2. Измерительные преобразователи и приборы для измерения состава и свойств сред

В ходе переработки исходных пищевых продуктов и сырья и превращения их в готовые изделия происходит многократное изменение их физико-химических свойств и состава. Измерение параметров, характеризующих состав и свойства пищевых про­дуктов, позволяет судить о режиме этих процессов непосредст­венно. так как именно они характеризуют качество продуктов. Поэтому контроль этих параметров является обязательным, а иногда и главным элементом многих систем управления техноло­гическими процессами пищевых производств.

Средства измерений для получения измерительной информа­ции о составе или свойствах анализируемых веществ называют­ся анализаторами

1. Измерение плотности жидкостей

Измерения, связанные с анализом состава и свойств веществ, основаны на использовании зависимостей между составом ана­лизируемого вещества (или концентрациями его компонентов) и величинами, характеризующими его физические или физико­химические параметры.

Плотность жидкости является одним из показателей (пара-

метров), характеризующих ее свойства. Плотность — это масса вещества, заключенная в единице объема.

Весовые плотномеры. Этн приборы основаны на измерении массы анализируемой жидкости определенного объема, которая , является функцией ее плотности. Конструктивно они выпол­няются в виде мерной камеры определенного объема, масса которой измеряется.

Весовой плотномер (рис. 3.19) с (/-образной трубкой 2 в качестве чувствительного элемента снабжен пневматическим преобразователем. По (/-образной трубке непрерывно протекает анализируемая жидкость, подводимая к ней через специальные безмоментные подводы гибкие рукава / (резиновые трубки, сильфоны н т. п.). Изменение массы чувствительного элемента, пропорциональное изменению плотности жидкости, перелается с помощью тяги 3 на левое плечо рычага 4. На правое плечо того же рычага действуют противовес 5 и усилие енльфона об­ратной связи 6. Перемещение рычага 4 преобразуется в пневма­тический сигнал с помощью пиевмоиреобразователя типа соп­ло — заслонка 7. Этот сигнал поступает к измерительному пне­вматическому прибору н в енльфон обратной связи 6. При равновесии рычага 4 выходной пневматический сигнал пропор­ционален плотности анализируемой жидкости. Настройка при­бора на необходимый диапазон измерения осуществляется пере­мещением груза 5.

Поплавковые плотномеры. Приборы основаны на изменении степени погружения поплавка, являющейся функцией плотности анализируемой жидкости. При погружении в жидкость полупо- груженного тела (поплавка) согласно закону Архимеда на него

Рис. 3.19. Весовой плотномер жидкости

будет действовать выталкивающая си­ла. равная массе вытесненной им жид­кости.

Рис. 3.20. Автоматически (I поплавковый плотномер

В лабораторной и производственной практике широко используются поп­лавковые приборы, предназначенные для эпизодических измерений, так на­зываемые ареометры. Они могут быть стеклянными или металлическими и самой разнообразной формы. В пище­вой промышленности применяется большая группа плотномеров автома­тических, использующих поплавковый (ареометрнческнй) принцип измерения.

В поплавковом плотномере (рис. 3.20) анализируемая жидкость подводится н измерительную камеру I через входной патрубок и отводится через выходной сливной. Поплавок 2. полностью погруженный в жидкость, с помощью штока 3 соединен с тор­сионной трубкой (пружиной) •/. Уси­лие. создаваемое на ней, уравновеши­вает выталкивающую силу поплавка. Торсионная трубка сое­динена также с сердечником электрического преобразователя 5. к которому подключается измерительный прибор.

Гидростатические плотномеры. Принцип их действия основан на измерении давления столба однородной анализируемой жид­кости определенной пысоты, пропорционального ее плотности. Эта зависимость выражается следующим уравнением:

P=l>gH. (3.14)

где р давление столба жидкости. Па. р— Плотность жидкости, кг/м’. К — ускорение свободного падении, м/с’; Н высота столба жидкости, м.

При неизменной высоте столба жидкости Н давление р является мерой ее плотности. Известны гидростатические плот­номеры е чувствительными элементами в виде мембран или силь­фонов и с продувкой воздухом, называемые пневмометрнческими.

Г идростатические пневмометрическне плотномеры с продувкой воздухом основаны на принципе, суть которого ясна из схемы, приведенной на рис. 3.21. Через трубку, погруженную открытым концом в анализируемую жидкость на постоянную глубину Н, продувают (барботнруют) воздух. К трубке подключен измери­тельный прибор — чувствительный манометр, давление в котором прямо пропорционально плотности контролируемой жидкости (определяется по формуле (3.14)).

Рис. 3.22. Радиоизотопиый плот­номер

Рис. 3.21. Схема пненмомег- ричсского измерения плот мости жидкости

Радиоизотопные плотномеры. Измерение плотности раз­личных сред этими плотномерами основано на зависимости сте­пени ослабления ионизирующего излучения, прошедшего через анализируемую среду, от плотности этой среды.

В радиоизотоп ном плотномере (рис. 3.22) пучок у^,,злУ* чения от источника / проходит через анализируемую жидкость 2. протекающую по трубопроводу или находящуюся в сосуде, и попадает на приемник излучения (детектор) 3. При изменении плотности жидкости изменяется интенсивность излучения, попадающего на приемник 3. Полученный сигнал далее подается на усилитель 4, а затем и на измерительный прибор 5.

2. Измерение вязкости жидкостей

Вязкость жидкостей характеризуется динамическим коэффи­циентом вязкости величиной, равной отношению силы внутрен­него трения, которая действует на поверхности слоя жидкости при градиенте скорости, равном единице, к площади этого слоя. Для измерения вязкости служат вискозиметры.

Капиллярные вискозиметры. Их действие основано на исполь­зовании закона Пуазенля для истечения жидкости из капилляр­ных трубок:

(3.15)

Q=(nd*/nl)Ap\

где Q — объемный расход жидкости, вытекающей из трубки, м’/с; d - диаметр трубки, м; р динамический коэффициент вязкости жидкости. Па-с; I — длина трубки, м, Ар — разность давлений между концами трубки, Па.

L

В капиллярном вискозиметре (рис. 3.23) постоянство зна­чения расхода обеспечивается шестеренным насосом /. Анали­зируемая жидкость проходит через капиллярную трубку 3 диа­метром d и длиной /. Перепад давления между входом и вы­ходом трубки измеряется чувствительным днфманометром 2, от­градуированным в единицах вязкости.

29

Рис. 3.24. Ритаинониий вискозиметр с коаксиаль­ными цилиндрами

Шариковые вискозиметры. В основе принципа их действия лежит теория Стокса, справедливая в применении к движению шариков малого диаметра в жидкостях и заключающаяся в том. что шар, падающий в достаточно вязкой среде, приобретает постоянную скорость движения за сравнительно короткий проме­жуток времени.

Ротационные вискозиметры. Принцип нх действия основан на измерении моментов сопротивления или крутящих моментов, передаваемых анализируемой жидкостью чувствительному эле менту, которые являются функцией вязкости жидкости. Чаще других применяются приборы с коаксиальными цилиндрами, вращающимися телами и вращающимися параллельными диска­ми, погружаемыми в анализируемую жидкость.

Вискозиметр с коаксиальными цилиндрами (рис. 3.24) представляет собой два цилиндра, между которыми помещается анализируемая жидкость. При вращении внешнего цилиндра 2 с постоянной скоростью от электродвигателя / жидкость приходит в стационарное вращательное движение и передает момент вра­щения внутреннему цилиндру 3. Для сохранения этого цилиндра в покое к нему должен быть приложен противоположный по знаку н равный по величине момент силы, создаваемый, как показано на рисунке, грузом 4.

3. Измерение содержания веществ, растворенных в жидкостях

Анализаторы состава жидкостей представляют собой средства измерений, предназначенные для получения измерительной ин­формации о количестве вещества или его концентрации, а в некоторых случаях — о сумме компонентов веществ в анали­зируемой жидкости.

Кондуктометрические приборы. Принцип их действия основан на измерении электропроводности анализируемых растворов.

зо

Удельная электропроводность (удельная элек­трическая проводимость) жидкостей в зависи­мости от концентрации и природы растворенных в них веществ может изменяться на несколько порядков, от 10^-4 (чистая вода) до 100 См/м (сильные электролиты), что позволяет в ряде случаев просто и с высокой степенью точности контролировать концентрацию компонентов в растворах.

Рис. 3.25. Схема измерительной ячейки кондук­тометра

Чувствительный элемент этих приборов — измерительная ячейка — состоит из двух электро­дов, помещаемых в анализируемый раствор на определенном расстоянии один от другого (рис.

(3.16)

3.25). Сопротивление ячейки определяется элек­тропроводностью раствора. При плошади элек­тродов 5, расстоянии между электродами L и удельной электропроводности раствора а сопротивление нзме рительной ячейки (в Ом)

R — L/aS= К/а.

Измерение электропроводности может производиться как на постоянном, так и на переменном токе. В настоящее время широкое распространение получают бесконтактные методы изме­рения электропроводности растворов, которые обеспечивают измерение концентрации сильно загрязненных агрессивных жид­костей. суспензий и коллоидных растворов непосредственно в технологических потоках.

Потенциометрические анализаторы. С помощью этих прибо­ров могут быть измерены концентрация в растворах ионов водо­рода во всем диапазоне изменения — от самых кислых до самых щелочных сред, ионов разных веществ (Na, К, Са, Mg, Li и др.), а также окислительно-восстановительные потенциалы практи­чески любых сред.

Метод потенциометрического измерения концентрации ионов в растворах основан на измерении разности электрических потен­циалов двух специальных электродов, помещаемых в анализируе­мую среду, причем один из электродов является измерительным, а другой - вспомогательным и в процессе измерения свой по­тенциал изменять не должен. В качестве измерительных широко распространены стеклянные и сурьмяные электроды, в качестве вспомогательных — каломельные и хлорсеребряные.

Электрическая цепь преобразователя (ячейки) для измере­ния pH растворов (рис. 3.26) состоит из измерительного стек­лянного электрода / с вспомогательным внутренним электродом, служащим для создания электрической цепи, и внешнего вспо­могательного электрода 2, осуществляющего контакт с контроли­руемым раствором. При погружении электродов в анализируемый

для намерения pH растворов метр

раствор между поверхностью стекла шарика и раствором про­исходит обмен ионами, в результате чего одновалентные ионы металлов, содержащиеся в электродном стекле, переходят в ра­створ и замещаются ионами водорода из раствора. Вследствие такого взаимодействия между поверхностью стекла н контроли­руемым раствором возникает разность потенциалов Е_х, обус­ловленная активностью ионов водорода в растворе. Измеряя по­тенциал стеклянного электрода, погруженного в анализируемый раствор, можно определить значение pH.

Оптические анализаторы. Эти приборы относятся к классу спектральных анализаторов, в которых значение выходного сигнала измерительной информации зависит от взаимодействия потока излучения с анализируемой жидкостью или от свойств излучения анализируемой жидкости. В оптических приборах, как правило, в качестве измерительных преобразователей оптических величин в электрические применяются различные фотоэлектри­ческие преобразователи.

Рефрактометрический метод анализа жидких сред основан на использовании зависимости показателя преломления света при переходе его из одной среды в другую. В проточном рефрак­тометре (рис. 3.27) использована дифференциальная измери­тельная кювета.

Световой поток от источника I проходит через коллиматор 2 и направляется на измерительную кювету 3. состоящую нз двух частей: одна заполнена эталонной жидкостью, а через другую протекает анализируемый раствор. Пройдя через изме­рительную кювету, световой поток попадает на блок дифферен­циального фотоприемннка 4, состоящего из двух одинаковых фоторезнсторов. Если коэффициенты преломления контролируе­мой и образцовой жидкостей одинаковы, то и обе половины г, >то- приемника освещены одинаково. При этом сигнал разбаланса, подаваемый на электронный усилитель 5, равен нулю. При изме­нении концентрации анализируемой жидкости меняется коэффи­циент ее преломления и луч света отклоняется вверх или вниз,

что поведет к изменению освещенности частей фотопрнемиика. В результате на входе усилителя 5 появляется сигнал разбалан­са. который после усиления будет подан к реверсивному электро­двигателю 6, изменяющему положение блока фотоприемника до наступления нового состояния равновесия. Одновременно произ­водится перестановка стрелки показывающего или пера записы­вающего устройства 7.

Известны и также широко используются в пищевой про­мышленности оптические анализаторы жидкостей: колориметри­ческие. поляризационные, нефелометрнческие, турбндиметричес- кие и др.