способ импедансметрического контроля процесса кристаллизации сахарсодержащего раствора
Классы МПК: | C13F1/02 кристаллизация; кристаллизационные аппараты |
Автор(ы): | Петров С.М., Скугарев В.В., Полянский К.К., Загорулько Е.А. |
Патентообладатель(и): | Воронежский технологический институт |
Приоритеты: |
подача заявки:
1993-11-24 публикация патента:
20.12.1996 |
Изобретение относится к пищевой промышленности и предназначено для контроля изменения массовой доли, пересыщения и кристаллосодержания кристаллизующихся растворов сахаристых веществ. Существо изобретения заключается в том, что осуществляют импедансметрический контроль процесса кристаллизации раствора при вариации электрической емкости конденсаторной ячейки и устанавливают взаимосвязь технологических параметров раствора в зависимости от диэлектрической проницаемости. При этом проводят кондуктометрическое измерение активных сопротивлений раствора на низкой частоте и высокочастотные измерения модулей импедансов. На основании этих измерений в области линейной регрессии параметров с измеряемой частотой определяют диэлектрическую проницаемость.
Формула изобретения
Способ импедансметрического контроля процесса кристаллизации сахарсодержащего раствора, включающий измерение электрофизических свойств раствора вариацией электрической емкости конденсаторной ячейки при сохранении постоянной площади электродов и установление взаимосвязи параметров кристаллизующегося раствора от диэлектрической проницаемости, отличающийся тем, что осуществляют кондуктометрическое измерение активных сопротивлений раствора Ri на низкой частоте, затем в диапазоне частот, не превышающем частоту выполнения условия равенства активной и реактивной составляющих импеданса, измеряют высокочастотные модули импедансов раствора и устанавливают нижний диапазон частот, в котором существует линейная регрессия параметра от частоты, при этом диэлектрическую проницаемость вычисляют в данном диапазоне частот по математическому выражению,
где K = I/(Cу1-Cу2) коэффициент, определяемый емкостями ячейки в воздухе при межэлектродных расстояниях d1 и d2 (причем d1 < d2);
R;1,R;2 низкочастотные активные сопротивления раствора при d1 и d2;
высокочастотные модули импедансов раствора при d1 и d2;
круговая частота.
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к измерению диэлектрических характеристик растворов сахаристых веществ и может быть использовано в контроле изменения их массовой доли, пересыщения и кристаллосодержания, например, при кристаллизации сахарозы, лактозы и других сахаридов. Известен способ контроля процесса кристаллизации сахарсодержащего раствора, предусматривающий высокочастотное измерение изменения импеданса утфеля и установление взаимосвязи параметров кристаллизующегося раствора через его диэлектрическую проницаемость, являющуюся аддитивной функцией диэлектрических постоянных воды, растворенного сахара, кристаллического сахара и несахаров [1]Однако известный способ является трудоемким и сложным в реализации из-за использования сверхвысоких частот (радиочастот порядка 150 МГц). Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту по решаемой задаче является способ контроля процесса кристаллизации сахарсодержащего раствора, предусматривающий измерение его электрофизических свойств вариацией электрической емкости конденсаторной ячейки при сохранении постоянной площади электродов и установление взаимосвязи параметров кристаллизующегося раствора от диэлектрической проницаемости [2]
Недостатком способа является низкая точность измерений из-за подверженности влиянию монтажных емкостей самой измерительной ячейки и подводящей линии, а также большая трудоемкость. В изобретении решается техническая задача повышения точности определения диэлектрической проницаемости сахарного раствора путем многочастотного измерения импеданса утфеля и упрощения практической реализации способа. При этом соответственно повышается точность контроля процесса кристаллизации на основе более достоверного определения диэлектрических характеристик дисперсной системы. Сущность изобретения заключается в том, что согласно предлагаемому способу импедансметрического контроля процесса кристаллизации сахарсодержащего раствора осуществляют измерение электрофизических свойств раствора вариацией электрической емкости конденсаторной ячейки при сохранении постоянной площади электродов и устанавливают взаимосвязь параметров кристаллизующегося раствора от диэлектрической проницаемости. При этом осуществляют кондуктометрическое измерение активных сопротивлений раствора Ri на низкой частоте, затем в диапазоне частот, не превышающем частоту выполнения условия равенства активной и реактивной составляющих импеданса, измеряют высокочастотные модули импедансов раствора и устанавливают нижний диапазон частот, в котором существует линейная регрессия параметра
от частоты. После чего диэлектрическую проницаемость вычисляют в данном диапазоне частот по математическому выражению:
где К=1/(Cв1-Cв2) коэффициент, определяемый емкостями ячейки в воздухе при межэлектродных расстояниях d1 и d2 (причем d1<d);
R;1, R;2 низкочастотные активные сопротивления раствора при d1 и d2;
, высокочастотные модули импедансов раствора при d1 и d2;
круговая частота. Способ осуществляют следующим образом. Вначале проводят кондуктометрическое измерение активного сопротивления раствора Rж1 на низкой частоте, когда не проявляются его диэлектрические свойства (например, на частотах 1000-1500 Гц), при меньшем межэлектродном расстоянии d1. Затем процедуру измерения повторяют при большем межэлектродном расстоянии d2 и определяют величину Rж2.. После этого при тех же межэлектродных расстояниях d1 и d2 измеряют на нескольких частотах (в диапазоне до 30-40 МГц) высокочастотные модули импедансов раствора и и устанавливают нижний диапазон частот, в котором существует линейная регрессия от круговой частоты выражения получаемого математическим преобразованием величины импеданса . Смысл преобразований заключается в том, что из представления импеданса в виде
следует возможность точного определения емкости конденсаторной ячейки с сахарным раствором на основании импедансметрии, когда в ходе измерения одновременно определяются два параметра импеданса (комплексного сопротивления): активная R и реактивная составляющие. В этом случае величина емкости С определяется из угла наклона линейной регрессии Yi= Cj.. При измеренных значениях емкостей конденсаторной ячейки в воздухе Cв1 и Cв2 для межэлектродных расстояний d1 и d2, дальнейшая операция определения диэлектрической проницаемости сводится к известной процедуре метода вариации емкости
При этом под значениями C;1 и C;2 понимается величина
Пример. Осуществляли импедансметрию раствора с массовой долей лактозы в нем 10% при температуре 20oC. Кондуктометрическое измерение активного сопротивления раствора проводили на частоте 1592 Гц при расстояниях между пластинами электродов конденсаторной ячейки 1 мм и 3 мм. При этом соответственно получены результаты Rж1= 220 Ом и R;2 u=529 Ом. Затем измеряли высокочастотные модули импедансов раствора в диапазоне частот f= 1-10 МГц и рассчитывали параметр Yi. Результаты сведены в таблицы 1, 2. Графическая интерпретация результатов таблиц 1 и 2 в виде зависимостей Yi= f() показала, что в диапазоне частот f=0-5 МГц существует линейная взаимосвязь параметров Y и , которая становится нелинейной при дальнейшем повышении частоты. На этом основании емкости конденсаторной ячейки, заполненной раствором лактозы, были определены для диапазона частот =0-31,42106c-1 как величины тангенсов углов наклона прямых Y1= C1 и Y2= C2.. Соответственные значения Cж1= 821,6 пФ и Cж2= 334,4 пФ включают монтажные емкости самой измерительной ячейки и подводящих линий. Емкости ячейки, измеренные в воздухе, имели величины Cd1= 14,34 пФ, Cd2= 7,96 пФ.
Определенное таким образом значение диэлектрической проницаемости составило величину
Сравнение с известным эталонным значением =76,2 показало, что относительная ошибка равна 0,3%
Измеряемая импедансметрическим способом с высокой точность величина e используется в последующем для интегральных методов контроля основных технологических характеристик процесса кристаллизации: массовой доли сахаров в растворах, коэффициента перенасыщения водносахарных растворов, кристаллосодержания и чистоты готовых продуктов. Получаемая в таком контроле информация является физически объективной по своей сути и достаточно надежной, поскольку растворенные сахара и вода как растворитель представляют собой диэлектрики. Использование предлагаемого способа позволит при достаточно простой процедуре измерения диэлектрической проницаемости сахарных растворов повысить точность контроля процесса кристаллизации на основе физически информативных импедансметрических измерений и разработать аналоговые (непрерывные по измеряемому параметру) способы контроля.
Класс C13F1/02 кристаллизация; кристаллизационные аппараты