автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.12, диссертация на тему:Теоретические и практические аспекты совершенствования методов исследования физических характеристик пищевых продуктов и механизма процессов взаимодействия электрического поля с веществом



Государственный комитет Российской Федерации по высшему образованию

Московская ордена Трудового Красного Знамени государственная академия прикладной биотехнологии

На правах рукописи

Свинцов Владимир Яковлевич

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ПРАКТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ И МЕХАНИЗМА ПРОЦЕССОВ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ С ВЕЩЕСТВОМ

Специальность 05.18.18 - процесса, машины и агрегаты

пищевой промышленности

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Государственный комитет Российской Федерации ____ по высшему образованию

Московская ордена Трудового Красного Знамени

государственная академия прикладной биотехнологии

На правах рукописи

Свинцов Владимир Яковлевич

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ПРАКТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ

МЕГОДи> ИССЛЩОВАКЖ ФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ К МЕХАНИЗМА ПРОЦЕССОВ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ С ВЕЩЕСТВОМ

специальность 05.18.12 - процессы, машины и агрегаты

пищевой промышленности

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Работа выполнена в Московской ордена Трудового Красного Знамени государственной академии прикладной биотехнологии.

- академик Российской* академии сельскохозяйственных наук,доктор технических наук,профессор Рогов И,А.;

- академик Российской академии сельскохозяйственных наук,доктор технических наук,профессор Горбатов A.B.

- член-корресподент Российской академии сельскохозяйственных наук,доктор технических наук,профессор Харитонов В.Д.

- доктор технических наук,профессор Афанасов Э.Э.

- доктор технических наук,профессор Остапенков A.M.

- Всероссийский научно-исследовательский институт мясной промышлености

)

Защита диссертации состоится "20" ДС^^-О» 1993г.

в часов на заседании специализорованного совета Д 063.46.01

Московской ордена Трудового Красного Знамени государственной академии прикладной биотехнологии по адресу: 109^ ,г.Москва,ул.ТалаАикМ-/Л(Ъ.2>

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке академии. Автореферат разослан

" НОЯ&РА 1993 г. Ученый секретарь специализированного совет а, кандидат технических наук,

доцент ЮРКОВ С.Г.

Научные консультанты

Официальные оппоненты

Ведущая организация

Актуальность проблемы. Дальнейший прогресс в развитии перерабатывающих отраслей АПК,совершенствование традиционных и разработка новых высокоэффективных агрегатов и поточных технологических линий неразрывно связаны с соответствующим прогрессом в разработке научно-обоснованных експресс-методов автоматического контроля качественных характеристик пищевых продуктов.Используемые на предприятиях АПК для этих целей лабораторные методы анализа пищевых продуктов не отвечают условиям поточного производства и пригодны для контроля только в статических условиях и лишь незначительной части объекта контроля-его пробы.

Отсутствие в настоящее время малогабаритных и многофункциональных экспресс-анализаторов количественных и качественных характеристик пищевых продуктов является в настоящее время тормозом и для осуществления сертификации пищевой продукции.

В результате анализа известных и разрабатываемых методов установлено , что решение проблемы контроля качества биосырья на всех стадиях его переработки в автоматическом и непрерывном режиме с обратной связью к орудию переработки,может быть найдено на основе совершенствования и дальнейшего развития электрических методов анализа.Такая постановка вопроса обусловлена тем,что теория таких, хорошо известных интегральных электрических методов,как кон-дуктометрические.разработана применительно к анализу только двух-компонентных гомогенных растворов,а теоретические положения дифференциальных диэлектрометрических методов находятся в стадии разработки.Недостатки теории электрических методов анализа во многом обусловливают отставание приборной базы в перерабатывающих отраслях АПК от возможностей,которые могут реализованы благодаря современным достижениям в развитии контрольно-измерительной тех-

ники.Неизученность и сложность протекающих в момент измерения процессов взаимодействия электрического поля с продуктом,определяет другую сторону решения проблемы,от которой также зависит достоверность результатов анализа электрофизических характеристик пищевых продуктов .Последнее относится не только к электрическим, но и к другим важнейшим физическим характеристикам пищевых продуктов.В частности,практически неизучено влияние электрического поля на такую физическую характеристику пищевого продукта,как поверхностное натяжение ¡отсутствуют апробированные методики ее измерения в сильных электрических полях .Недостатки теории электрических методов анализа, малый банк данных по электрофизическим характеристикам и практическое отсутствие сведений по физическим характеристикам пищевых продуктов в сильных электрических полях являются одной' из причин,объясняющих объективные трудности в разработке авангардных электротехнологических процессов.

Работа выполнялась в рамках программы ГКНТ СССР 0-ВССО-6О задания И.08.04.в период с 1981 по 1986г.г.,планов научно-иссле-довательских,конструкторских и проектных работ Минмясомолпрома Каз.ССР на 1984г..планов научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ Минвуза Каз.ССР 1984-1985Г.г. .тематического плана Главного управления по проведению научно-исследовательских опытно-конструкторских работ по производству и переработке продукции животноводства 1986-1989г.г.

Аналитические и экспериментальные исследования,проведенные автором при разработке методов и средств анализа физических характеристик пищевых продуктов и базирующегося на использовании энергии электростатического поля метода переработки биосырья основываются на фундаментальных трудах Э.Э.Афанасова.М.А.Берлинера,

Г.Бухгольца,Ф.Гана,А.С.1Мнзбурга Д.В.Горбатова.Г.Р.Иваницкого,

К .Б .Карандеева,М.КингаДд .Косого,М.А.Лаврентьева,Л.Д.Ландау,А.А.Ла-пеитсз,Е.Н,Лившица,Б.А.Лопатина,А.Д.Нестеренко.А.М.Остапенкова, -И.С.Павлом,Д.Г.Пэки,К.М.Поливанова,Ф.М.Рабиновича,И.А.Рогова, Ю.В.Семдомской.С.Б.Усикова.Б.В.Шабата.В.Д.Харитонова.Р.И.Шрре!, Г.ОеЬпе,К.КЛгап1,Н.ЕЖиЪ:ивс11ек,У?.Н.СоиЗЛег.

Цель и задачи исследований. Основной целью работы является

юоргтическое к экспериментальное обоснованйе и разработка мето-"""^"я фгекчесган характеристик биоснрья в сильных электрических нолях,а также развитие теории электрических методов экспресс-анализа комплекса электрофизических свойств применительно к контроя» количественных и качественных характеристик биосырья на всех стадиях технологического процесса.

Поставленная цель достигается путем анализа и обобщения досижен™:? в рэ-'втг«*» методов и средств контроля физических характе-

• . г ■ - . • продукции {теоретического обоснования >л. К' щ,поляризации вещества а электрич^с-

¡: .-к но.-.г ч ди'.чкр!ярующего воздействия на вещество сильного элек-трлчесмлч пи л»; ¡экспериментального исследования механизма процессов статического,а также переменного низкочастот-\v.rz I. ¿-ьс..... гисго олгкгрггчгского поля с аналззируе.чым продуктом ¡разработки методик и стендов измерения физических характеристик ь сильных электрических полях и электрофизических характеристик в иеремснних полях промышленной и повышенной частоты;ана-литического и экспериментального исследования электрического поля первичного преобразователя'.разработки электрической схемы фа-зометрического анализатора пищевых продуктов,отвечающей современному направления развитая электронно-измерительной техники.

Научная новизна работы.На основе анализа и обобщения диеле-ктрометрических и кондуктометрических методов разработана классификация электрических методов анализа пищевых продуктов.

На основе аналитических и экспериментальных исследований механизма процессов взаимодействия электрического поля с веществом разработаны научно-обоснованные экспресс-методы анализа физических характеристик пищевых продуктов .'дифференциальный диелектроме-тричес(сцй метод определения дисперсных характеристик ¡интегральный кондуктометрический фазомётрический метод анализа комплекса электрофизически. характеристик и графо-аналитический метод определения удельного электросопротивления¡метод измерения поверхностного натяжения в сильных электрических полях

Аналитическими и экспериментальными исследованиями обоснован метод г)яппЫления. биосырья в высоковольтном электрическом поле; определен комплекс физических характеристик пищевых продуктов.

Практическая ценность и реализация результатов.В результате

проведенных аналитических и экспериментальных исследований разработана техническая документация на фазовый обнаружитель посторонних включений в мясном фарше,которая передана СКВ Агропрома Каз.СС! для организации серийного производства,а также техническая документация на- фазовый анализатор,которая была использована НПСЮжное" для изготовления экспериментального образца анализатора.

Исследования процессов взаимодействия электрического поля с веществом позволили получить исходные данные для научно-обоснованных расчетов измерительных ячеек электрических анализаторов,а также установить параметры процесса обработки пищевых продуктов в высоковольтном электрическом поле.

Теоретические разработки реализованы в фазовом обнаружителе

посторонних частиц,опытно-промышленная апробация которого в 19841989 г.г.была осуществлена на трех мясокомбинатах Казахстана(г.Алма-Ата ,Усть-Каменогорск,Гурьев) ,а также в фазовом анализаторе концентрации мясных и молочных продуктов.Результаты аналитических и экспериментальных исследований внедрены также в учебный процесс в Семипалатинском ТИММП с 1981г.и используются для проведения учебно-исследовательской работы со студентами,обучающимися по программе НИРС и УИРС.а также при выполнении дипломных работ и проектов.

¿пробацая работы. Основные результаты исследований были пред-

ставлены на XXIII (Москва, 1978г.).XXXVI(Науапа, 1990г..),XXXVIII (СХеипог^ Уеггапй, 1992г.) Международных конгрессах по проблемам науки и технологий мясной промышленности;

Воесеиэных научно-технических конференциях: "Электрофизический метода обработки пигзевых продуктов и сельскохозяйственного _--РТС^.ТййОг.г. ;Х-.р*ков-1977г.; "Теоретические и прах-:•»- тончен? тетя методов инженерной физико-тимлчееков -¿-.г.:;-:..-,-,' г ц; ик ссвершеяствования и интенсификации техногогич"-окич г.^'о^.'/сссз производств"(Москва, 1983,1986,1990г ):

Тксг;.1. к.;':; '"гие егсИства эвкагдаокякг толлтз, м^тчртя-

лов и спзцяг.-ьгтех !Клдкос?е?.'*Кпе2,1977г.:"Пул развития пчучя и техники в мясной и молочной промыш:еш:сстя"Углич,1988г.

Научном совете ГКНТ СССР по проблеме "Производство пищевых продуктов и реализация питания населению СССР"(Семипалатинск, 1983г.).

Всесоюзном семинаре "Теория и практика применения электрофизических методов в пищевых отраслях промышленности"(Москва,1975-1981г.г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 50 работ,

в том числе одна монография,2 брошюры.Новизна разработанных технических решений подтверждена II авторскими .свидетельствами.

Структура и объем работы.Диссертация включает 6 глав,вывода,

список использованной литературы (181 наименований) и приложения. Работы изложена на 351страницах,включающих Е43 страниц основного текста, S7 рисунка,32 таблиц,14 страниц библиографического списка и 48 страниц приложений.

Содержание диссертационной работы.

Введение. На основе краткого анализа взаимосвязи физических характеристик с показателями качества мясных и молочных продуктов показана роль,место и значение влектрических методов контроля в традиционных и новых,разрабатываемых в настоящее время,пер спек-'тивных алектротехкологических процессах.Обоснована актуальность темы,сформулированы цели и задачи диссертационной работы.

Глава 1. Основные положения теории и техники влектрических методов анализа

Теоретическую основу электрических методов анализа составляет функциональная связь между электрофизическими свойствами и показателями качества пищевых продуктов .В связи с этим в начале главы 1 для обобщения имеющегося теоретического материала применительно к проблеме,дается анализ основных теоретических выражений , связывающих изменение характеристик электромагнитного поля от состава,структуры,и электрофизических свойств пищевых продуктов.В результате детального анализа методов расчета показано,что предложенные разными авторами аналитические зависимости,связываю-

щие электрофизические характеристики дисперсных систем с электрофизическими характеристиками и концентрацией компонентов выведены при использовании упрощающих расчет допущений.Однако .влияние только одного фактора-скачка потенциалов на границе раздела фаз может оказаться достаточным,чтобы информация о величине измеренных электрофизических свойств дисперсной системы,оказалась ошибочной. Известные формулы смешения позволяют в некотором приближении оценить искомые параметры только для двухкомпонентных систем.

Анализ достоинств и недостатков электрических методов и основанных на них технических решений позволил разработать единую, в отличие от известных,классификацию электрических методов анализа веществ.В качестве первоначальных классификационных признаков были выбраны область измерений,определяемая электрохимическими методами анализа веществ и вид методов анализа. Такой выбор первоначальных классификационных признаков позволил обеспечить полную аналогию в дальнейшем построении классификации для двух основных видов (кондукто- и диелектрометрических) методов анализа.

Сравнение электрических методов показало,что приведенные в классификации диелектрометрические методы,имеют аналогичные с ко-ндуктометрическимк методами проблемные вопросы как по разработке цифровых средств анализа, так и по разработке методов и методик измерения комплекса электрофизических и дисперсных характеристик пищевых продуктов .Очевидно, что разработка дифференциальных диэ-дектрс-метрических методов анализа веществ вместе с интегральными кондуктометрическими методами дополнит теорию и практику электрических методов анализа и послужит основой совершенствования технологических процессов переработки биосырья.

я

ж ^

о я в г»

я в

£В Ш

в г

к я я

Ь)

я

о о 5

Мостовые

Компенсационные

Контактные

Мостовые

Компенсационные

Контактные

Мостовые

Неконтакт ные

л х

о и

►з я

о о

4 я

е

Мостовые

2 ч

■метрическии

Неконтакт ные

О-метрическии

а а

» е

о о

►а о

о я

►з о

е к

Мостовые

Контактные

Частотные

Контактные

Частотные

Яеконтакт ные

►а

о со ес о

г

л

►3

е

5 I

•-э >а»

О XI

За о Е 3

е А

£ (I

и

О" Ж

а ы г»

я ►з ►о о а •о е о

Я о я

й

я ►з о К о ►3 •в

я »

Баллистического гальванометра

Контакт-

Элипсоида

ные

Элипсоида

Электрометра

контактные

Мостовые

{еконтакт ные

Д И » я

о и

►з я

о о

ш

Замещения

Биении

Неконтактные

Мостовые

-Д—в>-Р» Е о о ►э о

о я § §

Частотные

Неконтактные-

а а

0» е

о о

►з о

о я

►3 о

я я

Стоячей волны

Объемного резанатора

Неконтактные

Дй(1

С» о а о я л

►3 ш Е е:

5

о

о

а е а

К л

►з о

й е

§

III I I Iе I

Е I с*

•3 . о | Я !

*

а Я л я ►з •а

к

<В

О

Я ►3

•о о

к

Л

•а к а

о я

(I

я

►3 •в о

и

я г к Д О

о я к о

X а

►з

о

»

Е

I» X Р»

а я

а »

о о о» о

я

►3

я ы в»

о о я >е< к я о я к 8

1

СО й»

§

со

Глава 2.Разработка теоретических основ дифференциальных ди-электрометрических методов анализа

Как интегральные.так и дифференциальные диэлектрометричес-кие методы анализа вещества базируются на отличиях в електрофизн-ческих свойствах дисперсной фазы и дисперсионной среды и предназначены для определения дисперсных характеристик пищевых продуктов с преобладанием диэлектрических свойств.Однако.дифференциальные методы дисперсного анализа предствляют собой качественно

ятап в развитии электрических методов, связанный с необходимостью анализа микровеличин по результатам измерения каждой микрочастицы в отдельности.Принципиальные отличия мезду интегральными и дифференциальными методами обусловливают необходимость решения задачи регулирования характеристик электрического поля с цельв разработки микроячейки дифференциального анализатора с -г.г!-!:;--г.Гг т..!-,?.-"лгтью V однородностью электрического поля лзмееи-т^лм'огэ о-уЪ??.!-. Эту задачу решили путем разработки многоэлектрод-г.ой кг•"ерктег.ьу.2й ячейки.В связи с отсутствием работ .посвященкчх чсодед'.-е^пзг пэрактеристгос электрического поля сложно?, скстсл; о.токгроло'-..к.=г-- функции от геометрических и электрических гтчгдает-ров Г!осл«д;шл, ^"чнкв е^йвктивности подобного ттуттт регулирования электрического поля была установлена в общем случае в результате Н8ХОНД21ШЯ теоретического решения ят^й зчдзчгг н? осг'ое0 теоркт

В результате решения интеграла Шварца получили аналитические зависимости,позволяющие провести исследование характеристик электрического поля измерительного объема,как функции от геометрических и электрических параметров многовлектродного чувствительного

;(Х)

элемента емкостного анализатора.Эти зависимости в конечном виде представлены следующим выражениями :для напряженности

где Г Ж • [ = . (3)

для потенциала

Ж С Л- т угц ЧГ> (4)

Аналитические исследования однородности электрического поля в зависимости от геометрических и электрических- параметров многоэлектродного чувствительного элемента измерительной ячейки провели графоаналитическим методом.Из результатов исследования электрического поля установлены аналитические зависимости,определяющие конструктивные и электрические характеристики многовлектродной системы электродов измерительной ячейки,отвечающие основным требованиям дифференциальных методов анализа.

Экспериментальная проверка аналитических расчетов поля и оценка влияния на его структуру конечной величины зазора % .которая при расчете принималась равной нулю,была осуществлена при помощи моделирования электрического поля в электролитической ванне.

Из анализа результатов моделирования установили,что для электрического поля многовлектродной системы с синфазностью напряжений основных и защитных электродов даже при большой величине за-

зора (^=0,5)и малой ширине основных электродов (¿/^ «1,0)структура поля,в основном,соответствует .однородному электрическому полю.Наблюдаемое отклонение экспериментальных аквипотенциалей от расчетных в зоне зазора невелико и им можно пренебречь (рис.1).

Для многоэлектродной' системы с заземленными защитными электродами хорошее совпадение экспериментальных и расчетных аквипотенциалей наблюдается для центральной зоны основных электродов. Протяженность этой зоны зависит,в основном,от соотношения ¿/4 и достигает 0,81 при V/; =2,0.Однако,в отличие от расчетных,экспериментальные эквипотенциали не заканчиваются у края основного электрода,а смещены в сторону середины зазора.Это расхождение объясняемся тем обстоятельством,что величина зазора.мевду основными и защитными электродами имеет конечное значение.В тон случае.когда защитные электроды ячейки заземлены,соответствие меаду данными моделирования и результатами расчета несколько хуже (рис.2).Хорошее совпадение наблюдается здесь лишь в той части,где градиент потенциала достаточно велик,то есть у высокопотенциального электрода.Это дает основание считать расчетные значения напряженности поля в этой части ячейки близкими к истинным,так как напряженность поля определяется формой эквипотенциальных поверхностей и расстоянием между ними.

На основании сравнения результатов моделирования влектричес-кого поля ячейки в электролитической ванне с результатами аналитического расчета этого поля были сделаны следующие выводы: - расчетные формулы (1-4) напряженности и потенциала поля ячейки с основными и защитными электродами с достаточной точностью описывают истинное поле измерительного объема электродной системы, если величина зазоров между основными и защитными электродами

* » * „

-» * л * л

« * « * »

К X * * X *

I % » X * *-*—«-

-К--* *

* х X X X х «—X-*-*-

'*'■> *■ ** '* д *' Л * * *

"1_ч.

-в!

Рис. I. Теоретические ( сплошал линия) и экспериментальные значения зкаипотенци&леи алектрйческого поля ыежэлектррвного объема: .

а) при и.= и, ■Л'Ь^.О

1 - 1) * 0,254 У,

2 - и • 0,500 и,

3 - и - 0,746Ц1

а) при У,«У, ;' Ул-/,0 ; ¿й'0,375:

1- и- о,?ии,-г - и - о.боо и, 3- и- 0,2861),

Рис. i . Теоретические! сплоти «л линяя? к 'эксперинентиыше значения »хвилотешиалей электрического поля мвилецтроякого, рИеи»' при иг.0; %. 0i5 .и 0,188:-

I - U - 0.S95U, Z- U- 0,333U, 3 - 0« 0.I25ÎJ,

мала по сравнению с шириной основных электродов и межвлектродным расстоянием;

- напряженность поля в центральной части ячейки достаточно хорошо описывается формулами (1-2) независимо от ширины между основными и защитными электродами и от схемы их подключения.

Следующий этап разработки дифференциального диелектрометри-ческого метода заключался в нахождении аналитической зависимости импульсных изменений электрического поля и,соответственно.измерительной схемы прибора от дисперсных характеристик частиц,подлежащих дисперсному анализу.

К числу таких важнейших импульсных изменений характеристик электрического поля откосится амплитуда и длительность импульса сигнала,вырабатываемого измерительной схемой анализатора при прохождении через измерительный объем ячейки частицы.

Расчетная формула зависимости длительности ямпульса сигнала 'С от диаметра частиц,полученная на основании анализа характеристик электрического поля измерительной зоны и взаимодействия с ней анализируемых частиц имеет следующий вид гг—Кг-Ь ^

I(5) где коэффициент,зависящий от геометрических параметров электродной системы и структуры электрического поля ячейки; £ - ширина измерительного объема в направлении перемещения частиц, м;

[}~ кос^^'.'д^нт .уч!!тнва!о?т!Ий поляризацию частиц;

~ частицы, М*

р"- пеп«мещ?ния частицы,м/с ,

Для ра-чета амплитуды 1ошульса сигнала использовали метод

расчета,основанный на теореме о наведеном заряде .Как известно, попадание частицы в измерительный объем вызывает ее поляризацию и возникновение вторичного влектрического поля поляризованной частицы,суммирующегося с первичным влектрическим полем* ячейки без частицы.Вызываемое етим процессом изменение структуры влектрического шля межвлектродного^объема в количественном выражении определяется величиной тока $ ,А,протекающего во внешней цепи конденсатора

з- фм

где "[[ - выходное напряжение питания электродов конденсатора ,В; £ - комплексный вектор напряженности влектрического поля

межвлектродного объема в отсутствии частиц, В/м; |Г - мнимая единица; (л) - частота напряжения питания, с"'; Р - комплексный вектор поляризации частицы, К/и ; V- объем поляризованного тела, м"5. Используя это выражение,в результате аналитического расчета получили выражение для амплитуды импульса сигнала

■¡г у Ш-1)

где $ ~ площадь влектродов ячейки, м .

Таким образом установлено,что для частиц одной природы амплитуда импульса сигнала прямо пропорциальна диаметру частиц в третьей степени.

С учетом полученных результатов исследований,разработали методику расчета конструкции измерительной ячейки дифференциального анализатора дисперсности пищевых продуктов.

Глава III. Экспериментальные исследования дифференциального диэлектрометрического метода анализа дисперсных мясных и молочных продуктов

С целью проверки и уточнения результатов аналитических расчетов проведены экспериментальные исследования с различными конструкциями много электродных диелектрометрических ячеек. Объектом исследований служили сферические частицы продукта (альбумин или сухое молоко) .Экспериментальные исследования проводили электродинамическим методом,при равномерном перемещении в электрическом поле ячейки предварительно тщательно отобранной и измеренной сферической частицы продукта.Объектом анализа являлись характеристики импульса сигнала,вырабатываемого измерительной схемой анализатора .На основании проведенных исследование признано целесообразным использовать для целей гранулометрического анализа следующие схемы диелектрометрических ячеекгс основными и защитными электродами при равенстве и синфазности напряжений питания электродов,а также с заземленными защитными электродами .Для этих случаев при^ = 3,0 определяли экспериментальную зависимость амплитуды импульса сигнала от диаметра частиц (рис.3).

Полученные экспериментальные данные обрабатывались при помощи методов корреляционного анализа,при этом установили,что с высокой степенью вероятности (коэффициент линейной корреляции равен 0,99 ) амплитуда импульса сигнала Ц,В и диаметр частиц связаны степенной зависимостью вида

у- H-io'°3)ß (8)

-р

где К-шстоянная,В • м ;

Д-диаметр частицы,м;

и защитных электродов:

а)(>;=^=67В ; б) Ц =8бВ; (£«0,

• - альбумин ; х - сухое молоко.

-показатель степени.

Таким образом,экспериментальные исследования подтвердили кубическую зависимость амплитуды импульса сигнала от диаметра частиц альбумина и сухого молока в случае наличия участка однородного электрического поля измерительного объема ячейки.Значение постоянной для частиц альбумина составляет величину равную 3,77;для

о

сухого молока ¡{ несколько ниже (в 1,12 раза),что очевидно отражает влияние электрофизических свойств частиц на количественные показатели процесса.

Для определения влияния геометрических параметров электродной системы на количественные показатели процесса были проведены экспериментальные исследования устройства при различных Ь и с) . Во всех экспериментах оставались неизменными следующие параметры: $-¿£=4,040 м: -0.45-103 м; =~Ц =50 В.

Из результатов экспериментальных исследований,представленных в табл. 1.следует,что зависимость амплитуды импульса сигнала от геометрических размеров основных и защитных электродов несколько отличается от теоретической,что выражается в увеличении при возрастании вмрины основных электродов.Существенным образом также сказывается влияние ширины зазора на величины К и уб .Возрастание амплитуды импульса сигнала при увеличении ширины основных -3-3

электродов с 0,1*10 м до 0,35-10 м можно объяснить тем,что при

малой величине Ь значительная часть вторичного поля частицы замыкается на защитные электроды и не попадает по этой причине на основные.Отклонение от кубического закона ( > 3,0) при малых

^ и Ь происходит ввиду того.что при больших диаметрах частиц потенциал защитных электродов возрастает в результате взаимодействия с вторичным электрическим полем частицы настолько,что оказы-

вает влияние на величину амплитуды импульса сигнала .С увеличением

ето влияние уменьшается,о чем свидетельствуют данные таблицы 1.6 результате исследований определен диапазон значений ¿Г .со-

ответствующий максимальной чувствительности устройства: £=(0,150-0,385). 10 м.

Сопоставление амплитудных характеристик при оптимальных , -з -з

показало,что увеличение и с 0,10-10 м до 0,35*10 м приводит к возрастанию амплитуда импульса сигнала,однако дальнейшее увеличение / до 0,5-10 и вызывает ее уменьшение; Л7 и Ь для этого

<~ -3

случая при оптимальной величине р =0,85>10 м 'равняются: К =83,6

=3,0.Это очевидно,объясняется тем,что при увеличении /_> уменьшается влияние на процесс электрического шля защитных влек-

Таблица I

Результаты' экспериментальных исследований амплитудных характеристик дифференциального анализатора дисперсности частиц

¿, »м • и Коэффициенты эмпирической

зависимости (8)

К /5

0,1' 10 3 0.075-10 99,1 3,30

0,130-10" 5 50,0 3,19

0,875-10' * 13,8 3,08

__ 0,450'10" 5 13.4 3,05

0,8 ЛО* 0,080-10~5 84.8 3,18

0,885-10 18,6 8,98

0,400 10 15,0 3.08

0.35 10"5 0,150 "10" 5 34.6 3.07

0,3£5-10 18.0 8.95

0.485.10 44,3 3,06

тродов и зависимость ¿^"от геометрических параметров основных электродов подчиняется уравнению (8)*.

На основании проведенных экспериментальных исследований уточнены полученные в результате аналитического расчета следующие геометрические парметры: ширина основных электродов( Ь ) и величина зазора (?*)

Ввиду того,что величина измерительного объема,определяющая чувствительность и точность анализа,зависит также от длины злект-родов( § ) .экспериментальным путем определялась зависимость амплитуды от $ .Из анализа экспериментальных данных установлено

отклонение зависимости от линейного закона,причем уменьшение дли--3 -3

ны электродов от 6,0'Ю м до 4,5'10 м приводит к небольшому увеличению амплитуды импульса сигнала (в 1,2 раза) .Последующее

-3

•уменьшение длины электродов до 2,0-10 м вызвало более резкий рост амплитуды сигнала (в 2,8 раза).

Следующий этап исследований состоял в определении экспериментальной зависимости длительности импульса сигнала от диаметра частиц.В результате экспериментальных исследований установлено, что с высокой степенью вероятности (коэффициент линейной корреляции равен 0,99) .протяженность импульса сигнала I, ,м,в ограниченном интервале определяется линейной зависимостью

¿ = С1(и) <-& /дЬ (Ю)

где- &)- диаметр частиц, м;

" I/

- постоянные (см.таблицу 2). Приведенные данные экспериментальных исследований свидетельствуют о том,что значения коэффициентов О и й' зависят соответственно от величины зазора и ширины основных электродов.При

проверке гипотезы линейности установлено,что линейная зависи-

Таблица 2

Результаты экспериментальных исследований временных характеристик дифференциального анализатора дисперсности частиц

[ , М м H м Значения коэффициентов к уравнению (10)

а в

0 ,1 '10° 0 ,450.10* 0,50 10 ^ 3,26 92,7

0 ,450.10* 0,95 -i <10 3,27 99,3

0 ,275.10* 0,45 - J 10 2,79 76,7

0 ,275*10 * 0,75 -i '10 2,72 81,3

0 ,2>1ÓS 0 ,400-10'3 0,45 10J 3,17 188,8

_ tt _ 0 -J ,225.10 0,45 -3 ;10 2,71 168,4

0 ,35.I0S 0 ,325■I0~i 0,45 ■10* 3,14 399,0

мость сохраняется для частиц,диаметр которых не превышает: 2)^0,285 ю м при ( ¿+а§ )=1,0<10 м;

0,280 10 м при ( i+aS' )=0,65*10 м.

При определении величины протяженности измерительного объема, установлено,что она. ограничивается суммарной величиной (L+ ) и не зависит от межелектродного расстояния.

Кроме длительности импульса сигнала,оценку количественных показателей процесса при заземлении защитных электродов проводили по величине амплитуда импульса сигнала.Обработка экспериментальных данных показала,что зависимость амплитуды импульса сигнала

от диаметра частиц подчиняется степенной зависимости вида(8).0д-

-3

нако, при ширине основного электрода равной 0,1-10 м показатель степени равен 2,13,что свидетельствует о неоднородности електри-

!

ческого поля измерительного объема.С увеличением ширины основного

-3 а -3 -3

электрода до 0,35-10 м при 2 Л =0,45-10 м и Ь =0,325-10 м зависимость амплитуды импульса сигнала от диаметра частиц приближается к кубической.Это дает возможность при гранулометрическом анализе одновременно использовать два параметра:длительность и амплитуду импульса сигнала,что значительно увеличивает точность работы устройства и является несомненным преимуществом разработанной конструкции дивлектрометрической ячейки устройства по сравнению с кондуктометрической.

Результаты исследований получили практическую апробацию на разработанном макете анализатора дисперсности порошкообразных пищевых продуктов.Обьектом исследований служили продукты распылительной сушки-сухое молоко и технический альбумин.В качестве информационного Параметра использовали амплитуду импульса сигнала, вырабатываемого измерительной схемой анализатора при прохождении анализируемых частиц через измерительный объем диэлектрометриче-ской ячейки проходного типа.В связи с высокой производительностью анализатора и для увеличения точности определения дисперсных характеристик измеряли амплитуды большого количества час-тиц(8000).В результате обработки экспериментальных данных определяли диаметры частиц,после чего они группировались в размерные классы по диаметру.

Глава ГУ. Основы теории кондуктометрических методов анализа

вещества

Использование кондуктометрии.как одного из методов анализа мясных и молочных продуктов с преобладанием проводящих свойств.

основывается на взаимосвязи одной из электрофизических характери-стик-удельного электросопротивления-с количественными и качественными характеристиками анализируемых продуктов.Исследование процессов взаимодействия электрического поля с веществом,происходящих в момент измерения показало,что эти процессы,определяющие в значительной степени величину погрешности анализа,зависят от материала электрода¡состояния поверхности электрода;наличия на ней адсорбированных ионов,атомов,молекул;от концентрации потенци-алоопределяюцих ионов,ионной силы раствора и т.д.Детальный анализ причин,обусловливающих погрешности известног'о метода анализа позволил разработать графо-аналитический метод определения "истинного" удельного электросопротивления вещества на постоянном токе, отличающийся сравнительной простотой аппаратурного оформления и методики измерений.Как показали дальнейшие исследования,кроме определения "истинного" удельного электросопротивления,этот метод позволяет оценить в количественном отношении и величину поляризационных процессов,протекающих в кондуктометрической ячейке в момент проведения измерений.

Разработанный способ' определения истинного удельного сопротивления анализируемого вещества основывается на утверждении о том,что величина поляризационного сопротивления не зависит от межэлектродного расстояния .Отсюда вытекает,что путем измерения сопротивления анализируемого вещества как функции межэлектродного расстояния и дальнейшей аппроксимации результатов,можно получить аналитическое выражение функциональной зависимости сопротивления ячейки от межэлектродного расстояния,которое будет соответствовать уравнению прямой линии

(И)

где О - свободный член,будет определяться сопротивлением,связанным с поляризационными эффектами;

О - сопротивление раствора. С учетом известного уравнения,выражающего зависимость полного сопротивления через удельное электросопротивление продукта,расчетное выражение.позволяющее найти удельное электросопротивление через параметры графо-аналитической зависимости (IX) будет иметь вид

Способ может быть реализован с помощью известной мостовой измерительной схемы,соответствующей мосту Кольрауша.с введением промежуточных измерений сопротивления вещества при различном фиксированном расстоянии мезду электродами.

Как следует из закона Ома для электролитов,этот метод может быть использован также для оценки поляризационных процессов,протекающих в системе электрод-вещество кондуктометрической ячейки, при протекании через ячейку постоянного или переменного электрического тока.Изложенное выше теоретическое обоснование графоаналитического метода позволяет на практике решить проблему определения "истинного" сопротивления анализируемого вещества за счет исключения влияния побочных процессов,связанных с приэлектродными явлениями и процессами поляризации вещества в переменном электрическом поле,то-есть решить,что называется,внутреннюю задачу процесса измерения.Кроме решения внутренней задачи методов анализа электрических параметров веществ,не меньшую значимость имеет и прикладная сторона этой проблемы,заключающаяся в разработке нового поколения анализаторов на базе цифровой измерительной техники.При этом разработка методов,реализующих цифровые принципы пос-

(12)

троения измерительных схем,должна идти в направлении решения про

блемы многофакторного анализа количественных и качественных показателей мясных и молочных продуктов,относящихся к многокомпонентным веществам.Решение этой проблемы было найдено на основе идеи разработки фазометрического метода анализа,который с одной стороны отвечает задаче разработки цифровых средств контроля,а с другой стороны за счет использования в дополнение к амплитудным,фазовых зависимостей от анализируемых характеристик продукта,увеличивает число информационных параметров о величине этих характеристик. Из анализа известных методов измерения фазовых сдигов установлено , что применительно к кондуктометрии для разработки цифрового анализатора наиболее целесообразно использовать метод влек-тронной фазометрии сигналов от кондуктометрической ячейки с промежуточным преобразованием фазового сдвига во временной интервал. Аналитичеекая разработка фазометрического метода анализа привела к следующим выражениям для расчета фазовых сдвигов соответственно для параллельной и последовательной схемы замещения

(13)

(14)

где Я.^ - величина подстроечного сопротивления,смежного с кондуктометрической ячейкой плеча моста; • соответственно реактивное и активное сопротивление

кондуктометрической ячейки с веществом.

Для оценки разрешающей способности фазометрического анализа проведено аналитическое исследование чувствительности измерительной схемы по напряжению и фазовому сдвигу.В результате етих исследований (табл.3) установлено несомненное преимущество фазового метода анализа по сравнению с амплитудным.Это выражается в том, что чувствительность по напряжению ограничена по верхнему пределу и сравнительно невысока.В отличие от этого 'чувствительность по фазовому сдвигу можно сделать неограниченно большой.

Таблица 3

Сравнительная оценка чувствительностей мостовой измерительной схемы по напряжению и фазовому сдигу

Отно- Последовательная схема Параллельная схема

ше- замещения замещения

ние Чувстви Чувствительность по Чувстви- Чувствительность по

тельно- фазовому сдвигу ф> тельность фазовому сдвигу %/%

л Я, сть по Активная Реактивная по напря- Активная Реактивная

напргнке нию .¡¿и/, состав л. состав лающая,^) жению, %/% и составл. составляющая

0 -1 10 0,25 оО 0,35 0,50 0,00 1,27

0,85 63,70 0,38 0,50 0,00 1,27

- ( 10 0,85 6,37 0,33 0,33 2,45 -10^ 1,32

1 0,82 0,51 0,25 0,32 0,51 0,25

10 0,05 3,45.10 0,01 0,25 6,35 3,2"10

t 10 4,5 40 0,00 0,25 0,85 63,7 0,00

ьо 0,00 0,00 0,00 0,25 СО 0,00

Дальнейшей теоретической проработкой фазометрического метода

получены выражения,позволяющие по результатам фазометрических исследований определить реактивную и активную составляющую комплексного сопротивления кондуктометрической ячейки с анализируемым продуктом.Кроме этого.аналитическим расчетом показано,что отношение этих составляющих позволяет находить одну из важнейших электрофизических характеристик продукта-тангенс угла общих потерь.Более того,из аналитических исследований установлено,что при определенных параметрах измерительной схемы анализатора,которые могут быть установлены экспериментатором без особых сложностей,величина выходного напряжения,снимаемого с измерительной диагонали мостовой измерительной схемы,будет численно равняться тангенсу утла Диэлектрических потерь

Таким образом,при соответствующих электрических характеристиках мостовой измерительной схемы возможно простое в инструментальном отношении прямое экспериментальное определение величины тангенса угла потерь анализируемого вещества.

Проведенные модельные экспериментальные исследования показали достаточно высокую степень соответствия теоретических и экспериментальных зависимостей фазометрического метода анализа.

Подводя итог разрабатываемому методу анализа веществ отмечаем, что этим методом возможно одновременное экспериментальное определение сразу трех электрических параметров,характеризующих электрические свойства вещества:сопротивления,тангенса потерь и фазового сдвига.Если определение этих параметров возможно осуществить прямым экспериментальным измерением,то определение других электрофизических характеристик,например:емкости или диэлектрической проницаемости,а также удельного сопротивления можно осу-

ществить расчетным путем,с учетом известных зависимостей меаду измеренными параметрами и соответствующий рассчитываемыми электрофизическими характеристиками.Возможность одновременного измерения нескольких электрических параметров,с учетом известных частотных зависимостей,открывает широкие возможности для реализации метода анализа уже многокомпонентных веществ.

Глава 7. Экспериментальные исследования кондуктометрических методов анализа и механизма процессов взаимодействия електрического поля с веществом

Для качественной оценки процесса взаимодействия электрического поля с веществом,использовался раствор хлористого калия, удельная электропроводность которого известна с высокой степенью точности.Для возможно более полного раскрытия механизма взаимодействия електрического поля с веществом исследования проводили в зависимости от следующих факторов¡электрофизических свойств,для чего использовался раствор хлористого калия различной концентра-ции;от температуры¡состояния электродной поверхности¡величины тока,протекающего через ячейку¡частоты и величины напряжения питания. Результаты экспериментальных исследований влияния электрических параметров измерительной ячейки на переменном токе низкой частоты показали уменьшение числовых значений свободного члена уравнения (II) при увеличении напряжения питания и величины тока, протекающего через кондуктометрическую ячейку,что может свидетельствовать о снижении поляризационных еф&ектов.Сравнительная оценка числовых значений свободного члена уравнения ( II ) как функции концентрации анализируемого вещества (табл.4) показала,

что с увеличением концентрации етот коэффициент уменьшается .следовательно,уменьшаются и поляризационные эффекты.Кроме этого,установлено, что величина свободного члена уравнения (II) в значительной мере зависит от состояния электродной поверхности?

Таблица 4

Таблица результатов экспериментальных исследований графоаналитическим (низкочастотным и высокочастотным) мостовым методом анализа ( £ =20 С ).

Концентра- Величи- Частота Уравнение зави- Коэффи- Удельное

ция раст- на нап- напряже симости сопротив- циент сопротив-

вора. ряжения ния пи- ления ячейки от корре- ление ^ ,

моль/л входного, В тания, Гц межелектродного расстояния ляции Ом-см

1.0 2.3 й =43,342+6.383х 0.997 9,83

0.1 3.4 50 Л =90,00+60,Ох 1,00 92,316

0.02 3.8 И =148.329+245.811 0.99 378,2

1.0 '8.3 21*10 Е =1.54+6.36х 0,999 9,79

0,1 5.1 И =30,3+56,18х 0.999 88,52

0.02 5.2 К =7,41+248.61х 0.997 382,86

1.0 2.3 Н =1.27+6.35х . 0.999 9,78

0.1 5.1 35-10 й =2,03+56,08х 1.00 86,36

0,02 5.2 И =7.21+254.061 1,00 391,25

Экспериментальные исследования искомых зависимостей на частотах 80 гЦ,21,35 кГц на 1,ОГО,1 и 0,02 молярном растворе хлористого

калия,представленные в табл.4 убедительно подтвердили высказанное ранее предположение о взаимосвязи числового значения свободного члена уравнения (11) с величиной поляризационных эффектов в кон-дукгометрической ячейке. Однако .полностью устранить поляризацион-

ные эффекты путем повышения частоты переменного электрического тока даже до частоты нескольких десятков килогерц не удается.Особенно велик вклад свободного члена уравнения (11) в величину сопротивления кондуктометрической ячейки при повышенных концентрациях анализируемого вещества и погрешность измерений от поляризационного сопротивления даже при измерениях на частотах в несколько десятков килогерц может достигать десяти процентов.

Анализ результатов экспериментальных исследований в зависимости от набора всех ранее перечисленных факторов также показал, что общепринятая методика определения удельного электросопротивления вещества путем определения константы ячейки с помощью эталонного вещества (например 0,1 нормального раствора хлористого калия) дает большой процент погрешности.Последнее дает основание сделать вывод о непригодности общепринятой методики определения удельной электропроводности,в случае игнорирования специальных требований к электродной системе,заложенных в теоретические основы известного метода.

Следующий этап экспериментальных исследований связан с принципиально новым фазометрическим методом анализа.Для проведения экспериментальных исследований использовали разработанную и изготовленную нами измерительную установку,в основу которой положена мостовая измерительная схема с повышенной фазовой чувствительностью-

Используя результаты измерения фазового сдвига,электрические параметры мостовой измерительной схемы:величину входного и выходного напряжения,а также подстроечного сопротивления магазина сопротивлений, рассчитывали характеристики кондуктометрической ячейки

с веществом как функции межэлектродного расстояния.Расчет удельного электрического сопротивления одномолярного раствора хлористого калия как для параллельной,так и для последовательной схемы замещения вещества,дает практически одну и ту же величину удельного электрического сопротивления,совпадающую с табличными данными.Последнее может свидетельствовать о том,что несмотря на различие в описании электрических свойств продукта той или иной схемой замещения вещества,на конечный результат это мало сказывается, что говорит о равнозначности обеих схем замещения.

Оценка результатов графической зависимости реактивного сопротивления кондуктометрической ячейки,как функции межэлектродного расстояния показывает,что с большой степенью приближенности можно считать эту зависимость линейной при увеличенных межэлектродных расстояниях.Отрицательное значение реактивной составляющей при межэлектродном расстоянии равном нулю,может быть объяснено на основе утверждения Усикова (подкрепленного экспериментальным измерением диэлектрической проницаемости) об уменьшении диэлектрической проницаемости вещества в тонком слое ДЭС.которое вызовет и снижение реактивной составляющей полного комплексного сопротивления.Исходя из анализа процессов,возникающих на границе двух фаз. высказано предположение о том, что пересечение оси абсцисс прямой функциональной зависимости реактивной составляющей комплексного сопротивления от межэлектродного расстояния в точке,соответствующей Х^О,определяет суммарную толщину двойных электрических слоев, расположенных у металлической поверхности электродной системы.

Расчетом тангенса утла потерь показано,что его величина с увеличением межелектродного расстояния увеличивается .На основе анализа результатов экспериментальных исследований предложена ме-

тодика расчета "истинного" значения тангенса угла общих потерь, путем использования соответствующейпоправки,равной величине свободного члена в уравнении (II) для активной составляющей и поправки аналогичного вида зависимости для реактивной составляющей. Расчет угла общих потерь по уточненным значениям этих составляющих комплексного сопротивления ячейки подтвердил практическую независимость угла общих потерь от геометрических характеристик ячейки.Отсюда следует важный вывод по оценке достоверности ре-

Таблица 5

Результаты экспериментальных исследований электрофизических

характеристик фазометрическим методом анализа

Вещество » Концен- Частота Удельное Тангенс Диэлектрическая

трация, и), электро- угла проницаемость,

моль/л кГц сопротив ление 0м< см общих потерь, Ф

г' ¿Г

I 2 3 4 5 6 7

Поварен- 1,0 45,5 12,31 6.62 4,85-10* 32.11 -10Г

ная 0,5 22,15 9,12 1,96-10* 17,84 .10*

соль 0,125 77,75 15,72 3,23.10 50,83 >10*'

Молочная 1,0 45,5 348,38 12,эе 8,78'10* 11.34-10*

кислота 0,5 468,66 13.44 6,27 10 8,43 Л0Ч

0,25 672,81 14,06 4,18.10 5,87-10*

Нитраты 0,06 33,7 198,40 16,78 V 1,60'10 26,90- 10Г

0,03 355,53 17,96 8.36<10 15,00.10Г

0,015 606,28 18,73 4,70-105 8,80-10У

Сода 1,0 45,5 18,68 17,02 1,25>103' Й1.85-104

пищевая 0,1 139,24 18,78 1,51 -Ю* 2,84-10

зультатов-измерений тангенса угла общих потерь,осуществленных известными методами путем измерения емкости и сопротивления кон-дуктометрической ячейки с помощью кондукто- и диэлектромеров.Очевидно, что измеренные с помощью етих приборов известными методами сопротивление и емкость кондуктометрической ячейки не будут соответствовать их истинным значениям,так как согласно уравнению (II) активное и реактивное сопротивление будут отличаться от истинного значения на величину свободного члена уравнения .На наш взгляд,величина произведения сопротивления на емкость и угловую частоту в етом случае может быть условно названа углом общих потерь кондуктометрической ячейки с веществом,который характеризует электрические процессы не только собственно в веществе,но и включает в себя результат проявления процессов поглощения анергии вследствие поляризационных процессов .протекающих на поверхности алектрода с веществом,а также включает потери анергии в выводах, в окружающую среду и т.д.В связи с тем,что абсолютное значение тангенса угла общих потерь не зависит от схемы замещения вещества,рассчитанное значение тангенса угла общих потерь по данным фа-зометрических исследований может быть использовано в качестве второй электрофизической характеристики вещества,определенной в едином измерительном процессе одним и тем же фазометрическим анализатором.

Используя выражение для комплексной диэлектрической проницаемости, с помощью которой,согласно Дебаю,возможно описать процессы,происходящие в веществе в переменных электрических полях, показано,что по результатам фазометрических исследований возможно рассчитать к другкз олектрофизические характеристики вещества, представленные диэлектрической проницаемость» и диэлекгрсчее-

кими потерями.Практическая реализация возможностей фазометрического метода по комплексному определению всех электрофизических характеристик .представлена результатами исследований некоторых веществ,имеющих большое применение в перерабатывающих отраслях АПК в таблице 5.

Итоговым результатом исследований фазометрического метода анализа стала разработка и изготовление фазового анализатора,который в дальнейшем прошел опытно-промышленную эксплуатацию в производственных условиях мясокомбината для контроля биосырья в поточной технологической линии завода по производству колбас.

С учетом производственных факторов изготовления колбас,предварительно перед установкой анализатора в технологическую линию провели исследование влияния на электрофизические характеристики контролируемого продукта такого важнейшего параметра технологического процесса,как давление и наличие в мясном фарше поваренной соли и нитратов.Для експериментальных исследований использовали свежеприготовленный мясной фарш из охлажденной говядины.Из мясного фарша готовили пробы собственно мясного фарша;пробы мясного фарша с нитратами,а также пробы мясного фарша с поваренной солью. Установлено.что первоначальное увеличение давления от атмосферного до 0,2 МПа приводит к некоторым изменениям электрических характеристик мостовой измерительной схемы,из которых наибольшие изменения приходятся на фазовый сдвиг.Как показал анализ расчетных данных электрических характеристик кондуктометрической ячейки с продуктом,эти изменения связаны в основном с реактивной составляющей,уменьшение которой с ростом давления выражены наиболее резко.Добавление к ¡ясному фаршу поваренной соли приводит к значительным изменениям обоих электрических составляющих комплек-

сного сопротивления кондуктометрической ячейки с продуктом.Аналогичный характер изменения электрических характеристик наблюдается и для мясного фарша с нитратами .Анализ расчетных данных показал,что зависимость активного сопротивления продукта от давления соответствует аналогичной зависимости из литературных источников,что свидетельствует о достоверности результатов исследования фазометрическим методом анализа веществ.Различие в количественных значениях составляющих комплексного сопротивления кондук-тометрической ячейки с продуктом,установленное в результате исследований дает положительный ответ на вопрос о возможности контроля концентрации в мясном фарше как нитратов,так и поваренной соли.Явная зависимость электрических характеристик кондуктометри--ческой ячейки с продуктом от давления говорит о том,что неучет этого фактора при практическом использовании электрических анализаторов для контроля количественных, характеристик продуктов в технологических процессах приведет к недостоверным результатам.

Глава VI. Разработка нового электрофизического метода переработки мясных и молочных продууктов на основе исследования дисперсных,физических и микробиологических характеристик продукта.

Глава VI посвящена исследованию возможности использования энергии электростатического поля в таком энергоемком технологическом процессе,как конвективная сушка жидкообразных мясных и молочных продуктов во взвешенном состоянии в распылительных сушильных установках.

В результате теоретического обоснования електростатичес-

:ого метода распыления жидко образных мясных и молочных продуктов, гстановлено,что используя энергию высоковольтного электростатиче-жого поля возможно обеспечить высокие технологические параметры гроцесса^ сушки.Показано,что регулируя величину потенциала высоко-зольтного электрода электростатического распылителя,можно обеспе-гать требуемую степень дисперсности факела распыла при высокой эднородности распыленных частиц по их размерам.Полученные выражения для поверхностного натяжения и радиуса распыленных в электростатическом поле капель.имеющие соответственно вид

б: -т {г/ф ч (и)/(& % ;

2 - г„ {¿-гМУгФ'фУ^-Е1}

(16) (17)

где соответственно поверхностное натяжение и радиус ка-

пель в отсутствие электрического поля;

3 - диэлектрическая проницаемость продукта;

- напряженность электрочтатического поля; £ - диэлектрическая постоянная, позволяют рассчитать важнейшие параметры процесса дробления в зависимости от электрофизических свойств продукта и электрических характеристик электростатического шля .Выражение (16 ) указывает на изменение под воздействием высоковольтного электростатического поля такой важнейшей физической характеристики вещества,как поверхностное натяжение.Можно предположить,что под влиянием электрического поля будут наблюдаться изменения и других физических и химических свойств,отличающихся от свойств жидкости,из которой эти частицы образовались.

В связи с вышеизложенным при разработке нового электрофизического метода распиливания была поставлена также задача опреде-

ления результатов воздействия сильных статических электрических полей с целью оценки пищевой ценности продукта.Для решения задачи была разработана измерительная установка,на основе сталагмометра и высоковольтного блока питания,разработаны методики анализа,позволяющие определять функциональные Зависимости физических,микробиологических и дисперсных характеристик модельных жидкостей и некоторых пищевых продуктов в сильных электрических полях.

Таблица 6

Результаты определения поверхностного натякония молока и молочных продуктов в высоковольтном электрическом поле

Продукт Напряжение , МассаЮО Поверхностное

у.KB капель продукта, /71.10 ,кг катягкяие продукта БДОн/м

I- 2 3 4

Молоко 0 0,918 44,6

3,5% 1 0,875 42,4

жирности 2 0,851 41,2

3 0,794 38,6

4 0,735 34,3

5 0,600 29,2

Сливки 0 1,239 60,2

1 1,088 52,9

2 1,002 48,7

3 0,840 40,8

4 0,558 27,1

Продолжение таблицы 6

1_____ ________ ________ 2. 3 ______ 4

Пахта 0 1,060 51,5

1 1,033 50,8

2 0,947 46,1

3 0,786 38,2

4 0,631 30,7

Обрат 0 1^162 56,5

1 . 1,148 55,8

а 1,102 53,6

3 1,052 51,2

4 0,050 46,8

Обезжиренное сгущенное 0 1,343 65,5

молоко 1 1,271 61,56

2 1,245 60,3

3 1,227 59,4

4 1,131 54,8

Анализ результатов экспериментальных исследований в присутствии электрического поля показал,что подключение модернизированного сталагмометра к высоковольтному блоку питания оказывает

существенное влияние на все измеряемые параметры ¡уменьшаются вес, диаметр и поверхностное натяжение как модельных веществ(вода и растворов поваренной соли),так и пищевых продуктов¡пахты,обрата, сливок,а также молока различной степени жирности.Как следует из анализа полученных данных,закономерности изменения анализируемых характеристик для гомогенных растворов воды и поваренной соли,в основном,сохраняются и для дисперсных веществ,к которым относятся исследуемые продукты (табл.6).

С помощью этой же измерительной установки .определяли также результаты воздействия высоковольтного електрического поля на физико-химические и микробиологические показатели молока и дисперсные характеристики жировых шариков.Как свидетельствуют экспериментальные данные (табл.7),по мере повышения напряжения получен достаточно высокий бактерицидный еффект.При повышении напряжения от нуля до 5 кВ общее количество микроорганизмов снижается на 50%.Одновременно уничтожается наиболее термоустойчивый фермент

Таблица 7

Результаты експериментальных исследований физико-химических и микробиологических характеристик молока в за-

висимости от напряжения електрообработки (17=0,25 л/ч )

Напря Кислотнос Плотно- Массовая Массовая Реакция Общее количест

жение; ть, сть, доля жи- доля бел на перок во микроорга-

кВ Oip кг/м ра, % ка,. % сидазу,+ низмов В 1 мл

- молока

N'10"3 %

0 18,0 1027,0 3,5 4,00 + 720 100', 0

5 19,0 1027,0 3,5 4,02 + 400 55,5

10 19,0 1026,0 3,5 3,35 - 320 44,4

15 19,0 1026,0 3,5 3,80 - 280 38,8

20 19,0 1036,0 3,5 3,45 - 375 38,3

пероксидаза (аэробные дегидразы).Это также является положительным явлением,так как известно,что в таком случае разрушены и патогенные бактерии,вызывающие микробиологическую порчу молока.Физическое состояние жировых шариков определяли визуально,под микроскопом.Как показал анализ результатов экспериментов,по мере увеличе-

йя напряжения высоковольтного блока питания,наблюдается явное Зюпергирование молочного аира молока.В микроструктуре молока, годвергнутого воздействию высоковольтного электростатического по-[я,начиная о напряжения 10 кВ,преобладали жировые шарики со сред-сил размером в 1-2 мкм.т.е. при воздействии электрического поля гроисходит дробление жировых шариков молока.При атом не наблюдается сколько-нибудь значительных изменений в химическом составе мо-гока.Сравнение эффективности действия высоковольтного электроста-•ичсского• !гг.ч, с известшллт методами' гомогениззцкк молока,показа-ю,что напряжение от 5 до 10 кВ производит дробление жировых тазиков,которое равноценно действию давления от 3,7 до 7,3 МПа.в [5 кВ-11 МПа, 20 кВ-18,3-22,0 МПа.

Таким образом,оценивая в целом результаты экспериментальных »следований,можно сделать вывод о том,что использование высоковольтного поля для диспергирования молока и молочных продуктов не только не ухудшает их пищевую ценность,но наоборот.оказывает положительное воздействие на дисперсные характеристики жировых шариков и улучшает микробиологические характеристики молока.

Для экспериментального исследования собственно процесса распыления в высоковольтном электростатическом поле разработан макет распылительного узла,с помощью которого прослеживалась зависимости- качества распыления от следующих факторов:

- диаметра отверстия штуцера распылительного блока;

- напора жидкости;

- напряжения,подаваемого на высоковольтный электрод;

- формы и размеров электрода.формирующего электрическое поле распылителя.

В качестве основных характеристик процесса распиливания ана-

лизировались размеры частиц распыливаемой жидкости,угол раскрытия факела распыла и затрачиваемая на процесс распиливания анергия. Определение дисперсности и угла раскрытия производилось методом фотографирования с расстояния 1,2-1,5 м с подсвечиванием белым светом от кварцевой лампы накаливания в 500 Вт.Результаты экспериментальных исследований представлены на рис.5 и рис.6.

Исследования,выполненные на макете,позволяют сделать следующие Выводы:средний диаметр капли уменьшается с увеличением напряжения на высоковольтном электроде нелинейно и имеет тенденцию стремиться к некоторому минимальному значению,которое по порядку величины в 6-13 раз меньше диаметра отверстия штуцера .'разброс диаметров капель в распыленной струе относительно невелик:минималь-ный и максимальный диаметры капель отличаются от среднего в 1,5-2 раза:электрическая мощность,рассеиваемая на распылительном узле во всем диапазоне напряжений ничтокно мала (около 10 Вт) и соответствует расчетной оценки мощности,затрачиваемой кз процесс рю-пыливания.

Таким образом,в результате экспериментальных исследований установлена высокая эффективность процесса дробления кидкообразных пищевых продуктов с помощью высоковольтного электрического польза счет уменьшения энергетических затрат и улучшении качества процесса распиливания.

. Основные результаты работы и выводы

1.В выполненной работе изложены научно-обоснованные технические решения перспективного направления совершенствования известных и разработки новых технологических процессов с использованием электрических методов переработки,а также электрических експресс-

ъ- 1С 12. ч.цв

Рис. 5' . Злвискцость д*а*етра распыленных частиц от напря-

Зения питания э л зктро распылительного узла. -о,7»ю м;(?.1,ев-10^'1сг/о;Е-с1-о.е5.1(Г- и, 1?. о. з-с/'О.гб^б1 У.Ф-ОДБ.Ц?* кг/'с.

1,5

1.0

0.5

4

3

к 2

I —__.

: Г 1 1 ■

1Э-10* кг/с;

Рис. 6. Зависимость угла раскрытия факела распьтл* от расхода распыливаеиои ».едкости: I - и »1,0 кВ ; 2 - С/ « 2,0'кВ ; 3 - II = 4,0 нВ; 4 - и =5 кЗ; 5 -и =■ Ю кВ.

методов и средств оперативного контроля электрофизических характеристик и функционально о ними связанных показателей качества готовой продукции и биосырья в потоке.

8.Разработаны теоретические основы дифференциальных к интегральных электрических методов анализа,позволяющие осуществить автоматический контроль дисперсных и электрофизических характеристик пищевых продуктов.

3.Разработаны методики определения удельного электросопротивления дисперсных пищевых продуктов графо-аналитическкм методом и комплекса электрофизических характеристик фазом-зтркческим мзтодом.

4.Разработан фазометрический анализатор определения комплекса электрофизических характеристик биосырья и готовой продукции.

5 .Показана применимость разработанных электрически?, методов для количественной, оценки приелектродных процессов процессов поляризации веществ.

6.Разработан метод инженерного расчета дколсктрсмгтричесгсй ячейки дифференциального анализатора дисперсности част:тц птг/зе"?: продуктов.

?.Разработана методика и установка для определения одной из важнейших физических характеристик пищевых продуктов-поверхност-ного натяжения в высоковольтном электростатическом гголе.

8.Определен комплекс электрофизических свойств веществ,а также физических харатеристик пищевых продуктов в высоковольтном электрическом поле.

9.Изучен электрофизический метод обработки пищевых продуктов с помощью высоковольтного электростатического поля и на этой основе определены геометрические и электрические параметры высоковольтного электрораспылительного узла.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих

работах:

Отдельные издания "

1. Горбатов A.B., Косой В.Д., Свинцов В.Я. Методы и приборы

. для гранулометрического анализа дисперсных систем в мясной промышленности. Обзорная информация.-М.: ЦНИИТЭДмясомол-пром,- 1984.-36 с.

2. Горбатов A.B., .Косой В.Д., Свинцов В.Я., Зимин А.Ф., Виноградов Я.И. Методы и приборы для оценки некоторых технологических параметров мяса и мясопродуктов. Обзорная информация.-М.: ЦНИИТЗДмясомолпром.- 1983.-56 с.

3. Рогов И.А. .Горбатов A.B. .Свинцов В.Я. Дисперсные системы мясных и молочных продуктов.-М.: Агропромиздат,1990.-320 с.

Статьи в журналах и сборниках, тезисы докладов и выступления на конференциях, конгрессах

4. Горбатов A.B., Свинцов В.Я., Аксельрод И.Л. Расчет параметров устройства для гранулометрического анализа пищевых продуктов // Мясная индустрия СССР.- 1978.-*?.-с.29-31.

5. Свинцов В.Я. .Аксельрод И.Л., Порозов В.А. Устройство для определения ¿исперсного состава пищевых продуктов // мясная индустрия СССР.- 1978.-№4.- с.32-34.

6. Свинцов В.Я., Порозов В. А. Исследование устройства для определения дисперсного состава пищевых продуктов // Мясная индустрия СССР.- 1978.-»5 - с.38-39.

7. Порозов В.А., Свинцов В.Я., Мурашов И.Д. Исследование фазовых соотношении микрообъектов // 1У Всесоюзная научно-техническая конференция Эксплуатационные свойства авиационных топлив, смазочных материалов и специальных жидкостей":Тезись докладов.-Киев.-1977,- с.35.

8. Свинцов В.Я., Порозов В.А., Мурашов И.Д. Методы анализа параметров иикрообъектов с использованием переменного электромагнитного поля // Всесоюзная научно-техническая конференция "Электрофизические методы обработки пищевых продуктов": Тезисы докладов.-Воронеж.- 1977.- с.56.

9. Порозов В.А., Свинцов В.Я., Мурашов И.Д. Исследование электромагнитных датчиков с высоколокальным полем // 1У Всесоюзная конференция "Эксплуатационные свойства авиационных топлив, смазочных материалов и специальных жидкостен": Тезисы докладов,- Киев,- 1977.- с.61.

10. Порозов В.А., Свинцов В.Я., Цурашов И.Д., Статных С.А. Методы обнаружения, опознавания к удаления посторонних включении в мясном фарше. Сб. научных трудов 1ПИММП.- I977.-c.I3.

11. Свинцов В.Я., Костенхо Ю.Г., Мурашов И.Д., Рогов И.А.«Статных С.А. Исследование электромагнитных методов диагностики пат алогических изменении в печени животных при послеубок-

нои ветсанэкспертизе// Материмы ХХШ Европейского конгресса научных работников мясной промышленности.-Москва.-1977.

12. Свинцов В.Я., Верещагин А.Н. К вопросу о перспективах развития электрометрических методов контроля посторонних включении в мясо-молочных продуктах// Рабочим материал секции

" Интенсификация и автоматизация технологических процессов/ Тезисы докладов по рассмотрению работ , проводимых в вузах в области интенсификации технологических процессов, создали безотходной технологии и внедрении законченных разработок в пищевых отраслях промышленности. Научный совет по проблеме " Производство пищевых продуктов и реализация питания населения СССР", ГКНТ СССР/ 27-29 июня 1983 г.Семипалатинск -М.- 1983.

13. Свинцов В.Я., Гавриленко А.Г., Гавриленко И.В. Методы иссле дования реологических и электрофизических характеристик пищевых продуктов // Всесоюзная научно-техническая конференция" Теоретические и практические аспекты применения методов инженерном физико-химическои механики с целью совершенствования и интенсификации технологических процессов пищевых производств": Тезисы докладов.- М.- 1982.- с.-67.

14. Свинцов В.Я., Верещагин А.Н., Гавриленко А.Г. Электрометрический метод контроля однородности высококонцентрированных дисперсных систем// Всесоюзная научно-техническая конференция "Теоретические и практические аспекты применения инженерной физико-химическои механики с целью совершенствования и интенсификации технологических процессов пищевых производств": Тезисы докладов.-M.-I982.-с.96.

15. Снинцов В.Я., Смирнов М.Б. Модернизация линии производства колбасных изделии// Всесоюзная научно-техническая 'конференция "Разработка процессов получения комбинированных продуктов питания 1 технология, аппаратурное оформление, оптимизация)": Тезисы докладов.-М,- 1984.

16. Рогов И.А.«Свинцов В.Я., Статных С. А. Фазовых метод обнаружения посторонних включении в фарше// Мясная индустрия СССР .- 1986.-№6.-с. 36-37.

17. Свинцов В.Я., Бегалин K.M. Проблема разработки новых методов обработки пищевых продуктов// Всесоюзная научная конференция " Г^гти развития науки и техники в мясной и молоч-нои^п^омышленности": Тезисы докладов, ч.П.-М,- 1988,18. Свинцов В.Я. Разработка и практическое опробирование методики определения поверхностного натяжения молока и молочных продуктов в высоковольтном электрическом поле//У1 Всесоюзная научно-техническая конференция "Электрофизические методы обработки пищевых продуктов и сельскохозяйственного сырья": Тезисы докладов.-Ы,- 1989.-е.41.

19. Свимцов В.Я., Иванов Б.Н. Модернизация измерительной схемы двухканального анализатора концентрации мясных и молочных продуктов// У1 Всесоюзная научно-техническая конференция "Электрофизические методы обработки пищевых продуктов и сельскохозяйственного сырья": Тезисы докладов ,-а.-190Э.-с.60.

20. Свинцов В.Я., Иванов Б.Н. Разработка и исследование нового экспресс-метода анализа концентрации компонентов мясных

и молочных продуктов// ХХХУ1 Международный конгресс по проблемам науки и технологии мясной промышленности: Доклады.- Куба.-1990.-с.Ю15.

21. Свимцов В.Я..Карчевскии Е.В. Влияяке электрической обработки на реологические свойства молока и молочных продуктов//

Ш Всесоюзная научно-техническая конференция "Теоретические и практические аспекты применения методов инженерной физико-химической механики с целью совершенствования и интенсификации технологических процессов пищевых производств": Тезисы докладов.-M.-I990.-с.373.

. Свинцов В.Я., Гаврилова Н.Б., Бегалин K.M. Изучение влияния электрического поля на физико-химические свойства молока// Всесоюзная научная конференция "Проблемы влияния тепловой обработки на пищевую ценность продуктов питания": Тезисы докладов,- Харьков,- 1990.-е. 432-434.

. Свинцов В.Я. Разработка и исследование электрического распиливающего устройства распылительной сушильной установки// Всесоюзная научно-техническая конференция "Холод-народному хозяйству": Тезисы докладов.» Ленинград.-1991.

Свинцов В.Я., Бегалин K.M. Разработка методики анализа дисперсных характеристик пищевого продукта, распиливаемого в сильных электрических полях// Всесоюзная научная конференция "Проблемы влияния тепловой обработки на пищевую ценность продуктов питания": Тезисы докладов.-Харьков.-1990.-

Свинцов В.Я. Теоретические и практические аспекты фазовых экспресс-методов контроля качества мясных продуктов// ХХХУШ Международный конгресс по проблемам науки и технологии мясной промышленности: Доклады.-Франция.-1992.

>. Свинцов В.Я. Новые электрические методы обработки пищевых продуктов// ХХХУШ Международный конгресс по проблемам науки и технологии мясной промышленности: Доклады.- Франция,-1991.

Авторские свидетельства

A.c. 757932. Устройство для гранулометрического анализа микрочастиц/ Свинцов В.Я. Бел.№31, 1980.

1. A.c. 685973.Устройство для определения электрофизических свойств порошкообразных мясных и молочных продуктов/ Свинцов В.Я., Горбатов A.B., Косой В.Д. Бюл. №34 , 1979.

A.c. 642642. Устройство для непрерывного измерения концентрации твердых частиц / Свинцов В.Я., Порозов В.А., Андреев С.Н. Бюл. №2, 1979.

I. A.c. 746268. Устройство для непрерывного анализа суспензий/ Порозов В. А.. Свинцов В.Я., Андреев С.Н., Мурашов И.Д. Бюл. №25, 1980.

A.c. 817535. Устройство для гранулометрического анализа микрочастиц/ Свинцов В.Я., Верещагин А.Н., Аксельрод И.Л. Бюл, №12, 1981.

!. A.c. 879430. Устройство для гранулометрического анализа микрочастиц / Свинцов В.Я., Верещагин А.Н., Аксельрод И.Л. Бол. №41, 1981.

!. A.c. 1485068. Способ дисперсного анализа микрочастиц/ Свинцов В.Я., Браташ И.В. Бел. №21, 1989.

I. A.c. 1699822. Устройство для определения концентрации веществ/ Свинцов В.Я., Иванов Б.Н. Бюл. № 24, 1991.

35. A.c. II6796б. Устройство для обнаружения посторонних включений / Свинцов В.Я., Верещагин A.B., Неешхлебов А.И. Бюл. »6, 19®.

36. A.c. 1659822. Устройство для определения концентрации веществ / Свинцов В.Я., Иванов Б.Н. Бюл. № 24, 1991.

37. A.c. I7I8090. Способ определения концентрации веществ в смеси / Свинцов В.Я., Иванов Б.Н. Бюл. № 9 , 1992.

Заказ й IB7 Формат 60x90/16 - 3,0 п.л. Тираж 100 экз.

Предприятие "Полиграфсервис" I093I6, г.Москва, ул.Талалихина, 26