Кулонометрические гигрометры

Наиболее широкое применение в разных областях получили термокондуктометрические анализаторы, позволяющие осуществлять непрерывный автоматический контроль концентрации газов. В основе метода измерения лежит зависимость электрического сопротивления проводника с большим температурным коэффициентом от теплопроводности окружающей среды, т.е. концентрации анализируемого газа.

Относительные значения теплопроводности различных газов приведены ниже:

В термокондуктометрических газоанализаторах сравнивают изменение теплопроводности анализируемой газовой смеси с эталонной. На рис. 6.1 приведена простейшая схема термогазоанализатора. Здесь один из чувствительных элементов (нагреваемая нить) помещен в рабо­чую камеру, а другой – в сравнительную.

Рис. 6.1

Обычно чувствительные элементы нагреваются до температуры 100-120 °С. При отклонении теплопроводности анализируемого газа (т.е. его концентрации) от номинального значения изменяется электрическое сопротивление R и в измерительной диагонали появляется напряжение ΔU, которое служит мерой концентрации анализируемого вещества. Значение ΔUможно определить из выражения

ΔU = άI ³R₀² [ln (D/d)/2π l] (λ_к-λ_н)/λ_к λ_н ,

где D — диаметр камеры;

d- диаметр проволки;

R₀ — сопротивление при температуре 0 ^оС;

λ_н и λ_к — начальное и конечное значение теплопроводности;

ά — температурный коэффициент;

l — длина камеры.

Это выражение получено следующим образом.

Поток тепловой энергии, проходящий через поверхность S составит:

Q= S dt/dx =I ²R.

Здесь S=2 π l/ln( r_с/r_п)=к ,

где r_с и r_п — радиусы стеклянной камеры и проволоки.

dt/dx — градиент температуры.

Теплопроводность смеси λ _cм вычисляется по формуле

λ _cм = λ ₁С₁ λ₂С₂ ,

где λ₁ и λ₂ -теплопроводность компонентов с концентрацией С₁ и С₂.

При этом С₁ С₂ =1.

Тогда λ _cм = С₁ (λ ₁— λ ₂) λ ₂.

Пусть первоначально для С₁₁: λ_{см 1} = (λ₁— λ₂) С₁₁ λ₂,

тогда для С₁₂: λ _{cм 2} = (λ ₁— λ ₂) С₁₂ λ ₂.

Перепад температур :

Δt₁ = t _{п 1} — t _с =I ² R₁ / к λ _{cм 1}; Δt₂=t _{п 2} — t _с = I ²R₂ / к λ _{cм 2};

Δt = Δt₁ — Δt₂=I ² R (λ _{cм 2} — λ _{cм 1}) / к λ _cм λ _cм =I² R Δ C₁ (λ ₁ — λ ₂ )/к λ_cм1 λ_{cм 2},

отсюда Δ U = Δ R I = α R₀ Δ t I = α I³R₀² Δ C₁ (λ ₁ — λ ₂)/ к λ _{см 1} λ _{см 2}.

Основными недостатками рассмотренной схемы, приводящими к повыше­нию погрешности измерений, являются влияние температуры окружающей среды, колебания напряжения источника питания, наличие водяных паров.

От этих погрешностей можно избавиться при использовании дифференци­альных схем измерения.

Существенную роль играет также подготовка контролируемой среды. Анализируемый газ предварительно пропускают через холодильник, откуда об­разовавшийся конденсат сбрасывается в дренаж, далее газ проходит через фильтр, редукционный вентиль и ротаметрический регулятор расхода.

Термохимические газоанализаторы

Термохимические газоанализаторы предназначены для анализа горючих и взрывоопасных компонентов газовых смесей. Принципиально приборы этого типа не отличаются от ранее рассмотренных. Однако их отличие состоит в том, что здесь используется тепловой эффект сгорания горючих газов на каталитически активной платиновой спирали. Измерительный блок снабжается на входе и выходе взрывозащищающими устройствами. В настоящее время выпускаются автоматические газоанализаторы для определения водорода в кислородном коллекторе или кислорода в водородном коллекторе электролизных установок. Для про­верки правильности показаний используется баллон с контрольной газовой смесью.

Газоанализатор типа ТП 2221М — автоматический прибор, показывающий или самопишущий, предназначен для измерения объемной концентрации дву­окиси углерода СО₂ в многокомпонентных сухих газовых смесях.

Газоанализатор может быть использован в различных системах контро­ля, сигнализации и автоматического регулирования, в том числе и пище­вой промышленности.

Принцип действии прибора основан на зависимости теплопроводности анализируемой смеси от концентрации в ней СО₂, теплопроводность которой ниже других компонентов.

Основу прибора составляет компенсационная сравнительная мостовая схема переменного тока из 3-х мостов: рабочего, сравнительного и компенсационного. Рабочий мост построен подифференциальной схеме. Его чув­ствительные элементы помещены в закрытые ампулы. Два элемента омы­ваются анализируемым газом, два других — контрольным.

Диапазон измерений 0–40 %. Основная погреш­ность ±2,5 % . Постоянная времени 4 мин.

На изменении скорости прохождения ультразвуковых коле­баний через анализируемую газовую смесь основан ряд газоанализаторов.

Скорость распространения ультразвуковых колебаний определяется по формуле

,

где ρ – плотность среды;

β_ад – адиабатическая сжимаемость.

В заключение следует отметить, что для определения концентрации газовых смесей в мясной и молочной промышленности применяются приборы общепромышленного назначения. Специальные приборы для этих целей отсут­ствуют, да и в их разработке нет необходимости.

Глава 7. ОПТИЧЕСКИЕ АНАЛИЗАТОРЫ ВЕЩЕСТВ

Для контроля качественного и количественного состава в основном жидких пищевых продуктов нашли применение оптические анализаторы. Современные оптические анализаторы подразделяются на монохроматические (с излучением определенной длины волны) и немонохроматические (с потоком интегрального излучения, охватывающего весь спектр или часть его).

Наибольшее распространение получили немонохроматические ана­лизаторы, которые обладают достаточной чувствительностью и избира­тельностью и простотой исполнения. Различают анализаторы: колориметри­ческие, нефелометрические, турбидиметрические, рефрактометрические и поляризационные.

Из монохроматических анализаторов нашли применение люминес­центные и инфракрасной спектроскопии.

Колориметры.

Колориметрические фотометрические анализаторы жидкости основаны на изменении светового потока в видимой области спектра при его прохождении через анализируемую жидкость. Количественные соотношения между интенсивностью прошедшего через жидкость светового потока и концентрацией анализируемого вещества определяются за­коном Ламберта–Бера.

Ламбертом была установлена зависимость поглощения светового потока от толщины слоя вещества:

Ф=Ф_о∙е^-кl ,

где Ф — поток излучения, прошедшего через вещество;

Ф_о – поток излучения, входящий в вещество;

к – коэффициент поглощения (зависит от природы вещества и длины волны λ);

l — толщина слоя вещества.

Бером была установлена зависимость коэффициента к от концентра­ции вещества С :

к=ε_λ∙С ,

где ε_λ — коэффициент поглощения на определенной волне λ.

Таким образом, объединенный закон Ламберта – Бера можно выразить в следующем виде:

Ф = Ф_о е^{— ε}_λ^Сl ,

или, вводя понятие оптической плотности вещества D_λ, можно записать:

D_λ =lnФ_оλ/Ф_λ= ε_λСl .

Осуществляя измерения на двух длинах волн λ₁ и λ₂ и используя полученные соотношения, можно определить концентрацию анализируемого вещества в растворе:

С=(D _λ2 – D _λ1)/( ε_λ2 –ε_λ1 )l .

Для l=const и Δε= ε_λ2 –ε_λ1 =сonst :

С=к(D _λ2— D _λ1)=к(lnФ_оλ2— lnФ_λ2— lnФ_оλ1 lnФ_λ1).

Обозначим lnФ_оλ2— lnФ_λ2 = lnФ_оλ2/Ф_оλ1= А, тогда

к= (А- lnФ_λ2/ lnФ_λ1).

Таким образом, искомая концентрация:

С=f(Ф λ₁— Ф λ₂).

Обычно фотоколориметры работают в широкой области спектра. Для регистрации интенсивности световых потоков применяются различные типы фотоэлементов, фотосопротивлений, фотоумножителей. Для этих приборов закон Ламберта–Бера можно записать следующим образом:

ln I₀ /I=ελCl ,

где I₀ и I — фототоки, вызванные световыми потоками Ф₀ и Ф.

Для анализа жидкостей применяют одноканальные и двухканальные схемы измерений. Оптическая часть одноканального фотоэлектронного колориметрического анализатора жидкости (рис. 7.1) состоит из осветителя 1; коллиматора 2, служащего для создания параллельного пучка света; светофильтра 3 ; кюветы 4, в которой находится контролируемый раствор; фотоэлектрического прибора 5 и измерительного прибора 6, шкала которого градуируется в единицах концентрации анализируемого вещества.

В двухканальном фотоколориметре (рис. 7.2) используется компенсационный метод. Световой поток от источника 1 через коллиматор 2, обтюратор 3 (вращающийся диск) поперемен­но направляется на рабочую кювету 4 и сравнительную (через зеркало 13) кювету 12. Световой поток, прошедший через рабочую кювету, направляется на фотоэлемент 7 зеркалами 5 и 8. При равенстве потоков сигнал, поступающий от фотоэлемента, отсутствует. В случае отклонения концентрации от номи­нального значения сигнал разбаланса от фотоэлемента 7 усиливается в блоке 6 и воздействует на реверсивный двигатель 10, связанный с оптическим клином 9 и стрелкой показывающего прибора 11.

Современные автоматические фотоэлектронные колориметры

ФКЖ, АФК, ФК и другие обеспечивают точность измерения в пределах 1–15 %.

Эти анализаторы применяются для контроля концентрации нерастворенных взвешенных частиц в жидкостях и газах. Нефелометры и турбидиметры могут быть использованы также и для контроля концентрации взвешенных частиц в газах. В частности, они могут быть применены для контроля концентрации дыма в коптильных цехах. В них используются мето­ды, основанные на рассеянии и поглощении света в мутных средах.

При прохождении светового потока через среду часть его рассеивается, часть поглощается в зависимости от концентрации. При этом мерой концентрации может служить как интенсивность рассеянного светового потока (нефелометрические методы измерения), так и прошедшего через слой контролируемой среды (турбидиметрические методы измерения).

При использовании нефелометрических методов измеряют интенсивность рассеянного светового потока Ф_р. Соотношение между падающим Ф₀ и рассеянным Ф_р световыми потоками описывается законом Релея:

Ф_р = Ф₀∙к_рNV²/λ⁴ ,

где к_р – коэффициент рассеяния;

N – число частиц;

V — объем частиц;

λ — длина волны падающего света.

Действие прибора основыва­ется на сопоставлении интенсивности света, рассеянного средой, с интенсивностью рассеяния эталона.

Рис. 7.3

В рассматриваемой схеме не­фелометра (рис. 7.3) свет от источника 1 проходит через окно 2 и попадает в измерительную камеру 3. При этом часть его рассеивается и проходит через окно 4. Световые потоки периодически прерываются обтюратором 5 и попеременно направляются на фотоэлемент 6. Выравнивание их осуществляется оптическим клином 7, приводимым в движение реверсивным двигателем 8, который также связан со стрелкой вторичного прибора

В турбидиметрах соотношение между прошедшим световым потоком Ф_пр через контролируемую среду (суспензию) и вошедшим в нее Ф₀ может быть выражено следующим образом:

Ф_пр=Ф₀ е^-КоlN .

Выражая это соотношение через оптическую плотность, будем иметь :

D= ln Ф_о/Ф_пр = к_оlN,

где l — толщина слоя;

N — количество частиц в единице объема;

к_о — коэффициент ослабления.

Для частиц, размеры которых значительно больше длины волны, коэффициент ослабления пропорционален поверхности частицы. Для сферических частиц

к_о= π r² ,

где r — радиус частицы.

Приведенная схема турбидиметрического анализатора представ­ляет собой дифференциальную систему с нулевым отсчетом.

Поток света (рис. 7.4) от источника

1

проходит через коллиматор

2

, свето­фильтр

3

и специальные оптические устройства

4

, разделяю­щие его на рабочий и компенсационный каналы. В компенсационном канале нейтральный фильтр

5

служит для начальной настройки прибора при растворе, не содержащем контролируемого компонента. Далее световой поток направляется на фотоприемник

9

.

Рис. 7.4

В рабочем канале находятся два светофильтра: компенсацион­ный 6 и для настройки 7, кювета с анализируемой средой 8 и вторая половина фотоприемника 9. Фотоприемник 9 представляет собой два противовключенных источника ЭДС. Уси­ленная разность напряжений поступает на фазочувствительную обмот­ку реверсивного двигателя РД, связанного с компенсационным светофильтром 6, перемещение которого обеспечивает компенсацию в разнице ос­вещенности рабочего фотоприемника, а также стрелкой прибора и движком реохорда вторичного прибора.

Основная погрешность таких приборов составляет ±2,5–4 %.

Рефрактометры

Приборы, основанные на использовании зависимости показателя преломления бинарной смеси от соотношения ее компонентов, применяют­ся для определения концентрации различных растворов.

Показатель преломления n (относительный) определяется отношением синуса угла падения светового луча (sin α) к синусу угла преломления (sin β) при переходе его из одной среды в другую:

n= v₁/v₂= sin α/ sin β=n₂/n₁, так как n₁=C/v₁ и n₂=C/v₂,

где v₁ и v₂ — скорость распространения света в соответствующих средах;

n₁ и n₂ — их абсолютные показатели преломления;

C — скорость света в пустоте (вакууме).

Для двухкомпонентных растворов:

C₁/C₂=K [(n_см-n₂)/(n₁— n_см)],

где C₁ и C₂ — концентрации компонентов смеси;

n_см — показатель преломления смеси;

К- постоянная.

При К=1 и C₁ C₂=100 % для C₁ = C_х: C_х /100- C_х =(n-n₂)/(n₁-n) ,

отсюда

C_х=100∙(n-n₂)/(n₁-n),

где (n₁— n₂) /100=К_n — инкримент показателя преломления, тогда

n=n₂ К_n C_х.

Промышленные рефрактометры основаны на методе разностной призмы. Кювета включает в себя две или три полые призмы, одна из которых заполняется сравнительной жидкостью со средним значением показателя преломления.

Для двухпризменного преобразователя:

sin β=(n_x-n_ср)∙tg α.

Для трехпризменного:

sin β=2(n_x-n_ср) ∙tg α/2; (7.1)

n_x = n₂ K C_х ; (7.2)

n_ср = n₂ K.C_ср , (7.3)

вычитая из (7.2) выражение (7.3) получим n_x – n_ср =К(C_х – C_ср);

sin β=2КΔС tg α/2.

Измеряя рефрактометром отклонение светового пучка на выходе кюветного преобразователя, можно определить изменение концентрации ΔС анализируемого компонента.

На рис. 7.5 приведена схема рефрактометра. При n

_x

=n

_ср

фотосопротивления Ф1 и Ф2 равномерно освещаются. При изменении концентрации луч света отклоняется в ту или иную сторону. Разбаланс усиливается, и с помощью реверсивного двигателя РД поворачивается компенсационная пластина

5

. Стрелка показывающего прибора

6

, связанная с РД, указывает концент­рацию раствора.

Рис. 7.5

1— источник света; 2 — конденсорная линза; 3 — диафрагма; 4 — кювета; 5 – компенсационная пластина; 6 – показывающий прибор.

Другая группа рефрактометров основана на использовании явления полного внутреннего отражения.

При переходе из среды с большим показателем преломления в среду с меньшим (n₁>n₂) можно подобрать предельный угол α_пред< π/2, при котором β = 90°. При этом луч не проходит в менее плотную среду, а скользит по границе раздела сред. При всяком другом угле больше α_пред луч будет полностью отражаться от границы раздела. Этот эффект используют в волоконной оптике для передачи света по свето­водам. Отраженный свет делится на световую зону и затемненную. Рав­новесие получается тогда, когда граница светотени проецируется на ще­левую диафрагму.

Рефрактометр автоматический типа А2РП-Д предназначен для анализа прозрачных и полупрозрачных сред.

Прибор блочно-модульного исполнения с унифицированным выходным сигналом 4-20 мА постоянного тока. Принцип действия – измерение величины угла преломления светового луча, проходящего через жидкостную разностную призму. Рефрактометр собран по дифференциальной схеме.

Рефрактометрический преобразователь типа A1-ЕД2Р автоматичес­ки измеряет концентрацию сухих веществ в молочных продуктах и мо­локе. Пределы измерения 0 –74 % сухих веществ по сахарозе. Предел основной погрешности ±0,3 % сухих веществ.

Поляриметры

Поляризационно-оптические анализаторы основаны на свойстве поляризованного излучения изменять угол вращения плоскости поля­ризации при прохождении через оптически активное вещество.

При взаимодействии с оптически активной средой плоскость
поляризации поворачивается на угол

α= α_оСbK,

где α_о – удельное вращение, зависящее от длины волны, рода вещества и температуры;

С – концентрация вещества;

B – толщина слоя анализируемого раствора;

К – коэффициент;

α_о – удельное вращение, зависящее от длины волны, рода вещества и температуры.

Удельное вращение для различных веществ приведено ниже:

тростниковый сахар 66,4; глюкоза 52,5 и фруктоза –93,0.

Таким образом, вращение плоскостей поляризации может идти по часовой стрелке ( ) и против (–).

Концентрация вещества определяется по углу вращения плос­кости поляризации. Кювета с анализируемой жидкостью размещается между двумя поляроидами (призмами). Первая из них — поляризатор -обеспечивает плоскополяризованный свет, вторая — анализатор — измерение интенсивности плоскополяризованного света.

Интенсивность светового потока

F=F₀.cos 2 β,

где F₀ — интенсивность светового потока, выходящего из анализатора;

β — угол между плоскостями поляризации анализатора и поляризатора.

При размещении между поляризатором и анализатором анализируе­мого вещества меняется угол β, что может быть мерой концентрации оптически активного вещества.

В пищевой промышленности определяют этим методом такие оптически активные вещества, как сахар, глюкоза, лактоза.

На рис. 7.6 приведена схема поляризационно-оптического анализатора.

Рис. 7.6

1 — источник света; 2 — линза; 3 — интерференционный фильтр (монохроматический параллельный пучок); 4 — поляризатор (линейно-поляризованное излучение с определенным азимутом); 5 — модулятор (меняет азимут поляризации с частотой f на одинаковую величину от среднего положения); 6 — оптически активный объект; 7 — анализатор (установлен под углом 90° к среднему положению ази­мута поляризации); 8 — фотоприемник, преобразующий излучение (с частотой 2f) в электрический сигнал; блок питания; 9 – блок питания; 10 – электронная система; 11 – исполнительный механизм; 12 – отсчетное устройство.

При появлении оптически активного объекта среднее положение азимута поляризации будет повернуто на угол α и на фотоприемник поступит излучение с частотой f. Это вызовет в электронной системе 10 сигнал рассогласования, который поступает на исполнительный механизм 11, поворачивающий анализатор 7 вокруг оптической оси до тех пор, пока частотное излучение за анализатором не станет равным 2f. На отсчетном

устройстве 12 можно увидеть концентрацию анализируемого вещества.

На рис. 7.7 приведена схема анализатора пищевых продуктов.

Рис. 7.7

Световой поток от источника 1 проходит через конденсор 2, фильтр 3 и поляризатор 4, из которого выходит плоскополяризованным. Далее через призму 5 направляется в кювету 6 с контролируемым про­дуктом. После прохождения через кювету световой поток проходит через поляроидный анализатор 7 и далее попадает на фотоприемник 8, выход которого связан с усилителем. При отсутствии в среде оптически активных веществ поляризованный свет полностью гасится в анализаторе и не попадает на фотоэлемент. При их наличии плоскость поляризации поворачивается на некоторый угол (пропорционально концентрации вещества) и на фотоэлемент падает мо­дулированный световой поток. С помощью обратной связи система прихо­дит в первоначальное состояние.

По этой схеме работает анализатор содержания сахара типа САП в пределах 7–20° по международной шкале. Погрешность ±1 %. Прибор имеет выход на цифропечать.

В основу метода люминесцентного анализа состава и качества положено такое состояние вещества, при кото­ром атомы и молекулы приводятся в возбужденное состояние. При этом ве­щество светится без выделения тепла. Люминесценция возникает в резуль­тате перехода электронов из возбужденного состояния в нормальное.

При проведении анализов в пищевой промышленности используется один из ви­дов люминесценции – флуоресцентный (рис.7.8).

Поток света от источника ультрафио­летового излучения 1 , отражателя 2 и фильтра 3, падая на анализируемое вещество 4, вызывает видимое свечение вещества (флуоресценцию) большей длины волны, чем возбуждающее, т.е., согласно закону Стокса – Ломмеля, спектр излучения в целом и его максимум всегда сдвинуты по сравнению со спектром поглощения и его максимумом в сторону больших длин волн.

Это дает возможность отфильтровать рассеянную часть возбуждающего света, примешивающегося к люминесценции. Происходит преобразование длин волн: из невидимого свет становится видимым.

Каждому анализируемому веществу соответствует определенная интен­сивность и характерный цвет свечения. Этим свойством можно воспользо­ваться для определения его качества.

Оценка излучения может быть произведена с помощью фотоэлектрических приборов, обладающих необходимой избирательностью.

Люминесцентный метод определения подразделяется на следующие виды:

– сортовой (сорт и качество продукции);

– диагностический (вид порчи продукта);

– микроскопия (возможность наблюдения за микроскопическими объек­тами).

Один из видов анализа — применение флуоресцирующих веществ в ка­честве индикаторов. Особенно сильные изменения флуоресценции наблюдаются в мясных продуктах в процессе их порчи.

В настоящее время метод люминесценции применяется для:

– контроля содержания витаминов B1, B6 с помощью флуориметров;

— контроля содержания металлов (микроэлементов) в пищевых про­дуктах;

— контроля содержания жира и белка в молоке;

— контроля качества мяса.

Так, мышцы в разрезе дают красную и ко­ричневую окраску, сухожилия и хрящи — интенсивно голубую. Различные от­тенки окраски дают плесени. Установлено, что начальная стадия порчи мяса характеризуется не только интенсивностью собственно люминесценции, но и появлением двух максимальных спектральных полос 516 и 492,3 нм.

Люминесцентные методы могут быть использованы для определения летучих жирных кислот и амино-аммиачного азота в мясе и мясных экстрактах.

Прибор для определения свежести мясных продуктов основан на измерении коэффициента, характеризующего отношение интен­сивности люминесценции продукта при облучении его двумя световыми потоками с различной длиной волны. Для усиления эффективности люминесценции продукт предварительно под­вергается обработке флуорохромом – аурамином.

При анализе состава молока в нем были выявлены флуоресцентные вещества, которые под влиянием ультрафиолетового облучения поглощают световую энергию, в результате чего испускают вторичное флуоресцентное излучение. Установлено наличие двух отчетливых максимумов, один из которых относится к белкам и находится в ультрафиолетовой области. Флуоресценция белков вызывается флуоресценцией ароматических аминокис­лот (триптофана, тирозина и фенилаланина), содержащихся в белках. Макси­мумы их флуоресценции лежат в области 348, 303 и 282 нм соответственно.

Контроль содержания белков молока основан на измерении флуоресценции в интервале 340-360 нм, вызванной триптофаном. Пробу предварительно разбавляют и добавляют химические реактивы для дезагрегации гранул белков. Как правило, измерения проводят на длине волны 353,7 нм.

Интенсивность флуоресценции I, пропорциональную концентрации белка, измеряют флуориметрами, градуированными в процентах белка:

I=KI_oCE ,

где Io — интенсивность возбуждающего света;

С — концентрация молекул;

E — поглощающая способность молекул.

Помимо белка этим методом возможно осуществить контроль содержания жира в молоке путем измерения интенсивности флуоресценции жировой фазы молока после окраски её раствором фосфина.

Интенсивность люминесценции измеряется в диапазоне длин волн 480–620 нм при возбуждении светом в области 365–438 нм.

На этом принципе основан флуоресцентный жиромер типа ФЖ, представляющий собой одноканальный фотометр прямого отсчёта. Флуохромирование осуществляется смеши­ванием 4 мл молока и 8 мл красителя и нагреванием смеси до температуры 37 °С.

В качестве источника ультрафиолетового излучения используется ртутная лампа. Длина волны излучения составляет 366 нм.

С помощью интерферренционного светофильтра выделяется участок спектра флуоресценции с максимумом при длине волны 472 нм. С помощью фотоумножителя излучение флуоресценции преоб­разуется в электрический ток, измеряемый цифровым вольтметром.

Диапазон измерения прибора составляет 0,05–6,5 % жира.

Среднее квадратическое отклонение по сравнению с методом Розе Готлиб ±0,06 %. Время измерения 2 мин.

Метод флуоресценции положен в основу прибора «Фоссоматик» для определения количества соматических клеток, харак­теризующих заболевание маститом.

С помощью прибора «Фоссоматик» осуществляется подсчет флуоресцент­ных световых импульсов, испускаемых красителем, связанным с ДНК ядра клетки. В состав прибора входит блок подготовки пробы, микроскоп, фотоэлектри­ческий измеритель и индикатор.

Флуоресценция вызывается при возбуждении светом определенной длины волны от ксеноновой лампы.

Подготовленная проба молока с красителем микрошприцем наносится на вращающийся диск в виде слоя шириной 0,5 мм. Этот слой просвечива­ется синим светом, вызывая свечение длиной волны 590 нм. Оптическая система направляет световые импульсы в прямоугольную щель, после про­хождения которой фотоумножитель преобразует световой поток в элект­рический сигнал. Сигнал поступает в счетное устройство, осциллоскоп и печатающее устройство.

Вращающийся диск непрерывно очищается. После размещения пробирки с пробой прибор работает автоматически, включая мойку деталей прибора, сопри­касающихся с продуктом.

Диапазон измерения – до 10 млн клеток. Точность измерения – 10 % при количестве клеток 0,3–1,5 млн. Объем пробы 200 мл. Производительность — 180 проб/ч.

Экспресс-анализатор «Фоссоматик Минор» для подсчета соматических клеток в цельном молоке позволяет проводить до 50 анализов в час.

Таким образом, нами рассмотрены области исследования видимого света (400-800 нм) со стеклянной оптикой и ультрафиолетового (200-400 нм) с кварцевой оптикой. Поглощение в видимой и ультрафиолетовой областях связно с возбуждением электронов, поэтому их спектры выдают ограни­ченную информацию о строении молекул.

Интерес для более глубокого изучения строения вещества предс­тавляют исследования в инфракрасной области (0,8 — более 25 мкм), поглощение в которой связано с молекулярными колебаниями.

Область инфракрасного излучения находится после видимой части спектра и раз­деляется на ближнюю (0,8-2,5 мкм), среднюю (2,5-25 мкм) и дальнюю (более 25 мкм).

Применение ИК-излучения основано на том, что каждое вещество обладает определенным спектром его пропускания с характерными полосами поглощения. Сравнивая спектр поглощения ИК-излучения молоком и водой, мож­но видеть, что они практически идентичны. Выявить характерные полосы спектра поглощения позволяет дифференциальный метод, т.е. разность между ИК- поглощением молоком и водой.

Гольденом (Великобритания) получены дифференциальные спектры поглощения (рис. 7.9).

Рис. 7.9

Максимум поглощения составляющих молока соответствует: для жира – 5,73 мкм, белка – 6,46 мкм, лактозы – 9,6 мкм.

Измеряя на этих длинах волн интенсивность ИК-поглощения молока, можно опреде­лить содержание жира, белка и лактозы. Степень поглощения излучения характеризуется законом Бугера–Ламберта–Бера:

Ф=Ф₀е^—KCl .

Молоко является многокомпонентной системой, оптическая плотность которой:

D=(aX bY cZ)∙l d ,

где X, Y, Z — содержание жира, белка и лактозы;

a, b, c — коэффициенты поглощения жира, белка и лактозы

соответственно;

l — толщина слоя анализируемого вещества;

d — постоянная величина.

Исследованиями было установлено, что при измерении жира на длине волны 5,73 мкм, влияние других компонентов практически не сказывается.

Следует отметить, что при определении содержания белка на длине волны 6,46 мкм необходимо учитывать и содержание жира, значительно влияющего на оптическую плотность молока.

Таким образом, определяя оптическую плотность на указанных длинах волн , можно контролировать содержание жира, белка и лактозы в молоке. Для этой цели применяются инфракрасные спектрофотометры..

Анализатор ^иИрма» (Великобритания) предназначенный для определения содержания жира, белка и лактозы, представляет собой двухлучевой инфракрасный спектрофотометр, который сравнивает интенсивность поглощения ИК-излучения молоком и чистой водой на трех упомянутых длинах волн.

Для исключения неоднородности анализируемой пробы молоко перед измерением гомогенизируется.

При анализе белка автоматически учитывается содержание жира в пробе молока.

Пределы измерения: 1–9 % (жир), 1–8 % белок), 1–5,5 % (лактоза). Погрешность измерений составляет: ±0,06 (жир); ±0,07 (белок); ±0,06 (лактоза). Расход молока 15 мл. Время анализа компонент составляет 21, 32 и 43 с соответственно.

Анализатор использовался на крупных молочных предприятиях.

Одним из преимуществ установки «Ирма» являлось возможность избежать ошибки при определении белка в маститном молоке. Метод с использованием красителя в этом случае даёт повышенные показатели. В установке «Ирма» одновременно определяется и лактоза, содержание которой в маститном молоке снижается. Таким образом, повышенное содержание белка и пониженное лактозы указывает на то, что молоко получено от боль­ных животных. Одновременное использование счетчика соматических клеток способствовало бы окончательному решению этой проблемы.

На этом же принципе фирмой был выпущен прибор «Мини Ирма». Он име­ет меньшие размеры, более прост в обращении.

В приборе предусмотрено программное управление процессом измерения. По программе можно определять содержание 3-х компонентов в заданной последовательности.

Для проведения калибровки прибора предусмотрено использование эквивалентных растворов, полосы поглощения которых совпадают с поло­сами поглощения жира, белка и лактозы.

Фирмой «Фосс» (Дания) освоен выпуск приборов для анализа состава и качества молока на методе инфракрасной спектроскопии типа «Милко Скан». По сравнению с приборами «Ирма» приборы «Милко Сканы» более компактны и имеют повышенное быстродействие. Так, модель прибора FT 120 позволяет осуществлять до 120 анализов в час на жир, белок, лактозу. В приборе имеется микропроцессор, поз­воляющий расчетным путем определять содержание сухих веществ и СОМО. Кроме основных компонентов (жир, белок и лактоза) анализатор позволяет определять кислотность, плотность, содержание сахарозы, глюкозы, фруктозы, казеина, молочной и лимонной кислоты, соли, мочевины, а также кислотность, плотность и точку замерзания.

Анализатор имеет встроенное автодиагностическое программное обеспечение и возможность создания неограниченного количества индивидуальных программ для анализа различных молочных продуктов. Цифровая индикация может дублироваться на печатающее устройство.

Для определения жира, белка, лактозы, влажности, минерального остатка и кислотности сухого молока предназначен экспресс-анализатор «ИнфраЭкзакт» этой же фирмы. Погрешность контроля составляет ±0,3 %.

Проточный экспресс–анализатор «Процесс Скан» может быть использован для автоматической нормализации молока. Результаты измерений передаются на персональный компьютер с программой «Процесс Тач» для обеспечения требуемого содержания жира, белка, СОМО или их соотношения.

Для небольших предприятий предназначен экспресс-анализатор «Милко Скан Минор», который может быть использован для приемки молока и его нормализации. Определяет жир, белок, лактозу, сухие вещества, СОМО и точку замерзания. Производительность 40 анализов в час. Погрешность измерения ±0,05 %. Оснащен дисплеем.

Для централизованных молочных лабораторий и крупных молочных заводов может быть использована интегрированная система контроля качества, в которую входит анализатор «Фоссоматик 5000» для подсчета соматических клеток производительностью от 200 до 500 анализов в час, который может объединяться с моделью «Мико Скан 4000» той же производительности в единый комплекс«Комбифосс 5000» с общим конвейером и компьютером. В комплекс «Комбифосс 5000» может быть также включен экспресс-анализатор «Бакто Скан ФС» для подсчета общей бактериальной обсемененности цельного молока.

«Сибагроприбором» (Россия) создан экспресс-анализатор «Сагро-Спектроматик 300» для оценки основных нормируемых показателей мясных и молочных продуктов в ближней инфракрасной области с выходом на персональный компьютер типа Ноутбук. Время проведения анализа составляет 2-3 мин.

Глава 8. ВИСКОЗИМЕТРЫ

Вискозиметры – приборы для измерения вязкости, которая достаточно полно характеризует как состав, так и качество пищевых продуктов.

Вязкость – это свойство жидкостей и газов оказывать сопротивление перемещению одной их части относительно другой (скольжение или сдвиг).

Ньютоном была установлена сила (F) сдвига, возникающая при установившемся течении:

ΔF= μΔS Δv/Δl ,

где μ – динамическая вязкость;

ΔS – площадь внутреннего трения;

Δv/Δl – градиент скорости.

Отсюда динамическая вязкость, или просто вязкость:

μ= (ΔF/ ΔS)/( Δv/Δl).

Жидкости, вязкость которых не зависит от градиента скорости, называются “ньютоновскими”, остальные относятся к группе “неньютоновских”. При этом

μ=f(Δv/Δl) .

За единицу измерения динамической вязкости в Международной системе единиц (СИ) принимается Па∙с.

Используется также единица вязкости пуаз (П):

1 П=0,1 Па∙с ; 1 сП=1 мПа∙с.

Кинематическая вязкость – отношение динамической вязкости к плотности вещества ρ:

ν =μ/ρ.

За единицу измерения кинематической вязкости в Международной системе единиц (СИ) принимается м²/с. Используется также единица кинематической вязкости стокс (Ст):

1 Ст=1 м²/с.

В промышленности вязкость измеряют в условных единицах (ºЭнглера) — это отношение времени истечения определенного объема жидкости к времени истечения дистиллированной воды того же объема:

^оЭ= τ_ж / τ_в.

Вискозиметры этого типа получили большое распространение. Они основаны на измерении крутящего момента рабочего органа в анализируемой среде. В качестве вращающегося элемента используются коаксиальные цилиндры, а также диски, в том числе конические.

В вискозиметре на рис. 8.1 во вращение приводит­ся внешний цилиндр

1

. При этом жидкость при­ходит во вращательное стационарное движение, которое передается внутреннему цилиндру

2

. С помощью противовеса (пружины)

3

система приводится в равновесное состояние. Момент уравновешивающей силы связан с вяз­костью следующим соотношением:

μ=4π l ωμ R²r²/R²-r²,

где l — длина внутреннего цилиндра;

ω — угловая скорость вращения наружного цилиндра;

R и r — радиусы наружного и внутреннего цилиндров.

Другим типом вискозиметров являются приборы с вра­щающимся рабочим телом, погруженным в анали­зируемую жидкость. В этом случае измеряется крутящий момент с помощью специального устройства. На этом принципе основан вискозиметр фирмы «Брабендер» (ФРГ), применяемый для контроля качества (содержание влаги) творога, вырабатываемого на по­точных механизированных линиях с сепарированием творожного сгустка.

На рис. 8.2 приведен вискозиметр с вращающими­ся дисками. Диск

1

вращается от двигателя, что при­водит, вследствие вязких свойств анализируемых жид­костей, к вращению диска

2

. Крутящий момент, возникающий на диске

2

, передаётся через тросик

3

и измеряется с помощью пружины

4

.

Ротационные в вискозиметры типа РВ (с вращающимся цилиндром) могут использоваться для контроля вязкости сметаны и сгущенного молока с са­харом.

Для измерения вязкости кефира и сметаны разработан ротационный вис­козиметр ЭВП. Длительность его непрерывной работы не должна превышать 2–3 мин.

Вибрационные вискозиметры

Принцип действия вибрационных вискозиметров основан на изме­рении затухания колебаний чувствительного элемента, погружаемого в анали­зируемую среду, которое вызывается демпфированием жидкости.

Интенсивность распространения волн изменяется в соответствии с экспоненциальным законом:

I_r=I_oe^-ar,

где I_r — интенсивность колебаний на расстоянии r;

a — коэффициент поглощения, определяемый по формуле Стокса:

a = μω²/ρv³= 4π ²f ² μ / ρv³,

где ω — угловая скорость; v — скорость распространения в среде; ρ — плотность среды; f — частота.

Применяются два типа вискозиметров, основанных на вибрационном ме­тоде: электромагнитные и ультразвуковые.

В электромагнитномвискозиметре пластина жестко фиксируется в зажиме и от электромагнита приводится в резонан­сное колебательное движение. Колебание сис­темы воспринимается сенсорами. Погрешность составляет ±3 %.

В ультразвуковых приборах используется принцип измерения коэффициента затухания вибра­тора (частоты повторения возбуждающих им­пульсов), зависящего от вязкости среды. В качестве источников ультразвуковых колебаний применяются пьезо­электрические и магнитострикционные излучатели. Ультразвуковые вискозиметры обеспечивают погрешность контроля ±4 %.

Пенетрометры

Для контроля консистенции кефира и сметаны используется прибор, основанный на действии пенетрации. При этом намеряется время погружения индентора в продукт под действием собствен­ного веса на заданную глубину.

Первоначально шток индентора фиксируется
в определенном положении. Стакан с исследуемым продуктом помещают на столик при этом поднимают его таким образом, что­бы вершина индентора касалась поверхности продукта. При нажатии на кнопку «Пуск» од­новременно срабатывает стопор, фиксировав­ший индентор в верхнем положении и запус­кается секундомер. При достижении определенного положения останавливают секундомер, по показаниям которого судят о консистенции исследуемого продукта (кефира, сметаны). Погрешность измерения составляет ±5 %.

Следует отметить, что при применении приборов для измерения вязкости (консистенции) необходимо учитывать воздействие чувствительных элемен­тов на контролируемую среду. Так, ротационные вискозиметры необходимо применять лишь для периодических измерений.

При рассмотрении методов оптического анализа состава и качества пищевых продуктов нами были рассмотрены приборы для контроля жира и белка в молоке, основанные на оптических методах контроля.

Из существующих способов определения жира в молоке интерес может представлять также ультразвуковой метод измерения. На этом методе осно­ван ультразвуковой анализатор молока, предназначенный для определения содержания жира и сухого обезжиренного молочного остатка.

Действие прибора основано на зависимости скорости распространения ультразвука от концентрации жира и СОМО. При этом определено значение температуры, при которой скорость распространения ультразвуковых колебаний зависит только от CОMO. Таким образом, определяя скорость ультразвука при двух строго определенных температурах, в данном случае 41 и 65 °С, с помощью вычислительного устройства определяется содер­жание жира и СОМО в молоке.

Проба молока под действием сжатого воздуха направляется в два термостатирующих устройства, а затем в измерительные кюветы.

Прибор имеет цифровую индикацию результатов измерения жира и СОМО.

Сибагроприбором выпускается для молочной промышленности ряд ультразвуковых анализаторов качества молока. Так, при приемке молока может быть использован малогабаритный анализатор “Лактан 1-4 Мини” с питанием от 12 В, предназначенный для определения массовой доли жира, СОМО, добавленной воды и плотности .

Более высокую производительность имеют приборы “Лактан 1-4” модификации 220 и 230 .

Автоматизированный измерительный комплекс модификации 700, оснащенный системой автоматической подачи проб молока, определяет массовую долю жира, белка, СОМО, содержание воды, точку замерзания в пробе молока за 30 с. Анализатор оснащен персональным компьютером и печатающим устройством и предназначен для крупных предприятий.

Другим важным показателем состава молока является содержание бел­ка. Классическим методом его определения является так называемый ме­тод Кьельдаля (определение азота).

В настоящее время на базе его созданы полуавтоматические приборы. Так, фирмой «Фосс» был разработан прибор «Кьель Фосс макро ав­томатик».

Метод Кьельдаля основывается на том, что азотистый образец нагревают с концентрированной серной кислотой и катализатором. Раствор разбавляют водой и титрованием определяют количество аммиака.

Прибор позволяет осуществлять анализ через 3 мин. Объем пробы 0,5-1,0 г.

Измерительная часть прибора имеет 6 специальных колб, расположенных под углом 60°. Каждые 3 мин осуществляется их поворот в последующую позицию.

В положении 1 в колбу помещаются 3 таблетки реактива (H₂O₂), проба вещества и серная кислота.

В положении 2 зажигается газовая горелка, при этом содержимое кол­бы закипает. Практически в этом положении происходит полное разложе­ние вещества.

В положении 3 (вторая стадия разложения) при температуре 410 ^оC завершается разложение вещества. Азот на этой стадии связан в виде сульфата аммония.

В положении 4 происходит охлаждение колбы с помощью мощного вентилятора. При этом добавляется 140 мл воды.

В положении 5 осуществляется перегонка содержимого водяным паром. Отогнанный аммиак конденсируется и нейтрализуется разбавленной серной кислотой, количество которой является мерой содержания азота в пробе. Далее осуществляется пересчет в проценты содержания азота или белка.

В положении 6 осуществляется мойка колбы и подготовка ее к новому циклу.

Более прост в эксплуатации созданный фирмой «Текатор» (Швеция) прибор для определения белка, работающий на этом же методе.

Время определения 8 мин.

Прибор полуавтоматический и включает два блока: блок дистилляции и блок титрования.

В настоящее время фирмой «Фосс» для классического анализа белков по методу Кьельдаля выпускается анализатор «Кьельтек 2100».

Одним из важных показателей качества молока является его бактериальная загрязненность (oбсемененность). Известно, что в процессе
жизнедеятельности бактерий понижается содержание кислорода в растворе. Таким образом, по изменению концентрации кислорода можно судить о количестве в нем микроорганизмов.

В качестве одного из методов определения кислорода может быть использован полярографический, основанный на измерении предельного диффузионного тока, при котором кислород восстанавливается на отрицательно заряженном металлическом электроде. Мембранный датчик состоит из платинового и серебряного электродов. Полость между электродами заполнена 0,1 H раство­ром KCl. Коэффициент корреляции между содержанием кислорода и количеством бактерий составил 0,88.

В молоке IV класса (более 20 млн микроорганизмов в 1 мл ) практически отсутствует кислород. В молоке I класса (0,5 млн в 1 мл ) содержание кислорода–85-100 %. Метод может быть использован в качестве индикаторного при оценке качества молока.

Фирмой «Фосс», был разработан прибор для автоматического подсче­та бактериальных колоний на чашках Петри. Прибор имеет следующие основные блоки: столик для раз­мещения чашки Петри, пульт управления и блок индикации, телевизионную сканирующую установку с передающей камерой и приемником и сигнализирующее устройство. С помощью дискриминатора можно выбрать 6 положений 0,4-0,8-1,6 и 2,8 мл, соответствующих наименьшему диаметру регистрируемых колоний. Имеется также два положения: NORMAL при котором подсчитываются колонии больше 0,15 мм, и AREA -подсчитываются все колонии на поверхности чашки Петри. Время измерений – 1 с. Воспроизводимость результатов измерений ±5 %. Диаметр чашки Петри 60–100 мм.

Для автоматической подготовки чашек перед анализом в приборе имеется специальное устройство «Петри Фосс».

Для определения бактериальной обсемененности молока возможно также применение микрокалориметров.

Другим важным показателем при приемке молока является его натураль­ность. Этот показатель качества может быть определен по температуре точки замерзания. За основу действия прибора принято использование простого криоскопа с метастатическим термометром Бекмана в качестве индикатора температуры.

Прибор имеет два основных блока: хладостат и электрическую схему измерения температуры замерзания.

Измерительная схема работает в двух режимах: точного измерния –1–0 °С с точностью ±0,001 °С и грубого – 2-14 °С. Объем пробы 40–50 мл. Пробирка вводится в хладостат. Процесс кристаллизации контро­лируется с помощью реле времени. Он включается при температуре 1,2–1,5°С. При этом осуществляется переключение на более точную шкалу из­мерений. И через определенные интервалы времени производится 3 замера температуры. По последним двум результатам вычисляется среднее значение температуры замерзания.

Средняя температура замерзания молока -0,550 °С. Добавление 1 % воды повышает температуру замерзания на 0,005 °С.

Погрешность современных криоскопов ±0,5 %.

Для молочноконсервной промышленности в настоящее время разработан ряд приборов и устройств контроля показателей состава и качества молока.

Так, ВНИМИ разработан прибор для определения линейной скорости смачиваний сухих молочных продуктов.

Прибор включает в себя измерительную ячейку, систему подачи смачиваемой жидкости (этиловый спирт), вторичный прибор для записи. Проба помещается в ячейку на сетчатое дно. Через медную трубку в систему поступает смачиваемая жидкость до достижения заданного уровня. В процессе смачи­вания сухого молочного продукта уро­вень понижается, при этом клапан вновь открывается, обеспечивая подачу смачиваемой жидкости. В процессе смачивания контролируемой среды происходит замыкание контактов кондуктометрического устройства. Эти изменения фиксируются измерительной схемой и регистрируются с помощью самописца. По кривой на диаграмме можно определить линейную скорость смачивания.

Из специфических приборов, применяемых в промышленности, можно наз­вать прибор для определения загрязнения конденсата молоком, основанный на кондуктометрическом методе, а также так называемый тестер для контроля герметичности консер­вных банок. Здесь использован следующий принцип. Банка располагается в камере с повышенным давлением. При ее негерметичности давление внутри банки повышается и при выходе ее в атмосферу за счет разности давлений происходит вспучивание в ее торцевых частях. Изменение линейных раз­меров приводит к срабатыванию контактных устройств, связанных с бло­ком отбраковки негерметичных банок.

Как уже отмечалось, одним из показателей качества молока является наличие в нем соматических клеток. Для этого, помимо люминесцентного анализатора, может быть использован кондуктометрический метод подсчета соматических клеток как по количеству, так и по размеру.

Метод основан на прохождении частиц в поле постоянного напряжения через микроотверстие. При этом фиксируются электрические импульсы, коли­чество которых указывает на количество клеток, а длительность — на их размеры.

Процесс измерения состава веществ в хроматографах распадается на две части: хроматографическое разделение смеси на отдельные компоненты и идентификация (детектирование) компонентов.

Метод был предложен в 1903 году русским учёным А.С. Цветом. Он проявляется за счёт различной скорости движения вещества вдоль слоя сорбента, обусловленной характером внешних и внутренних межмолекуляр­ных взаимодействий.

К достоинствам этого метода можно отнести высокую чувствительность и точность.

В хроматографическом анализаторе анализируемое вещество с помощью устройства ввода пробы поступает в хроматограф. Оно подхватывается подвижной фазой, поступа­ющей от источника и вводится в хроматографическую разделительную колонку. Последняя заполнена сорбентом, являющимся неподвижной фазой, через которую протекает подвижная. В процессе переноса анализируемого вещества вдоль сорбента происходит разделение смеси на отдель­ные компоненты. На выходе колонки разделённые фракции поступают в детектор 4, связанный с измерительным уст­ройством 5. Существует три хроматографических метода измерения, различающихся способом перемещения анализируемой смеси: проявительный, вытеснительный и фронтальный.

Впроявительном методе через неподвижный сорбент непрерывно проте­кает несорбирующийся поток подвижной фазы (газ-носитель), в который периодически вносится анализируемое вещество. Если сорбируемость компонентов характеризуется соотношением А< В< С, то первым выносится наименее сорбируемое вещество А, а последним — хорошо сорбируемое С.

Бинарная смесь (носитель и один из компонентов) поступает в де­тектор. Выходной сигнал детектора направляется на регистрирующий прибор.

График, регистрируемый самопишущим прибором и называеый хроматограммой, характеризует как качественный, так и количественный состав смеси.

Количественная оценка анализируемых компонентов производится по площади пика или его высоте.

Время, через которое на выходе из хроматографической колонки появляется тот или иной компонент, называется временем удерживания τ_R (от момента ввода пробы до максимума пика). Удерживаемый объём газа-носителя рассчитывается поформуле

V_R= τ _R.v ,

где v — скорость газа-носителя.

Ширина пика определяется у его основания или на половине высоты τ _0,5.

Эффективность газохроматографической колонки:

N=5,545(τ_R/ τ _0,5)².

Эффективность разделения двух компонентов газовой смеси определяет такой показатель, как степень разделения:

R=( τR1-τR2 )/ [τ_0,5(1) τ _0,5(2)].

При вытеснительном методе в колонку вводится порция многокомпонентной анализируемой смеси, компоненты которой поглощаются сорбентом. Затем с помощью более сорбирующегося вещества они последовательно вытесняются.

Фронтальный метод характеризуется тем, что анализируемую смесь не­прерывно подают в верхнюю часть колонки и собирают отдельные фракции фильтрата на выходе. Вначале появляется растворитель, затем ме­нее сорбирующийся компонент, далее – смесь.

В промышленных хроматографах преимущественно используется проявительный метод.

По типу используемых подвижных и неподвижных фаз хроматографические методы классифицируются следующим образом:

Большее применение нашли газовые хроматографы. Они классифицируются на насадочные, капиллярные и микронасадочные.

Одним из основных элементов газовых хроматографов является разде­лительная колонка.

Как правило, длина колонки составляет 1–5 м, при этом у капиллярных она может доходить до 300 м.Колонки размещаются в термостатах, а форма их может быть U-образной или спиральной. Внутренний диаметр 0,5–5 мм. В капиллярных – 0,15–0,5 мм.Материал трубки – металл, стекло, фторопласт.

В газожидкостных хроматографах широко используется программированное измерение температуры.

В качестве неподвижной фазы в газоадсорбционных хроматографах при­меняются следующие вещества: активированный уголь, селикагель, алюмогель. Размер зёрен адсорбентов 0,1– 0,8 мм.

В качестве жидких сорбентов используются различные масла, наносимые на поверхность твёрдого носителя. Размеры частиц 0,25– 0,5 мм. Предвари­тельно жидкую фазу растворяют в метаноле или ацетоне, которые в пос­ледствии испаряются.

Капиллярные колонки заполняют растворимым жидким сорбентом под дав­лением. Растворитель затем испаряют.

В качестве газов-носителей используют азот, аргон, гелий, водород и уг­лекислый газ.

Благодаря своей высокой теплопроводности водород обеспечивает боль­шую чувствителъность детектора, основанного на этом методе. Не­достатком является его взрывоопасность.

Линейная скорость газа-носителя в насадочных колоннах 2–5 см/с,

в капиллярных — 10–15 см/с. Расход газа составляет 0,1-2 см³/с, давление 0,5–1∙10⁵ Па.

Ввод пробы 0,1–20 см осуществляется либо шприцем, либо дозатором определённого объёма.

В качестве подвижной жидкой фазы в жидкостных хроматографах исполь­зуются спирты и эфиры. Подача и транспортировка подвижной фазы осуществляется под давлением до 30 МПа и выше.

Диаметр трубки колонки 1,5– 8 мм, длина 0,5–1 м.

В качестве неподвижной фазы могут быть твёрдые сорбенты и жидкости, наносимые на твёрдый носитель (40 мкм). В качестве жидкости исполь­зуются углеводородные полимеры, хлороформ.

Детекторы используют следующих типов: по теплопроводности, термохи­мические, пламенно-ионизационные, ионизационные.

Пламенно-ионизационные детекторы основаны на измерении электрического сопротивления пламени водорода при введении в него компонентов анализиру­емой смеси.

При введении органического вещества в поток носителя происходит ионизации молекул компонента и сопротивление пламени резко снижается.

В ионизационных детекторах происходит ионизация в камере при попадании в неё компонента, что приводит к резкому снижению сопротивления.

В качестве детекторов в жидкостных хроматографах применяются рефрак­тометры, диэлькометры, ультрафиолетовые и полярографические измеритель­ные преобразователи.

Градуировка хроматографов осуществляется следующими методами:

1. Абсолютным — по всем анализируемым компонентам.

2. Внутренней нормализации — градуировочный коэффициент определяется по одному чистому веществу, для других коэффициенты определяют по соотно­шению теплоёмкостей.

3. Внутреннего стандарта — путём введения в градуировочную смесь стандарт­ного вещества.

Требования современных технологий, состоящие в одновременном контроле сотни параметров процесса и принятии, на основе их анализа решений, привели к созданию такого вида технических средств, как измерительные информационные системы (ИИС) на базе применения микропроцессорной техники, мини-ЭВМ и персональных компьютеров.

По функциональному назначению ИИС подразделяют на измерительные системы (ИС) и системы автоматического контроля (САК).

В последнее время разработаны информационно-вычислительные комплексы (ИВК) – разновидность ИИС, в состав которых входит свободно программируемая ЭВМ, используемая как для обработки результатов измерений, так и для формирования управляющих воздействий на сам процесс измерения и объект управления.

По алгоритму функционирования ИИС делят на системы с жестким алгоритмом, программируемые и адаптивные системы. Первые предназначены для объектов, работающих в определенном режиме. В программируемых системах возможно изменение алгоритма в зависимости от условий функционирования объекта.

Синтез ИИС осуществляют по принципу агрегатно-модульного построения из унифицированных узлов и стандартных интерфейсов.

На рис. 11.1 представлена структурная схема ИИС, включающая следующие устройства:

— измерения, имеет первичные и вторичные измерительные преобразователи и коммутатор (УИ);

— обработки информации по определенному алгоритму (УОИ);

— хранения информации (УХИ);

— представления информации в виде регистраторов и индикаторов (УПИ);

— управления, предназначенное для организации взаимодействия всех узлов ИИС (УУ);

— воздействия на объект (О), включающее генераторы стимулирующих воздествий, (УВО).

Рис. 11.1

Информация от ИИС может поступать к оператору или ЭВМ.

В зависимости от способа организации передачи информации от функциональных блоков ФБ различают линейную 1, радиальную 2 и магистральную 3 структуры ИИС (рис. 11.2).

При линейной структуре передача информации осуществляется последовательно от одного блока к другому, при этом каждый выполняет определенную операцию над проходящим сигналом. Это наиболее простая схема с ограниченными возможностями.

В радиальной структуре обмен сигналами происходит через устройство управления – контроллер, определяющий взаимодествие между блоками.

Рис. 11.2

В ИИС с магистральной структурой имеется общий для всех блоков канал связи, что позволяет наращивать количество блоков в системе, не приводя к усложнению котроллера.

Существуют также структуры, представляющие собой комбинации из рассмотренных ( радиально-магистральная и др.).

Для обеспечения универсальности ИИС контролируемые параметры представляют унифицированными электрическими сигналами.

Применение тех или иных унифицированных сигналов зависит от характеристик ИИС, входа канала связи, формы представления измерительной информации.

Измерительные системы

В этих системах преобладают функции измерений. Такие системы могут выполнять прямые, косвенные, совместные и совокупные измерения.

В этих системах присутствуют первичный измерительный преобразователь, элемент сравнения, задатчик и элемент выдачи результата.

По виду и количеству элементов ИС подразделяются (рис. 11.3) на многоканальные 1 с параллельной структурой, сканирующие 2 с последовательной структурой, мультиплицированные 3 с общей мерой и многоточечные 4 с параллельно-последовательной структурой.

Рис. 11.3

Многоканальные в каждом канале содержат полный набор элементов. Системы обладают высокой надежностью, быстродействием и учетом индивидуальных особенностей каждого канала измерения, в то же время сложны и имеют высокую стоимость.

В сканирующих ИС используется один канал измерения, при этом первичный измерительный преобразователь перемещается в пространстве либо по жесткой программе, либо в зависимости от получаемой информации. Такие системы используются для объектов с распределенными в пространстве параметрами и могут определять экстремальные или равные их значения. Недостатком таких систем является высокая инерционность.

Мультиплицированные ИС позволяют в течение одного цикла измерения известной величины выполнить сравнение со всеми измеренными величинами без использования коммутатора.

Многоточечные ИС применяют для объектов с большим количеством измеряемых величин (нескольких тысяч). В таких системах используют измерительные коммутаторы. К их недостаткам относятся повышенная инерционность и дополнительная погрешность, вносимая коммутатором.

Отличительная особенность процессорных измерительных средств(ПИС) состоит в том, что часть измерительной процедуры выполняется в числовой форме с помощью вводимой в измерительную цепь перепрограммируемой вычислительной мощности.

На первом этапе развития ИИС на ЭВМ возлагалась обработка измерительной информации и управление функционированием всего устройства в целом. Таким образом, на этом этапе ЭВМ в формировании результата не участвовала.

Усложнение измерительных систем и комплексов, необходимость сопряжения измерительных, вычислительных, периферийных и вспомогательных устройств, появление программного обеспечения как составной части ИИС и информационно-вычислительных комплексов (ИВК) потребовали пересмотра системотехнических принципов их построения. Это касалось совместимости аналоговых и процессорных блоков; организации управления, выбора и применения стандартных интерфейсов; развития системного программного обеспечения и принципов системной унификации компонентов.

На базе применения мини- и микроЭВМ была создана структура, реализующая магистрально-модульный принцип построения измерительно-информационной техники.

С помощью микропроцессорных систем достигается многофункциональность контроля, упрощение процесса измерения, автоматизация регулировок, самокалибровка и автоматическая поверка, улучшение метрологических характеристик, выполнение вычислительных процедур, статистическая обработка результатов измерения. Создание программируемых, полностью автоматизированных приборов открыло возможность построения многофункциональных приборов с гибкими программами работы, выхода на стандартную интерфейсную шину (канал общего пользования – КОП) и управления интерфейсом.

Многофункциональные приборы выпускались и ранее, однако они выполнялись по схеме с жесткой логикой. Серьёзные трудности возникали при решении проблемы коммутации.

Применение микропроцессоров преобразовало такое устройство в программно-управляемое. Программа может быть видоизменена при переходе к другой, хранимой в постоянном запоминающем устройстве. Создание гибкости перенастройки, возможность наращивать функции при модернизации. Точность (близость погрешностей к 0) систематических (правильность) и случайных (сходимость) погрешностей повышается за счет автоматической компенсации систематической погрешности (установка 0), самокалибровка, уменьшение влияния случайной составляющей за счет многократных наблюдений с последующим усреднением.

Расширение измерительных возможностей процессорных измерительных средств происходит за счет использования совокупных и косвенных измерений.

С помощью компьютерной системы производится выбор режимов измерения, запоминаются результаты, осуществляется расчёт и выдача найденного выражения на дисплей.

При выполнении совокупных измерений искомое значение находят решением системы уравнений.

С помощью встроенных микропроцессоров возможно умножение на коэффициенты, определение относительного отклонения (в %), представление в логарифмических единицах, линеаризация зависимостей.

Возможно также определение среднеквадратичного отклонения, коэффициента корреляции, исключения систематической погрешности.

Для широко применяемых микропроцессоров накоплена библиотека пакета прикладных программ.

Возможность подключения прибора с микропроцессором к КОП позволяет объединить совокупность приборов в едином ИВК.

Следующий этап в развитии ПИС характеризуется включением микроЭВМ и микропроцессорных комплексов не только в состав ИИС, но и прибора и даже отдельного модуля или первичного измерительного преобразователя.

Таким образом, ПИС включает в себя две составные части: аппаратную и программную. Функционирование ПИС обеспечивается совокупностью интерфейсов.

В состав ПИС входят следующие аппаратные средства:

— средства получения, аналогового преобразования и обмена информации – все аналоговые измерительные модули, АЦП, ЦАП, а также средства ввода и вывода дискретных сигналов;

— средства числового преобразования и хранения информации – процессоры, ЗУ, ПЗУ, ППЗУ, магнитные диски;

— средства управления – интерфейсные устройства (контроллеры, адаптеры, магистрали);

— вспомогательные средства – средства ручного управления, источники питания, несущие конструкции, сервисное оборудование и средства тестирования.

Программная часть включает в себя прикладное, системное и технологическое (вспомогательное) обеспечение.

Прикладное программное обеспечение оформляется в виде пакетов прикладных программ (ППП) и включает в себя совокупность программ реализации входящих в измерительную процедуру числовых преобразований, программ обработки измерительной информации.

Системное программное обеспечение предназначено для управления функционированием ПИС (синхронизация, согласование, организация обмена), оформляется в виде операционных систем, системных программ, драйверных программ, трансляторов.

Вспомогательное ПО включает в себя программное тестирование, программы управления базами данных, работы с сервисными средствами (обучение, представление справочных данных).

В процессе развития ПИС все большую ее часть занимает программное обеспечение. Вместе с тем развитие измерительной техники требует разработки и соответствующей метрологической основы в виде алгоритмического обеспечения и методологии определения погрешностей и характеристик погрешностей результатов измерения.