CC BY
12
СОВРЕМЕННОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПИЩЕВЫХ ПРОИЗВОДСТВ
ТЕМА НОМЕРА |
УДК 621.317.39
Термонезависимое СВЧ-устройство
для определения содержания спирта и сахара в водном растворе
М.В. Жиров, д-р техн. наук, профессор, А.С. Совлуков, д-р техн. наук, профессор, А.В. Гончаров, канд. техн. наук, доцент, Н.М. Магомедов, канд. техн. наук, доцент Московский государственный университет технологий и управления им. К.Г. Разумовского
Определение содержания спирта и сахара в различных водных растворах, включая вина и соки, имеет важное значение при производстве таких пищевых продуктов. При этом следует учитывать, что имеет место значительное изменение температуры и состава контролируемого вещества в пределах объема технологической емкости, содержащей производимый продукт. В частности, при производстве шампанских (игристых) вин различие (градиент) температуры внутри бродильного аппарата по его координатам (высоте, радиусу) составляет 2...6 °С; концентрация спирта и сахара в производимом вине также значительно отличается в разных областях внутри аппарата; так, концентрация сахара внутри этого аппарата может быть в разных областях объема аппарата в пределах 1,3-2,2 г/дм3 [1]. В то же время для обеспечения качества производимого продукта необходимо с высокой точностью определять содержание спирта и сахара в вине (виноматериале) в различных областях внутри технологических резервуаров, соответствующих разным стадиям получения конечного продукта [2].
Оценки показывают, что погрешность при проведении измерений содержания спирта и сахара в разных областях внутри объема технологической емкости, осуществляемых пространственно разнесенными чувствительными элементами, имеет недопустимо большую величину. Так, в частности, при определении содержания спирта и сахара в шампанских (игристых) винах, когда различие температуры внутри бродильного аппарата по его координатам (высоте, радиусу) может составлять 4 °С (2. 6 °С), температурная погрешность измерения может превышать с учетом
максимального значения из вышеприведенных оценок 15 % - недопустимо большую величину. К рассмотренной температурной погрешности следует добавить также погрешность, вызванную возможной неоднородностью состава контролируемой жидкости внутри объема технологической емкости. При этом содержание спирта и сахара в производимом вине в различных областях этого объема может быть разным.
Рассматриваемое здесь устройство можно использовать для высокоточного определения концентрации различных водосодержащих растворов, в частности концентрации спирта и сахара в вине (виноматериалах), соках и других пищевых продуктах.
Известны устройства для определения концентрации жидких веществ, в частности влагосодержания, [5]. Эти устройства имеют радиоволновые высокочастотные (ВЧ) и сверхвысокочастотные (СВЧ) чувствительные элементы в виде антенн, волноводов, длинных линий, полосковых линий, резонаторов. Недостатком таких кон-центратомеров является невысокая точность измерения при концентрато-метрии многокомпонентных веществ, в частности водосодержащих растворов, при наличии (кроме воды) двух и более компонентов. К числу таких веществ относятся вино и виномате-риалы, являющиеся многокомпонентными жидкостями.
Известно также устройство [4], содержащее два чувствительных элемента: один из них в совокупности передающей и приемной секций полого металлического волновода, между открытыми концами которого, имеющими согласующие диэлектрическими окна, установлена измерительная ячейка, заполняемая контролируемой жидкостью, а второй чув-
ствительный элемент - в виде отрезка коаксиальной линии с установленной на участке вдоль его длины, в пределах которого отсутствует внутренний проводник коаксиальной линии, измерительной ячейкой. Каждый из чувствительных элементов подключен входом через элементы возбуждения и съема колебаний к соответствующему СВЧ-генератору электромагнитных колебаний и выходом - к соответствующему блоку регистрации мощности прошедшей волны. Выходы первого и второго чувствительных элементов подключены соответственно к первому и второму входам блока вычислений, подсоединенного выходом к индикатору. Недостатком данного устройства является невысокая точность измерения. Обусловлено это применением двух пространственно разнесенных чувствительных элементов, осуществляющих контроль разных образцов жидкости с различным содержанием определяемых компонентов, что заведомо предопределяет снижение точности измерения. Кроме того, точность может быть снижена и вследствие разной температуры в контролируемых областях, что приводит к отличию электрофизических параметров жидкости.
От температуры и состава в значительной степени зависят электрофизические свойства веществ (главным образом воды, этанола) в водно-спиртовых растворах, доминирующих в составе вина и виноматериалов [3]. Другие компоненты вина и винома-териалов не оказывают существенного влияния на их электрофизические свойства; содержание сахара влияет на электрофизические свойства лишь в определенных частотных диапазонах [4]. Следовательно, электрофизические свойства производимого вина (виноматериала) существенно отличаются внутри объема содержащей его емкости по различным координатам емкости. Поэтому для определения содержания спирта и сахара в вине необходимо производить измерения в одной и той же области внутри технологической емкости. Для повышения точности определения содержания спирта и сахара в вине, в том числе и в производимом вине, содержащемся в технологической емкости, за счет обеспечения проведения измерений в одной и той же контролируемой области и служит рассматриваемое устройство.
На рис. 1 изображена функциональная схема предлагаемого устройства. В данном устройстве для определения содержания спирта и сахара
MODERN EQUIPMENT FOR FOOD PRODUCTION
в вине проводят, как и в вышеупомянутом устройстве [4], измерения коэффициента прохождения по мощности Р (отношение проходящей через слой контролируемой жидкости мощности к мощности электромагнитной волны, падающей на этот слой) на двух фиксированных частотах в двух разных частотных диапазонах. Измерения на частоте - 8-10 ГГц (длина волны - 3,75-3 см) проводят с применением чувствительного элемента в виде полого круглого металлического волновода с возбуждаемой электромагнитной волной одного из низших типов, в частности типа Н11 или типа Н01, а на частоте - 2-4 ГГц (длина волны - 15-7,5 см) - с применением коаксиальной линии с возбуждаемой электромагнитной волной типа ТЕМ. Как в полом волноводе, так и в отрезке коаксиальной линии вдоль длины каждого из них установлена соответствующая измерительная ячейка, ограниченная с обеих сторон согласующими диэлектрическими окнами и занимающая все поперечное сечение соответственно волновода и коаксиальной линии. В отличие от [4] здесь круглый полый волновод и коаксиальная линия не имеют соответственно разрыва для установки измерительной ячейки в пространстве между двумя частями (передающей и приемной) волновода (это первый чувствительный элемент) и разрыва во внутреннем проводнике отрезка коаксиальной линии (это второй чувствительный элемент). В первом чувствительном элементе через слой жидкости распространяется волна возбуждаемого в круглом волноводе типа волн, а не волна в свободном пространстве (поперечная волна), а во втором чувствительном элементе вдоль отрезка коаксиальной линии -поперечная волна типа ТЕМ.
Полый металлический волновод и отрезок коаксиальной линии расположены соосно, первый внутри второго. При этом наружная поверхность полого волновода служит внутренним проводником отрезка коаксиальной линии. Такое взаимное расположение волновода и отрезка коаксиальной линии обеспечивает возможность контроля физических свойств жидкости в одной и той же ее области и при одинаковой температуре. Тем самым повышается точность измерения по сравнению с [4]. Обе измерительные ячейки могут иметь в металлических стенках сквозные щели, позволяющие жидкости заполнять их объем. Форма этих щелей должна соответствовать возбуждаемому типу волн, чтобы не допускать
излучения волн: щели не вызывают заметных потерь на излучение только в том случае, если они расположены вдоль линий тока и не пересекаются токами в течение всего периода колебаний [6]. Так, в полом волноводе круглого сечения с волной типа Е01 отверстие может иметь форму продольной щели, а при возбуждении волны типа Н01 - форму поперечной щели, в том числе круговой щели или нескольких таких щелей. В отрезке коаксиальной линии в области расположения измерительной ячейки с возбуждаемой на этом участке волной типа Е01 возможно наличие продольной щели в наружном проводнике отрезка коаксиальной линии. Обе измерительные ячейки следует располагать одну над другой для их заполнения контролируемой жидкостью через сквозные щели.
Как показано в статье [4], коэффициент прохождения по мощности Р при измерениях на частоте f1 диапазона частот - 8-10 ГГц зависит только (в пределах допустимой погрешности) от содержания спирта с, в вине, а при измерениях на частоте f2 диапазона частот - 2-4 ГГц зависит как от содержания спирта с1, так и от содержания сахара с2 в вине. При этом выбором длины слоя контролируемой жидкости, через который проходит электромагнитная волна, можно регулировать чувствительность к содержанию спирта и сахара в вине. Изменения ДР (с) = Р (с) -Р (с = 0) и ДР (с2) = Р (с2) -Р (с2 = 0) величины Р в растворах, содержащих одновременно спирт и сахар, как показали измерения ДР (с, с2), суммируются практически аддитивно. Точность определения с и с2 в вине при с1 = 20 % и с2 = 300 г/л та же, что и в растворах спирта в воде и сахара в воде. Поэтому измеряя Р (с1, с2, f1) на частоте f1|, можно определить содержание спирта с в вине, а измеряя Р (с, с2, f2) на частоте f2, можно по значению разности Р (с1,с2,^) и Р (с, с2, f2) найти содержание сахара с2 в вине. Как показано в данной статье, при с1 = 918 % и с2 = 30 г/л погрешность измерений с и с2 не превышала соответственно 0,1 % и 3 г/л.
В чувствительных элементах 1 и 2 с помощью подсоединенных к их входам СВЧ-генераторов соответственно 3 и 4 возбуждаются электромагнитные волны (рис. 1). СВЧ-генераторы 3 и 4 работают на фиксированных частотах, соответственно f1| (диапазон частот -8-10 ГГц) и f2 (диапазон частот - 2-4 ГГц). Электромагнитные волны, принимаемые на выходах чувствительных элементов 1 и 2, поступают в
1
i---=L
2
Рис. 1. Функциональная схема устройства: 1 и 2 - первый и второй чувствительные элементы; 3 и 4 - СВЧ-генераторы электромагнитных колебаний; 5 и 6 - блоки регистрации значений коэффициента прохождения по мощности прошедшей волны; 7 - блок вычислений; 8 - регистратор
1 9 12
Рис. 2. Поперечное сечение чувствительных элементов устройства: 1 и 2 - первый и второй чувствительные элементы; 9 - волновод; 10 - отрезок коаксиальной линии; 11 - измерительные ячейки; 13 и 14 - сквозные щели
блоки регистрации значений коэффициента прохождения по мощности прошедшей волны соответственно-5 и 6. На входы этих блоков подаются также сигналы с генераторов 3 и 4, соответственно несущие информацию о мощности волн, поступающей на входы чувствительных элементов 1 и 2. Выходные сигналы с выходов блоков 5 и 6 поступают в блок вычислений 7. В этом блоке производятся вычислительные операции с поступившими сигналами для определения раздельно содержания спирта и сахара в вине. Образующиеся на выходе блока 7 полезные сигналы, соответствующие содержанию спирта и сахара, поступают на регистратор 8.
На рис. 2 изображено поперечное сечение чувствительных элементов устройства, показаны конструкции чувствительных элементов 1 и 2. Здесь полый металлический волновод 3 и отрезок коаксиальной линии 4 размещены соосно. Наружная поверхность волновода 3 служит внутренним проводником коаксиальной линии 4. Внутри полого металлического волновода 3 и отрезка коаксиальной линии 4 размещены соответ-
СОВРЕМЕННОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПИЩЕВЫХ ПРОИЗВОДСТВ
ТЕМА НОМЕРА I
ственно измерительные ячейки 5 и 6, каждая из которых имеет с обеих сторон согласующие диэлектрические окна. Измерительные ячейки 5 и 6 заполняются контролируемой жидкостью (вином), для чего в проводниках волновода 3 и отрезка коаксиальной линии 4 могут быть выполнены сквозные щели 7 и 8.
Расположение обоих чувствительных элементов на одном и том же измерительном участке позволяет воспринимать информацию о контролируемой жидкости (вине) в одной и той же ее области и при одной и той же температуре, что обеспечивает повышение точности измерений по сравнению с [4].
Таким образом, предлагаемое устройство позволяет производить
одновременные измерения содержания спирта и сахара в водном растворе (вине, соке и др.) с высокой точностью за счет контроля одной и той же области внутри объема технологической емкости, при одной и той же температуре. Оно может быть применено и для контроля других многокомпонентных жидкостей.
ЛИТЕРАТУРА
1. Гагарин, М.А. Прогрессивная технология шампанских вин/М.А. Гагарин. - М.: Кругозор-наука, 2003. -320 с.
2. Справочник по виноделию/ Ред. Г.Г. Валуйко. - М.: Издательство «Таврида», 2000. - 624 с.
3. Ахадов, Я.Ю. Диэлектрические параметры чистых жидкостей/Я.Ю. Ахадов. Справочник. - М.: изд-во МАИ, 1999. - 856 с.
4. Викторов, В.А. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов/В.А. Викторов, Б.В. Лункин, А.С. Совлуков. - М.: Наука, 1989. - С. 168-177.
5. Мериакри, В.В. Определение содержания спирта и сахара в водных растворах с помощью сантиметровых и миллиметровых волн/ В.В. Мериакри, Е.Е. Чигряй//Элект-ромагнитные волны и электронные системы. - 2004. - № 1. - С. 5558.
6. Семенов, Н.А. Техническая элек-тродинамика/Н.А. Семенов. - М.: Связь, 1973. - С. 197-198.
Термонезависимое СВЧ-устройство для определения содержания спирта и сахара в водном растворе
Ключевые слова
вода; измерение; раствор; сахар; СВЧ; содержание; спирт; температура; устройство.
Реферат
Определение содержания спирта и сахара в различных водных растворах, включая вина и соки, имеет важное значение при производстве таких пищевых продуктов. При этом следует учитывать, что имеет место значительное изменение температуры и состава контролируемого вещества в пределах объема технологической емкости, содержащей производимый продукт. Рассматривается СВЧ-устройство, позволяющее определять содержание спирта и сахара в пищевых водных растворах, в том числе в вине и соках. Устройство способно производить одновременные измерения содержания спирта и сахара в водном растворе (вине, соке и др.). В устройстве, являющегося двухканальным, производят измерения коэффициента прохождения по мощности на двух фиксированных частотах в двух разных частотных диапазонах и их совместное функциональное преобразование в вычислительном блоке устройства. Измерения на частоте ~ 8-10 ГГц проводят с применением чувствительного элемента в виде полого круглого металлического волновода с возбуждаемой электромагнитной волной одного из низших волноводных типов, а на частоте ~ 2-4 ГГц - с применением коаксиальной линии с возбуждаемой электромагнитной волной основного типа. В полом волноводе и в отрезке коаксиальной линии вдоль длины каждого из них установлена соответствующая измерительная ячейка, ограниченная с обеих сторон согласующими диэлектрическими окнами и занимающая все поперечное сечение соответственно волновода и коаксиальной линии. Полый металлический волновод и отрезок коаксиальной линии расположены соосно, первый внутри второго. При этом наружная поверхность полого волновода служит внутренним проводником отрезка коаксиальной линии. Такое взаимное расположение волновода и отрезка коаксиальной линии дает возможность контролировать физические свойства жидкости в одной и той же ее области внутри объема технологической емкости и при одинаковой температуре, обеспечивая повышение точности измерений.
Авторы
Жиров Михаил Вениаминович, д-р техн. наук, профессор, Совлуков Александр Сергеевич, д-р техн. наук, профессор, Гончаров Андрей Витальевич, канд. техн. наук, доцент, Магомедов Низамутдин Маллараджабович, канд. техн. наук, доцент,
Московский государственный университет технологий и управления им. К.Г. Разумовского, 109004, Москва, ул. Земляной вал, д. 73, mgutu-vino@mail.ru
Thermo-Independent Microwave Device for Determining the Alcohol and Sugar Content in Aqueous Solution
Key words
solution; water; alcohol; sugar; content; temperature; measurement; device; microwave.
Abstracts
Temperature-independent microwave device for determination of alcohol and sugar content in a water solution
Determination of alcohol and sugar content in water solutions including juices and beverages is important under production of such food products. In this case it should be taken into account that significant change of temperature and composition of a monitored liquid within the volume of a technological tank takes place. Microwave device for determination of alcohol and sugar content in a food a water solution (in wine, juice, etc.) simultaneously is considered. The device has two measuring channels. In these channels power of electromagnetic waves propagated through layers of a monitored liquid at two fixed frequencies in two different frequency ranges is measured. Joint functional processing of these power values in the computer unit of the device is done. Measurement at a fixed frequency of the range ~ 8 h 10 GHz is done using a sensing element as hollow circular metal waveguide with excited wave of a lower waveguide type while measurement at a fixed frequency of the range ~ 2 h 4 GHz is done using a sensing element as coaxial line section with excited basic wave. In the hollow waveguide and the section of coaxial line a corresponding measuring cell is installed limited at each end by matching dielectric windows and occupying all the cross-sections of both waveguide and coaxial line section. The waveguide and the coaxial line are placed coaxially, the first one inside the second one. Outer surface of the hollow waveguide serves as inner conductor of the coaxial line. Such mutual location of the waveguide and the line section provides ability to monitor physical properties of a liquid in the same local area within the volume of a technological tank. Measurement accuracy is improved due to monitoring of the same local volume within a tank and at the same temperature.
Authors
Zhirova Mihail Veniaminovich, , Doctor of Technical Science, Professor, Sovlukov Alexandr Sergeevich, Doctor of Technical Science, Professor, Goncharov Andrey Vitalievich, Candidate of Technical Science , Associate Professor, Magomedov Nizamutdin Mallarfdzhabovich, Candidate of Technical Science, Associate Professor,
Moscow State University of Technologies and Management named after K.G. Razumovskiy 73 Zemlianoy Val st, Moscow, 109004, Russia mgutu-vino@mail.ru
