Вимірювання концентрації цукру в сиропі

Концентрація цукру в сиропі може бути виміряна кількома методами. Наприклад, рефрактометрія. Рефракцією або заломленням світла називають зміну напрямку променя при проходженні ним кордону розділу двох прозорих середовищ I і II (рис.1). Кут 90°-α, утворений напрямом падаючого променя з нормаллю, називають кутом падіння, кут β, утворений напрямом переломленого променя з продовженням цієї нормалі, – кутом заломлення. Падаючий і заломлений промені лежать в одній площині.

Рисунок 1 - Заломлення світлового променя на межі поділу двох середовищ

Здатність різних речовин заломлювати промінь світла характеризується показником заломлення. Показник заломлення обумовлений природою речовини, його хімічною будовою. Показник заломлення розчинів залежить від їх концентрації. Ця властивість широко використовується в контролі виробництва. За показником заломлення, наприклад, водного цукрового або спиртового розчинів легко визначають їх концентрацію, або за показником заломлення жиру в спеціальному розчиннику визначають вміст жиру в об'єктах кондитерського виробництва.

Для вимірювання показника заломлення використовують спеціальні прилади, які називають рефрактометра. У кондитерському виробництві для контролю концентрації цукру в сиропі застосовують рефрактометри марки РПЛ-3 (харчової лабораторний), УРЛ (універсальний лабораторний) і РПЛ-2 (прецизійний лабораторний) [1].

Проте засоби вимірювання концентрації цукрового розчину, що використовують рефрактометричний метод, не придатні для створення автоматичної системи вимірювання та контролю в процесі виробництва.

Ще одним методом вимірювання є полярометрія. Це метод фізико-хімічного аналізу, заснований на вимірюванні обертання площини поляризації світла оптично активними речовинами. У лабораторіях кондитерських фабрик цим методом визначають вміст сахарози, редуцюючих речовин патоки, співвідношення складових частин кондитерських виробів, зміст сорбіту та ін.

Поляриметричні методи особливо широко застосовуються для визначення вмісту сахарози. Прилади, які використовують для таких визначень, називають цукрометра. У лабораторіях кондитерських фабрик застосовують Цукрометр СУ-3. Однак він не придатний для виконання вимірювань в умовах цеху.

Відомо [1], що концентрацію цукру в сиропі (в розчині цукру) можна визначити непрямим шляхом за результатами вимірювання температури розчину і його щільності. В [3] показано, що найбільш прийнятним способом вимірювання поточної щільності сиропу в реальному часі є застосування гідростатичного методу. Принцип вимірювання щільності цим методом ґрунтується на використанні залежності між щільністю рідини ρ і її гідростатичним тиском Р на певній глибині h, яка вимірюється від поверхні рідини:

P=ρ*h*g

де g – прискорення сили тяжіння.

При постійній висоті стовпа рідини його гідростатичний тиск служить мірою щільності рідини (розчину). Тиск стовпа рідини можна вимірювати за допомогою перетворювача різниці тисків.

На рис. 2 показана схема гідростатичного плотномера [4], в якому поточне значення щільності карамельного сиропу визначається по різниці тисків і за допомогою вимірювального перетворювача різниці тисків перетворюється в пропорційний електричний сигнал. Сироп знаходиться в ємності 1, в якій підтримується приблизно постійний рівень (що принципово не обов'язково).Газ (повітря, що нагнітається компресором) при невеликому надлишковому тиску надходить у трубки 2 і 3 плотномера, барботують через сироп і виходить в атмосферу. Одночасно тиск газу в трубці 2 (і 3), рівне тиску стовпа сиропу заввишки h1 (і h2), подається на вхід вимірювального перетворювача різниці тисків 4. Таким чином, за допомогою двох трубок різної довжини, поміщених в сироп, і вимірювального перетворювача різниці тисків (ІПРД) здійснюється вимір перепаду тиску P, обумовленого різницею рівнів h = h1 - h2. Поточні значення перепаду тиску P(t) і щільність сиропу ρ(t) пов'язані між собою залежністю

P(t)=h*g*ρ=k*ρ(t)

(де k = h⋅g = const), так як база вимірювання h = const. Вихідний сигнал ІПРД, пропорційний поточному значенням перепаду P(t), перераховується в спеціальному пристрої в поточне значення щільності сиропу, а за поточною щільності ρ і температурі сиропу T розраховується концентрація цукру C(t) в сиропі.

Рисунок 2 — Схема гідростатичного плотномера

Таким чином, метод вимірювання концентрації цукру в сиропі по щільності і температурі з використанням гідростатичного плотномери дозволяє виконувати вимірювання поточних значень щільності і концентрації сиропу в реальному часі, що дуже важливо для здійснення постійного технохімічного контролю процесу і його автоматизації.Для вимірювання температури середовища до 1500 ºС широко застосовуються термометри опору, принцип дії яких заснований на залежності електричного опору чутливого елемента від температури. Термометри опору (ТС) застосовують в якості зразкових і робочих засобів вимірювання температури.Важливою характеристикою матеріалу чутливого елемента ТС є температурний коефіцієнт опору

де R – опір, T – температура матеріалу.

Проінтегрувавши, одержимо

R(T)=R₀*e^α(T-T₀⁾

або, після розкладання в ряд:

R(T)=R₀*(1+αT+βT²+...)

Для деяких металів (платина, мідь...) з достатнім ступенем точності можна вважати залежність лінійної, тобто

R(T)=R₀*(1+αT)

В якості робочих засобів вимірювання температури в промислових умовах часто застосовують мідні ТЗ (від -50 ºС до +180 ºС). Мідні терморезистори мають лінійну залежність R (T), високий коефіцієнт α, хорошу відтворюваність характеристик, слабку залежність опору від тиску.

Узагальнена структурна схема електронного пристрою вимірювання концентрації наведена на рис. 3.

Рисунок 3 – Узагальнена структурна схема пристрою виміру концентрації

КИТ – канал вимірювання температури

КИП – канал вимірювання щільності

ВУ – обчислювальний пристрій