Калориметр для определения температурной зависимости удельной теплоёмкости пищевых продуктов

Полезная модель относится к области измерительной техники, занимающейся определением теплофизических характеристик веществ и материалов с помощью калориметрических методов, в частности, для определения температурной зависимости теплоемкости пастообразных пищевых продуктов.
Известно устройство (Томбасов Е.А., Краснов В.А. Авт. свид. №504105. Адиабатический калориметр для измерения теплоемкости. Опубликовано 25.02.1976 г.) для измерения теплоемкости веществ, включающий охлаждаемую вакуумную камеру и расположенный в ней контейнер с исследуемым образцом и системой адиабатических экранов, содержащей внутренний и внешний радиационные экраны с крышками и горячее кольцо.
Недостатком его является конструктивная сложность, обусловливающая малую производительность измерений.
Наиболее близким является устройство для определения удельной теплоемкости пищевых продуктов (Нугманов А.Х. - Х., Краснов В.А., Краснов И.В., патент РФ №154799), в котором тепловая часть содержит в качестве измерительной дифференциальную термопару, «холодный» спай, которой помещен в термостат вместе с исследуемым образцом, «горячий» спай вместе с нагревателем находится внутри образца, а измерительная часть имеет предварительный фотокомпенсационный усилитель, согласованный с компенсационным самопишущим прибором.
Недостатком его является отсутствие регулируемого термокриостата для создания необходимых температур исследуемого образца.
Техническая задача - создание простого по конструкции устройства, позволяющего получать температурную зависимость удельной теплоемкости образца в заданном интервале температур.
Технический результат - создание калориметра для определения температурной зависимости удельной теплоемкости пищевых продуктов.
Он достигается тем, что калориметр имеет в качестве измерительной дифференциальную термопару, «холодный» спай которой помещен в термостат вместе с исследуемым образцом, «горячий» спай вместе с нагревателем находится внутри образца, измерительная часть имеет предварительный фотокомпенсационный усилитель, согласованный с компенсационным самопишущим прибором, согласно прототипу, а тепловая часть содержит основной термостат и регулируемый термокриостат жидкостного типа. Основной термостат является пассивным и служит для уменьшения влияния колебаний температуры окружающей среды, а регулируемый термокриостат - для точной настройки на заданную температуру образца. При включении нагревателя образцатемпература «горячего» спая дифференциальной термопары начинает повышаться, и этот процесс продолжается в течение Δτ секунд, после чего нагрев выключается. Изменение температуры регистрируется самопишущим прибором, имеющим предел измерения от 0 до 100 мкВ благодаря высокочувствительному предварительному усилителю. Из опыта с бензойной кислотойв качестве образцового вещества, температурная зависимость удельной теплоемкости которого известна, в заданном диапазоне температур определяют константу калориметра К. Она учитывает все тепловые потери калориметра и численно равна разности затраченной и полезной теплот:
ЗATP
пoл
К=Q - Q,
ЗАТР
пол
где Q=U⋅I⋅Δτ, где U - напряжение на нагревателе, I - ток через нагреватель, Δτ - отрезок времени опыта, Q=с⋅м⋅Δt, где с - удельная теплоемкость образца бензойной кислоты, м - его масса, Δt - измеряемое по кривой записи на самопишущем прибореизменение температуры образца.
Х
Искомая удельная теплоемкость Собразца пищевого продукта определяется по формуле
x
ЗАТР
х
x
C=(Q-К)/(м⋅Δt),
х
x
где м и Δt - измеряемые масса и изменение температуры исследуемого
образца. Температурная зависимость определяется по полученным данным удельной теплоемкости с необходимым шагом изменения температуры. Исследуемые пастообразные пищевые продукты требуют минимальных затрат времени на опыт. Особенность этих продуктов в том, что они содержат воду, которая при нулевой температуре имеет фазовый переход и сильно влияет на результаты определения удельной теплоемкости. Благодаря регулируемому термокриостату достигается получение значений удельной теплоемкости пастообразных пищевых продуктов в заданном диапазоне температур, особенно около нуля и при низких температурах, за короткий промежуток времени и без нарушения качества. Регулируемый термокриостат жидкостного типа обеспечивает также равномерность температурного поля образца и быстроту перехода на другую температуру. Настройка термокриостата позволяет производить опыты в любом участке шкалы температур, например, при хранении ниже нуля, при температуре употребления в пищу или при температуре пастеризации.
Предлагаемое устройство изображено на чертеже (схема калориметра).
Установка содержит исследуемый образец 1 с размещенным внутри нагревателем 2, находящийся в стаканчике 3. Внутри образца по его оси расположен «горячий» спай дифференциальной термопары 4, а «холодный» спай 5 находится в свободном пространстве основного термостата 6. С помощью разъема 7 нагреватель и термопара соединяются с блоком питания нагревателя 8 и выключателем 9. Ток через нагреватель измеряется амперметром 10, напряжение - вольтметром 11. Термоэдс термопары предварительно усиливается фотокомпенсационным усилителем 12, согласованным с самопишущим прибором 13 с помощью магазина 14 сопротивлений. Для удобства настройки начала записи кривой изменения температуры образца на входе самописца имеется устройство 15 для регулировки смещения нуля прибора. Регулируемый термокриостат 16 подключен к основному термостату с помощью труб.
Устройство работает следующим образом. С помощью регулируемого
ЗАТР
термокриостата 16 температура образца доводится до заданной. Исследуемый образец 1 помещается в стаканчик 3, а затем в него вводится нагреватель 2 и «горячий» спай термопары 4. «Холодный» спай 5 вводится через крышку основного термостата в его свободное пространство. Выключателем 9 в нагреватель подается ток, измеряемый амперметром 10 и вольтметром 11, по показаниям которых вычисляется затраченная теплота Q.Процесс изменения температуры образца регистрируется на диаграммной бумаге. После выключения тока через Δτ секунд кривая записи изменения температуры вследствие выравнивания температуры по сечению образца еще некоторое время доходит до максимума, а затем убывает. Искомая разность температур соответствует отрезку на кривой от начала процесса до этого максимума. По приведенным формулам вычисляется удельная теплоемкость. Таким образом, время опыта определяется фактически по времени записи изменения температуры образца и обработки результатов измерений. После проведения серии измерений в заданном интервале температур строится график температурной зависимости удельной теплоемкости.
Калориметр позволяет получить температурную зависимость удельной теплоемкости пастообразных пищевых продуктов в диапазоне температур от 250 К до 333 К, что соответствует техническим возможностям используемого термокриостата.