2.8. Измерение состава и свойств веществ

Средства измерений или измерительные приборы для получения измерительной информации о составе или физико-химических свойствах анализируемых веществ называются анализаторами. В зависимости от агрегатного состояния анализируемого вещества различают:

газоанализаторы,

- анализаторы жидкостей и анализаторы твердых веществ.

Средства для измерения влажности называются влагомеры.

Плотность жидкостей измеряют плотномерами.

Вязкость жидкостей измеряют визкозиметрами.

2.8.1. Влагомеры

Влагомеры продуктов. При выборе методов измерения влажности твердых и сыпучих материалов необходимо в первую очередь учитывать формы ее связи с материалом, зависящие от многих факторов, обусловливаемых структурой и строением анализируемого вещества. Формы связи разнообразны и сложны, однако условно можно разделить влагу, связанную с твердым веществом, на два основных вида — свободную и связанную.

Связанная влага резко отличается по своим свойствам от свойств свободной воды.

Для количественной характеристики содержания влаги в продуктах применяют два показателя – влагосодержание U и влажность W:

U= [M_в /M_c]▪ 100 = [M_вм–M_с/M_c]∙100 ;

W= [M_в /M_вм]▪100 = [M_вм–M_c/M_вм]∙100 ,

где М_в - масса влаги;

М_с - масса абсолютно сухого материала;

М_вм - масса влажного материала.

Влажность продуктов определяют прямыми (как правило, весовыми) и косвенными (кондуктометрическими, емкостными, сверхвысокочастотными, инфракрасными, ядерно- магнитного резонанса и пр.) методами.

Для непрерывного контроля пищевого продукта в технологической схеме нашли применение сверхвысокочастотные (СВЧ) и инфракрасные (ИК) методы.

Влагомеры сверхвысокочастотные (свч)

Известны СВЧ– методы для измерения диэлектрических параметров: а) в свободном пространстве; б) в волноводах и резонаторах.

При измерении в свободном пространстве образец материала размещается между передающей и приемной антеннами, к которой подключен детектор.

Так как электрофизические параметры воды в десятки раз больше, чем у сухого материала, то с изменением содержания влаги они существенно изменяются. Таким образом, ослабление СВЧ - излучения при прохождении через материал и фазовый сдвиг СВЧ излучения являются функциями влажности.

Влагомеры инфракрасные (ИК)

Из других методов, нашедших применение в автоматических системах управления в пищевой промышленности, можно отметить метод инфракрасной спектроскопии, основанный на поглощения или отражении света в этой области спектра материалами, в зависимости от их абсорбционных или рассеивающих характеристик. Удельный коэффициент абсорбции, зависит от его химического состава, в том числе от влажности.

На рис. 2.49. показаны ИК - спектры двух образцов с различным содержанием влаги.

Рис. 2.49. ИК - спектры двух образцов с различным содержанием влаги W1 и W2.

Как видно, на длинах волн 1,9 и 1,45 мкм отражение уменьшается с повышением содержания влаги. При этом в области длин волн 1,7 и 1,1 мкм отражательная способность практически не зависит от содержания влаги. Для исключения побочных факторов измерение влажности осуществляют дифференциальным методом. Так, в данном случае можно осуществить измерения на 1,9 и 1,7 мкм. Таким образом исключается влияние неравномерности поверхности на результаты измерений.

Принцип действия инфракрасных влагомеров продуктов на примере влагомера фирмы «Анакон» (рисунок 2.50):

-сферическое зеркало. Служит для фокусировки ИК-излучения, отраженного от образца продукта на фоторезисторе;

- источник ИК-излучения в диапазоне волн измерения и сравнения (попеременно), направляемого через вращающийся фильтр на анализируемый объект;

- фоторесзистор. Чередование длин волн генерирует в фоторезисторе сигнал, состоящий из двух серий импульсов;

- усилитель сигналов от фоторесзистора и дискриминатор (преобразователь), в котором сигналы разделяются и преобразовываются в сигналы постоянного тока.

- измерительный прибор, в котором разность между сигналами преобразуется в показатель влажности продукта.

Р ис. 2.50.Функциональная схема ИК-влагомера фирмы «Анакон».

Метод инфракрасной спектроскопии может быть использован для контроля влажности муки и сухого молока по отражательной способности продуктов в ближней ИК-области спектра.

Влажность воздуха является одним из основных параметров процессов сушки, увлажнения, обжарки, выпарки, а также в установках кондиционирования, вентиляционных и холодильных. Контроль и регулирование этого параметра необходимы в складских и производственных помещениях. Основные задачи контроля влажности воздуха:

- измерение при отрицательных температурах, что имеет большое значение для обеспечения необходимых режимов хранения продуктов в холодильных камерах. Контроль влажности осложняется незначительной величиной упругости водяного пара при отрицательных температурах;

- измерение влажности паровоздушной смеси при высоких температурах, в частности, в пекарных камерах.

Для характеристики влажности воздуха и других газов используются следующие величины:

абсолютная влажность - масса водяного пара, содержащаяся в единице объема влажного или сухого газа, г/м³ или кг/м³;

влагосодержание - отношение массы водяного пара к массе сухого газа в том же объеме;

объемное влагосодержание - отношение объема водяного пара к объему сухого или влажного пара;

точка росы - температура, до которой должен охладиться влажный газ, чтобы содержащийся в нём водяной пар достиг насыщения и начал конденсироваться;

относительная влажность φ – отношение действительной влажности газа к максимально возможной при данной температуре:

φ = [е / Е]▪100 % ,

где е - упругость водяного пара, Па;

Е-упругость насыщенного водяного пара при данной температуре, Па.

Психрометрические влагомеры

К наиболее известным и применяемым методам измерения влажности газов относится психрометрический метод.

Метод основан на зависимости между упругостью водяного пара и показаниями сухого и влажного термометра:

е = Е_м – Ар (t_c–t_м) ,

где е – упругость водяного пара, Па;

Е _м – максимальная возможная упругость пара при температуре t_м, Па;

р – атмосферное давление, Па;

t_c и t_м – температура сухого и влажного термометра, °С;

А – психрометрический коэффициент, 1/°С

Отсюда относительная влажность φ:

φ = [Е_м – Ар (t_c–t_м)]/ Е_с ,

где Е_с - упругость насыщенного водяного пара при температуре t_с , Па.

Коэффициент А определяется эмпирически и зависит от многих факторов. Существенное влияние на него оказывает скорость воздуха, омывающего мокрый термометр. С возрастанием скорости воздуха коэффициент А убывает, но при скорости более 3 м/с остается практически неизменным. В связи с этим в современных психрометрических преобразователях предусмотрено устройство для искусственного обдувания со скоростью 3–4 м/с .В качестве чувствительный элементов электрических психрометров используются термометры сопротивления, термопары и термисторы.

На рисунке 2.51 представлена принципиальная электрическая схема психрометрического влагомера, включающая в себя:

- измерительную часть прибора, состоящую из 2-х мостов переменного тока где R_c и R_м - сухой и влажный термометры;

- усилитель сигналов (1), на который подается разность напряжений между точками а и b с двойного моста, пропорциональная разности температур влажного и сухого термометров;

- реверсивный двигатель (2), связанный со стрелкой показывающего прибора (3).

Рис. 2.51. Принципиальная электрическая схема психрометрического влагомера

На рассмотренном методе основан влагомер психрометрический автоматический типа АПВ. Этот прибор применяют для контроля относительной влажности паровоздушной смеси в расстойных шкафах .

При применении различных регулирующих устройств возможно использование влагомера типа АПВ в схемах автоматического регулирования влажности в термических агрегатах. Пределы измерения 10–100 % относительной влажности. Температура среды 30–100 °С. Основная погрешность измерения в комплекте с вторичным прибором ±3%.

Электрические гигрометры точки росы, или конденсационные влагомеры

Метод основан на охлаждении испытуемого газа до температуры, при которой наступает состояние его насыщения, т.е. до точки росы. Относительная влажность φ =[Е_τ / Е_t]▪100 % ,

где Е_τ - упругость насыщенного пара при температуре точки росы, Па;

Е_t - упругость насыщенного пара при данной температуре , Па.

Таким образом, необходимо определить температуру точки росы и температуру исследуемого газа. Используя данный метод можно измерять влажность воздуха при давлениях до 10–15 МПа. На рис. 2.52 приведена принципиальная схема прибора для определения влажности газов по методу точки росы. Исследуемый газ поступает через вход 1 и омывает зеркальце 2, охлаждаемое холодным воздухом, поступающим по трубке 4. К поверхности зеркала прикреплена высокочувствительная термопара 3, подключенная к потенциометру 6. Появление конденсата на поверхности зеркала приводит к рассеянию светового потока, что вызывает уменьшение тока, протекающего на выходе фотоэлемента 7, а это вызывает срабатывание реле 8 и замыкание контактов питания нагревателя 5. При этом включается нагревательный элемент и потенциометр 6 на измерение температуры зеркальца.

Нагревательный элемент остается отключенным до тех пор, пока зеркальце не нагреется и не испарится влага с его поверхности, после чего нагреватель отключается и зеркальце охлаждается.

Рис. 2.52. Структурная схема автоматического влагомера точки росы

Гигрометры чаще применяются для контроля сред с отрицательной температурой и высоким давлением. Погрешность измерения эти методом составляет 2÷3 %.

Сорбционные влагомеры

Принцип действия электрических сорбционных влагомеров основывается на изменении электрофизических характеристик сорбента при увлажнении. Конструктивно датчик представляет собой чувствительный элемент из микропористого сорбента с напыленными электродами. При этом осуществляется измерение его сопротивления или емкости, которые изменяются в зависимости от влажности окружающей газовой среды.

Измерить относительную влажность воздуха в хлебопекарной печи при температурах до 200°С можно с помощью влагомеров с влагочувствительными элементами немецкой фирмы MELA. Эти элементы используются для измерения относительной влажности воздуха и других неагрессивных газов. Их работа основана на емкостном принципе измерения. Элемент представляет собой систему электродов и влагочувствительного полимерного слоя на керамическом субстрате. Система образует влагозависимый конденсатор, емкость которого зависит от относительной влажности окружающего воздуха. (Рисунок 2.53). Разные типы влагочувствительных элементов отличаются степенью устойчивости к внешним воздействиям и емкостью.

Рис. 2.53.Влагочувствительныеэлементы MELA.

В деформационных гигрометрах в качестве чувствительных элементов применяют различные нити или мембраны, изменяющие свои механические свойства при поглощении влаги из окружающей газовой среды. Так, измеряющий влажность элемент «Polyga^TM» состоит из нескольких синтетических нитей, каждая из которых, в свою очередь, содержит 90 отдельных волокон диаметром 0,003 мм каждое. В своем обычном состоянии синтетические нити не гигроскопичны – эти свойства появляются под воздействием специальных процессов, что позволяет синтетическим нитям впитывать влагу. Молекулярная структура каждой нити – это вытянутые вдоль её длины цепочки молекул. Когда нить впитывает влагу, цепочки молекул изменяют свою форму, видимый результат этого – изменение длины нитей. Потеря влаги нитями вызывает обратный эффект. Если нить находится в равновесии с влажностью окружающего воздуха, не происходит ни абсорбции, ни потери воды. Длина нити в этой точке используется как критерий относительной влажности. Измерительный элемент абсорбирует и испаряет влагу; эффект набухания, проявляющийся, главным образом, в увеличении длины, передается системой рычагов микровыключателю с очень маленькой переключающейся частью. На изменение влажности воздуха измерительный элемент реагирует быстро и точно. При настройке уставки с помощью ручки регулятора, система рычагов приводится в действие таким образом, что когда достигается установленное значение влажности воздуха, активируется микровыключатель.

Эти элементы применяются в гигростатах типа HGmini (рисунок 2.54). Измерительный элемент распологается внутри корпуса и должен быть защищен от попадания пыли, грязи и воды. Данные гигростаты сконструированы для систем с нормальным атмосферным давлением Гигростат является контроллером с двухпозиционным (вкл./выкл.) регулированием относительной влажности воздуха. Он используется для управления работой увлажнителей и осушителей в офисных помещениях, в складах для хранения пищевых продуктов.

Рис. 2.54.Гигростат типа HGmini