Устройство для определения концентрации водно-спиртового раствора

 

Предлагаемое устройство предназначено для контроля качества произведенных винно-водочных изделий и состоит из емкостного датчика с чувствительным элементом (ЧЭ), емкость которого зависит от диэлектрической проницаемости водно-спиртового раствора. Емкостный датчик может быть выполнен в частности в виде последовательного соединения генератора с перестраиваемой частотой, в задающий контур которого включается емкость ЧЭ, и частотного дискриминатора, напряжение на выходе которого зависит от емкости ЧЭ и, следовательно, от концентрации водно-спиртового раствора. 5 ил.

Изобретение относится к области пищевой промышленности, а именно к контролю качества произведенных винно-водочных изделий, и может быть использовано как на заводах-изготовителях, так и в частной коммерческой практике при проверке биохимического состава спиртопродуктов.

Известен способ определения концентраций водно-спиртового раствора в потоке (см. авторское свидетельство СССР N 1107047, G 01 N 33/14, 1984 г), состоящий в том, что величину концентрации водно-спиртового раствора определяют по его диэлектрической постоянной (ε_a = ε·ε_o) с учетом измеренной в данный момент температуры водно-спиртового раствора. В реализующем этот способ устройстве использован четырехэлектродный емкостной датчик, позволяющий компенсировать наличие воздушной прослойки в трубопроводе с водно-спиртовым раствором. Недостатками данного метода и реализующего его устройства является невысокая достоверность получаемого результата и сравнительная сложность используемого емкостного датчика и схемного исполнения устройства.

Известен также способ контроля содержания сахара в виноградном сусле (см. авторское свидетельство СССР N 718782, G 01 N 33/14, 1980 г.), состоящий в том, что через емкостной датчик пропускают электрический ток поочередно на двух частотах, а содержание сахара определяют по разности входных токов. Данный способ и реализующее его устройство не обеспечивают требуемой достоверности при определении концентрации спирта в водно-спиртовом потоке, поскольку не учитывается температура жидкости в потоке и наличие воздушной прослойки при движении потока в трубопроводе.

Наиболее близким по технической сути к данному предложению является устройство, реализующее способ электрического контроля биохимического состава виноматериала (см. авторское свидетельство СССР N 849079, G 01 N 33/14, 1981 г. ), состоящее в том, что на анализируемый продукт воздействуют электрическим сигналом постоянного значения синусоидального напряжения в диапазоне 100 - 260 кГц, а о биохимическом составе судят по уровню выходного сигнала на частоте 180 кГц. Реализующее данный принцип устройство содержит емкостной чувствительный элемент и последовательно-соединенные генератор переменного напряжения, частотный детектор, индикатор и стабилизированный источник питания. Недостатком данного способа и реализующего его устройства является невысокая достоверность результата контроля, обусловленная тем, что при контроле не учитываются температура виноматериалов и наличие воздушной прослойки в трубопроводе.

Техническим преимуществом предлагаемого устройства является повышение достоверности контроля содержания спирта в водно-спиртовом растворе за счет создания однородности смеси (в вертикально-расположенных сосудах исключается возможность появления воздушной прослойки) и учета температуры продукта.

Указанное преимущество достигается тем, что в известное устройство-прототип, содержащее емкостной датчик, ко входу которого подключен двухэлектродный чувствительный элемент ЧЭ, блок отображения информации и стабилизированный источник питания, введены дополнительно датчик температуры, схема коррекции и аналого-цифровой преобразователь, причем электроды чувствительного элемента и датчик температуры размещаются на вертикальных стенках сосуда, выполненного из диэлектрического материала, причем выход емкостного датчика соединен с первым входом схемы коррекции, ко второму входу которой подсоединен датчик температуры, выход схемы коррекции подключен ко входу аналого-цифрового преобразователя, выход последнего подключен ко входу блока отображения информации.

Наличие отличительных признаков позволяет сделать вывод о соответствии критерию "новизна".

Анализ технических решений аналогичного назначения показал, что в них отсутствует сочетание существенных признаков (блоков и связей между ними), характерных для предлагаемого технического решения, т.е. данное предложение соответствует критерию "изобретательский уровень" решения и может быть защищено патентом.

На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства для определения концентрации водно-спиртового раствора, на фиг. 2 - варианты размещения электродов чувствительного элемента (ЧЭ) и термодатчика на спиртосодержащих емкостях, на фиг. 3 - вариант выполнения схемы коррекции, на фиг. 4 - график зависимости величины диэлектрической проницаемости раствора от процентного содержания в нем спирта, на фиг. 5 - график изменения диэлектрической проницаемости от температуры.

Устройство для определения концентрации водно-спиртового раствора содержит (фиг. 1): емкостной датчик 1 (выполненный, например, в виде последовательно-соединенных генератора 2 с перестраиваемой частотой генерации и частотного дискриминатора 3), чувствительный элемент 4 емкостного датчика, датчик температуры 5, схему коррекции 6, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 7, устройство отображения информации 8 и стабилизированный источник питания 9.

На фиг. 4 в варианте "а" датчики расположены на стенках вертикального участка трубопровода 10, в варианте "б" - на стенках бутылки 11. На фиг. 3 представлен вариант выполнения схемы коррекции в виде резистивного делителя R₁, R₂, в котором в качестве корректирующего элемента датчика температуры используются термосопротивление, подключенное параллельно резистору R(t^o).

В качестве емкостного датчика 1 может быть использовано любое устройство, формирующее электрический сигнал, пропорциональный изменению емкости ЧЭ, например (как это сделано в прототипе) в виде последовательного соединения перестраиваемого генератора синусоидальных колебаний и частотного дискриминатора.

Устройство, в котором используется емкостной датчик, построенный по схеме прототипа, работает следующим образом: чувствительный элемент 4, расположенный на стенках вертикального и диэлектрического участка трубопровода или на стенках стеклянного сосуда, содержащего водно-спиртовой раствор, включается в задающий контур генератора 2 перестраиваемой частоты. Емкость чувствительного элемента 4 зависит от геометрических размеров электродов и диэлектрической проницаемости межэлектродного пространства, т.е. диэлектрической проницаемости в данном случае водно-спиртового раствора, которая, в свою очередь, зависит от процентного содержания спирта в растворе, а также от температуры смеси и может колебаться в пределах ε_a = (20÷80)ε_o. Участок трубопровода или просто сосуд с водно-спиртовым раствором должны располагаться вертикально с целью исключения возможности появления воздушных пузырей и прослоек в растворе. Рабочая частота генератора 2 меняется с изменением емкости ЧЭ, т.е. с изменением диэлектрической проницаемости водно-спиртового раствора.

При номинальной температуре (например, 20^oC) (фиг. 3) и номинальной концентрации спирта в растворе (фиг. 4) (ε_a = ε·ε_o = 55ε_o) генератор вырабатывает напряжение стабильной амплитуды с номинальной частотой =150-200 кГц (в среднем 180 кГц). Это напряжение поступает на вход частотного дискриминатора 3, на выходе которого (являющегося выходом емкостного датчика в целом) вырабатывается соответствующей величины низкочастотный сигнал, поступающий на первый вход схемы коррекции 6. В случае, если концентрация водно-спиртового раствора отличается от установленной, соответствующим образом изменяется его диэлектрическая проницаемость (фиг. 4), что приводит к изменению емкости чувствительного элемента 4, включенного в контур перестраиваемого генератора 2, при этом изменяется напряжение на выходе частотного дискриминатора 3. Изменение этого напряжения пропорционально концентрации спирта в растворе и может быть использовано в качестве выходной информации при соответствующей градуировке устройства отображения информации 8.

Возможные искажения информации, связанные с изменением диэлектрической проницаемости раствора из-за изменения температуры раствора (фиг. 5), компенсируются посредством включения схемы коррекции 6. В варианте схем коррекции, изображенном на фиг 3, компенсация имеет место за счет изменения коэффициента передачи напряжения делителя R₁, R₂, в одно из плеч которого через второй вход схемы коррекции подключается датчик температуры 5 (терморезистор).

Передаточная функция схемы коррекции (делителя напряжения с подключаемым в параллель к R₁ терморезистором (R(t^o)) имеет вид: Подбором температурной характефигтики R(t^o) и резистивных элементов делителя R₁ и R₂ удается обеспечить практическую стабильность выходного сигнала корректирующего устройства в диапазоне температур 5-40^oC. Возможны и другие варианты построения схемы коррекции температурного влияния (схемы температурного корректора).

Сигнал с выхода схемы коррекции 6 после прохождения через аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 7 поступает на вход устройства отображения информации, например на цифровой индикатор. Использование цифрового индикатора с целью представления информации ускоряет процесс считывания ее, а также облегчает встраивание разрабатываемого устройства в автоматизированные линии по изготовлению спиртных напитков, в системы непрерывного контроля качества выпускаемой продукции. Предлагаемое изобретение также может быть использовано в качестве прибора индивидуального пользования с целью контроля качества спиртных напитков, уже расфасованных в стеклянную тару и поступающих в пункты их реализации. В этом варианте исполнения электроды чувствительного элемента емкостного датчика и контактная поверхность термосопротивления размещаются непосредственно на бутылке с водно-спиртовым раствором (фиг. 2б).

В МГТУ им. Н.Э. Баумана - заявителе изготовлен опытный образец устройства и проведены соответствующие испытания, которые показали повышение достоверности контроля на 30-40% по сравнению с данными, получаемыми с помощью ареометра-спиртомера. Внедрение прелагаемого технического решения планируется в 1995-96 г.г. на ликеро-водочном заводе "Кристалл".

Данное устройство может быть изготовлено на предприятиях России с использованием стандартных электронных элементов массового применения и недефицитных материалов.

Формула изобретения

Устройство для определения концентрации водно-спиртового раствора в сосуде, выполненном из диэлектрического материала, содержащее последовательно соединенные электродный чувствительный элемент, емкостной датчик, блок отображения информации, стабилизированный источник питания и датчик температуры, отличающееся тем, что в него введены схема коррекции и аналого-цифровой преобразователь, электроды чувствительного элемента и датчик температуры размещены на вертикальных стенках сосуда, причем выход емкостного датчика соединен с первым входом схемы коррекции, ко второму входу которой подсоединен датчик температуры, выход схемы коррекции подключен к входу аналого-цифрового преобразователя, выход последнего подключен к входу блока отображения информации.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5