автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.14, диссертация на тему:Разработка технологии и устройств повышения точности и надежности определения концентрации растворов с использованием волоконно-оптических систем

На правах рукописи

Заренбин Алексей Владимирович

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ И УСТРОЙСТВ ПОВЫШЕНИЯ ТОЧНОСТИ И НАДЕЖНОСТИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ РАСТВОРОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ

СИСТЕМ

Специальность 05.11.14 -Технология приборостроения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2013

1 О ОКТ 2013

005534865

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московском государственном университете приборостроения и информатики» (МГУПИ)

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Инновационные технологии в приборостроении, микро- и оптоэлектронике» МГУПИ Кондратенко Владимир Степанович

доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Технологии приборостроения» МГТУ им. Н.Э Баумана Сагателян Гайк Рафаэлович

доктор физико-математических наук, профессор, заведующий Проблемной лабораторией молекулярной акустики МГУПИ

Пасечник Сергей Вениаминович ОАО «Московский завод «Сапфир»

Защита состоится «29» октября 2013 г. в 12 часов на заседании диссертационного совета Д 212.119.01 при Московском государственном университете приборостроения и информатики по адресу: 107076, г. Москва, ул. Стромынка, 20.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке МГУПИ. Автореферат размещен на сайте: http://www.mgupi.ru

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учредителя, просьба направлять по указанному адресу.

Автореферат разослан «26» сентября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор

В. В. Филинов

Общая характеристика работы

1.1 Актуальность.

Быстрое развитие промышленных технологий в сельскохозяйственной и пищевой промышленности, стремление к улучшению качества продукции и ее потребительских свойств, эффективному производственному процессу, соответствию выпускаемой продукции установленным нормам, соблюдению санитарно-гигиенических требований делает чрезвычайно актуальным разработку и создание методов и средств измерения, позволяющих проводить анализ на современном уровне.

Особое место занимают методы рефрактометрии, основанные на изучении рефракции (преломлении) света при переходе его через границу раздела двух сред. Количественным показателем, характеризующим преломление света, является показатель преломления (п). Показатель преломления принадлежит к числу немногих величин, которые можно измерить с очень высокой точностью и небольшой затратой времени, с использованием простых и дешевых средств измерения, как в лабораторных, так и производственных процессах, располагая лишь малым количеством вещества.

1.2 Состояние проблемы.

Хотя рефрактометрия давно известный и широко используемый метод для измерения показателя преломления разных жидкостей и растворов, актуальной проблемой является создание новых типов рефрактометрических методов и средств измерения для повышения точности и надежности определения показателя преломления, позволяющих проводить мониторинг на современном уровне. А именно, проводить измерения концентраций растворов с высокой точностью, удаленно, сразу в нескольких точках, с осуществлением непрерывного контроля и автоматического управления технологическим процессом.

Наиболее подходящей и практически применимой для решения этих задач является волоконно - оптическая система, основанная на явлении распространения света в волоконных световодах.

Таким образом, разработка технологии и устройств повышения точности и надежности определения концентрации растворов с использованием волоконно-оптических систем является актуальной темой для исследования.

1.3 Цель работы и задачи исследования.

Цель данной работы - разработка технологии и исследование нового метода и средств повышения точности и надежности определения концентрации растворов с использованием волоконно-оптической системы, обеспечивающей контроль параметров жидких технологических сред с высокой точностью в режиме реального времени.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

• Провести обзор современных оптических методов и средств физико-химического анализа концентрации растворов и сырья в пищевой промышленности и предложить новый метод с улучшенными метрологическими и техническими характеристиками.

• Исследовать отражение света при нормальном падении излучения на границу двух сред щуп — зонд и внешняя среда.

• Разработать алгоритм расчета показателя преломления растворов для измерений с помощью волоконно-оптической системы.

• Исследовать влияние параметров системы и измеряемой среды на точность измерения показателя преломления.

• Разработать конструкцию и технологию изготовления волоконно -оптической системы в составе волоконно — оптического щупа - зонда и регистрирующего блока.

• Составить статистическую модель обработки результатов экспериментов и провести анализ выполненных измерений для оценки основных характеристик системы.

• Разработать экспресс-метод определения концентрации растворов моно- и дисахаридов на основе волоконно-оптической системы при различных технологических операциях в пищевой промышленности.

1.4 Методы исследования.

При выполнении работы применялись как теоретические, так и экспериментальные методы исследования, которые способствовали решению поставленных задач. Теоретические исследования проводились путем построения модели, основанной на формулах Френеля при нормальном падении света на границу раздела двух сред, а также путем построения статистической модели обработки результатов экспериментов. Экспериментальные исследования проводились с использованием рефрактометров ИРФ-454Б, УРЛ-1, ATR-C (Германия) и с использованием волоконно-оптической системы FOR-411-VIS/2.1 объемным и весовым методами. На протяжении всей работы выполнялось сопоставление теоретических и экспериментальных результатов.

1.5 Научная новизна работы заключается в следующем:

• Разработан новый метод определения показателя преломления и связанной с ним концентрации вещества в растворе, основанный на измерении интенсивности оптического излучения, отраженного по нормали от границы раздела «щуп-зонд/раствор» и, позволяющий осуществлять контроль параметров жидких технологических сред, в режиме реального времени, с высокой точностью и надежностью, для целей сокращения потерь и повышения выхода целевых продуктов, снижения расхода материалов и достижения значительного экономического эффекта.

• Исследовано отражение света при нормальном падении излучения на границу раздела двух сред, позволяющее установить зависимость коэффициента отражения света от показателя преломления среды и показателя преломления щупа-зонда с его увеличением при формировании повышенного показателя преломления щупа - зонда.

• Разработан алгоритм расчета показателя преломления растворов с помощью волоконно-оптической системы, учитывающий оптические параметры внешней среды и особенности оцифровки оптического сигнала, конструкции системы,

характеристик фотоприемников и источников излучения, оптической и электронной схем. На основе алгоритма составлена программа, позволяющая определять показатель преломления и связанную с ним концентрацию вещества в растворе.

• Разработан экспресс-метод определения концентрации растворов моно- и дисахаридов на основе волоконно-оптической системы при различных технологических операциях в пищевой промышленности, заключающийся в экспресс оценке свойств технологической среды и измерении концентрации растворов до 85% (Вх).

1.6 Практическая ценность работы состоит в том, что:

• Разработана конструкция волоконно — оптической системы в составе волоконно - оптического щупа - зонда и регистрирующего модуля для определения концентрации растворов, позволяющая повысить точность и стабильность измерений, а также в любой момент времени видеть изменение в измеряемой среде.

• Разработана конструкция системы с датчиком температуры для осуществления ее термокомпенсации, позволяющая проводить измерение показателя преломления растворов при превышении температуры раствора выше 55°С.

• Определены технологические характеристики щупа - зонда, выбрана оптимальная конструкция и рассчитаны его оптимальные геометрические параметры, которые позволяют обеспечить определение показателя преломления измеряемой среды до 2,1768.

• Показана возможность практической и технологической реализации волоконно-оптической системы на разных длинах волн для повышения информативности результатов и снижения погрешности измерений и долговременной стабильности выходного сигнала до 10"4.

• Составлена статистическая модель обработки результатов экспериментов позволяющая проводить анализ выполненных измерений для оценки основных характеристик системы.

• Экспериментально показана возможность применения волоконно — оптической системы для измерения концентрации сухих веществ сахарных растворов с точностью ±0,1%(Вх).

1.7 Реализация и использование результатов работы. Разработанная волоконно — оптическая система для мониторига

параметров технологических сред нашла практическое применение в закрытом акционерном обществе «ШАГ».

Экспресс-метод определения концентрации растворов моно- и дисахаридов на основе волоконно-оптической системы при различных технологических операциях в пищевой промышленности нашел практическое применение и внедрен в Государственном научном учреждении Всероссийском научно-исследовательском институте крахмалопродуктов Россельхозакадемии и Государственном научном учреждении Научно-исследовательском институте кондитерской промышленности Россельхозакадемии.

1.8 Апробация работы.

Основные результаты работы обсуждались на семинарах и научных конференциях ГНУ ВНИИ крахмалопродуктов РАСН, секции РАСХН, Московского государственного университета приборостроения и информатики.

Результаты диссертационной работы демонстрировались на IX Международной выставке «Мир биотехнологии 2011», на XII Международном форуме «Высокие технологии XXI века», на XIV Московском международном салоне «Архимед 2011», на 21-й международной выставке «Здравоохранение-2011», на VII международной специализированной выставке «ФОТОНИКА. МИР ЛАЗЕРОВ И ОПТИКИ-2012» и XI международной специализированной выставке «МИР БИОТЕХНОЛОГИИ 2013».

1.9 Публикации.

По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ, из них 4 в опубликованных тезисах и докладах всероссийских и международных конференций и 1 в журнале из перечня ВАК ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук.

Получен один патент на изобретение, два патента на полезную модель, одно решение о выдаче патента на изобретение и одно решение о выдаче патента на полезную модель.

1.10 Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы и приложений. Она содержит 166 страниц текста, включая 48 рисунков, 32 таблицы и список цитируемой литературы из 79 наименований.

1.11 Основные положения, выносимые на защиту.

1. Конструкция волоконно — оптической системы в составе волоконно — оптического щупа - зонда и регистрирующего модуля для оценки качества пищевых продуктов.

2. Результаты исследований процесса отражения света на границе двух сред при формировании повышенного показателя преломления щупа - зонда и расширении многомодового светового пучка.

3. Результаты исследования влияния параметров внешней среды на точность и стабильность измерения показателя преломления раствора.

4. Метод определения показателя преломления и связанной с ним концентрации вещества в растворе, основанный на измерении интенсивности оптического излучения, отраженного по нормали от границы раздела «щуп-зонд/раствор».

5. Методика измерений и комплекс исследований по использованию волоконно — оптической системы для измерения показателя преломления и определения концентрации растворов моно- и дисахаридов.

2. Содержание диссертации

Во введении сформулирована цель, указаны научная новизна и практическая ценность выбранной темы исследований по разработке технологии и устройств повышения точности и надежности определения концентрации растворов с использованием волоконно-оптических систем.

Приведены основные научные и практические положения, выносимые на защиту.

В первой главе проанализированы современные оптические методы и средства физико-химического анализа концентрации растворимых компонентов сырья в пищевой промышленности, проведен обзор рефрактометрических методов и выполнена их сравнительная оценка.

Определено, что важной прикладной задачей, решаемой с помощью волоконно - оптической системы, является контроль в режиме реального времени, с высокой точностью и надежностью параметров жидких технологических сред для целей сокращения потерь и повышения выхода целевых продуктов, снижения расхода материалов и достижения значительного экономического эффекта.

Вторая глава посвящена разработке технического задания на волоконно-оптическую систему, исследованию метода определения концентрации растворов и исследованию факторов влияющих на характеристики и точность системы.

Система должна обладать целевыми характеристиками, приведенными в таблице 1.

Таблица 1. Целевые характеристики волоконно-оптической системы.

Характеристика Значение

Нижний предел измерений показателя преломления 1,3330

Верхний предел измерений показателей преломления не менее 1,7

Точность измерений по шкале показателя преломления не хуже ±5-10"4

Точность измерений по шкале массовой доли сухих веществ в растворе, %(Вх) не хуже ±0,1

Для увеличения точности и надежности измерений система должна

обеспечивать:

)-" Погрешности результатов измерений на уровне не хуже существующих рефрактометрических методов определения показателя

преломления;

> Сходимость, воспроизводимость и надежность измерений (после исключения результатов, которые содержат промахи);

г> Правильность измерений;

> Достоверность измерений, с принятой доверительной вероятностью не хуже 0,99;

> Сходимость измерений, которая не должна превышать более чем в 5% случаев значений показателей сходимости;

> Долговременную стабильность измерений;

> Экспрессность измерений для осуществления определения концентрации растворов моно- и дисахаридов экспресс-методом;

> Соответствие требованиям действующих ГОСТов для пищевой промышленности.

Для проведения анализа растворов на современном уровне система должна обладать следующими функциональными возможностями (опционально):

> Проводить измерение в режиме реального времени;

> Работать в составе автоматизированных технологических систем;

> Проводить одноканальное и многоканальное измерение;

> Проводить удаленное измерение и работать в полевых условиях.

Для достижения поставленной цели представлена волоконно —

оптическая система, принцип действия которой основан на измерении показателя преломления способом, основанным на измерении интенсивности входного и отраженного от границы раздела «щуп-зонд / раствор» оптического сигнала. По оценке отношения интенсивностей сигналов определяется показатель преломления исследуемой среды.

Принципиальная схема волоконно-оптической системы представлена на рисунке 1.

Щупы-зонды (6)

Рисунок 1. Принципиальная схема волоконно-оптической системы.

Конструктивно волоконно-оптическая система состоит из одного или нескольких щупов-зондов (ЩЗ) и регистрирующего блока (РБ).

Регистрирующий блок связан со щупами-зондами 6 посредством волоконно-оптических линий 8, что позволяет получать информацию о состоянии в той или иной точке измерения раствора в режиме реального времени. Это позволяет подключать к регистрирующему блоку различного рода исполнительные устройства сигнализации и оповещения, а также создавать автоматизированную систему управления с обратной связью.

Для реализации многоканальности и проведения измерений одновременно в нескольких точках рассмотрены принципы действия и оптические схемы одноканальной (рисунок 2) и двухканальной (рисунок 3) волоконно-оптических систем.

ФПо

--//Щуп-зонд/

Г1 I СП М-эппа-гпп ^_си Юк*

ЭШ, 1_ЕР Изолятор

ФПи

Рисунок 2. Светораспределительная система одноканального регистрирующего блока.

$ЕП7ШЗ Изолятор

Рисунок 3. Светораспределительная система двухканального регистрирующего блока.

Формулы Френеля определяют отношения амплитуды, фазы и состояния поляризации отражённой и преломленной световых волн, возникающих при прохождении света через неподвижную границу раздела двух прозрачных сред, к соответствующим характеристикам падающей волны.

При нормальном падении света на границу раздела двух сред (при углах падения, отражения и преломления, равных нулю) формулы Френеля для амплитуд отражённой и преломленной волн могут быть приведены к виду: п, - п,

Ч

Щ + 7Т2

т

= ЯЧ-гьу \п1 + п2/

2п3 „ 4 п,п-, ^

^ =-—; —

П1 + П2 (Щ+ЩУ

где: К и Т - энергетические коэффициенты отражения и пропускания; П1 и п2 - показатели преломления 1цупа-зонда и измеряемого раствора; г и I -соответственно амплитудные коэффициенты отражения и пропускания.

В соответствии с формулами (1) коэффициент отражения Я зависит от показателя преломления П1 щупа-зонда, а также от показателя преломления п2

среды, в которую помещен измерительный элемент:

>2

Я

/71, —П2\г

= ГГТ^ • (2)

\п1 + п2/

Из формулы (1) следует, что коэффициенты г* и ^ не зависят от того, с какой стороны границы раздела приходит падающая световая волна, в тоже время из (2) следует, что отражение света Я на границе раздела тем больше, чем

больше абсолютная величина разности п2 - П1

Преобразованием формулы (2) получается показатель преломления исследуемой среды:

С учетом оптических параметров внешней среды, особенности оцифровки оптического сигнала, конструкции системы, характеристик фотоприемников и источников излучения, оптической и электронной схем в работе разработан алгоритм расчета показателя преломления измеряемого раствора и связанной с ним концентрации вещества в растворе, который основан на предложенном методе измерения интенсивности оптического излучения, отраженного от границы раздела «щуп-зонд/раствор». На основании алгоритма составлена программа расчета показателя преломления и связанную с ним концентрацию вещества в растворе.

На точность измерения показателя преломления могут оказывать влияние факторы, которые можно разбить на две группы. К первой группе относятся погрешности, возникающие за счет таких плохо контролируемых факторов оптических свойств среды как состояние растворов и поверхности среды, наличие опалесценции, нестабильность температуры и т.д. Вторая группа погрешностей непосредственно связана с конструкцией системы и проявляется в погрешностях определения коэффициентов отражения, углов падения, состояния поляризации излучения.

Влияние каждой из перечисленных погрешностей существенно зависит также от условий эксперимента. Оптимизация условий измерения позволяет значительно увеличить точность определения показателя преломления.

С этой целью была исследована зависимость показателя преломления от плотности и поляризуемости вещества, длины волны света, а также от колебаний температуры и давления.

Исследования, выполненные во второй главе, показали, что достоинством волоконно-оптической системы, основанной на измерении интенсивности оптического излучения, отраженного от границы раздела торец щупа - раствор, является возможность получения опорного пучка света без использования дополнительных конструктивных элементов. При этом отношение измеренного сигнала к опорному сигналу, а также использование малошумящего фотоприемника позволяют проводить высокоточные измерения в течение длительного времени и одновременно в нескольких точках.

Третья глава посвящена исследованию и разработке конструкции и оценке технологических характеристик волоконно — оптической системы.

Для достижения указанных целей в главе разработана и описана конструкция волоконно-оптической системы и определена ее оптоэлектронная схема (рисунок 4).

(3)

Рисунок 4. Оптоэлектронная схема волоконно-оптической системы.

В основе работы систем лежит непрерывное освещение границы раздела двух сред и непрерывный прием опорного и измерительного сигнала с частотой до 100Гц, что позволяет делать необходимое усреднение по времени и тем самым повышать точность и стабильность измерений, а также в любой момент времени видеть изменения в измеряемой среде.

Одним из основных узлов системы является щуп-зонд, в значительной мере определяющий точность измерения и эксплуатационные характеристики.

С целью улучшения эксплуатационных характеристик в работе рассмотрены технологические особенности исполнения щупа-зонда в виде:

- волоконного световода (далее «зонд»), выполненного с прямым сколом, позволяющим обеспечить чувствительность и быстродействие системы, а также уменьшить ее инертность;

- рефрактометрического щупа (далее «щуп»), когда измерительный элемент волоконно-оптической системы позволяет расширить световой поток и тем самым увеличить площадь границы двух сред и уменьшить влияние на погрешность измерения крупных частиц раствора, т.е. увеличить точность измерения.

Для расширения светового потока в настоящей работе было предложено три способа расширения площади границы двух сред:

- модель щупа с плоско-выпуклой линзой и скошенной плоской поверхностью, что позволяет избежать обратного отражения в волоконный световод. Линза рассчитана таким образом, что пучок света, попадает на границу двух сред под прямым углом;

- модель щупа с призмой и скошенными рабочими поверхностями. Углы призмы рассчитаны так, что отражение от первой грани не попадает обратно в волоконный световод, а от второй грани свет отражается под прямым углом к границе раздела щуп/раствор;

- модель щупа с плоско-выпуклой линзой, с просветленной поверхностью для избежания паразитного отражения.

В результате исследований конструкций и технологий изготовления щупов в качестве измерительного элемента для расширения светового потока

была выбрана модель щупа с плоско-выпуклой линзой (рисунок 5), которая концентрично закреплена в корпусе втулки, при этом торец расположен в фокусе плоско-выпуклой линзы. Выпуклая поверхность линзы просветлена для того, чтобы избежать паразитного отражения. Рабочий пучок в таком исполнении = 7,5мм.

1 2

\

и

т

-т--

\

_ГТ

/

/V

—__ /// п > 2 /

Рисунок 5. Схема распространения лучей для модели щупа с плосковыпуклой линзой, выпуклая поверхность которой просветлена, для того чтобы избежать паразитного отражения: 1 - керамическая ферула, 2 - волоконный световод, 3- плоско-выпуклая линза, 4 - корпус щупа.

Вследствие оптического контакта щупа с поверхностью исследуемого раствора оптические элементы щупа должны изготавливаться из высокопреломляющего материала, прозрачного в рабочей области спектра, а также имеющего достаточную твердость и химическую стойкость, которые исключают воздействие на элемент агрессивных жидкостей и взвешенных в них частиц. В качестве материала оптического элемента щупа выбран фианит, что позволяет увеличить показатель преломления щупа до 2,1768 и существенно расширить область его применения.

В главе была определена долговременная стабильности и дана оценка влияния изменения температуры на точность измерения.

Представлено обоснование выбора рабочей длины волны волоконно-оптической системы: 589 нм - официально выбранным диапазоном работы для рефрактометров рекомендованных 1СИМ8А и 1310 нм - распространенным диапазоном длин волн в телекоммуникационных приложениях. Установлено, что показания, полученные на двух разных рабочих длинах волн, очень близки. Расхождение наблюдается только в третьем десятичном знаке.

Показано, что долговременная стабильность нормированного выходного сигнала не более ЮЛ

Дана оценка влияния изменения температуры на точность измерения:

- при комнатной температуре абсолютная основная погрешность измерения показателя преломления ±0,0001.

- в температурном диапазоне от 24 до 55°С абсолютная погрешность измерения показателя преломления с использованием щупа не превышает ±0,0025, а с зондом не превышает ±0,00015.

Оценка влияния изменения температуры на точность измерения волоконно-оптической системы показала, что измерение показателя преломления растворов возможно с точностью до четвертого десятичного знака, при этом при превышении температуры раствора выше 55°С требуется температурная компенсация. Для данного случая описана конструкция волоконно-оптической системы с датчиком температуры.

Четвертая глава посвящена испытаниям волоконно-оптической системы и оценке применения системы для измерения показателя преломления и определения концентрации растворов.

Для получения достоверных результатов в работе были описаны методики калибровки нулевого значения содержания сухих веществ и показателя преломления, а также методика поверки волоконно-оптической системы. Определены составы и методики приготовления растворов для исследований объемным методом и методом взвешивания.

Первая серия экспериментов была выполнена с целью проведения сравнительной оценки между существующими рефрактометрами ИРФ-454Б, УРЛ-1, АТЯ-С и разработанной волоконно-оптической системой РСЖ-411-У18/2.1 по определению показателя преломления и измерению массовой доли сухих веществ сахара в растворе.

По результатам сравнительной оценки был построен график (рисунок 6) определений концентраций растворов рефрактометрами разных марок и волоконно-оптической системой.

Рисунок 6. Сравнительные показания рефрактометров и волоконно-оптической системы.

о

о

10 20 30 40 50 60 70

Концентрация растворов сахарозы, %

Результаты сравнительной оценки между существующими рефрактометрами и разработанной волоконно-оптической системой позволили сделать вывод о возможности определения показателя преломления и измерения массовой доли сухих веществ в растворе с использованием волоконно-оптической системы Р(Ж-411-У18/2.1. Примечательно, что при измерении растворов сахара высоких концентраций (40 - 70%Вх) точность измерения у системы Р(Ж-411-У18/2.1 значительно возрастает.

После проведения оценочных испытаний в последующих сериях экспериментов для исследований характеристик системы использовали растворы сахарозы с концентрациями 1 - 70% и приготовлением контрольного раствора объемным методом и методом взвешивания.

В результате проведенных экспериментов на рисунке 10 показаны две кривые сравнения значений коэффициентов вариации для двух методов приготовления контрольных растворов. Кривая 1 построена по результатам измерений растворов, приготовленных с использованием объемного метода. Кривая 2 получена по результатам измерений растворов, приготовленных методом взвешивания.

16-,

О 10 20 30 40 50 60 70

с, %

Рисунок 7. Значения коэффициентов вариации различной концентрации растворов для двух методов приготовления растворов.

Результаты статистической обработки показывают, что воспроизводимость экспериментов с растворами, приготовленными объемным методом, ниже по сравнению с результатами экспериментов с растворами, приготовленными методом взвешивания.

Источником погрешностей объемного метода могут быть ошибки, связанные с использованием мерных колб, погрешность которых составляет

±0,5 см3 от номинальной вместимости колбы согласно ГОСТ 1770-74. К тому же из практики их применения известно, что они градуированы с большой ошибкой.

Следовательно, растворы, приготовленные методом взвешивания, имеют более точную концентрацию приготовленных растворов.

Обработка результатов измерений растворов, приготовленных методом взвешивания, показала:

1. Средняя абсолютная ошибка показаний Р011-411-У18/2.1 составила ±0,1%(Вх). При этом средняя абсолютная погрешность при измерении растворов высоких концентраций составляет ±0,05%(Вх).

Относительная погрешность измерений 0,6% для концентрации сахарозы 5 - 70%(Вх), показывает, что точность измерения системы одного порядка.

2. Полученные результаты измерений свидетельствуют о хорошей близости экспериментальных данных ожидаемым значениям с доверительной вероятностью 0,95. При этом доверительный интервал полностью покрывает параметр среднеквадратического отклонения для всех концентраций растворов сахарозы с доверительной вероятностью 0,99, что свидетельствует о незначительной систематической ошибке и правильности результатов измерений.

3. Методом вариационного размаха была определена грубая погрешность измерения для исключения определений с большей погрешностью (промахи) из вариационного ряда упорядоченной совокупности измерений.

Значения растворов сахарозы разной концентрации находятся в границах определенной грубой погрешности, и вариационный ряд имеет упорядоченную совокупность измерений.

4. Для концентраций сахарозы 5 - 70%(Вх) абсолютные расхождения между результатами двух параллельных определений не превышают 5% случаев значений показателей сходимости, что свидетельствует о хороших результатах измерений волоконно-оптической системой. Значение показателя сходимости для концентрации раствора 1%(Вх) только в нескольких определениях превысил норматив контроля сходимости результатов параллельных определений не более чем на 0,09%(Вх).

5. Среднее значение коэффициента вариации, т.е. относительное квадратическое отклонение от средней величины, характеризующее однородность совокупности составляет 0,78% для концентрации сахарозы 5 — 70%(Вх), что свидетельствует о незначительном колебании индивидуальных значений.

Таким образом, можно сделать вывод, что совокупность можно считать однородной, а ее среднюю - надежной, что характеризует хорошую воспроизводимость системы.

6. Расхождение между параллельными сериями экспериментов не превышает 0,3%(Вх) содержания сахарозы в растворе. Это соответствует требованию ГОСТ 15113.6-77 «Концентраты пищевые. Методы определения сахарозы» в части требований к измерению сахарозы рефрактометрическим методом.

В результате проведенных экспериментов и испытаний в таблице 1 представлены данные рефрактометров, рассматриваемых в настоящей работе, включая модель разработанной волоконно-оптической системы.

Таблица 1. Технические характеристики измерительных систем.

ИРФ 454Б УРЛ-1 АТ1* Р(Ж-411-У18/2.1

Пределы измерений показателей преломления

1,2-1,7 1,2-1,7 1.332-1.532 1,0003-2,1768

Точность измерений по шкале показателя преломления

±1 10" ±1 10"4 ±1 10" ±1 ю-4

Точность измерений по шкале массовой доли сухих веществ в растворе, %(Вх)

±0,2 ±0,1 ±0,05 ±0,1 (1-40%) ±0,05 (40 - 85%)

Диапазон рабочих температур, °С

+10-+40 +10 + +40 +5-+50 +5 - +55

Многоканальность и удаленность измерений

нет нет нет да

Измерение в реальном времени и способность работы в полевых условиях

нет нет нет да

Заключение содержит основные результаты исследований автора в области разработки технологии и устройств повышения точности и надежности определения концентрации растворов с использованием волоконно-оптических систем, которые можно сформулировать в виде выводов:

1. Проведен обзор современных оптических методов и средств физико-химического анализа концентрации растворов и сырья в пищевой промышленности.

В результате проведенного обзора сделан вывод, что волоконно -оптическая система, основанная на явлении распространения света в волоконных световодах, является наиболее подходящей и практически применимой для повышения точности и надежности определения показателя преломления, позволяющая проводить мониторинг удаленно, в непрерывном потоке и сразу в нескольких точках.

2. Исследовано отражение света на границе щуп - зонд и внешняя среда.

В результате исследований установлено, что при нормальном падении

излучения на границу раздела двух сред, коэффициент отражения света зависит от показателя преломления среды и показателя преломления щупа-зонда. При этом отражение света на границе раздела «щуп-зонд/среда» тем больше, чем больше абсолютная величина разности между показателем преломления среды в которую помещен щуп-зонд и показателем преломления щупа-зонда.

3. Разработаны алгоритм расчета и метод измерения показателя преломления растворов и связанной с ним, концентрации вещества в растворе, основанный на измерении интенсивности оптического излучения, отраженного по нормали от границы раздела «щуп-зонд/раствор». Составлена программа расчета показателя преломления для измерений с помощью волоконно-оптической системы.

4. Исследовано влияние параметров системы и измеряемой среды на точность измерения показателя преломления.

Показано, что измерение показателя преломления растворов возможно с точностью до четвертого знака, при этом при превышении температуры раствора выше 55°С требуется температурная компенсация. Для такого измерения описана конструкция и принципиальная схема волоконно-оптической системы с датчиком температуры.

5. Разработана конструкция и технология изготовления волоконно — оптической системы в составе волоконно — оптического щупа - зонда и регистрирующего блока.

В основе работы системы лежит непрерывное освещение границы раздела двух сред и непрерывный прием опорного и измерительного сигнала, что позволяет делать необходимое усреднение по времени и тем самым повышать точность и стабильность измерений, а так же в любой момент времени видеть изменение в измеряемой среде.

Для реализации многоканальности и проведения измерений одновременно в нескольких точках предложены схемы одноканальной и двухканальной версий системы.

Выбранные в качестве измерительного элемента модели щупов-зондов обеспечивают определение показателя преломления измеряемой среды до 2.1768, что позволяет существенно расширить область применения системы.

6. Составлена статистическая модель обработки экспериментов и проведен анализ выполненных измерений для оценки основных характеристик системы.

Результаты статистической обработки показали, что проведенные измерения воспроизводимы, точность измерения системы одного порядка, а сходимость результатов экспериментов соответствует нормативу сходимости параллельных определений. Абсолютная погрешность составила ±0,1%(Вх), при этом точность измерения с повышением концентрации раствора возрастает.

Полученные результаты измерений свидетельствуют о хорошей близости экспериментальных данных ожидаемым значениям для доверительной вероятности 0.95, т.е. незначительной систематической ошибке и правильности результатов измерений.

7. Разработан экспресс-метод определения концентрации растворов моно-и дисахаридов на основе волоконно-оптической системы при различных технологических операциях в пищевой промышленности.

3. Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

Из перечня ВАК:

1. Симонов М. А., Кондратенко В. С., Заренбин A.B., Игнатьев А. Д., Лукин Н. Д., Костенко В.Г. Разработка волоконно-оптического зондового рефрактометра для измерения концентрации сухих веществ сахаристых растворов // Ежемесячный научно-технический, производственный и справочный журнал «Приборы». - 2013. - №5. - С. 21 - 25.

Патенты:

1.3аренбин A.B., Греков М.В., Васильев С.А., Медведков О.И. Универсальный волоконно — оптический модульный телеметрический комплекс, регистрирующий модуль, сенсорная головка и модуль расширения числа оптических каналов. //Патент на полезную модель № 77420. Опубликовано: 20.10.2008. Бюл. №29.

2. Симонов М.А., Заренбин A.B., Лукин Н.Д., Костенко В.Г. Волоконно-оптический рефрактометр.// Патент на полезную модель № 132202. Опубликовано: 10.09.2013. Бюл. №25.

3. Симонов М.А., Греков М.В., Васильев С.А., Медведков О.И., Дианов Е.М., Заренбин A.B. Волоконно-оптический термометр // Патент на изобретение № 2491523. Опубликовано: 27.08.2013. Бюл. №24.

4. Симонов М.А., Заренбин A.B., Васильев С.А., Медведков О.И. Волоконно-оптический щуп для измерения температуры. Заявка на полезную модель № 2012110113. Дата публикации 16.03.2012. Решение о выдаче патента от 01.02.2013.

5. Симонов М.А., Греков М.В., Васильев С.А., Медведков О.И., Дианов Е.М., Заренбин A.B. Способ измерения показателя преломления и устройство для его реализации. Заявка на изобретение №2011132274/28. Дата публикации заявки 01.08.2011. Решение о выдаче патента от 09.08. 2013.

Прочие публикации:

1. Заренбин A.B. Волоконно-оптическая система определения концентрации растворов и влияние температуры измеряемой среды на точность измерения // Современное общество, образование и наука: сборник научных трудов по материалам Международной научно-практической конференции 31 июля 2013 г.: в 5 частях. Часть 2. М-во обр. и науки РФ. - Тамбов: Изд-во ТРОО «Бизнес-Наука-Общество», 2013. - С. 55-57.

2. Заренбин A.B., Симонов М.А. Способ измерения концентрации сухих веществ сахаристых растворов на основе волоконной оптики // Современная наука: реальность и перспективы: сборник научных трудов по материалам .Международной заочной научно-практической конференции 18 февраля 2013г. — Липецк, Липецкая областная общественная организация Всероссийского общества изобретателей и рационализаторов, - 2013. - 167 с. - С. 75-77.

3.Симонов М.А., Заренбин A.B. Инновационный способ измерения концентрации сухих веществ сахаристых растворов на основе волоконной оптики // «Девятая всероссийская научно-практическая конференция студентов и аспирантов» (сборник научных и научно-практических докладов всероссийской научно-практической конференции студентов и аспирантов). Старый Оскол: СТИ НИТУ «МИСиС», - 2013. - Е.2. - 299 с. - С 220 - 223.

4. Симонов М. А, Заренбин A.B. Волоконно-оптический датчик для измерения температуры в сухих и маслонаполненных трансформаторных реакторах.// Materialy IX mezinärodni vedecko - praktickä konference «Moderni vymozenosti vedy - 2013». - Dil 76. ТесЬшскё vedy: Praha. Publishing House «Education and Science» s.r.o - 96 stran, - P. 54 - 57.

Подписано в печать: 24.09.2013 Объем: 1,0 п.л. Тираж: 100 экз. Заказ № 152 Отпечатано в типографии «Реглет» 119526, г. Москва, пр-т Вернадского, д. 39 (495) 363-78-90; www.reglet.ru

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПРИБОРОСТРОЕНИЯ И ИНФОРМАТИКИ»

На правах рукописи

04201363707

Заренбин Алексей Владимирович

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ И УСТРОЙСТВ ПОВЫШЕНИЯ ТОЧНОСТИ И НАДЕЖНОСТИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ РАСТВОРОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Специальность: 05.11.14 - Технология приборостроения

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Кондратенко В. С.

Москва-2013

Оглавление

Введение.........................................................................................................................4

ГЛАВА 1. Обзор современных оптических методов и средств физико-химического анализа концентрации растворов и сырья в пищевой промышленности.........................................................................................................13

1.1. Классификация современных оптических методов анализа концентрации растворов......................................................................................................................13

1.2. Анализ существующих методов и средств измерения показателя преломления.................................................................................................................24

1.3. Выводы и постановка задачи исследований.....................................................42

ГЛАВА 2. Исследование метода определения концентрации раствора и исследование влияния показателей на характеристики и точность системы.......44

2.1.Техническое задание на разработку системы обеспечивающей точное и надежное определение концентрации растворов.....................................................44

2.2. Принцип действия волоконно - оптической системы.....................................45

2.3. Распространение света на границе щуп - зонд и внешняя среда....................48

2.4. Разработка алгоритма расчета показателя преломления раствора с использованием волоконно-оптической системы...................................................54

2.5. Исследование факторов, влияющих на точность измерения показателя преломления.................................................................................................................56

2.5.1. Исследование влияния оптических свойств среды на

характеристики щупа - зонда.....................................................................................57

2.5.2 Влияние параметров системы на точность измерения................64

Выводы.........................................................................................................................72

ГЛАВА 3. Особенности конструкции и оценка технологических характеристик

волоконно - оптической системы..............................................................................74

3.1. Конструктивные особенности системы...............................................................74

3.1.1. Оптоэлектронная схема и принцип действия регистрирующего блока..............................................................................................................................74

3.1.2. Конструкция волоконно - оптического щупа - зонда

77

3.2. Оценка технологических характеристик системы.............................................86

3.2.1. Обоснование выбора рабочей длины волны.................................86

3.2.2. Определение долговременной стабильности...............................91

3.2.3. Оценка влияния изменения температуры на точность измерения.....................................................................................................................96

3.2.4. Конструкция волоконно-оптической системы с датчиком

температуры...............................................................................................................103

Выводы.......................................................................................................................105

ГЛАВА 4. Испытания волоконно-оптической системы и оценка применения для измерения показателя преломления и определения концентрации растворов... 108

4.1. Методика калибровки нулевого значения содержания сухих веществ и показателя преломления...........................................................................................108

4.2. Методика поверки волоконно-оптической системы......................................108

4.3. Статистическая модель обработки результатов экспериментов...................114

4.4. Состав и методика приготовления растворов для исследований...................121

4.5. Испытания системы с использованием растворов сахарозы различной концентрации.............................................................................................................122

4.6. Экспресс-метод определения концентрации растворов моно- и дисахаридов с

использованием волоконно-оптической системы.................................................141

Выводы.......................................................................................................................148

Заключение................................................................................................................150

Список литературы...................................................................................................153

Приложение 1. Акты использования результатов диссертационных

исследований.............................................................................................................159

Приложение 2. Патенты на изобретение и полезную модель..............................164

Введение

Быстрое развитие промышленных технологий в сельскохозяйственной и пищевой промышленности, стремление к улучшению качества продукции и ее потребительских свойств делает чрезвычайно актуальным разработку и создание методов и средств, позволяющих проводить анализ на современном уровне.

В технологии производства пищевых продуктов, качество и состав сырья, соответствие готовой продукции установленным нормам, технологичность и эффективность производственных процессов, соблюдение санитарно-гигиенических требований имеют большое значение. Решение всех перечисленных вопросов требует знания методов и средств исследования сырья и готовых продуктов [42].

При каждом конкретном применении предъявляются определенные требования к диапазону измерений, долговременной стабильности, разрешающей способности, точности, воспроизводимости, быстродействию таких средств измерений, которые с течением времени становятся все более строгими.

Из-за многокомпонентности состава сырья и продуктов необходимо адаптировать существующие методы к особенностям физико-химической структуры продукта.

В настоящее время существуют контрольно-измерительные приборы и устройства, основанные на различных методах - хроматографическом, электрохимическом, масс-спектроскопическом, методе ядерно-магнитного резонанса и оптических методах.

Хроматографические методы широко применяют для определения аминокислотного состава в молоке, сырах и сливочном масле, определения летучих жирных и органических кислот в продуктах питания. Но они обладают недостатком из-за необходимости применения сложного, прецизионного оборудования и иногда дополнительной подготовки проб.

Метод масс-спектрометрии применяют для идентификации соединений, точного определения молекулярной массы, определения элементного состава в

химии пищевых продуктов, анализа следовых количеств биологически активных соединений, определения аминокислотной последовательности пептидов, анализа многокомпонентых смесей и т.п [42]. При этом он обладает значительным недостатком из-за значительной сложности аппаратуры и трудности ее эксплуатации, что требует специальной квалификации экспериментатора.

Методы ядерно-магнитного резонанса значительно производительнее по сравнению со стандартными спектроскопическими методами анализа и во многих случаях отличаются более меньшей погрешностью измерения. Вместе с тем главным недостатком считается низкая чувствительность и большая стоимость, а интерпретация спектров - гораздо более сложной по сравнению с прочим спектроскопическими способами.

К современным электрохимическим методам анализа относятся полярография, вольтометрия, потенциометрия и ряд других. С помощью полярографии изучают как быстрые, так и медленные реакции. Полярография является чувствительным методом, позволяющим работать с очень разбавленными растворами и небольшими объемами. С применением вольтометрии разработаны методы определения токсичных элементов (Сё, Ъх\, РЬ, Си и т.д.) в пищевых продуктах (в зерне, какао, чае, мясе, рыбе, крупах, в соках, овощах и т.д.). Простота, доступность и экспрессность ионометрии позволяет широко использовать её в различных областях аналитической химии, в т.ч. при анализе пищевых продуктов. Вместе с тем, необходимым условием использования большинства электрохимических методов является достаточно высокая электропроводность анализируемого вешества, что существенно усложняет их применение для анализа в потоке жидкости, а также в полевых условиях.

Таким образом, оптические методы анализа выделяются относительной простотой, высокой чувствительностью, селективностью и достаточно хорошей воспроизводимостью, и являются наиболее пригодными для анализа качества сырья и физико-химической структуры продукта в пищевой промышленности.

Среди оптических методов особое место занимают методы рефрактометрии, основанные на изучении рефракции (преломлении) света при переходе его через границу раздела двух сред. Количественным показателем, характеризующим преломление света, является показатель преломления (п). Показатель преломления принадлежит к числу немногих физических констант, которые можно измерить затрачивая малое количество времени, с высокой точностью и, располагая незначительным количеством вещества.

В настоящее время рефрактометрические методы измерения показателя преломления получили довольно широкое распространение в пищевой промышленности:

- на сахарных и хлебных заводах, кондитерских фабриках для анализа качества продуктов и сырья, полуфабрикатов и других изделий;

- для определения влажности меда (до 20 %);

- для определения массовой доли растворимых сухих веществ по сахарозе (Вх) в продуктах переработки плодов и овощей и паточных растворов;

- для определения содержания масла в масличных культурах;

- для определения концентрации растворов солей.

Состояние проблемы. Хотя рефрактометрия давно известна и исследована в работах Б.В.Иоффе, М.В.Лейкина, Ю.С.Ляликова, В.М.Золотарева, В.Н.Авраменкова, Б.И.Молочникова, А.К.Фролова, В.Н.Алехновича, В.В.Берцева, Д.В.Дерезовского, И.С.Инихова, М.И.Булатова, Н.Харрика (США), Ю.Бёккера (Германия), С.С.Бацанова, И.С.Инихова, Р.К.Мамедова и др., актуальной проблемой остается создание новых типов рефрактометрических методов и средств, позволяющих проводить измерения с высокой точностью, удаленно, сразу в нескольких точках, с осуществлением непрерывного контроля и автоматического управления технологическим процессом.

Наиболее подходящей и практически применимой для решения таких задач является волоконно - оптическая система, основанная на явлении распространения света в волоконных световодах.

Важной прикладной задачей, решаемой с помощью волоконно -

оптической системы, является контроль в режиме реального времени, с высокой точностью и надежностью, параметров жидких технологических сред для целей сокращения потерь и повышения выхода целевых продуктов, снижения расхода материалов и достижения значительного экономического эффекта.

Таким образом, разработка технологии и устройств повышения точности и надежности определения концентрации растворов с использованием волоконно-оптических систем является актуальной темой для исследования. Цель работы и задачи исследования.

Цель данной работы - разработка технологии и исследование нового метода и средств повышения точности и надежности определения концентрации растворов с использованием волоконно-оптической системы, обеспечивающей контроль параметров жидких технологических сред с высокой точностью в режиме реального времени.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

• Провести обзор современных оптических методов и средств физико-химического анализа концентрации растворов и сырья в пищевой промышленности и предложить новый метод с улучшенными метрологическими и техническими характеристиками.

• Исследовать отражение света при нормальном падении излучения на границу двух сред щуп - зонд и внешняя среда.

• Разработать алгоритм расчета показателя преломления растворов для измерений с помощью волоконно-оптической системы.

• Исследовать влияние параметров системы и измеряемой среды на точность измерения показателя преломления.

• Разработать конструкцию и технологию изготовления волоконно -оптической системы в составе волоконно - оптического щупа - зонда и регистрирующего блока.

• Составить статистическую модель обработки результатов экспериментов и

провести анализ выполненных измерений для оценки основных характеристик системы.

• Разработать экспресс-метод определения концентрации растворов моно- и дисахаридов на основе волоконно-оптической системы при различных технологических операциях в пищевой промышленности.

Реализация поставленной в диссертации цели позволила получить важные в научном и практическом отношении результаты.

Научная новизна работы заключается в следующем:

• Разработан новый метод определения показателя преломления и, связанной с ним концентрации вещества в растворе, основанный на измерении интенсивности оптического излучения, отраженного по нормали от границы раздела «щуп-зонд/раствор» и, позволяющий осуществлять контроль параметров жидких технологических сред, в режиме реального времени, с высокой точностью и надежностью, для целей сокращения потерь и повышения выхода целевых продуктов, снижения расхода материалов и достижения значительного экономического эффекта.

• Исследовано отражение света при нормальном падении излучения на границу раздела двух сред, позволяющее установить зависимость коэффициента отражения света от показателя преломления среды и показателя преломления щупа-зонда с его увеличением при формировании повышенного показателя преломления щупа - зонда.

• Разработан алгоритм расчета показателя преломления растворов с помощью волоконно-оптической системы, учитывающий оптические параметры внешней среды и особенности оцифровки оптического сигнала, конструкции системы, характеристик фотоприемников и источников излучения, оптической и электронной схем. На основе алгоритма составлена программа, позволяющая определять показатель преломления и, связанную с ним концентрацию вещества в растворе.

• Разработан экспресс-метод определения концентрации растворов моно- и дисахаридов на основе волоконно-оптической системы при различных

технологических операциях в пищевой промышленности, заключающийся в экспресс оценке свойств технологической среды и измерении концентрации растворов до 85% (Вх).

Практическая ценность работы состоит в том, что:

• Разработана конструкция волоконно - оптической системы в составе волоконно - оптического щупа - зонда и регистрирующего модуля для определения концентрации растворов, позволяющая повысить точность и стабильность измерений, а также в любой момент времени видеть изменение в измеряемой среде.

• Разработана конструкция системы с датчиком температуры для осуществления ее термокомпенсации, позволяющая проводить измерение показателя преломления растворов при превышении температуры раствора выше 55°С.

• Определены технологические характеристики щупа - зонда, выбрана оптимальная конструкция и рассчитаны его оптимальные геометрические параметры, которые позволяют обеспечить определение показателя преломления измеряемой среды до 2,1768.

• Показана возможность практической и технологической реализации волоконно-оптической системы на разных длинах волн для повышения информативности результатов и снижения погрешности измерений и долговременной стабильности выходного сигнала до 10"4.

• Составлена статистическая модель обработки результатов экспериментов позволяющая проводить анализ выполненных измерений для оценки основных характеристик системы.

• Экспериментально показана возможность применения волоконно -оптической системы для измерения концентрации сухих веществ сахарных растворов с точностью ±0,1%(Вх).

Методы исследования.

При выполнении работы применялись как теоретические, так и

экспериментальные методы исследования, которые способствовали решению поставленных задач. Теоретические исследования проводились путем построения модели, основанной на формулах Френеля при нормальном падении света на границу раздела двух сред, а также путем построения статистической модели обработки результатов экспериментов. Экспериментальные исследования проводились с использованием рефрактометров ИРФ-454Б, УРЛ-1, ATR-C (Германия) и с использованием волоконно-оптической системы FOR-411-VIS/2.1 объемным и весовым методами. На протяжении всей работы выполнялось сопоставление теоретических и экспериментальных результатов.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Конструкция волоконно - оптической системы в составе волоконно -оптического щупа - зонда и регистрирующего модуля для оценки качества пищевых продуктов.

2. Результаты исследований процесса отражения света на границе двух сред при формировании повышенного показателя преломления щупа - зонда и расширении много�