книги из ГПНТБ / Петров И.К. Технологические измерения и приборы в пищевой промышленности учебник

тически во всех отраслях науки и техники, и в частности в пи­ щевой промышленности для измерения влажности пищеконцентратов, муки, чая, зерна, солода, рафинадной кашки и многих других пищевых продуктов, полуфабрикатов и исходного пище­ вого сырья.

Емкостным метод называется потому, что в качестве датчи­ ков в емкостных влагомерах используются плоские или цилинд­ рические конденсаторы (электрические емкости), в электриче­ ское поле которых вводится испытуемое вещество. Однако, по­ скольку чаще измеряется полное сопротивление датчика, а не только его емкостная составляющая, более правильным было бы называть этот метод диэлькометрическим.

При определении влажности емкостным методом, как пра­ вило, используются повышенные частоты, при этом геометриче­ ские размеры датчиков и элементов измерительных цепей зна­ чительно меньше длины волны и их можно рассматривать как системы с сосредоточенными параметрами.

Емкость плоского конденсатора

Поскольку относительная диэлектрическая проницаемость (диэлектрическая проницаемость) воды является величиной по­ стоянной и близка к 81 (ев л; 81), а для большинства сухих ве­ ществ она лежит в пределах от 2 до 10, то даже незначительное изменение влажности вещества вызывает изменение его диэлек­ трической проницаемости.

Из формул (402) и (403) видно, что при постоянных геомет­ рических размерах емкостных датчиков справедлива следую­ щая функциональная зависимость:

(404)

Несмотря на широкое распространение, какое получил ем­

-лиза влажности хлеба и макаронных изделий, поскольку боль­ шая часть воды в них находится в связанном состоянии. Кроме того, на результатах, получаемых с помощью емкостного мето­ да, сказывается физико-химический состав веществ, хотя и зна­ чительно меньше, чем при использовании кондуктометрического метода. Эти факторы, естественно, серьезно ограничивают при­ менение емкостного метода для измерения влажности.

Принципиально любой емкостный влагомер состоит из трех основных частей: высокочастотного генератора, датчика и изме-

Рис. 186. Схема емкостного датчика с изолиру­ ющими прокладками и схема его замещения.

рительной схемы (устройства). Одной из основных частей ем­ костных влагомеров являются датчики, в конструкциях которых должны учитываться свойства материалов, влажность которых определяется. Как правило, применяются плоские и цилиндри­ ческие конденсаторы, а для ленточных материалов применяются датчики в виде развернутых конденсаторов, состоящих из двух или более пластин.

Изменение емкости конденсаторного датчика, в электриче­ ское поле которого вводится анализируемое вещество, кроме ди­ электрической проницаемости, зависит также от плотности укладки (упаковки) и массы материала, температуры, электри­ ческой проводимости вещества, изменения состава и т. п. Для уменьшения влияния этих факторов вводятся необходимые по­ правки на изменение температуры и электрической проводимо­ сти, принимаются меры к обеспечению постоянства плотности измеряемого вещества в датчике и т. л.

Иногда электроды конденсаторного датчика изолируются от анализируемого вещества материалами с высокими изоляцион­ ными свойствами. Но и в этом случае емкость датчика остает­ ся зависимой от электрической проводимости вещества. Рас­ смотрим емкостный датчик с изолирующими прокладками и

вещества 3, а С0 — изоляционных прокладок 2. Емкость Сх шун­ тируется сопротивлением Rx, зависящим от электрической про­ водимости вещества.

Эквивалентная емкость конденсатора с учетом С0 , но без учета активной проводимости

Чувствительность датчика 5 выражается отношением прира­ щения эквивалентной емкости АСЭ К В к приращению влажно­ сти вещества AW:

Продифференцировав выражение для С э к в по С0, можно установить влияние изоляционных прокладок на чувствитель­ ность датчика:

когда активная проводимость вещества намного больше реак­ тивной — емкостной, т. е. когда измеряется влажность вещества с высоким влагосодержанием. Применение изолированных элек­ тродов в этом случае позволяет четко разграничить поверхность раздела испытуемого вещества и проводящих электродов, что обеспечивает сохранение геометрии датчика, а сами измерения сводятся к измерению активной проводимости датчика.

Эти уравнения показывают, что как активная, так и реактив­ ная составляющие полного сопротивления емкостного датчика являются функцией проводимости анализируемого материала, а следовательно, при измерении любого из параметров цепи нельзя исключить влияние проводимости вещества на результа­ ты измерения.

Большинство измерительных схем емкостных влагомеров ос­

датчика, то тангенс угла диэлектрических потерь tg6, от кото­

схемы емкостных влагомеров необходимо учитывать частотные зависимости анализируемых веществ. На рис. 187 приведен график зависимости тангенса угла диэлектрических потерь от частоты питающего напряжения для некоторых зерновых (рожь, овес, пшеница).

На основе анализа частотно-влажностных характеристик различных материалов и в том числе многих пищевых продук­ тов, можно сделать некоторые общие выводы, основные из ко­ торых следующие:

1) при малых влагосодержаниях изменение частоты почти не влияет на величину 8;

2) при повышенной влажности с повышением частоты на­ блюдается уменьшение є, вначале резкое, а затем замедляю­ щееся;

3)повышение частоты ведет к уменьшению tgS;

4)с повышением частоты емкостные влагомеры становятся менее чувствительными к изменению влажности.

Анализ уравнения (412) вскрывает недостатки, присущие ре­ зонансным схемам этого вида и выражающиеся в том, что при наличии потерь в датчике емкость, соответствующая резонансу, возрастает, а это ведет к значительным неточностям в измере­ ниях.

Максимум напряжения на измерительном конденсаторе

Условие резонанса наступает при значении угловой частоты

1

(414)

(415)

Таким образом, ем­ кость, соответствующая резонансу, не зависит от потерь, и поэтому резо­ нансные схемы с опреде­ лением максимума нап­ ряжения более предпоч­ тительны.

Одной из разновидно­ стей этих схем являются так называемые схемы «половины резонансной кривой», в которых для отсчета используется не

максимум резонансной кривой, а наиболее крутой участок од­ ной из ее ветвей. Схемы половины резонансной кривой получи­ ли достаточно широкое распространение в приборах для изме­ рения влажности различных продуктов. По такой схеме рабо­ тают, в частности, влагомеры табака резаного и в тюках, семян, мятки и мезги подсолнечника, автоматический влагомер солода

инекоторые другие.

Дл я измерения влажности пищевых продуктов широко при­ меняются схемы влагомеров, основанные на измерении полного сопротивления датчика, без использования явления резонанса.

Эти схемы можно разделить на мостовые, дифференциальные и схемы сравнения напряжений на образцовом и измеряемом сопротивлениях.

Мостовые схемы для измерения влажности по сути дела яв­ ляются модификациями уравновешенных и неуравновешенных мостов переменного тока, работающих на повышенных частотах.

Дифференциальные схемы и схемы сравнения напряжений основаны на сравнении напряжений в двух цепях, как это по-

казано на рис. 189. Работающие по этим схемам влагомеры представляют собой делитель напряжения, в котором одно пле­ чо Z0 образуется конденсатором постоянной емкости или любой комбинацией реактивных и активных сопротивлений, а второе

В дифференциальных схемах измеряется именно эта раз­ ность напряжений, а в схемах сравнения — падение напряже­ ния на одном из плеч делителя:

хi + z 0 / z x

или

Рассмотренные схемы широко используются в приборах для измерения влажности различных пищевых продуктов. В част­ ности, такие схемы используются во влагомерах готового чая и полуфабриката (ферментированного и неферментированного), пищевых концентратов (варено-сушеных круп: овсяной, горохо­ вой, рисовой, перловой, пшеничной), сливочного масла и неко­ торых других жиров, сгущенных молочных продуктов и пр.

РАДИОИЗОТОПНЫЕ ВЛАГОМЕРЫ И ВЛАГОМЕРЫ ЯМР

В последние годы были разработаны некоторые новые ме­ тоды измерения влажности, которые в ряде случаев представ­ ляют определенный интерес в применении к пищевым продук­ там. К таким методам следует в первую очередь отнести радио­ изотопные методы и методы использования ядерно-магнитного резонанса (ЯМР).

Радиоизотопные влагомеры. Из радиоизотопных приборов наибольшее распространение получили приборы, принцип дей­ ствия которых основан на измерении влажности по интенсивно­ сти потока нейтронов. Этот принцип заключается в следующем. Поток быстрых нейтронов от источника излучений проходит че­ рез анализируемую среду. При этом часть быстрых нейтронов замедляется ядрами водорода, содержащегося в воде. Таким образом, поток медленных нейтронов, образовавшихся в резуль­ тате взаимодействия с водой, содержащейся в анализируемой среде, и падающих на детектор, зависит от влажности этой сре-

ды. При неизменных геометрии датчика, а также плотности и со­ ставе анализируемой среды скорость счета медленных нейтро­ нов является мерой влажности анализируемого материала. В качестве источников быстрых нейтронов используются а-излу- чатели (радий-226, америций-241, плутоний-239) в бериллиевых экранах.

Однако при использовании нейтронных влагомеров следует иметь в виду, что они применимы лишь в случаях, когда водо­ род содержится только во влаге, и мало пригодны для случаев,, когда водород входит в состав самого вещества. Подобные при­ боры получили некоторое распространение для измерения влаж ­ ности почв в полевых условиях.

Влагомеры ядерно-магнитного резонанса. Другим методом, имеющим определенные перспективы для использования во влагомерах твердых и сыпучих пищевых продуктов является ме­ тод ядерно-магнитного резонанса (ЯМР). Сущность явления ЯМР заключается в том, что при определенных условиях высо­ кочастотное излучение избирательно поглощается различными веществами, что обусловлено наличием переходов между энер­ гетическими уровнями ядер элементов, входящих в состав ве­ щества. Резонансная частота, соответствующая максимальному поглощению энергии, зависит от индукции магнитного поля, воз­ действующего на вещество, и типа входящих в него ядер. Оче­ видно, что при постоянном значении магнитной индукции ха­ рактер частотного спектра анализируемого вещества определя­ ется его составом, так как каждому типу ядер соответствует определенная резонансная частота. Отсюда следует, что анали­ зируемое вещество, находящееся в магнитном поле заданной индукции, приобретает способность к избирательному поглоще­

скольку первое место по величине создаваемого сигнала зани­ мают ядра водорода в воде, имеется возможность создания на базе ЯМР высокочувствительных, точных и малоинерционных влагомеров, результаты измерений которых будут искажаться лишь наличием ядер водорода, входящих в состав других соеди­ нений.

ле мощного постоянного магнита (N—S). Подвод высокочастот-

«ой энергии к веществу осуществляется с помощью катушки, охватывающей датчик 5 и подключенной к детектору 2. При подводе энергии на частоте, соответствующей резонансной час­ тоте со,- ядер водорода, наступает поглощение энергии, резко изменяющее электрические параметры катушки. Детектор пре­ образует это изменение в изменение выходного напряжения, которое затем усиливается и подается на измерительное уст­ ройство.

Каждый блок ЯМР-влагомера является электронным уст­ ройством, а в целом современные ЯМР-влагомеры представля­ ют собой сложные по устройству и в эксплуатации установки,

которые не могут еще широко использоваться в производствен­ ной практике. Ря д опытов, проведенных с использованием этих установок в пищевой промышленности, показал их высокую раз­ решающую способность, чувствительность, точность и быстро­ действие. На рис. 191 приведена градуировочная кривая ЯМР-