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

§ 2 . МНОГОПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЙ МЕТОД АНАЛИЗА СЛОЖНЫХ СМЕСЕЙ

Методы контроля различных веществ и продуктов, находя­ щихся в жидком, газообразном или твердом состоянии, можно ус­ ловно разделить на две группы. К первой группе относятся мето­ ды, основанные на избирательных зависимостях от концентрации в растворах или смесях определяемых компонентов. При этом измеряемый параметр, избирательно зависящий от определяе­ мого компонента, практически мало зависит или совсем не зави­ сит от присутствия в растворе или в'анализируемой смеси дру­ гих компонентов. Ко второй группе относятся методы, которые характеризуются тем, что измеряемые параметры зависят от концентрации нескольких или всех компонентов, присутствую­ щих в растворе или анализируемой смеси. Эти методы называ­ ются неизбирательными, или интегральными.

К избирательным методам относится большинство классиче­ ских методов аналитической химии, заключающихся в примене­ нии таких реагентов, которые избирательно вступают в реакции с отдельными элементами, входящими в состав анализируемого вещества. К этой группе относятся также избирательные элек­ трохимические реакции, такие, как избирательное электроосаж­ дение отдельных элементов (металлов) из растворов, поляро­ графический электролиз, различные виды автоматического титро­ вания и некоторые другие методы. В последние годы получают развитие также такие избирательные методы, как нейтронноактивационный, основанный на переводе ядер анализируемых веществ в неустойчивое состояние путем их облучения потоком нейтронов и последующем измерении спектрального состава и активности вторичного а или 6-излучения образовавшихся ра­ диоактивных изотопов; спектрометрия; масс-спектрометрия; ядерный магнитный резонанс и др.

К неизбирательным, или интегральным, методам относится большинство методов, рассматриваемых в настоящем курсе. К ним относятся методы измерения плотности, вязкости, элек­ тропроводности, диэлектрической постоянной, преломления све­ та, поглощения ультразвука, радиоактивных излучений и мно­ гие другие. Эта группа методов развита достаточно хорошо. Приборы для измерения интегральных параметров выпускают­ ся приборостроительной промышленностью в широкой номенк­ латуре. Однако интегральные измерения не дают полного пред­ ставления о составе и свойствах анализируемого вещества.

В последние годы все большее распространение и развитие получает многопараметрический вычислительный метод анализа многокомпонентных смесей, базирующийся на измерении как интегральных, так и избирательных параметров, зависящих от состава анализируемого вещества. Сущность метода заключает-

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-