструктурных мясопродуктах имеет пределы измерений 0–7 %. Чувствительный элемент выполнен в виде стержня из нержавеющей стали с двумя цилиндрическими электродами, впрессованными в пластмассу и терморезистор. Изменение содержания в них соли приводит к изменению электропроводности, что и фиксируется прибором. Температурная компенсация – ручная, абсолютная погрешность измерений концентрации ±0,5 %.
Прибор для определения конца сушки шквары в вакуум-котлах при выработке сухих животных кормов имеет диапазон измерений 2–15 % влаги и погрешность измерений ±1 % влажности.