2. Специальные методы измерения и контроля

В пищевой промышленности очень часто возникает необходи­мость в измерении влажности газов, твердых и сыпучих матери­алов и продуктов, состава газовых сред и других параметров, которые не рассматриваются в предыдущих пунктах.

1. Измерение влажности газов, твердых и сыпучих материалов

Содержание влаги (воды} в воздухе и других газовых средах, а также в твердых, вязкопластнчных и сыпучих материалах и продуктах является весьма важной характеристикой, определяю­щей как протекание многих технологических процессов (сушка, выпечка, обжарка, выпарка и др.), так и качество исходного сырья и готовой пищевой продукции.

Методы измерения влажности газов. Влажность воздуха (газа) — это содержание в нем водяного пара; абсолютная влажность — масса водяного пара, содержащаяся в единице объема влажного или сухого газа; влагосодержание — отноше­ние массы водяного пара к массе сухого газа в том же объеме. Психрометрический метод измерения влажности основан на ис­пользовании зависимости между упругостью водяного пара в га­зовой среде и показаниями сухого и влажного термометров, помещенных в эту среду.

Простейший психрометр состоит из двух одинаковых жид­костных стеклянных палочных термометров, расположенных ря­дом. Баллончик с ртутью одного нз термометров покрывается тканью, конец которой опускается в резервуар е водой. На осно­вании показаний обоих термометров по соответствующим таб­лицам определяют влажность воздуха нли газа. Психрометричес­кий метод положен в основу построения ряда автоматических промышленных приборов, предназначенных для непрерывного измерения влажности воздуха и газов.

Конденсационный метод измерения влажности газов, или

33

2-Автоматика и автоматизация

метод точки росы, основан на использовании следующей зависи мости:

(3.17)

ф= E,/Ei,

где £, — упругость насыщенного пара прн температуре точки росы т, Па; £, упругость насыщенного пара при температуре I, На.

Зная температуру точки росы т и температуру исследуемого газа t, можно определить его относительную влажность.

В основе сорбционного метода измерения влажности лежит способность некоторых веществ, имеющих пористую структуру, адсорбировать влагу на своей поверхности. В сорбционных элек­тролитических влагомерах влагочувствительный элемент пред­ставляет собой жидкую или сухую пленку электролита, наноси­мую на неэлектропроводную основу (подложку), которая облада­ет свойством поглощать влагу из окружающей среды до тех пор. пока не установится динамическое равновесие между давлением водяного пара непосредственно над поверхностью электролита и давлением пара окружающей среды. Сопротивление электро­литической пленки чувствительного элемента влагомера изменя­ется в зависимости от концентрации растворенного вещества и температуры. В качестве электролитов, применяемых в электро­литических датчиках, используются водные растворы хлорита лн- тня (L1CI), смесь поваренной и сегнетовой солей и др.

Методы измерения влажности твердых и сыпучих материалов. Средства измерений влажности твердых и сыпучих материалов — влагомеры — широко используются в пищевой промышленности в лабораториях и непосредственно в производственных услови­ях для контроля и управления технологическими процессами. Для характеристики содержания влаги в твердых и сыпучих материалах применяются, как правило, две величины: влагосо- держанне U и влажность W, выражаемые в относительных единицах или в процентах.

(3.18)

Влагосодержание отноше 'не массы влаги М. содержащей­ся в материале, к массе абсолютно сухого материала М„:

и=М/ЛI.

Влажность — отношение массы влаги М, содержащейся в ма териале, к массе влажного материала М_м:

(3.19)

VP = М /М _ял= М /(At, +М).

Известно много методов измерения содержания влаги в твер­дых и сыпучих материалах, которые могут быть подразделены на две большие группы: прямые и косвенные. В основе прямых методов лежит разделение исследуемого вещества или материала на влагу и сухой остаток. Косвенные методы, получившие самое широкое распространение во влагометрнн твердых и сыпучих

материалов, основаны на использовании функциональных связей между их физическими свойствами (тепловыми, механическими, электрофизическими и др.) н содержанием в них влаги.

Термогравнметрическнй метод, называемый также весовым или методом сушки, характеризуется тем. что проба исследуемого вещества или материала подвергается воздушно-тепловому высу­шиванию до постоянной массы. Метод получил широкое распро­странение как в лабораторной, так н в производственной прак­тике благодаря высокой точности и простоте аппаратурного оформления. В настоящее время этот метод является единствен­ным образцовым методом измерения влажности твердых и сы­пучих материалов, применимым к очень широкому классу ма­териалов.

Электрофизические методы косвенного измерения влажности основаны на зависимости электрофизических свойств исследуе­мых материалов и веществ (электрической проводимости, ди­электрической проницаемости, тангенса угла диэлектрических по­терь и др.) от содержания в них влаги.

Кондуктометрнческнй метод основан на использовании зави­симости между влажностью вещества W и его электрической проводимостью «т,

а_х=А / W", (3.20)

где а, ■ электрическая проводимость материала. См, А и *—положительные постоянные коэффициенты, зависящие от природы анализируемого материала и условнЛ измерения.

В качестве измерительных схем для реализации кондукто- метрического метода большое распространение получили раз­личного вида омметры и мегомметры — электронные и электро­магнитные.

Днэлькометрический метод измерения влажности основан на различии диэлектрической проницаемости твердых материалов, воздуха и воды. Поскольку относительная диэлектрическая про­ницаемость воды является величиной постоянной н близка к 81 (е.»81), а относительная диэлектрическая проницаемость боль­шинства сухих веществ лежит в пределах 2—10. то даже незначительное изменение влажности вещества вызывает изме­нение его электрических характеристик, в том числе диэлектрн ческой проницаемости. Для реализации диэлькометрического ме­тода используются влагомеры, состоящие из трех основных частей: высокочастотного генератора, первичного измерительного преобразователя и измерительной схемы (прибора).

2. Измерение составе газов

В пищевой промышленности газоанализаторы используются для анализа топочных газов при сжигании разных видов топли­ва, для контроля состава газовых сред в пекарных н сушильных камерах, концентрации диоксида серы, диоксида углерода и других газов, подаваемых в ходе многих технологических про­цессов виноделия, сахарного производства и др., а также для контроля концентрации предельных значений в пожаро- и взры- опасных пищевых производствах и помещениях, где возможно скопление газов, вредных для здоровья обслуживающего пер­сонала.

В комплект газоаналитических приборов наряду с датчиком и измерителем выходных сигналов входит, как правило, ряд вспомогательных узлов, обеспечивающих нормальную работу уст­ройства в целом. Основными вспомогательными узлами являют­ся приспособления для отбора, очистки, транспортирования и подготовки к анализу проб газовой смеси.

Механические газоанализаторы. К этой группе относятся приборы, основанные на использовании различных химических реакций и связанных с ними изменений объема или давления анализируемой газовой смеси после удаления из нее анализируе­мого компонента с помощью специальных поглотителей.

Тепловые газоанализаторы. В газоанализаторах этого типа (рис. 3.28) осуществляется измерение относительного изменения теплопроводности анализируемой газовой смеси, сравниваемой с теплопроводностью эталонной смеси известного состава. Такое сравнение осуществляется с помощью измерительного преобра­зователя — мостовой электрической схемы.

Измерительный мост образован двумя одинаковыми чувстви­тельными элементами (резисторами) R, и /?_ь выполняющими роль нагревателей и термопреобразователей сопротивления од­новременно, и двумя одинаковыми постоянными резисторами R| и Ri. Один из чувствительных элементов R„ помещен в рабо­чую камеру, через которую непрерывно протекает анализируемая газовая смесь, а второй /?*—в закрытую сравнительную камеру, заполненную эталонным газом известного состава. Обыч­но температура нагрева чувствительных элементов R, н /?, в термокондуктометрических газоанализаторах составляет 100— 120 °С.

Если теплопроводность анализируемого и эталонного газов одинакова, нагреваемые в одинаковых условиях резисторы Rа и /?, будут иметь одинаковую температуру и электрические сопротивления, а следовательно, мост будет находиться в равно­весии. При отклонении теплопроводности анализируемой газовой смеси от этого значения мост выйдет из равновесия и в диагона­ли его появится напряжение разбаланса \U, которое служит мерой концентрации определяемого компонента.

Термомагнитные газоанализаторы. Действие этих устройств основано на использовании потока кислородсодержащего газа («термомагннтного ветра»), возникающего в неоднородном маг­нитном поле при наличии температурного градиента. Принцнпи-

з«

Рис. 3.29. Термомаг- нитный газоанализа­тор

g

Эталонный <хч\ газ

Рис. 3,28. Газоанализатор по теплоп роводности

альная схема измерительного преобразователя термомагнитного газоанализатора приведена на рис. 3.29.

Через кольцевую камеру, представляющую собой полое коль­цо с трубкой (перемычкой), установленной по диаметру этого кольца, протекает анализируемый газ. На перемычку намотана спираль из платиновой проволоки. Спираль состоит из двух секций-резисторов R\ и R₃, нагреваемых до температуры 200- 250 °С от источника электрического тока Е. Платиновые резис­торы являются одновременно и нагревательным и чувствитель­ным элементами, включенными в измерительную схему (состав­ленную из резисторов R\ и R₃ и постоянных резисторов R₃ и Я.»).

При отсутствии кислорода в анализируемой газовой смеси тот ее объем, который заполняет перемычку, не движется, т. е. термомагнитный ветер отсутствует. При наличии кислорода вследствие взаимодействия его молекул с магнитным полем внут­ри перемычки образуется конвективный поток газа, направлен­ный вдоль ее оси (на рисунке слева направо). Этот поток охлаждает секцию R|, находящуюся в межполюсном простран­стве магнита, и передает часть тепла секции R₂. Это вызывает соответствующее изменение их температуры, а следовательно, и электрического сопротивления, что воспринимается измеритель­ным прибором ИП, включенным в диагональ мостовой измери­тельной схемы.

Оптические газоанализаторы. Эти устройства входят в большую группу различных приборов, основанных на использо­вании зависимости изменения оптических свойств анализируемой газовой смеси от изменения концентрации определяемого ком­понента.

3. Измерение состава газов и жидкостей методом хроматографии

Хроматография представляет собой фнзнко-хммическнй метод разделения сложных газовых или жидкостных смесей, при кото­ром разделяемые компоненты распределяются между двумя фа­зами. одной из которых является движущийся поток анализи­руемого газа или жидкости — подвижная фаза, а второй неподвижный сорбент с развитой поверхностью неподвижная фаза, через которую движется анализируемый поток.

Проявительный метод хроматографического разделения по­лучил наибольшее распространение. Он состоит в том. что через неподвижный сорбент непрерывно протекает несорбируюшнйся поток подвижной среды, в которую периодически вводится ана­лизируемое вещество Это вещество представляет собой смесь сорбирующихся компонентов, подлежащих определению. Процесс разделения компонентов при проявительной хроматографии мо­жет быть представлен в виде схемы, приведенной на рис. 3.30

Рис. 3.30. Схема хроматографического разделении смеси

Порция исследуемой смеси, состоящая, например, из компо­нентов А, Б и В, вводится в разделительную колонку, заполнен­ную сорбентом — неподвижной фазой, и перемещается вдоль нее с помощью потока инертного (по отношению к сорбенту и компонентам смеси) носителя. При этом будем считать, что сор- бнруемость компонентов смеси характеризуется рядом А>Б>В. Так как компоненты смеси имеют разную сорбируемость нлн растворимость, то движение их в колонке замедляется по-разно­му. Через некоторое время вперед уйдет компонент В. как менее сорбирующийся, за ним будет располагаться компонент Б и. на­конец, А. более сорбирующийся и потому движущийся медлен­нее других компонентов. Затем компоненты разделяются пол­ностью. а при дальнейшем движении между их слоями оказыва­ется слой чистого носителя. Таким образом, разделительную

колонку покидают последова­тельно чистый носитель и би­нарная смесь (носитель-}-ана­лизируемый компонент). Би­нарная смесь поступает в спе­циальный анализатор-детектор, выходной сигнал которого пря­мо пропорционален концентра­ции анализируемого компо­нента.

Хроматографическая разде­лительная колонка представля­ет собой трубку, в которую помешают неподвижную фазу, оставляя свободное простран­ство. необходимое для

прохождения газового потока. Важнейшей частью любого хро­матографа является детектор, предназначенный для преобразо­вания концентрации компонентов газа, выходящего нз хромато­графической разделительной колонки, в соответствующий элект­рический или другого вида сигнал, удобный для дальнейше­го использования в системе автоматического контроля или регулирования. От совершенства детектора во многом зависят чувствительность и точность хроматографической установки в целом.

Наибольшее практическое применение в газовой хроматогра­фии получили детекторы по теплопроводности (термокондукто- метрическне детекторы или катарометры), ионизационные и пла­менные. Детекторы по теплопроводности по принципу действия аналогичны соответствующим газоанализаторам, рассмотренным в п. 3.3.2.