Способ импедансметрического контроля процесса кристаллизации сахарсодержащего раствора

 

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.

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 R_i 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/(C^в₁-C^в₂) 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; ω круговая частота.

Способ осуществляют следующим образом.

Вначале проводят кондуктометрическое измерение активного сопротивления раствора R^ж₁ 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 R^ж₂..

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 Y_i= Cω_j..

При измеренных значениях емкостей конденсаторной ячейки в воздухе C^в₁ и C^в₂ 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 20^oC.

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 R^ж₁= 220 Ом и R^;_{2 u}=529 Ом.

Затем измеряли высокочастотные модули импедансов раствора в диапазоне частот f= 1-10 МГц и рассчитывали параметр Y_i. Результаты сведены в таблицы 1, 2.

Графическая интерпретация результатов таблиц 1 и 2 в виде зависимостей Y_i= f(ω) показала, что в диапазоне частот f=0-5 МГц существует линейная взаимосвязь параметров Y и ω, которая становится нелинейной при дальнейшем повышении частоты.

На этом основании емкости конденсаторной ячейки, заполненной раствором лактозы, были определены для диапазона частот ω=0-31,42·10⁶c^-1 как величины тангенсов углов наклона прямых Y₁= C₁ω и Y₂= C₂ω.. Соответственные значения C^ж₁= 821,6 пФ и C^ж₂= 334,4 пФ включают монтажные емкости самой измерительной ячейки и подводящих линий.

Емкости ячейки, измеренные в воздухе, имели величины C^d₁= 14,34 пФ, C^d₂= 7,96 пФ.
Определенное таким образом значение диэлектрической проницаемости составило величину

Сравнение с известным эталонным значением ε=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.

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 R_i 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/(C^у₁-C^у₂) 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;
ω круговая частота.