2.4 Физические величины технологических процессов производства продуктов питания

В технологических процессах производства продуктов питания используют как основные физические величины системы СИ (длину, массу, температуру, количество вещества), так и производные (давление, плотность, скорость и т. д.).

При контроле качества продукции и технологического процесса нередко определяют относительные физические величины, которые выражаются чаще всего в процентах. К относительным величинам относятся массовая доля, молярная доля, объемная доля и массовое соотношение.

Массовая доля компонента в веществе – это отношение массы данного компонента к общей массе вещества.

Молярной долей компонента в веществе называют отношение количества вещества компонента, содержащегося в веществе, к общему количеству вещества. Например, молярная доля кислорода в воздухе равна 0,209.

Объемной долей компонента в веществе называется отношение объема компонента вещества к общему объему вещества. Например, объемная доля воды в 1 м³ насыщенного раствора составляет 0,74.

Массовое отношение – это отношение массы (объема) одного вещества к массе (объему) другого вещества, входящих в данный комплекс. Например, массовое отношение мяса и хлеба в котлетах 80 :  20.

К относительным величинам можно отнести также массовую долю жира и сухих веществ, кислотность.

Перечень наиболее часто использующихся в технологических процессах производства продуктов питания физических величин и средств измерений, с помощью которых они контролируются, приведен в приложении 4.

Контрольные вопросы

1. Дайте определения понятий физическая величина, значение физической величины, размерность физической величины.

2. Что такое шкала физической величины? Приведите примеры различных шкал ФВ.

3. Назовите системы физических величин и системы единиц физических величин.

4. Какие из приведенных физических величин являются основными: длина, плотность, сила света, сила, давление?

5. В каких единицах ФВ в системе СИ измеряется температура?

6. Переведите в систему СИ: 100 см²/г, 15 дм²/кг, 35 м²/т.

7. Переведите в метры: 10 Мм, 10 ^–3 км, 10 ⁵ нм, 100 Пм.

8. Округлите до 0,1 следующие значения: 45; 445; 45,4500; 45, 4501.

9. Перечислите основные физические величины технологических процессов производства продуктов питания.

Глава 3. Измерения физических величин

3.1. Виды измерений

Достоверность измерительной информации является основой для анализа, прогнозирования, планирования и управления производством в целом, способствует повышению эффективности учета сырья, готовой продукции и энергетических затрат, а также повышению качества готовой продукции.

Измерение физической величины – совокупность операций по применению технического средства, хранящего единицу физической величины, обеспечивающих нахождение соотношения измеряемой величины с ее единицей и получение значения этой величины.

Объект измерения – реальный физический объект, свойства которого характеризуются одним или несколькими измеряемыми ФВ.

измерительная техника – совокупность технических средств, служащих для выполнения измерений, а также методов и приемов проведения измерений и представления их результатов. Основной потребитель измери-тельной техники – промышленность. здесь измерительная техника является неотъемлемой частью технологического процесса, так как применяется для получения информации о технологических режимах, определяющих ход процесса.

технологические измерения – совокупность измерительных устройств и методов измерений, используемых в технологических процессах.

Качество измерений – это совокупность свойств, обусловливающих соответствие средств, метода, методики, условий измерений и состояния единства измерений требованиям измерительной задачи.

По зависимости измеряемой величины от времени различают измерения:

• статические – измерение физической величины, значение которой может рассматриваться постоянным в течение времени измерения (измерение размера тела при нормальной температуре);

• динамические – измерение физической величины, значение которой изменяется с течением времени (измерение массовой доли воды в продукте в процессе сушки).

Строго говоря, все физические величины подвергаются тем или иным изменениям во времени, поэтому разделение измерений на динамические и статические является условным.

По способу получения результатов измерения бывают прямыми, косвенными, совокупными, совместными.

Под прямым понимают измерение, при котором искомое значение физической величины находят непосредственно из опытных данных. В процессе прямого измерения объект приводят во взаимодействие со средством измерений и по показаниям последнего отсчитывают значение измеряемой величины. Примером прямых измерений могут служить измерения длины с помощью линейки, массы  с помощью весов, температуры  стеклянным термометром, активной кислотности  с помощью рН-метра и т. д.

Косвенное измерение – измерение, при котором искомое значение величины определяют на основании результатов прямых измерений других физических величин, функционально связанных с искомой величиной. При косвенных измерениях значение измеряемой величины находят по уравнению

Х = F(x₁, x₂, x₃, …, x_n), (3.1)

где x₁, x₂, x₃, …, x_n – значения величин, полученные в процессе прямых измерений.

Косвенные измерения используют в тех случаях, когда отсутствует измерительное средство для прямых измерений или результаты прямых измерений недостаточно точны. Косвенные методы широко применяются при определении состава и свойств пищевых веществ. Примером косвенных измерений могут служить: измерения плотности однородного тела по его массе и объему; определение массовой доли воды в пищевых продуктах методом высушивания, сущность которого заключается в высушивании продукта до постоянной массы и определении массовой доли воды по формуле

где М₁ – масса бюксы с навеской до высушивания, г; М₂ – масса бюксы с навеской после высушивания, г; М – масса навески.

Совокупные измерения – производимые одновременно измерения нескольких одноименных величин, при которых искомые значения величин находят решением системы уравнений, получаемых при прямых измерениях различных сочетаний этих величин. Например, значение массы отдельных гирь набора определяют по известному значению массы одной из гирь и по результатам измерений (сравнений) масс различных сочетаний гирь.

Совместные измерения – производимые одновременно измерения двух или нескольких неодноименных величин для нахождения зависимости между ними (например, производимые одновременно измерения приращения длины образца в зависимости от изменений его температуры и определение коэффициента линейного расширения по формуле k = l / (l t)). Совместные измерения практически не отличаются от косвенных.

По точности измерения бывают равноточными и неравноточными. Равноточные измерения – ряд измерений какой-либо величины, выполненных одинаковыми по точности средствами измерений в одних и тех же условиях. Например, параллельные измерения состава и свойства веществ. Неравноточные измерения – ряд измерений какой-либо величины, выполненных различными по точности средствами измерений и (или) в разных условиях. Например, массовую долю воды в вяленой рыбе определяли двумя методами: сушкой при температуре 130 ^оС и на приборе ВЧ при температуре 150 ^оС; допустимая ошибка в первом случае ± 1 %, во втором – ± 0,5 %.

По числу измерений в ряду измерений различают однократные (например, измерение конкретного времени по часам) и многократные измерения (состоят из ряда однократных измерений одной и той же физической величины). Обычно многократными измерениями считаются те, которые производят более трех раз. За результат многократных измерений принимают среднее арифметическое значение отдельных измерений.

По метрологическому назначению измерения бывают техническими и метрологическими. Техническое измерение выполняется с помощью рабочих средств измерений с целью контроля и управления научными экспериментами, технологическим процессом и т. д. (измерение температуры в коптильной печи, определение массовой доли жира в продукте). Метрологическое измерение проводится с использованием эталонов с целью введения новых единиц физических величин или передачи их размеров рабочим средствам измерений.

По выражению результата измерения подразделяются на абсолютные и относительные. Абсолютные измерения основаны на прямых измерениях одной или нескольких основных величин и на использовании физических констант. Например, измерение силы тяжести F основано на измерении основной величины – массы m и использовании физической постоянной g: F = mg. Относительные измерения выполняются с целью получения отношения величины к одноименной величине, принятой за исходную, или к относительному изменению величины (например, измерение относительной влажности воздуха).

По сложившимся совокупностям измеряемых величин различают измерения:

 электрические (измерение силы тока, напряжения, мощности),

 механические (измерение массы, количества изделий),

 теплоэнергетические (измерение температуры, давления),

 физические (измерение плотности, вязкости, мутности),

 химические (измерение состава, химических свойств, концентрации продукта),

 радиотехнические

и другие.

Измерения условно можно разделить на четыре этапа.

• I этап (начальный)  постановка задачи (цели); на этом этапе выполняются следующие операции:

• сбор данных об условиях измерения и исследования ФВ, т. е. накопление априорной (известной до начала измерений) информации об объекте измерения и ее анализ;

• формирование модели объекта и определение измеряемой величины;

• постановка измерительной задачи на основе принятой модели объекта измерений;

• выбор конкретных величин, посредством которых находится значение измеряемой величины;

• составление уравнения измерения.

• II этап – планирование измерения, которое осуществляется в такой последовательности:

• выбор метода измерения непосредственно измеряемых величин и типов СИ;

• априорная оценка погрешности измерения;

• определение требований к метрологическим характеристикам СИ и условиям измерений;

• выбор СИ;

• выбор параметров измерительной процедуры (числа наблюдений, моментов времени, точек выполнения наблюдений);

• подготовка СИ к измерениям;

• обеспечение требуемых условий измерения или создания условий для их контроля.

• III этап – измерительный эксперимент, который предполагает:

• взаимодействие СИ с объектом измерений;

• преобразование сигнала измерительной информации;

• воспроизведение сигнала заданного размера;

• сравнение сигнала и регистрация результата.

• IV этап – обработка экспериментальных данных, которая включает:

• предварительный анализ информации, полученной на предыдущих этапах измерений;

• вычисление и внесение необходимых поправок на систематические погрешности;

• формирование и анализ математической задачи обработки данных, построение возможных алгоритмов обработки данных;

• проведение вычислений согласно принятому алгоритму;

• анализ полученных результатов;

• запись результата измерений и показателей погрешности в установленной форме.

Некоторые пункты IV этапа могут отсутствовать в зависимости от ФВ и метода измерений.