Способ определения концентрации этилового спирта в водных растворах и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к пищевой промышленности и может найти применение в системах контроля качества алкогольной продукции. Сущность изобретения: априорно определяются характеристические линии поглощения этилового спирта, измеряется спектральная зависимость поглощения света в водо-спиртовом растворе и окрестности "провала" в характеристике и определяется глубина "провала", а затем на основании исходных и полученных данных рассчитывается концентрация раствора. Для реализации способа предложен модернизированный акустооптический (АО) спектрометр, в котором применен светосильный вариант АО фильтра с аппаратной функцией, спектрально согласованной с характеристическим спектром поглощения, причем снижению погрешности измерений способствует и переход на низкочувствительные малошумящие фотодиоды в приемной части. 2 с.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к пищевой промышленности и может найти применение в системах контроля качества алкогольной продукции в частности контроля концентрации этилового спирта в водно-спиртовых и более сложных смесях - продукции производства вино-водочной промышленности.

Известен способ определения концентрации спирта в водных растворах с помощью ареометра [1] Способ основан на различии плотности растворов этилового спирта, имеющих различную концентрацию спирта. Недостатком этого способа является сложность применения, обусловленная необходимость термостабилизации спиртового раствора с точностью до 0,2^oC, ограниченность перечня растворов только двухкомпонентными водно-спиртовыми растворами, а также необходимостью механического контакта датчика (ареометра) с исследуемым раствором.

Способ, принятый в качестве прототипа [2] относится к бесконтактным и позволяет измерять качество спирта оптическим методом. Способ позволяет определить параметры этилового спирта по поглощению света водно-спиртовым раствором в диапазоне 210-250 мм, сравнению полученного значения с поглощением эталонной пробы по допустимой величине поглощения судят о качестве водного раствора этилового спирта.

Недостатками известного способа являются низкая точность оценивания качества спиртовых растворов и относительно большие затраты времени (15 мин) на получение результатов.

Цель изобретения повышение точности определения концентрации спирта в водно-спиртовом растворе при одновременном повышении быстродействия, а также возможность выполнения бесконтактных измерений без специальной подготовки пробы.

Цель достигается тем, что в известном способе определения концентрации спирта, содержащем операции отбора пробы исследуемого раствора, помещения кюветы с пробой на пути оптического пучка, измерения поглощения излучения источника в кювете длиной d в выбранном диапазоне длин волн и измерения аналогичных параметров на эталонном образце раствора, сравнения полученных результатов, согласно изобретению, производят спектрально-селективное измерение затухания света, прошедшего сквозь кювету с исследуемым раствором, сначала о всем диапазоне, затем на предварительно определенных характеристических длинах волн λ^*,λ₁ излучения широкополосного источника света с интенсивностью I(λ) где λ^* точка локального минимума в спектре поглощения раствора спирта; l₁ точка перегиба спектральной кривой поглощения раствора спирта в окрестностях точки λ^* определяют концентрацию C спирта в растворе по формуле где A коэффициент, зависящий от свойств раствора и длины световой волны и не зависящий от концентрации раствора.

Теоретическая модель предлагаемого способа основана на законах Бугера-Ламберта и законе Бара [3] Поглощению света в веществе описывается законом Бугера-Ламберта I=I_oe^-dκ (1), где I_o интенсивность света источника до поглощения средой;
I интенсивность света после прохождения через среду толщиной d;
κ линейный коэффициент поглощения света.

Коэффициент поглощения зависит от типа вещества, при этом для разбавленных растворов справедлив закон Бэра
I=I_oe^-Acd (2), (2),
где
c концентрация растворенного вещества, если растворитель не поглощает свет,
A постоянная, зависящая от свойств растворенного вещества и от длины световой волны и не зависящая от концентрации растворенного вещества.

Пусть регистрируется интенсивность прошедшего света I (λ_i) для разных точек спектрального диапазона λ_i тогда из формулы (2)

Логарифмируя (3), получаем

Отсюда концентрация C определится

Т. е. зная длину кюветы d, коэффициенты A(λ₁) и A(λ₂) и логарифм отношения интенсивности I_n I₁/I₂, можно найти концентрацию вещества и растворе.

Способ определения концентрации основан из следующих исходных данных. Известно, что кривая пропускания водно-спиртового раствора в окрестностях линии характеристического поглощения спирта имеет вид (1), фиг. 1. Спектральная зависимость пропускания для воды имеет вид (2).

При этом "провал" кривой (1) обусловлен наличием резонансно зависящего центрального коэффициента поглощения спирта типа A(λ)e^-κ⁽λ^)dc. Такая зависимость показывает принципиальную возможность аппаратурного нахождения концентрации спирта путем спектрофотометрических измерений отдельно чистой воды и водно-спиртового раствора и последующей обработки результатов по установленному алгоритму.

В предложенном способе выполняются операции измерения интенсивности излучения на характеристических линиях спирта в окрестности "провала" этой линии.

На фиг. 1 представлены зависимость спектрального поглощения водно-спиртового раствора (3), дистиллированной воды (кривая 2), этилового спирта (1).

Представленные результаты получены на стандартном спектрофотометрическом приборе "Hitachi-4000". При этом обнаружено, что появление "провала" на результирующей (3) обусловлено исключительно индивидуальной особенностью поглощения в спирте (кривая 1), поскольку в окрестностях характеристической точки спирта (λ₁ 920,8 км) аномалии подобного сорта не выявлены ни в стекле, ни в воде, ни в водном растворе сахара, ни в окрашивающих водку добавках ("Лимонная", "Старка" и т.п.). Более того, такого резонансного вида спектра спирта не наблюдается и в окрестности 210 250 км, где применялся способ контроля водки, выбранный в качестве прототипа. А значит, данная методика может применяться для определения концентрации этилового спирта в продуктах вино-водочной промышленности.

Описание аппаратуры для реализации способа. Поскольку способ определения концентрации спирта базируется на спектральных измерениях, то в принципе любой спектрометрический прибор (спектрофотометр) может быть использован для реализации способа. Выше уже упоминалось применение прибора "Hituchi-4000" для регистрации спектра.

Цель изобретения создание специализированного спиртомера с автоматической обработкой результатов измерений, обеспечивающего высокое быстродействие и точность определения концентрации, при бесконтактном процессе измерений, в перспективе способного работать в технологической линии (в потоке водно-спиртового раствора). Понятно, что такая цель не может быть достигнута ни одним из известных приборов.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является акустооптический (АО) спектрометр "Кварц-4" [6] содержащий последовательно соединенные управляемый генератор, модулятор, усилитель мощности и коллинеарный акустооптический фильтр, на оптическом выходе которого установлен фотоэлектронный умножитель типа ФЗУ 69-6, электрический связанный с системой синхронной обработки, а также блок управления, первый выход которого связан с модулятором, а второй с системой синхронной обработки, два терминала которой соединены с терминалами блока управления и ЭВМ, соответственно.

Недостатками известного спектрометра являются малая оптическая светосила используемого коллинеарного кварцевого АО фильтра, несогласованность рабочего диапазона длин волн с точкой характеристической линии поглощения этилового спирта, а также значительная дисперсия результатов измерений.

Попытки провести измерения концентрации спирта в растворе с помощью модернизированного прибора "Кварц" с оптимизированным кварцевым фильтром дали погрешность определения 3% что существенно уступают ареометрическому способу.

Цель изобретения реализация способа при одновременном упрощении измерительной аппаратуры и повышение точности измерения.

Цель достигается тем, что в известном АО спектрометре, содержащем генератор, управляемый напряжением, модулятор усилитель мощности и акустооптический фильтр, на оптическом выходе которого установлен фотоприемник, электрически связанный с системой синхронной обработки, а также блок управления, первый выход которого связан с модулятором, а второй с системой синхронной обработки, два терминала которого соединены с терминалами блока управления и ЭВМ, соответственно, согласно изобретению спектрометр дополнительно снабжен источником света, между оптическим входом спектрометра и источником установлена кювета с исследуемым раствором, создавшими измерительный канал, параллельно которому с помощью системы зеркал образован опорный канал с эталонной кюветой. Акустооптический фильтр выбран светосильный и изготовлен из кристалла TeO₂ ([110] среза), рабочий диапазон которого включает характеристические линии поглощения этилового спирта, а аппаратная функция АО фильтра согласована с полушириной провала в линии поглощения, в качестве фотоприемника выбран фотодиод ФД-7К.

Устройство схематически представлено на фиг. 2, где цифрами обозначены генератор 1, модулятор 2, усилитель мощности 3, акустооптический фильтр 4, фотоприемники 5 и 5', 2 системы синхронной обработки 6 и 6', работающие одновременно, блок управления 7, блок выбора режимов 8, согласующее устройство 9, датчик мощности 10, блок частотно-дискретного слежения (БЧДС) 11, устройство сопряжения с ЭВМ 12, источник света 13, кювета с исследуемым раствором 14, кювета с эталонным раствором 15, система зеркал 16.

Устройство измерения концентрации работает следующим образом. Вначале одновременно с калибровкой измерителя на эталонный спектр с помощью кюветы в опорном канале 15 происходит измерение образца в измерительном канале 14. Сигнал, соответствующий заданной программе измерения спектра, поступает от ПЭВМ через устройство сопряжения 12 на блок управления 7.

Математическое обеспечение соответствует любому из требуемых режимов измерения, включая, например, сканирование всего рабочего диапазона длин волн и/или измерение участков спектра в выбранной последовательности (в нашем случае это нахождение I(λ^*), I(λ₁) для кривой (3) (фиг.1), а затем последовательный обсчет результатов. От блока управления 7 исходят сигналы, задающие и синхронизирующие работу отдельных блоков спектрометра. Так сигнал на блок 8 выбора режимов задает частотно-временные характеристики сигнала, подаваемого на генератор 1, чем определяются спектральные участки и скорость сканирования. Связь блоков 7 и 11 необходима для синхронизации момента измерения частоты и подачи сигнала от генератора 1 и модулятора 2, далее через усилитель мощности 3 и согласующее устройство 9 к фильтру 4 через датчик мощности 10. БЧДС 11 на основе текущего значения частоты от генератора 1 вырабатывает сигнал для согласования в блоке 9 входного импеданса УЗ-преобразователя АО фильтра 4 с выходом ВЧ-генератора. Датчик мощности 10 через цепь обратной связи поддерживает постоянный уровень ВЧ-сигнала.

Сигналы, соответствующие уровню регистрируемого излучения от систем 6 и 6' и длине волны от БЧДС 11, сводятся синхронно на устройстве сопряжения 12 и поступают далее на обработку в ЭВМ и для визуализации спектра на дисплее.

После получения данных ЭВМ определяет концентрацию по установленному алгоритму.

Существенное повышение точности измерения (до 0,1%) обеспечивается благодаря повышению светосилы АО фильтра на TeO₂ в 20 раз по сравнению с коллинеарным кварцевым АО фильтром, отсутствию высоковольтного источника, темнового и дробового шума ФЗУ, замененного на фотодиод, проведению одновременно измерений в калибровочной и измерительных каналах, что исключает погрешность от нестабильности источника света. Отметим, что процедура регистрации спектра и определения величины C по описанному методу занимает 20.

Уменьшение погрешности измерения более чем в 10 раз связано со снижением неравномерности передаточной характеристики прибора и высокой точностью воспроизведения длины волны.

Формула изобретения

1. Способ определения концентрации этилового спирта в водных растворах, содержащий операции отбора пробы исследуемого раствора, помещение кюветы с пробой на пути оптического пучка, испускаемого источником оптического излучения, измерения поглощения этого излучения в кювете длиной d в выбранном диапазоне длин волн, измерения аналогичных параметров на эталонном образце раствора и сравнения и обработки полученных результатов, отличающийся тем, что дополнительно производят операции спектрально-селективного измерения поглощения света, прошедшего сквозь кювету с исследуемым раствором, на предварительно определенных характеристических длинах волн λ₁= 920,8 нм и λ^*, которая является точкой максимального поглощения спирта, затем определяют концентрацию С спирта в растворе по формуле

где А коэффициенты, зависящие от свойств раствора и длины световой волны и не зависящие от концентрации раствора;
I(λ^*) и I(λ₁)- значения интенсивности света, прошедшего сквозь кювету с раствором, измеренные на длинах волн λ^* и λ₁ соответственно.

2. Устройство определения концентрации этилового спирта в водных растворах, содержащее последовательно соединенные генератор, модулятор, усилитель мощности, согласующее устройство и датчик мощности, а также акустооптический фильтр с одним электрическим входом и оптическими входом и выходом, фотоприемник с оптическим входом и электрическим выходом, систему синхронной обработки, блок выбора режима, устройство сопряжения с ЭВМ, блок управления, блок частотно-дискретного слежения, второй выход генератора соединен с вторым входом блока частотно-дискретного слежения, второй вход модулятора соединен с первым выходом блока управления, второй вход усилителя мощности соединен с первым выходом датчика мощности, второй выход датчика мощности соединен с электрическим входом акустооптического фильтра, оптический выход которого соединен через прозрачную кювету с входом фотоприемника, выход фотоприемника соединен с первым входом системы синхронной обработки, второй вход которой соединен с вторым выходом блока управления, выход системы синхронной обработки подсоединен к входу устройства сопряжения с ЭВМ, выход устройства сопряжения подсоединен к ЭВМ, блок управления через шину обмена соединен с устройством сопряжения с ЭВМ, первый вход блока частотно-дискретного слежения соединен с третьим выходом блока управления, а его выходы соединены с согласующим устройством и устройством сопряжения с ЭВМ, вход блока выбора режима соединен с четвертым выходом блока управления, а его выход с входом генератора, отличающееся тем, что оно снабжено источником света с формирующей оптикой, светоделительной пластиной и зеркалом для получения двух идентичных измерительных каналов с двумя прозрачными кюветами для исследуемой и эталонной спиртоводных смесей соответственно, вторым фотоприемником, второй системой синхронной обработки с двумя входами и одним выходом, причем источник света с формирующей оптикой установлен на одной оптической оси с акустооптическим фильтром, светоделительной пластиной и кюветой, отклоненной светоделительной пластиной, оптический пучок с зеркалом образуют оптическую ось второго канала с второй кюветой и вторым фотоприемником, выход второго фотоприемника подсоединен к первому входу второй системы синхронной обработки, второй вход которой подсоединен к второму выходу блока управления, выход второй системы синхронной обработки присоединен к входу устройства сопряжения с ЭВМ.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2