РЕФРАКТОМЕТРИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ ВЕЩЕСТВ ЖИДКОГО АГРЕГАТНОГО СОСТОЯНИЯ В ПИЩЕВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

УДК 681.784.23

DOI: 10.24412/2071-6168-2023-8-269-270

РЕФРАКТОМЕТРИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ ВЕЩЕСТВ ЖИДКОГО АГРЕГАТНОГО СОСТОЯНИЯ В ПИЩЕВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Е.Е. Майоров, В.В. Курлов, Ю.М. Бородянский, А.В. Дагаев, И.С. Таюрская

Статья посвящена рефрактометрическому контролю веществ жидкого агрегатного состояния в пищевой промышленности. Для контроля процессов сбора и обработки информации о выпускаемой продукции перспективно применять рефрактометрию, как высокоточный и достоверный инструмент, поэтому данное исследование актуально и перспективно для пищевой промышленности. В работе приведены объекты исследования и представлен внешний вид и функциональная схема рефрактометра. Получены зависимость показателя концентрации сухого вещества от преломления исследуемых образцов для длины волны X = 589 нм и зависимость показателя преломления от температуры с концентрацией сухого вещества к = 1 %.

Ключевые слова: рефрактометр, светодиод, показатель преломления, концентрация, температура, сухое вещество.

В последнее время огромное внимание уделяется контролю качества пищевой продукции [1, 2]. В пищевой промышленности существует широкий спектр методов и средств, применяемых непосредственно в производстве для определения качества продукции [3, 4]. Для контроля процессов сбора и обработки информации о выпускаемой продукции перспективно применять рефрактометрию, как высокоточный и достоверный инструмент [5, 6].

Используя рефрактометрические технологии, можно обеспечить достаточный контроль состава вещества [7, 8]. Однако, рефрактометрические технологии требуют достоверных данных по оптическим свойствам исследуемых веществ и их компонентов (показатель преломления n, температурный коэффициент dn/dt, оптическое поглощение K(X) во всем диапазоне температур и концентраций [9, 10].

Стандартные рефрактометры общего назначения в данной области не пригодны, так как не адаптированы к соответствующим жидкофазным средам. Поэтому исследования оптических свойств напитков остается актуальным.

Целью работы явилось исследование воды минеральной разных торговых марок рефрактометрическим прибором.

Постановка задачи. Основная задача исследования состояла в том, чтобы провести рефрактометрический контроль воды минеральной разных торговых марок. Получить концентрационную и температурную зависимости показателя преломления минеральных веществ у воды минеральной марок: «Ессентуки №4», «Ессентуки №17», «Borjomi».

Метод и объекты исследования. В качестве контролируемых сред были выбраны следующие марки минеральной воды: «Ессентуки №4», «Ессентуки №17», «Borjomi». Объекты исследования были приобретены в торговой сети гипермаркетов «Лента» город Санкт-Петербург.

Измерения были проведены на цифровом портативном рефрактометре (РП-201) внешний вид которого представлен на рис. 1.

Работа представленного рефрактометра основана на явлении полного внутреннего отражения. Прибор дает возможность получать данные по концентрационной зависимости n(k) при температуре t = 20 оС. РП-201 обеспечивает измерение показателя преломления при X = 589 нм , с погрешностью An = ± 0,0001 в температурном диапазоне t = 15...30 °С.

Рис. 1. Внешний вид рефрактометра

На рис. 2. дана функциональная схема РП-201.

3 — поляризатор; 4 — сапфировая полусфера; 5 — многоэлементный фотоприемник;

6 — микроконтроллер

В базовой комплектации прибор может измерять концентрацию растворов сахарозы по шкале Впх и шкале показателя преломления по.

Для температурной компенсации показаний использовались данные ГОСТ 28562-90. Программное обеспечение прибора позволяет иметь до пяти различных шкал для перевода значений показателя преломления в концентрацию раствора [11, 12].

Излучение светодиода (1), сформированное линзовой системой (2), проходит через поляризатор (3) и фокусируется на плоской поверхности измерительной сапфировой полусферы (4), на которую наносится измеряемая жидкость.

Показатель преломления жидкости определяет положение границы «свет-тень» относительно многоэлементного фотоприемника (5), информация с которого поступает на микроконтоллер (6).

В таблице приведены технические характеристики прибора.

Экспериментальные результаты и их обсуждение. Измерение показателя преломления растворов, исследуемых образцов производилось на рефрактометре РП-201. Источник излучения — светодиод, входивший в осветитель рефрактометра, давал четкую картину границы «свет-тень» с высоким контрастом из-за низкой дисперсии п(Х), рассеяния и поглощения в растворе. В виду этого, возможно было получать достаточно точные результаты измерения зависимости п(к). Измерения проводились с определение показателя преломления до 1*10-4.

Показатель преломления исследуемых образцов имел линейную зависимость от концентрации растворимых сухих веществ, содержащихся в них. Результаты измерения к(п) для воды минеральной марок: «Ессентуки №4», «Ессентуки №17», «ВоцотЬ» приведены на рис. 3.

Данные измерений хорошо аппроксимируются линейными функциями, которые имеют вид:

к = 10,117*п - 13,335, значение достоверности аппроксимации для данной кривой Я2 = 0,9652 для «Ессентуки №4»;

к = 10,395*п - 13,753, значение достоверности аппроксимации для данной кривой Я2 = 0,9662 для «Ессентуки №17»;

к = 9,9298*п - 13,149, значение достоверности аппроксимации для данной кривой Я2 = 0,9677 для «ВодотЪ;.

Технические характеристики РП-201

Маркировка модели РП 201

Шкала измерений Вх или Показатель преломления (п)

Рабочий диапазон концентраций 0,0. ..85,0 Вх 1,3330...1,5040

Чувствительность 0,1 Вх 0,0001 п

Воспроизводимость результатов измерений ± 0,1 Вх ± 0,0001 п

Погрешность измерений ± 0,1 Вх ± 0,0002 п

Материал кюветной камеры Титановый сплав

Материал элемента ПВО Сапфир

Термооптическая постоянная dn/dt (X = 546 нм) материала элемента ПВО 1.3*10-5 1/оС

Температурный диапазон автоматической компенсации 0°С...50°С

Минимальный объем пробы 0,3 мл

Время измерения < 5 сек

Габаритные размеры (мм х мм х мм) 140 х 80 х 40

Масса, не более (кг) 0,250

Вывод данных измерений Жидкокристаллический дисплей

Температурный диапазон эксплуатации +5°С...+35°С

Температурный режим хранения и транспортировки -10°С...+50°С

Результаты измерений зависимостей показателя преломления от температуры для «Ессентуки №4», «Ессентуки №17», «ВодотЬ> с концентрациями сухого вещества к = 1 % представлены на рис. 4.

Итак, при увеличении температуры, вследствие объемного расширения воды, число молекул исследуемого образца в единице объема раствора уменьшается и поэтому показатель преломления становится меньше.

Данные измерений хорошо аппроксимируются линейными функциями, которые имеют вид:

и=-3*10"5*^+1,4296, значение достоверности аппроксимации для данной кривой Я2 = 0,9828 для «Ессентуки №4»;

и=-3*10"5*^+1,4242, значение достоверности аппроксимации для данной кривой Я2 = 0,9941для «Ессентуки №17»;

п=-4*10 *7+1,4218, значение достоверности аппроксимации для данной кривой В? = 0,9939 для «Воцсиш».

1.2 1 0.8 ■ 0,6 о.4; 0.2

1,32 1,34 1.36 1.38 П

1,2 1

0,8

-О ^ 0.6 и

0,4

0,2

1,2 1 :

0,8 : 0,6 : 0,4 : 0,2 0

1.4 1.42 1.44

1.34 1.36 1,38 1.4 п

и)

1,34 1.36 1,38 1,4 1,42 1,44

1.42 1.44

Рис. 3. Графическая зависимость показателя концентрации сухого вещества от преломления исследуемых образцов для длины волны X = 589 нм: а — «Ессентуки

№4»; б — «Ессентуки №17»; в — «Вог}от1»

1.4245 1,424 1,4235 1.423 1.4225 1.422

30 и -г

I, °с

Рис. 3. Графическая зависимость показателя преломления от температуры с концентрацией сухого вещества к = 1 %: а — «Ессентуки №4»; б — «Ессентуки №17»; в — «Вог}от1»

Заключение. В работе получены графические зависимости показателя концентрации сухого вещества от преломления исследуемых образцов для длины волны X = 589 нм и показателя преломления от температуры с концентрацией сухого вещества

272

k = 1 % для исследуемых жидкофазных сред. Представленный рефрактометр полностью удовлетворял нормативным требованиям данного производства напитков. Экспериментальные результаты представляют интерес для пищевой промышленности, а также для оптического приборостроения.

Список литературы

1. Иоффе Б. В. Рефрактометрические методы химии. Л.: Химия. 1983. 352 с.

2. Креопалова Г.В., Лазарева Н.Л., Пуряев Д.Т. Оптические измерения. М.: Машиностроение. 1987. 264 с.

3. Пентин Ю.А., Вилков JI.B. Физические методы исследования в химии. М.: Мир. 2006. 683 с.

4. Белов Н.П., Лапшов С.Н., Майоров Е.Е., Шерстобитова А.С., Яськов А.Д. Оптические свойства растворов черных щелоков и рефрактометрические средства контроля концентрации сухого остатка в сульфатном производстве целлюлозы // Журнал Прикладной Спектроскопии. 2012. № 3. Т. 79. С. 514-516.

5. Акмаров К.А., Артемьев В.В., Белов Н.П., Лапшов С.Н., Майоров Е.Е., Па-тяев А.Ю., Смирнов А.В., Шерстобитова А.С., Шишова К.А., Яськов А.Д. Промышленные рефрактометры и их применение для контроля химических производств // Приборы. 2012. № 4 (142). С. 1-8

6. Майоров Е.Е., Машек А.Ч., Прокопенко В.Т., Хайдаров Г.Г. Рефрактометрические технологии и их применение для контроля диффузно отражающих объектов в производственном цикле // Вестник Санкт-Петербургского университета. 2013. Вып. 4. Сер. 4: Физика, химия. C. 24-31.

7. Белов Н. П., Лапшов С. Н., Майоров Е.Е., Шерстобитова А. С., Яськов А. Д. Оптические свойства зеленых щелоков и применение промышленной рефрактометрии для контроля их состава при производстве сульфатной целлюлозы // Оптический журнал. 2014. Т.81. №1. С. 60-65.

8. Майоров Е.Е., Машек А.Ч., Цыганкова Г.А., Хайдаров А.Г., Абрамян В.К., Зайцев Ю.Е. Разработка оптико-электронного рефрактометрического прибора для контроля состава водных растворов гликолей // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2016. №3. С. 33-41.

9. Прокопенко В.Т., Майоров Е.Е., Федоров А.Л., Цыганкова Г.А., Жаркова Т.В., Дагаев А.В. Производственные испытания рефрактометрического прибора для контроля жидкофазных сред // Известия высших учебных заведений. Приборостроение.

2017. Т. 60. № 7. С. 672-678.

10. Майоров Е.Е., Попова Н.Э., Дагаев А.В., Черняк Т.А., Шаламай Л.И., Хайдаров Г.Г., Хайдаров А.Г., Писарева Е.А. Разработка и практические испытания рефрактометрического прибора для контроля противообледенительных жидкостей в авиации // Известия тульского государственного университета. Технические науки.

2018. № 12. С. 227-234.

11. Майоров Е.Е., Туровская М.С., Хохлова М.В., Шаламай Л.И., Константинова А.А., Дагаев А.В., Гулиев Р.Б., Таюрская И.С. Применение гониометрической рефракции для измерения состава щелоков в производстве сульфатной целлюлозы // Известия тульского государственного университета. Технические науки. 2020. Вып. 2. С. 129-137.

12. Майоров Е.Е., Черняк Т.А., Цыганкова Г.А., Машек А.Ч., Константинова А.А., Писарева Е.А. Спектральное исследование текстильного оптического отбеливателя и органического красителя // Научное Приборостроение. 2021. Том 31. № 1. C. 73-83.

Майоров Евгений Евгеньевич, канд. техн. наук, доцент, majorov_ee@mail.ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения (ГУАП),

Курлов Виктор Валентинович, канд. техн. наук, доцент, vitek543@ramblerl.ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения (ГУАП),

Бородянский Юрий Михайлович, канд. техн. наук, доцент, borodyan-skyum@gmail.com, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича,

Дагаев Александр Владимирович, канд. техн. наук, доцент, adagaev@list.ru, Россия, Ивангород, Ивангородский гуманитарно - технический институт (филиал) Санкт-Петербургского государственного университета аэрокосмического приборостроения,

Таюрская Ирина Соломоновна, канд. экон. наук, доцент, tis_ivesep@,mail.ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский университет технологий управления и экономики

REFRACTOMETRIC CONTROL OF LIQUID AGGREGATE SUBSTANCES

IN THE FOOD INDUSTRY

E.E. Maiorov, V.V. Kurlov, Y.M. Borodyansky, A.V. Dagaev, I.S. Tayurskaya

The article to the refractometric control of substances of liquid aggregate state in the food industry is devoted. To control the processes of collecting and processing information about products, it is promising to use refractometry as a highly accurate and reliable tool, therefore this research is relevant and promising for the food industry. The paper presents the objects of research and presents the appearance and functional diagram of the refractometer. The dependence of the dry matter concentration index on the refraction of the studied samples for the wavelength X = 589 nm and the dependence of the refractive index on the temperature with the concentration of dry matter k = 1 % are obtained.

Key words: refractometer, LED, refractive index, concentration, temperature, dry

matter.

Maiorov Evgeny Evgenievich, candidate of technical sciences, docent, ma-jorov_ee@mail.ru, Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg state university of aerospace instrumentation (GUAP),

Kurlov Viktor Valentinovich, candidate of technical sciences, docent, vitek543@ramblerl.ru, Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg state university of aerospace instrumentation (GUAP),

Borodyansky Yuriy Mihailovich, candidate of technical sciences, docent, borodyan-skyum@,gmail.com, Russia, Saint-Petersburg, The Bonch-Bruevich Saint-Petersburg State University of Telecommunications,

Dagaev Alexsander Vladimirovich, candidate of technical sciences, docent, ada-gaev@list.ru, Russia, Ivangorod, Ivangorodskii Humanitarian-Technical Institute (branch of) Saint-Petersburg University of Aerospace Instrumentation,

Tayurskaya Irina Solomonovna, candidate of economic sciences, docent, tis_ivesep@,mail.ru, Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg University of management technologies and Economics