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

ся в одновременном измерении нескольких параметров, функ­ ционально связанных с концентрацией отдельных компонентов в смеси, и последующем вычислении этих концентраций по из­ меренным значениям путем решения уравнений, выражающих зависимость между значениями измеренных параметров и кон­ центрациями отдельных компонентов в смеси.

Характеристикой избирательных параметров является выра­ жение

ции изменяются независимо друг от друга. Предположим также,

Решив эту систему уравнений, можно определить концентра­ ции всех компонентов — С ь Сг, .., С„, находящихся в смеси. Од­ нако совместное решение всех уравнений, входящих в систему, хотя и возможно с помощью современных счетно-решающих устройств, является процессом трудоемким и малоэффек­ тивным.

Эти уравнения можно преобразовать и привести к виду, при котором значительно упрощается решение задачи автоматиче­ ского вычисления концентрации растворенных компонентов:

C 2 = <P2 (*r хг V yv У»- ••••£«-«).

С„ = Ф „ _ _ т ( ^ т ) .

Для вычисления концентрации любого компонента системы уравнений (427) достаточно решить лишь одно соответствующее уравнение, что значительно упрощает построение счетно-решаю­ щего устройства. При этом можно построить автоматический анализатор не для всех компонентов раствора, а только для их части.

Так как в ряде случаев для рабочих диапазонов изменения концентрации допустима линеаризация зависимости параметров раствора от концентрации компонентов и при этом с достаточ­ ной степенью точности соблюдается закон аддитивности, то ав­ томатические анализаторы многокомпонентных растворов могут строиться из отдельных решающих блоков, выполняющих опе­ рации алгебраического суммирования.

Таким образом, устройства для автоматического многопара­ метрического анализа сложных смесей представляют собой из­ мерительно-вычислительный комплекс для получения информа­ ции о составе многокомпонентных веществ, состоящий из от­ дельных датчиков состава и свойств веществ и средств для переработки информации, поступающей от этих датчиков. В на­ стоящее время такие устройства строятся из унифицированных узлов и блоков, входящих в ГСП.

Многопараметрический вычислительный метод позволяет ре­ шать очень широкий класс задач, связанных с анализом состава многокомпонентных смесей. Но для того чтобы его можно было применить к решению какой-либо конкретной практической за­ дачи, необходимо иметь теоретически вычисленные или экспе­ риментально установленные зависимости «состав—свойство» многокомпонентных веществ. Обычно эти зависимости получа­ ются экспериментально и выражаются в виде графиков или таб­ лиц. На основе этих данных должны быть найдены такие функ­ циональные зависимости, которые наилучшим образом аппрок­ симируют реально существующие функциональные зависимости между свойствами и составом многокомпонентных веществ. При этом следует иметь в виду, что как в графиках, так и в табли­ цах всегда имеются неточности, обусловленные несовершенст­ вом методики эксперимента, погрешностью измерительных при­ боров и т. п. Поэтому определение функциональных зависимо­ стей «состав — свойство» сложный и трудоемкий процесс. Кроме

диапазоне их применения не всегда может быть аппроксимиро­ вана линейными уравнениями, "достаточно точно приближающи­ мися к действительной функции. В таких случаях необходимо выбирать такой вид уравнений, который наиболее точно отвеча­ ет результатам экспериментальных измерений.

Одна из схем подбора таких уравнений заключается в сле­ дующем:

1)по данным измерений строятся графики зависимостей па­ раметров свойств и состава смеси;

2)по графикам подбирается функция, приближающаяся

кдействительной;

3)если полученные из опыта графики могут быть представ­ лены несколькими равноценными по точности функциями, то вы­ бираются наиболее простые и удобные для моделирования и ре­ шения на счетно-решающем устройстве.

Однако в ряде случаев при большом количестве значимых компонентов, входящих в состав анализируемой смеси, состав­ ление и решение системы уравнений становится трудоемким про­ цессом и требует как проведения сложных экспериментальных работ, так и соответствующего вычислительного оборудования.

Одним из эффективных способов реализации многопарамет­ рического вычислительного метода является применение специ­ ального аппарата теории вероятностей. При этом находится уравнение регрессии, характеризующее качество анализируемо­ го продукта (смеси). Оно может быть сведено к нахождению за­ висимостей между единым, обобщенным показателем качества и отдельными качественными интегральными показателями, за­ висящими от содержания в нем многих компонентов.

Зависимость между обобщенным и интегральными качест­ венными показателями выражает уравнение прямолинейной рег­ рессии

. Таким образом, определение обобщенного показателя качест­ ва многокомпонентного продукта может быть сведено к измере­ нию небольшого числа интегральных параметров (плотности, вязкости, электропроводности, рН и т. п.) и решению найденно­ го уравнения регрессии, характеризующего зависимость между этими параметрами и качеством анализируемого продукта (смеси).

Структурная схема автоматического анализатора состава многокомпонентных смесей, построенная на основе использова­ ния уравнения (428), приведена на рис. 198. Измерение отдель-

ных интегральных параметров осуществляется с помощью дат­

тического устройства для периодического контроля содержания сахара и спирта в продуктах первичного виноделия, определения несахаров в виноградном соке, проверки степени очистки виноматериалов. Следует ожидать, что в ближайшие годы в применении многопараметрического метода будет достигнут значительный прогресс на основе широкого использования принципов построе­ ния, элементной базы, блоков, узлов и устройств ГСП.

§ 3. МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ СОДЕРЖАНИЯ ЖИРА И БЕЛКОВ

Контроль содержания жира и белков представляет исключи­ тельный интерес для пищевой промышленности при установле­ нии качества исходного сырья, полуфабрикатов и готовой про­ дукции. Однако точные и надежные методы, на основе которых можно было бы создать автоматические приборы и устройства, отвечающие требованиям конкретных производств или автома­ тизированного лабораторного контроля, отсутствуют.

МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ СОДЕРЖАНИЯ ЖИРА

В настоящее время для контроля содержания жира приме­ няются бутирометрический, фотоэлектрический, высокочастот­ ный, ультразвуковой, флуориметрический и некоторые другие методы, а также метод инфракрасной спектроскопии, но ни один из них не отвечает в полной мере требованиям автоматизиро­ ванного контроля.

Бутирометрический метод. Этот метод является наиболее точным и заключается в том, что жир, содержащийся в продук­ те (молоко, сливки, жировые суспензии и т. п.), выделяется из продукта кислотным способом. Для растворения белковой обо­ лочки, в которой находятся жировые шарики, чаще всего при­ меняется серная кислота, а для выделения жира — амиловый спирт. Реакции ведутся на специальных центрифугах с подогре­ вом анализируемой пробы. После отделения жировой фракции прямым измерением (взвешиванием) определяется ее масса или объем.

Установки для контроля жирности, действие которых осно­ вано на бутирометрическом принципе, представляют собой сложные неавтоматизированные устройства и требуют постоян­ ного контроля и непосредственного участия в анализе обслужи­ вающего персонала. Предпринимались попытки автоматизиро­ вать этот процесс с помощью специального распределительного управляющего механизма, который в свою очередь управляется кинофотосъемочным устройством. Однако такие установки сложны, мало надежны и широкого распространения не полу­ чили.

Фотоэлектрический метод. Более перспективными являются жиромеры, основанные на использовании фотоэлектрического метода анализа. Их принцип действия основан на использова­ нии зависимости степени поглощения и рассеивания пучка све­ та, проходящего через слой анализируемого продукта, от содер­ жания в нем жира.

Простейшими приборами этой группы являются жиромеры, в которых содержание жира определяется по степени пропуска­ ния света анализируемым продуктом. В таких приборах анало­ гичных по схеме прибору, приведенному на рис. 144, световой пучок проходит через слой продукта и падает на измеритель­ ный фотоэлемент, э. д. с. которого пропорциональна содержа­ нию жира в просвечиваемом продукте. С целью повышения точ­

влияние оказывают размеры жировых шариков, окраска отдель­ ных фракций анализируемого продукта, наличие посторонних взвешенных частиц и т. п. Высокая точность измерения при фо­ тоэлектрическом методе не достигается, но на его основе воз­ можно построение автоматических приборов, могущих быть ис­ пользованными как для лабораторных исследований, так и для непрерывного контроля и автоматизации технологических про­ цессов.

Ультразвуковой метод. Принцип действия жиромеров, ис­ пользующих ультразвуковой метод, основан на изменении ско­ рости распространения ультразвука или степени его поглощения при облучении им анализируемого продукта. Упрощенная струк-

турная схема ультразвукового жиромера аналогична схеме, приведенной на рис. 161. Источник ультразвуковых колебаний через специальный датчик (погружного или проточного типа) посылает в анализируемый продукт импульсно ультразвуковые волны.

Приемник ультразвуковых колебаний воспринимает ослаб­ ленный импульс ультразвука, который затем усиливается и по­ дается на измерительный прибор, отградуированный в единицах содержания жира.

Однако на результаты измерения содержания жира сущест­ венное влияние оказывает наличие практически всех других фракций, содержащихся в анализируемом продукте.

держание жира определяется путем измерения диэлектрической проницаемости пробы продукта, находящейся между обкладка­ ми высокочастотного конденсаторного датчика. Указанный жиромер работает на частоте около 5 кГц, продолжительность одно­ го измерения 4—5 мин. Высокочастотный жиромер типа ЛТИХП для высокожирных сливок является прибором непрерывного действия и используется для автоматического измерения жирно­ сти в потоке.

Метод инфракрасной спектроскопии. Принцип действия жи­ ромеров, в которых используется метод инфракрасной спектро­ скопии, основан на использовании зависимости степени погло­ щения инфракрасного излучения от содержания жира в продук­ те при пропускании через него пучка инфракрасных лучей. На точность измерения этими жиромерами, так же как и фотоэлек­ трическими, большое влияние оказывает состав содержащихся в анализируемом продукте фракций.

Флуориметрический метод. При использовании флуориметрического метода анализируемый продукт чаще всего предвари­ тельно обрабатывается специальными флуоресцирующими рас­ творами. Например, в молоко и молочные продукты добавляет­ ся краситель (фосфин). Затем проба анализируется в свете ртутно-кварцевой лампы на спектрофотометре. Имеются

ет непрерывного автоматического измерения жирности про­ дуктов.

Известны также методы контроля содержания жира,

МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ СОДЕРЖАНИЯ БЕЛКОВ

Содержание белков в пищевых продуктах определяется с по­ мощью колориметрических, рефрактометрических и флуориметрических белкомеров.

Белкомеры представляют собой устройства, в которых ана­ лизируется специально подготовленная и обработанная проба продукта. Поскольку контроль содержания жира и белков в пи­ щевых продуктах приобретает все большее значение, следует ожидать, что в ближайшее время будут найдены соответствую­ щие методы и созданы приборы для автоматического анализа этих показателей, которые в настоящее время практически от­ сутствуют.

Колориметрический метод. Принцип действия колориметри­ ческих белкомеров основан на свойстве белковых веществ свя­ зывать некоторые органические красители. В пробу анализируе­ мого материала добавляется раствор красителя, который связы­ вается белками и осаждается с помощью специального интенсифицирующего фильтра. Фильтрат же анализируется на фотоэлектрическом колориметре. Многие процессы анализа мо­ гут быть автоматизированы, например отбор проб, добавление

же процессы колориметрирования и выдачи результатов из­ мерения.

гревом. Рефрактометрические устройства очень трудно авто­ матизировать.

Флуориметрический метод. Принцип действия флуориметрических белкомеров основан на свойстве белков флуоресциро­ вать при облучении светом определенной длины волны (например, для белков молока 280—290 нм). Энергия этого излучения зависит от содержания белков. Однако перед анализом проба должна быть разведена раствором моче­ вины и специально обработана, что усложняет устройство белкомера.

ГЛАВА XVI

НЕКОТОРЫЕ МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ СПЕЦИАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ

§ 1. МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ ЗАКУПОРКИ КОНСЕРВНОЙ ТАРЫ

При расфасовке консервов в жестяную и стеклянную тару большое значение имеет герметичность укупорки, которая обес­ печивает длительность хранения продукта. Нарушение герме­ тичности приводит к развитию болезнетворных микроорганиз­ мов и порче продукта.

Герметичность жестяной консервной тары контролируется выборочно на специальных пневматических машинах карусель­ ного типа (системы Ж а д а н а ) . Проверяемая банка помещается в измерительную камеру, где поддерживается повышенное дав­ ление воздуха. При нарушении герметичности воздух проникает внутрь банки и давление в ней повышается. При этом дно бан­ ки, находящееся вне камеры под атмосферным давлением, взду­ вается и действует на электрические контакты, включенные в соответствующие сигнальные и управляющие цепи, с помощью которых производится автоматическая выборка негерметичных банок. Машина имеет 20 контрольных камер; ее производитель­ ность 50 банок в минуту.

Вместо устройств с электрическими контактами можно ис­ пользовать бесконтактные устройства, действие которых основа­ но на том, что при изменении положения торца (дна) банки относительно катушки индуктивности или обкладки измеритель­ ного конденсатора меняются их электрические параметры. Из­ менение параметров воспринимается электронно-усилительными устройствами, управляющими сигнальными и другими цепями, которые обеспечивают автоматическую работу машины.

Герметичность стеклянной тары проверяется, как правило, путем визуального осмотра положения закупоривающих кры­ шек, но с этой целью может быть использован и люминесцент­ ный метод, который -заключается в следующем. В автоклав перед началом стерилизации добавляется небольшое количество люминофора, чаще всего флуоресцеина, который в процессе стерилизации проникает в негерметичные банки. После мойки и сушки прошедшие стерилизацию банки поступают в контроль­ ные камеры, где под воздействием облучения происходит свече­ ние попавшего в них люминофора. Свечение воспринимается фотоэлектронным устройством, настроенным на соответствую­ щую длину волны излучения используемого люминофора, и пре­ образуется в сигнал, который после усиления поступает в сиг­ нальные и управляющие цепи контролирующего и бракеражно­ го устройства. ^

§ 2. МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ТВЕРДОЙ ФАЗЫ В РАСТВОРАХ

В пищевой промышленности часто возникает необходимость измерения концентрации взвешенных твердых частиц в гетеро­ генных системах типа твердая фаза — жидкость, причем опти­ ческие методы, основанные на измерении интенсивности рассеян­ ного или поглощенного светового потока (нефелометрия и турбидиметрия), в ряде случаев не могут бытъ использованы из-за непрозрачности или густой окраски жидкой фазы (темно-крас­ ные вина, некоторые фруктовые соки, темные сорта пива, масла и т. п.).

Большинство пищевых продуктов типа гетерогенных систем — это статистические смеси, т. е. смеси, в которых частицы распре­ делены хаотически и не образуют с жидкой фазой регулярных структур. Для таких систем справедлива следующая зависи­ мость:

(429)

где А = ( 3 d - І ) у і + ( З С , — .

yw — обобщенная проводимость гетерогенной системы, См; Уі и 2/2— обобщенные проводимости отдельных фаз системы, См; Cj и С2 —относительная концентрация отдельных фаз системы.

Данная формула справедлива при условии изотропности жидкой фазы и при одинаковых размерах твердых частиц. Кро­ ме того, она не учитывает поверхностные и контактные явления, возникающие в гетерогенных средах, но достаточно полно опи­ сывает качественную зависимость проводимости гетерогенной системы от проводимостей входящих в нее фаз.

Из сказанного следует, что концентрация твердой фазы, име­ ющей электропроводность, отличную от электропроводности жидкости, может быть измерена кондуктометрическим методом.

При конструировании приборов, основанных на использова­ нии зависимости электропроводности гетерогенной системы от содержания в ней взвешенных частиц, необходимо учитывать ряд электрических явлений, основным из которых является по­ верхностная проводимость дисперсной (твердой) фазы. Это яв­ ление заключается в том, что твердая частица в результате действия своих электрических и сорбционных сил притягивает ионы из жидкости, в которой она находится. В результате во­ круг частицы образуется плотный слой, состоящий из потенциалопределяющих ионов. Величина и знак этого потенциала зависят от природы и концентрации раствора электролита, в ко­ тором находятся частицы. В свою очередь они в большой степе­ ни оказывают влияние на зависимость, характеризующую связь между значением электропроводности гетерогенной смеси и кон-

центрацией твердых частиц. Таким образом, при контроле кон­ центрации твердой фазы кондуктометрическим методом необ­ ходимо в каждом случае знать свойства как жидкой, так и дис­ персной фазы. Очевидно, что эти свойства в большинстве случаев неизвестны и зависимости между концентрацией дисперсной фазы и электропроводностью гетерогенной системы определяют­ ся при градуировке измерительных устройств эмпирически.

В качестве измерительных ячеек при контроле концентрации твердой фазы в растворах чаще всего используются кондуктометрические ячейки, подобные описанным в главе IX, § 2. Изме­ рительные схемы также аналогичны схемам, приведенным в ука­ занном разделе. При контроле малых концентраций применяют­ ся датчики специальной конструкции, представляющие собой ячейки в виде капиллярных трубок, снаружи которых находятся обкладки емкостного датчика. В измерительную схему прибора, как правило, включаются две ячейки: через одну проходит ана­ лизируемая жидкость, через другую — поток чистой жидкости (без частиц). Измерительная схема прибора реагирует на ве­ личину разбаланса сопротивлений обеих ячеек, возникающего в результате наличия частиц в рабочей ячейке датчика. Такая конструкция датчика обеспечивает его высокую чувствитель­ ность и хорошую температурную компенсацию.

Предел измерения кондуктометрических анализаторов для определения твердой фазы в жидкости 20—100 г/л с максималь­ ной погрешностью не более ± 2 % диапазона шкалы. Подобные измерительные устройства могут найти широкое применение в различных отраслях пищевой промышленности, где другие ме­ тоды измерения концентрации твердых частиц неприемлемы.

§ 3. МЕТОД КОНТРОЛЯ ЗАТУПЛЕНИЯ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА

В табакорезальных машинах резка листового табака осуще­ ствляется ножами, совершающими возвратно-поступательное