Файл: Петров И.К. Технологические измерения и приборы в пищевой промышленности учебник.pdf

дифференциальную систему с нулевым отсчетом. Поток света от лампы / проходит через коллиматор 2 и светофильтр 3 и специ­ альным оптическим устройством 4 разделяется на два — рабо­ чий (нижний) и компенсационный (верхний). В рабочем канале

Рис. 147. Принципиальная оптико-электрическая схема турбидиметрического анализатора жидкости.

расположены два оптических клина: клин 6, служащий для ком­ пенсации, и клин 7 — для настройки прибора. Кроме того, в этом канале находится измерительная проточная кювета 8 и рабочая половина фотоприемника 9. В компенсационном канале распола­ гается нейтральный светофильтр 5, служащий для уравнивания световых потоков при начальной настройке прибора, когда в кю­ вету 8 заливают «нулевой» раствор, а также вторая половина фо­ топриемника 9.

Фотоприемник 9, состоящий из двух равных частей, располо­ жен так, что линия раздела его совпадает с плоскостью тени, об­ разуемой устройством 4. Одна часть фотоприемника освещается частью потока, образуемого рабочим оптическим каналом систе­ мы, другая — потоком компенсационного оптического канала. Таким образом, фотоприемник 9 представляет собой два само­ стоятельных протйвовключенных источника э. д. с , подключен­ ных к входу электронного усилителя 10, с выхода которого уси­ ленное напряжение подается на фазочувствительную обмотку ре­ версивного электродвигателя 11.

При протекании через кювету раствора, в котором отсутствует анализируемый компонент, схема находится в состоянии-равно- весия. При увеличении концентрации частиц в растворе свето­ вой поток, прошедший через кювету, уменьшается, а следова­ тельно, происходит электрический разбаланс схемы. Сигнал раз­ баланса усиливается электронным усилителем и подается на фазочувствительную обмотку реверсивного электродвигателя / / , перемещающего оптический клин 6. Оптический клин, установ-

ленный на пути светового потока, линейно изменяет свою опти­ ческую плотность в зависимости от угла поворота электродвига­ теля. Таким образом, приведенный во вращение реверсивный электродвигатель перемещением оптического клина компенсирует разницу в освещенности рабочего фотоприемника, и схема вновь приходит в состояние равновесия. С осью реверсивного двигателя механически связана стрелка указателя шкалы (на схеме отсут­ ствует) и движок реохорда R, присоединенный к автомати­ ческому электронному уравновешенному мосту, служащему для измерения и записи анализируемого параметра на расстоянии.

Выпускается ряд общепромышленных устройств для автома­ тического измерения и сигнализации мутности (прозрачности) жидких сред. Их основная погрешность составляет ±2,5 — 4% .

Нефелометрические и турбидиметрические приборы находят применение также и для контроля концентрации взвешенных ча­ стиц в газообразных средах. В основе пылемеров, как часто на­ зываются эти приборы, лежат те же физические явления, что и в анализаторах жидкостей. Подобные приборы применяются для

Рефрактометрические анализаторы получили широкое рас­ пространение для определения концентрации растворенных в жидкостях веществ. В сахарной, спиртовой, консервной, вино­ дельческой, пивоваренной и других отраслях пищевой промыш­ ленности автоматические рефрактометры используются как для непрерывного контроля, так и для автоматизации технологиче­ ских процессов.

Сущность рефрактометрического метода измерения концен­ трации растворов заключается в определении величины показа­ теля преломления света при переходе его из одной среды в дру­ гую. Концентрация растворов одной природы связана с показа­ телем преломления света следующей зависимостью:

Таким образом, по показателю преломления жидкостей мож­ но определить концентрацию растворенных в них веществ. Су­ ществует несколько методов определения показателя преломле­ ния, однако наиболее приемлемыми для рефрактометрии явля­ ются спектрометрический метод и метод, основанный на исполь­ зовании полного внутреннего отражения.

б

Рис. 148. Схемы преломления лучей света в стеклян­ ных призмах, заполняемых растворами.

в простой призме, заполненной жидкостью (рис. 148, а) связан с показателем преломления следующим выражением:

(352)

где ft—показатель преломления;

Ф — угол между плоскостями призмы.

Непосредственное измерение угла е связано с большими труд­ ностями, поэтому в промышленных рефрактометрах используют­ ся дифференциальные измерительные кюветы (призмы). Кювета (рис. 148, б) состоит из двух частей, в одной из которых нахо­ дится эталонная жидкость с показателем преломления пэ, а че­ рез другую протекает анализируемая жидкость с показателем преломления пх. При равенстве показателей преломления (пх = = пэ) параллельный пучок света не отклоняется от своего на­

дифференциальная кювета обеспечивает получение зависимости между изменением состава анализируемой жидкости и отклоне­ нием луча света, проходящего через такую кювету.

Рефрактометры с дифференциальными кюветами применимы для прозрачных и полупрозрачных жидкостей. Диапазон изме­ рения (&п — пх—пэ) определяется размерами кюветы и показа­ телем преломления эталонной жидкости. Преимуществом таких кювет является то, что их применение обеспечивает температур­ ную компенсацию результатов измерений при условии, что эта­ лонная и анализируемая жидкости имеют одинаковые темпера­ турные коэффициенты преломления.

Другим широко распространенным в рефрактометрии мето-

ломления может быть записано следующее выражение, харак­

S i n1 п рел

где ('пад — угол падения; 'прел —• угол преломления;

л 2 j — отношение показателей преломления двух сред.

При падении света из более оптически плотной в менее опти­ чески плотную среду при углах падения sin і п а д ^ п 2 , і , наблюда­ ется явление полного отражения, заключающееся в том, что свет полностью отражается от границы раздела в первую среду и уже

Рис. 149. Принципиальная схема автоматического ре­ фрактометра с дифференциальной измерительной кюветой.

совсем не попадает в среду с меньшим показателем преломле­ ния. Приборы, основанные на использовании полного внутрен­ него отражения, пригодны для работы с непрозрачными жидко­ стями, что является их преимуществом по сравнению с другими типами рефрактометров.

На рис. 149 показана принципиальная схема основанного на спектрометрическом принципе рефрактометра с проточной диф­ ференциальной измерительной кюветой. Работа прибора осу­

Линза 5 фокусирует изображение щели на дифференциальном фотоприемнике 6, состоящем из двух одинаковых фоторези­ сторов. Если коэффициенты преломления контролируемой и образцовой жидкостей одинаковы, обе половины фотоприем­ ника воспринимают симметричное изображение щели одинаково. При этом сигнал разбаланса, подаваемый на электронный уси-

литель 7, равен нулю. При изменении величины коэффициента преломления протекающей через кювету жидкости световой луч отклоняется и на половины дифференциального фотоприемника падают неодинаковые световые потоки, что ведет к разбалансу измерительной схемы. Сигнал разбаланса усиливается электрон­ ным усилителем 7 и подается к реверсивному электродвигате-

Рис. 150. Принципиальная схема автоматического рефрактометра полного внутреннего отражения.

лю 8, который осуществляет перемещение фотоприемника до на­ ступления состояния равновесия. Одновременно с перемещением фотоприемника реверсивный двигатель через соответствующую систему передачи производит перестановку стрелки показываю­ щего или записывающего измерительного устройства 9.

На основе рассмотренной схемы сконструирован ряд прибо­ ров, предназначенных для анализа различных технологических прозрачных и полупрозрачных сред.

На рис. 150 приведена принципиальная схема рефрактометра (тип РДА), основанного на использовании полного внутреннего отражения и предназначенного для контроля концентрации су­ хих веществ в консервной, сахарной, спиртовой и других отрас­ лях пищевой промышленности. В трубопровод /, по которому протекает анализируемая жидкость, вмонтирована измеритель­ ная призма 2, на которую поступает поток света от источника 5, проходящий предварительно светофильтр 4 и коллиматор 3. По­ падая на границу раздела среды и призмы, световой поток отра­ жается от нее й идет в направлении оптического рассеивателя 9,

пройдя который, попадает на фотоэлемент ФЭу и зеркало 8. От­ раженный от зеркала поток направляется на фотоэлемент ФЭ2. Сигнал разбаланса, равный разности э. д. с. от фотоэлементов, усиливается электронным усилителем 6 и поступает на ревер­ сивный двигатель 7, который поворачивает зеркало 8 до тех пор, пока отраженный от него свет, направляемый на фотоэлемент ФЭ2, не уравновесит световой поток, падающий на ФЭи и тем са­ мым не приведет систему в равновесие.

По аналогичной схеме построены многие приборы, шкалы ко­ торых градуируются в процентах сухого вещества, например са­ харозы (тип РАР, РД-Е, РАС). Основная погрешность измере­ ния ±0,5—1,5% сухих веществ.

Следует отметить, что рефрактометрические анализаторы яв­ ляются одними из наиболее перспективных приборов, предна­ значенных для анализа жидких пищевых продуктов.

§ 5 . ПОЛЯРИЗАЦИОННЫЕ АНАЛИЗАТОРЫ

Поляризационные методы анализа жидкостей за .последние годы получают все более широкое распространение благодаря ряду преимуществ перед другими, и в первую очередь безынер­ ционное™, высокой чувствительности, бесконтактности. Особое значение эти методы имеют для анализа пищевых продуктов, многие из которых являются оптически активными или анизо­ тропными веществами, а другие достаточно просто могут быть приведены в искусственное анизотропное состояние с помощью приложения внешних сил — механических, электрических или магнитных. К оптически активным веществам относятся сахаро­ за, глюкоза, фруктоза, большинство эфирных масел и многие другие.

Поляризационный метод анализа жидкостей основан на том, что для растворов, содержащих оптически активные вещества, угол вращения плоскости поляризации поляризованного света а пропорционален их концентрации и выражается зависимостью:

где а„—угол удельного вращения плоскости поляризации, зависящий от дли­ ны волны света и температуры;

С — концентрация оптически активного вещества, моль/м3 ; I — толщина слоя раствора, м;

К— постоянный коэффициент, м2 /моль.

На рис. 151 приведена принципиальная схема автоматическо­ го поляриметра для анализа пищевых продуктов. Световой по­ ток от источника 8 проходит через оптическую систему, состоя­ щую из конденсатора 7 и светофильтра 6, и попадает на поляри­ затор 5, из которого выходит плоскополяризованным. Далее по­ ток поляризованного света с помощью призмы 4 направляется на проточную кювету 3, через которую непрерывно протекает