ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ПРИКЛАДНОЙ БИОТЕХНОЛОГИИ (МГУПБ)

А.С. Потапов

ТЕХНИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ И

ПРИБОРЫ ОТРАСЛИ

ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ СОСТАВА И КАЧЕСТВА

ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ

Лекции

МОСКВА 2007

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ПРИКЛАДНОЙ БИОТЕХНОЛОГИИ (МГУПБ)

Кафедра автоматизации биотехнических систем

А.С. Потапов

ТЕХНИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ И

ПРИБОРЫ ОТРАСЛИ

ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ

КОНТРОЛЯ СОСТАВА И КАЧЕСТВА

ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ

Лекции

для студентов специальностей 220301, 230102

МОСКВА 2007

УДК 681.2.002:664(075.8)

ББК 31.32

П 64

Рецензенты: М.В. Жиров, д-р техн. наук, проф. каф. «Системы управления» МГУ технологии и управления;

Л.М. Андросова, канд. техн. наук, с. н. с. ГУ ВНИМИ

Потапов А.С.

Технические измерения и приборы отрасли. Инструментальные методы контроля состава и качества пищевых продуктов: лекции / А.С. Потапов. – М.: МГУПБ, 2007. – 96 с.

ISBN 5–89168–150 – 1

Рассмотрены методы и приборы автоматического контроля основных параметров, характеризующих состав и качество пищевых продуктов, а также возможности использования приборов в процессорных измерительных системах.

Предназначены для студентов специальностей 220301, 230102. Могут быть использованы студентами технологических специальностей.

Автор выражает благодарность студентам Дианову Н.А., Максимовой О.А. и Самсонову Д.В. за помощь в подготовке рукописи.

Утверждены в качестве учебного пособия советом по издательской деятельности МГУПБ.

ISBN 5 – 89168 –150 – 1 © МГУПБ, 2007

© Потапов А.С., 2007

ВВЕДЕНИЕ

Управление технологическими процессами на современном предприятии перерабатывающей отрасли АТК не представляется возможным без объективной и оперативной информации о характеризующих их ход параметрах. Такую информацию получают с помощью измерительных преобразователей (датчиков) как общепромышленного назначения (для контроля температуры, давления, расхода, уровня), так и специальных (для контроля состава и качества сырья и готового продукта).

В первичных измерительных преобразователях широко применяются современные технические достижения в области приборостроения – микроминиатюризация, интегральные схемы. В основу действия специальных приборов положены методы фотометрии, инфракрасной спектроскопии; ультразвуковые волны, высокие и сверхвысокие частоты, ядерно-магнитный резонанс и т.д.

Характерная особенность пищевых продуктов заключается в том, что они являются химически активными и агрессивными средами. Кроме того, при ведении технологических процессов должна соблюдаться стерильность. При этом недопустимо внесение в продукт нежелательной микрофлоры или воздействие на развитие микробиальных процессов.

Все это накладывает определенные, специфические условия на средства измерения, применяемые в отрасли.

Все элементы первичных преобразователей, контактирующие с продуктом, должны быть коррозионно- и эрозионно-стойкими, исключающими возможность загрязнения продукта, появления постороннего запаха, ухудшения вкуса и цвета, снижения пищевой ценности.

Исключается применение токсичных материалов и сред. При использовании высокочастотных, сверхвысокочастотных, ультразвуковых и радиоактивных средств измерения должна учитываться возможность их нежелательного воздействия на контролируемый продукт.

В процессе конструирования приборов контроля, а также пробоотборников и других приспособлений необходимо предусматривать как возможность их безразборной автоматической мойки (при этом не допускается образование застойных зон, зазоров, щелей), так и удобство быстрой их разборки и замены, что можно обеспечить блочностью их построения и агрегатированием.

Предметом рассмотрения настоящего раздела курса являются первичные преобразователи, измерительные преобразователи и приборы контроля, предназначенные для получения информации о составе и качестве как сырья, так и готовых продуктов.

Глава 1 . Кондуктометры

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

Для разбавленных бинарных водных растворов электролитов удельная электропроводность ǽ определяется выражением:

ǽ = άC z(U⁺ + U^-) ,

где С - концентрация растворенного вещества, %;

z – валентность растворенного вещества;

U⁺ и U^-- подвижность катионов и анионов;

ά - степень диссоциации молекул.

Н а рис. 1.1 представлена зависимость электропроводности раствора от концентрации. Как правило, эта зависимость имеет экстремум. Контроль концентрации растворов можно осуществлять справа или слева от экстремума.

З

Рис. 1.1

ависимость электропроводности раствора от температуры имеет следующий вид:

ǽ=A e^-B/T ,

где A и B - постоянные;

Т - абсолютная температура.

Для ограниченного диапазона температур справедлива линейная зависимость:

ǽ_t = ǽ₀ [1 + ά (t- t₀)] ,

где ǽ₀- удельная электропроводность раствора при температуре t₀ .

Для более широкого диапазона температур:

ǽ = ǽ_o [1 + β (t- t₀) + γ( t- t₀)² ] ,

где β и γ - температурные коэффициенты.

1.1. Контактные кондуктометры

Конструктивно кондуктометрическая ячейка представляет собой два электрода площадью S, помещаемые в раствор на расстоянии l между собой. Сопротивление такой ячейки выражается формулой:

R =l/ ǽ S =K/ ǽ.

Здесь К - постоянная ячейки, которая определяется путем заполнения ее раствором с известной удельной электропроводностью. Как правило, используют 0,1 Н раствор KCl.

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).

При погружении металлического электрода в электролит на границе металл–раствор возникает скачок потенциала. Это объясняется переходом положительных ионов металла в раствор и накопление на его поверхности отрицательного заряда. При протекании через электрод постоянного и переменного тока потенциал изменяется. Этот процесс называется поляри­зацией. Поляризация электрода имеет формальное сходство с процессом за­рядки конденсатора. Влияние поляризации уменьшается с частотой пропорцио­нально: .

Для того чтобы исключить влияние поляризации на результаты измерений в особо точных определениях электропроводности, сопротивление ячейки измеряют на двух частотах– 500 и 2000 Гц:

R₅₀₀= R_p+ ΔR ; R₂₀₀₀= R_p+ ΔR/2 ,

где R_p - сопротивление раствора;

ΔR - сопротивление, обусловленное эффектом поляризации.

Отсюда

R_p =2R₂₀₀₀ – R₅₀₀.

Р ис. 1.2

R_я - сопротивление ячейки; R₁, R₂ и R₃ - постоянные сопротивления; С - электрическая емкость; R_р – реохорд.

Как правило, кондуктометрические ячейки включаются в мостовые из­мерительные схемы (рис. 1.2).

При изменении концентрации изменяется R_я , что приводит к разбалансу моста. Сигнал разбаланса усиливается электронным усилителем ЭУ и поступает на реверсивный двигатель РД, приводящий в действие стрелку измерительного прибора ИП и движок реохорда.

В контактной кондуктометрии получили широкое распространение 4-электродные ячейки (рис. 1.3). Эти ячейки имеют преимущество перед 2-электродными благодаря пол­ному отсутствию поляризации на измерительных (внутренних) электродах.

Рис. 1.3

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.

Приборостроительной промышленностью выпускаются концентратомеры с диапазоном из­мерения от 10^-4 до 10 См/м. Погрешность измерения ±2,5 % от максимального значения шкалы. Контактные кондуктометры нашли применение для управления потоками продукта и моющих растворов в автоматических системах мойки. В настоящее время используются сигнализаторы раздела сред "вода – молоко" и "моющий раствор – вода".

Кондуктометрический прибор используется для контроля загрязненности конденсата молоком в вакуум-выпарных установках.

Измерение осуществляется с помощью мостовой схемы с автоматической температурной компенсацией. Электрическое сопротивление ячейки преобразуется в унифицированный токовый сигнал 4–20 мА. Прибор осуществляет переключение клапанов, направляющих конденсат в различные сборники в зависимости от его чистоты.

Переносной лабораторный кондуктометр КСМ-101 для определения КСl в бесструктурных мясопродуктах имеет пределы измерений 0–7 %. Чувствительный элемент выполнен в виде стержня из нержавеющей стали с двумя цилиндрическими электродами, впрессованными в пластмассу и терморезистор. Изменение содержания в них соли приводит к изменению электропроводности, что и фиксируется прибором. Температурная компенсация – ручная, абсолютная погрешность измерений концентрации ±0,5 %.

Прибор для определения конца сушки шквары в вакуум-котлах при выработке сухих животных кормов имеет диапазон измерений 2–15 % влаги и погрешность измерений ±1 % влажности.