Измерение качественных параметров

(состава и свойств сред)

1. Рефрактометрические анализаторы жидкостей. Физические основы спектофотометрического метода. Область применения. Принципиальная схема автоматического рефрактометра с дифференциальной разностной призмой.

показатели преломления

угла падения

. Абсолютный показатель преломления вещества здесь с – скорость света в пустоте; v – скорость света в веществе.

Луч света от источника 1 проходит через собирательную линзу 2, диафрагму 3 и попадает в кювету 4.

При изменении концентрации контролируемого раствора луч света отклоняется в ту или иную сторону и равенство освещенностей фоторезисторов нарушается. В результате на вход ЭУ подается сигнал, знак и величина которого определяются отклонением концентрации анализируемого раствора от сравнительного раствора.Этот сигнал усиливается в ЭУ и поступает на вход реверсивного двигателя РД, который через систему передачи поворачивает компенсационную пластину 5 до тех пор, пока не восстановится равенство освещенности фоторезисторов. При этом угол поворота пластины и связанной с ней отсчетной системы 6 вторичного прибора пропорционален изменению концентрации контролируемого раствора

Принцип действия основан на зависимости показателя преломления света проходящего из воздуха в анализируемую среду и концентрацией этой среды

Применение: для определения концентрации сухих веществ (виноматериалов, сока, сахарного раствора)

2. Поляризационные анализаторы жидкостей. Физические основы поляризационного метода. Область применения. Структурная схема автоматического поляризационного анализатора жидкости.

Поляризационный метод анализа жидкостей основан на том, что для раствора, содержащего активные вещества,угол вращения плоскости поляризации поляризационного светапрямо пропорционален ихконцентрации и выражается зависимостью

а = а_о1СК,

где а₀ — угол удельного вращения плоскости Поляризации, зависящий от длины волны света и температуры; / — толщина слоя раствора, м; С — концентрация витическиактивного вещества, моль/м³: К — постоянный коэффициент, м²/моль.

Принцип действия основан на способности вращать плоско-поляризованный свет растворами, содержащими оптически активные вещества

Область применения: для определения концентрации оптически активных веществ

3. Нефелометрические и турбидиметрические анализаторы жидкостей. Назначение, область применения. Единицы измерения. Физические основы турбидиметрического метода. Схема компенсационного измерения

Нефелометрические и турбидиметрические анализаторы применяются для контроля концентрации нерастроренных взвешенных частиц, находящихся в различных прозрачных жидких и газообразных средах. В пищевой промышленности эти приборы применяются для определения качества осветленных и отфильтрованных вин и виноматериалов, пива и пивного сусла, плодовых и фруктовых соков С их помощью возможны определение белка в винах и некоторые другие анализы

На практике используют и другие единицы измерения мутности:

NTU/Нефелометрические единицы/Водоподготовка, питьевая вода, сточные воды/ Для регистрации рассеянного света под углом 90°, формазин в качестве стандарта

EBC/Европейская конвенция пивоварения/Пивоварение/1 EBC=4 NTU

FNU/Нефелометрические единицы с использованием формазина/Водоподготовка и сточные воды/Тоже что для NTU

FTU/Единицы измерения по формазину/Химическая промышленность, пивоварение/Регистрация рассеянного света под различными углами

(м)г/л/(милли)граммы взвешенных частиц/Для всех

% / Относительная шкала / Для всех

Турбидиметрический метод анализа основан на измерении интенсивности ослабленного светового потока Ф, прошедшего через среду, содержащую взвешенные частицы. Интенсивность его в направлении падающих лучей определяется уравнением, аналогичным уравнению Бугера — Ламберта — Бера

После некоторых преобразований уравнение может быть записано в следующем виде:

D,

4. Цели измерения влажности сыпучих продуктов. Влажность и влагосодержание.Прямые и косвенные методы.Классификация влагомеров по принципу действия. Термогравиметрический метод измерения влажности сыпучих сред. Достоинства и недостатки, сфера применения

Влажность большинства веществ, особенно органического происхождения, является одним из определяющих показателей их качества, поскольку технологические и физические свойства, способность к хранению и другие характеристики в большой степени зависят от содержания в них воды. Технологические процессы пищевой промышленности, такие как сушка, выпечка, выпарка, обжарка, уваривание, упаривание и другие, характеризуются в большой степени влажностью сырья, полуфабрикатов и готовой продукции.

Влагосодержание (U) – отношение массы влаги (воды) М, содержащейся в материале, к массе абсолютно сухого материала М₀:

Влажность (W) – отношение массы влаги М, содержащейся в материале, к массе влажного материала М_вл:

В основе прямых методов измерения влажности лежит разделение исследуемого вещества или материала на влагу (воду) и сухой остаток. Все прямые методы требуют длительного времени измерения и достаточно громоздкого оборудования. Однако они характеризуются высокой точностью измерения, что обуславливает их широкое применение в качестве лабораторных и образцовых методов.

Косвенные методы, основаны на использовании функциональных связей между их физическими свойствами (тепловыми, механическими, электрофизическими и др.) и содержанием в них влаги. Большинство косвенных методов позволяет строить на их основе автоматические быстродействующие влагомеры.

По принципу действия современные влагомеры твердых и сыпучих материалов могут быть разделены на следующие большие группы: тепловые, электрофизические, инфракрасные,

Термогравиметрические влагомеры основаны на измерении изменения массы пробы анализируемого вещества при её нагревании от внешнего источника теплоты с постоянной скоростью

Термогравиметрические влагомеры получили широкое распространение как в лабораторной, так и 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 широкому классу материалов

5. Кондуктометрический метод измерения влажности сыпучих сред. Область применения, физические основы, ограничения в использовании.Емкостные влагомеры.Физические основы, область применения, влияние возмущающих факторов

Кондуктометрический метод измерения влажности основан на зависимости между влажностью вещества и его электрическим со­противлением, выражающейся следующей степенной функцией:

R_X=A/W^K,

Приборы, основанные на использование кондуктометрического метода, применяются в пищевой промышленности для измерения влажности зерна, муки, макаронных изделий, некоторых кондитерских продуктов и т.д. Однако сложность подготовки проб к измерениям, а также влияние на точность измерений многих побочных факторов, таких, как природа материала, его химический состав, крупность и форма частиц, наличие водорастворимых солей и щелочей и т.д., ограничивают использование кондуктометрических влагомеров.

Измерение влажности емкостным методом основа­но на различии значений диэлектрической проницаемости твердой основы, воздуха и воды.

Емкостные влагомеры твердых и сыпучих материалов в настоящее время получили самое широкое распространение прак­тически во всех отраслях науки и техники, в том числе и в пищевой промышленности, где с их помощью измеряется влажность пище-концентратов, муки, чая, зерна, солода, рафинадной кашки и многих других пищевых продуктов, полуфабрикатов и исходного пищевого сырья.

Поскольку относительная диэлектрическая проницаемость воды является величиной постоянной и близка к 81 , диэлект­рическая проницаемость большинства сухих веществ лежит в пре­делах от 2 до 10, то даже незначительное изменение влажности ве­щества вызывает изменение его электрических характеристик - диэлектрической проницаемости, а также тангенса угла диэлектри­ческих потерь tgδ. Эти характеристики зависят от частоты пере­менного электрического поля, в котором осуществляется измерение характеристик, температуры, плотности (уплотнения) материала и других факторов.

6. СВЧ - влагомеры. ИК-влагомеры. Физические основы метода. Областьприменения, структурные схемы.

Принцип действия СВЧ-влагомера (рис.3) основан на из­мерении параметров электромагнитных волн, прошедших через анализируемое вещество.

В настоящее время СВЧ-влагомеры получили широкое рас­пространение для измерения влажности пищевых продуктов.

(Испытуемый образец 3 помещается меж­ду передающим волноводом 2, питаемым от СВЧ-генератора 1, и приемным волноводом 4. В приемном волноводе расположен детек­тор 5, воспринимающий ослабленный пучок СВЧ-излучения. После соответствующего усиления на усилителе 6 этот сигнал поступает на измерительное устройство 7.)

Принцип действия инфракрасных (ИК) влагомеров основан на измерении избирательного поглощения влагой инфракрасного из­лучения определенной длины волны либо отраженного поверх­ностью исследуемого вещества или материала, либо проходящего через вещество

(ИК - Излучение от источника 1 проецируется конденсором 2 на бихроматор 3, в котором происходит выделение двух лучей с дли­нами волн 1,73 мкм (опорная длина волны) и 1,95 мкм (измери­тельная длина волны). Инфракрасный луч с длиной волны 1,73 мкм не поглощается водой, находящейся в исследуемом образце 5. Меж­ду образцом 5 и бихроматором 3 находится модулятор 4 с фильтрами, которые поочередно пропускают на образец ИК-лучи с опорной и измерительной длинами волн. Отраженные измерительный и опор­ный сигналы поступают на фотоприемник 6, с выхода которого электрические сигналы передаются на усилитель 7 и далее - на детекторы 8 и 9. Детекторы выделяют опорный и измерительный сигналы и подают их на индикаторы 10 и 11)

Широко используется для измерения в потоке продуктов, практически применяется во всех промышленностях

7. Ротационные вискозиметры. Принцип действия. Вискозиметр с коаксиальными цилиндрами и с вращающимся телом. Области применения.

Принцип действия основан на измерении крутящих моментов или моментов сопротивления, передаваемых анализируемой жидкостью чувствительному элементу, которые являются функцией вязкости. Если вращение происходит с постоянной скоростью, то этот момент равен крутящему и пропорционален динамической вязкости, т.е.

М – момент силы, Н м;

С – момент сопротивления, м³;

w - угловая скорость, 1/с.

Вискозиметр с коаксиальными цилиндрами (рис.3) представляет собой два цилиндра, между которыми вращается анализируемая жидкость. При вращении цилиндра 2 с постоянной скоростью от электродвигателя 1 жидкость приходит в стационарное состояние и передает вращение внутреннему цилиндру 3. Величина этого момента, передаваемого жидкостью второму цилиндру, будет равна

М = К m w, где

К – постоянный коэффициент, зависящий от внешних размеров; -

m - вязкость жидкости, Па с.

Величина этого момента уравновешивается грузом 4, равному произведению радиуса шкива на силу тяжести груза.

Область применения: вязкость томатной пасты, сгущенного молока, сметаны.

Вискозиметр с вращающимся телом, погруженным в анализируемую жидкость, (рис.4), выполняется в виде шарообразного или цилиндрического ротора 1, приводимого во вращение двигателем 2 с постоянной частотой вращения, величина сопротивления, оказываемого жидкостью вращению ротора, может быть измерена с помощью специального устройства 3 по углу закручивания упругой пружины или по силе тока, потребляемого приводным электродвигателем.

Применение: вязкость виноматериалов

8. Цели измерения плотности жидкостей.Поплавковые плотномеры. Принцип действия, лабораторные ареометры

Цели: для определения состояния технологического процесса, определения массы продукта по его плотности и объему

Пoплaвкoвыe плoтнoмepы ocнoвaны нa силе действующей на поплавок погруженный в анализируеммую жидкость

B лaбopaтopнoй и пpoизвoдcтвeннoй пpaктикe для эпизoдичecкиx измepeний шиpoкo иcпoльзyютcя пpибopы с плавающим пoплaвкoм, тaк нaзывaeмыe ареометры. Они могут быть стеклянными или металлическими и самой разнообразной формы. Apeoмeтpы coглacнo ГОСТу дeлятcя нa двe гpyппы:

+ apeoмeтpы для измepeния плoтнocти жидкocтeй, нaзывaeмые тaкжe дeнcиметрами ­, шкaлы кoтopыx гpaдyиpyютcя в единицax плoтнocти;

+ apeoмeтpы для измepeния кoнцeнтpaциции pacтвopoв, шкалы кoтopыx гpaдyиpyютcя в прoцeнтax пo oбъeмy или массе.

9. Буйковые плотномеры. Гидростатические плотномеры. Принцип действия, особенности, пример реализации.

Принцип их действия основан на измерении давления p (Па) столба однородной анализируемой жидкости определенной высоты, пропорционального плотности измеряемой жидкости.

где ρ – плотность жидкости (кг/м³); g – ускорение свободного падения (м/с²); H – высота столба жидкости (м).

Гидростатические плотномеры подразделяются на приборы с чувствительными элементами в виде мембран или сильфонов и приборы с продувкой воздухом, называемые пневмометрическими

Подобные приборы предназначены для измерения плотности жидкостей в пределах от 500 до 2500 кг/м³ и имеют класс точности 1,5 и 2,5.

могут производиться по указанной схеме лишь в тех случаях, когда не требуется высокой точности, отсутствуют колебания уровня анализируемой жидкости и т.п.

10. Вибрационные плотномеры. Принцип действия, особенности, пример реализации.

Принцип действия основан на изменении параметров упругих колебаний тела погруженного в анализируемую жидкость

11. Термокондуктометрический газоанализатор Измерительная схема, область применения, принцип действия.

Принцип действия основан на различии теплопроводности некоторых газовых компонентов. В газоанализаторах этого типа измеряется различие теплопроводности анализируемого газа и эталонного газа с известной теплопроводностью. Измерительный преобразователь выполнен по мостовой схеме. Измерительный мост образован двумя одинаковыми чувствительными элементами (резисторами) R_а и R_э, которые выполняют роль и термопреобразователей сопротивления и нагревателей. И двумя одинаковыми постоянными резисторами R₁и R₂. Один резистор R_а помещен в «рабочую» камеру, через которую непрерывно протекает анализируемая газовая смесь, а второй R_э – в закрытую камеру, заполненную эталонным газом известного состава. Температура нагрева чувствительных элементов R_а , R_э обычно составляет 100-120°С.

* Метод теплопроводности используется для анализа газовых смесей на наличие водорода, гелия, хлора, диоксида углерода, сернистого газа, хлористого водорода

*контроля состава газовых сред

*для контроля концентрации предельных значений в помещениях, где возможно скопление газов, вредных для здоровья.

12. ИК – газоанализатор.Принцип действия, область применения.

Их действие основано на избирательном поглощении молекулами газов и паров ИК-излучения в диапазоне 1-15 мкм. Высокая специфичность молекулярных спектров поглощения различных газов обусловливает высокую избирательность

• 1-источник излучения; 2-светофильтр; 3-модулятор; 4 и 4'-соотв. рабочая и сравнит. (внизу) кюветы; 5-приемник излучения; 6-усилитель; 7-вторичный прибор.

Современные приборы объединяют инфракрасный газоанализатор и магнитный (О₂). Позволяют контролировать содержание угарного газа СО, углекислого СО₂, метана СН₄, аммиака NН₃, хлора СL₂, окиси азота NО₂, сернистого ангидрида SО₂, сероводорода Н₂S и др.

13. Понятие влажности газов. Психрометрический метод определение влажности газов. Техническая реализация автоматических психрометрических влагомеров.

Влажность газа – это содержание в нем водяного пара

Психрометрический метод основан на использовании зависимости между упругостью водяного пара в газовой среде и показаниями сухого и влажного термометров, помещенных в эту среду, выражаемой следующей формулой

e= E_{max –} A p_атм (t_c - t_в),

где e – упругость водяного пара, Па;

E_max – максимально возможная упругость водяного пара при температуре t_в, Пв;

A – психрометрический коэффициент,1/⁰С;

p_атм - атмосферное давление, Па;

(t_c, t_в) – температура сухого и влажного термометров, ⁰С.

14. Сорбционные влагомеры газов.Принцип действия, виды.

В основе сорбционного метода измерения влажности лежит способность некоторых веществ, имеющих пористую структуру, адсорбировать влагу на своей поверхности. Эта влага находится в равновесном состоянии с влажностью измеряемой среды. Количество влаги, адсорбируемой на поверхности, увеличивается с повышением влажности газа. Наряду с этим изменяются механические, электрические и массовые свойства материала, из которого изготовлены чувствительные элементы. Сорбционные влагомеры применяются для измерения влажности в широком температурном диапазоне – от - 40 до +300⁰С.

В электролитических измерительных преобразователях влажности чувствительные элементы содержат электролиты, концентрация которых является функцией влажности окружающей среды.выходной величиной является электропроводность ненасыщенных водных растворов неорганических кислот и щелочей