2.8.2. Анализаторы состава жидкостей

Анализаторы состава жидкостей широко применяются в различных отраслях пищевой промышленности для определения качества сырья, промежуточных и готовых продуктов. С их помощью измеряют содержание и концентрацию кислот, солей, щелочей в водных растворах, добавок ионов металлов в тесте и т. д. По принципу действия анализаторы состава жидкостей подразделяются на:

электрохимические (кондуктометрические, потенциометрические, полярографические),

оптические (колориметрические, рефрактометрические, нефелометрические, турбидиметрические, поляризационные,

пламенно-фотометрические, люминисцентные),

диэлькометрические,

радиоизотопные,

акустические,

тепловые.

В лабораторных испытаниях применяют магнитооптические методы, метод ядерно-магнитного резонанса, электронно-парамагнитный, масс-спектрометрический, магнитный и другие методы.

Кондуктометры

В пищевой промышленности для различных технологических процессов применяются растворы солей, кислот и щелочей. 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 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 – Сименс-метр в минус первой степени (См/м) изменяется для водных растворов электролита от 10^-4См/м (бидистиллят) до 100 См/м (сильные электролиты). Это позволяет контролировать концентрацию с достаточно высокой чувствительностью.

Контактные кондуктометры

Конструктивно кондуктометрическая ячейка представляет собой два электрода площадью S, помещаемые в раствор на расстоянии l между собой.

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).

В контактной кондуктометрии получили широкое распространение 4-электродные ячейки (рис. 2.55). Эти ячейки имеют преимущество перед 2-электродными благодаря полному отсутствию поляризации на измерительных (внутренних) электродах.

Р ис. 2.55. Принципиальная электрическая схема четырехэлектродной кондуктометрической измерительной ячейки.

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 R_t.

Бесконтактные кондуктометры

К недостаткам контактных кондуктометров можно отнести, помимо явления поляризации, растворимость, загрязнение электродов, образование на них окисных пленок и осадков. От этих недостатков практически свободны бесконтактные кондуктометры.

Бесконтактные кондуктометры подразделяются на низкочастотные (до 1000 Гц) и высокочастотные (до десятков МГц). Принципиальная схема низкочастотного бесконтактного кондуктометра представляет собой замкнутый виток, образованный трубкой из диэлектрика, которая и заполнена анализируемым раствором. Этот виток является короткозамкнутой вторичной обмоткой трансформатора возбуждения ТV1 и первичной обмоткой измерительного трансформатора ТV2 (рис. 2.56).

Рис. 2.56. Принципиальная электрическая схема низкочастотного бесконтактного кондуктометра.

R₁, R₂, R₃ – постоянные сопротивления; R_t – термопреобразователь сопротивления; R_р –переменное сопротивление.

В результате электромагнитного взаимодействия в жидкостном витке индуцируется потенциал Е_р, зависящий от числа витков первичной обмотки ω₁ и напряжения U, питающего первичную обмотку TV1.

Величина электродвижущей силы Е_изм, наводимая во вторичной обмотке трансформатора ТV2, пропорциональна концентрации раствора. Как правило, измерение производится компенсационным методом, для этого используется дополнительная обмотка ω₃ ТV2. Изменение компенсирующего тока I_к производится реверсивным двигателем РД, перемещающим движок реохорда и показывающего прибора. Компенсация температурной погрешности осуществляется находящимся в контролируемом растворе термометром сопротивления, включенным в мостовую корректирующую цепь.

Прибор может быть использован для автоматического контроля и регулирования концентрации моющих растворов (технической соды и азотной кислоты) на централизованных станциях приготовления моющих растворов.

Низкочастотные кондуктометры, обладая преимуществами бесконтактности, имеют ряд существенных недостатков. Так, они чувствительны к наводкам со стороны внешних магнитных полей той же частоты, что и питающее напряжение.

В последнее время широкое применение находят высокочастотные безэлектродные кондуктометрические анализаторы. В основе действия этих приборов лежит взаимодействие электрического поля высокой частоты с находящимся в ячейке раствором.

Измерительная ячейка представляет собой выполненный из изоляционного материала сосуд, на внешней стороне которого крепятся электроды (емкостные датчики) или катушка (индуктивные).

Активная и реактивная составляющие полной проводимости функционально связаны с электрофизическими свойствами вещества – электропроводностью и диэлектрической проницаемостью .

На рис. 2.57. приведена структурная схема измерительной ячейки емкостного типа.

Р ис. 2.57. Структурная схема кондуктометрической измерительной ячейки емкостного типа. С₁ - емкость стенок сосуда; С₂ - электрическая емкость продукта ; R₂ - cопротивление продукта.

Для контроля концентрации синтетических моющих растворов применяют высокочастотный бесконтактный кондуктометр с частотой изменения 25 МГц .

Потенциометрические анализаторы

В пищевой промышленности для контроля кислотности различных продуктов и сред широко применяются потенциометрические анализаторы (рН-метры) различной модификации. Их действие основано на потенциометрическом методе измерения концентрации ионов водорода.

Суть метода заключается в измерении разности электрических потенциалов двух электродов. При этом один из них, вспомогательный, имеет постоянный потенциал. Потенциал другого электрода, индикаторного, обусловлен концентрацией ионов водорода в анализируемом растворе. Активность ионов водорода характеризует как кислотные, так и щелочные свойства раствора.

Вода, являясь нейтральной средой, диссоциирует на ионы водорода и гидроксильные ионы:

H₂O = (H⁺)+(OH^-).

Константа равновесия диссоциации воды:

К= (H⁺)∙(OH^-)/( H₂O).

Концентрацию недиссоциированных молекул воды можно считать постоянной (55,5 М), тогда

К_Н20=(Н⁺)∙(ОН^-)

где К_Н20 - константа, называемая ионным произведением воды (К_Н20 = 10^-14 при температуре 22 °С).

В процессе диссоциации воды образуется равное количество ионов водорода и гидроксильных ионов, поэтому их концентрация определяется как:

(Н⁺)=(ОН^-) =10^-7 моль/л

Концентрацию ионов водорода принято выражать через рН– отрицательный десятичный логарифм концентрации ионов водорода (Н⁺):

pН = -lg ( H⁺).

В связи с тем, что в результате электростатического взаимодействия ионов водорода возможны образования ионных пар, величину рН определяют как логарифм активных ионов водорода, взятый с обратным знаком:

рH= -lg [ (H⁺ ).f] =lg _α H⁺ ,

где f - коэффициент активности ионов водорода.

При температуре 22 °С для чистой воды величина рН=7, кислые среды имеют рН <7, щелочные рН >7. Значение величины рН зависит от температуры.

В пищевой промышленности в качестве индикаторных электродов применяются стеклянные, а в качестве вспомогательных – хлорсеребряные.

Корпус индикаторного электрода состоит из калиброванной стеклянной трубки. К её концу приварена мембрана из специального электродного стекла. Форма этой части электрода может быть различной (шарообразной, кольцевидной, игольчатой) в зависимости от вида контролируемого продукта.

Внутренняя часть корпуса заполнена 0,1 Н раствором КС1 с кристаллами хлористого серебра. В него погружается контактный хлорсеребряный электрод, от которого отходит экранированный кабель.

Стеклянные мембраны изготовляются из сортов стекла, содержащих примеси одновалентных металлов (Na, Li, K), ионы которых под воздействием электростатических сил переходят в раствор. Их места замещаются ионами водорода.

Изготовляемые в настоящее время электроды не подвержены поляризации, загрязнению и могут работать при температурах до 100 °С.

В качестве вспомогательного применяется хлорсеребряный электрод, имеющий пластмассовый корпус с серебряным контактом. Полость вокруг контакта заполнена кристаллическим хлористым серебром. Для препятствия диффузии серебра в раствор применена пористая перегородка, зажатая шайбой.

При погружении индикаторного электрода в анализируемый раствор между поверхностью электрода и раствором вследствие обмена ионами металла и водорода возникает разность потенциалов:

Е_х = Е₀+ 2,3 RT /F lg_αH⁺,

где Е₀ – начальное значение потенциала;

R - универсальная газовая постоянная;

T - абсолютная температура;

F - число Фарадея.

На рис. 2.58 показана измерительная схема рН - метра. В сосуд с контролируемой средой 10 помещается измерительный электрод 11. Он представляет собой стеклянную пробирку, на конце которой находится шарик 9 из специального литиевого стекла. Внутри электрода находится стержень 12 из бромистого серебра. Пробирка заполняется раствором бромисто-водородной кислоты НВг и закрывается пробкой 1. При опускании электрода в контролируемый раствор ионы лития на поверхности шарика замещаются на ионы водорода из раствора и электрод приобретает положительный электрический потенциал Е_х, тем больший, чем больше концентрация ионов водорода, т.е. кислотность среды. Для создания разницы электрических потенциалов служит вспомогательный хлорсеребряный электрод 8. Он представляет собой стеклянную колбу, в которой находится серебряная спираль 2. На конце спирали, выведенной из электрода, находится клемма для подсоединения внешнего провода. Электрод заполняется раствором хлористого серебра AgCl и электрод закрывается пористой пробкой 3. При химическом взаимодействии серебра с раствором AgCl, электрод приобретает постоянный электрический потенциал Е_п. Для замыкания электрической цепи служит электролитический ключ 4, представляющий сосуд с трубкой 5, опущенный в контролируемый раствор. Трубка затыкается пробкой 6, сквозь которую пропущен матерчатый фитилек 7. Ключ заполняется раствором хлористого калия КС1. Электрический контакт между растворами AgCl и КС1 происходит через пористую пробку (перегородка) 3, а между раствором КС1 и контролируемой средой медленным (около 4 мл/сут) перетеканием раствора КС1 по фитильку в контролируемую среду. В качестве измерительного прибора используется специальный милливольтметр или преобразователь сигнала с высокоомным входом, подключаемые к клеммам измерительного и вспомогательного электродов. На входе в измерительный прибор формируется падение напряжения АЕ = Е_х- Е_п = f(E_x), т. е. пропорциональное потенциалу измерительного электрода.

Рис. 2.58. Измерительная схема рН-метра

На рис. 2.59 представлен внешний вид промышленного потенциометра рН-4121, предназначенного для автоматического измерения активности ионов водорода в диапазоне от 0 до 14 рН и температуры от 0 до 100 °С водных сред в комплекте с проточной или погружной арматурой для комбинированного электрода в автоматизированных системах управления технологическими процессами в различных отраслях промышленности, в том числе пищевой.

Рис. 2.59. Потенциометр рН-4121

рН-метр рН-4121 состоит из первичного преобразователя и измерительного прибора. Градуировка прибора выполняется из меню первичного преобразователя. Прибор осуществляет преобразование измеряемых параметров в унифицированный аналоговый выходной сигнал постоянного тока; обеспечивает обмен данными с компьютером по цифровому интерфейсу; сигнализирует при выходе измеряемых параметров за пределы заданных значений.

Существует множество модификаций рН - метров: предназначенных для автоматического измерения параметров среды в потоке, в лабораторных условиях, мобильных приборов. На рис. 2.60. приведен внешний вид pH-метра рН-150MП предназначенного для оперативного определения активности ионов водорода pH, окислительно-восстановительного потенциала Eh и температуры технологических растворов. Имеются модификации этого прибора для измерения pH и Eh мяса, хлебобулочных изделий и полуфабрикатов.

Рис. 2.60. рН-метр-милливольтметр рН-150МП