УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ СПИРТА И САХАРА В ВИНЕ
DEVICE FOR DETERMINATION OF ALCOHOL AND SUGAR CONTENT IN WINE

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного определения концентрации различных водосодержащих растворов, в частности концентрации спирта и сахара в вине.
Известны устройства для определения концентрации, в частности влагосодержания, жидких веществ (Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. М.: Наука. 1989. С.168-177). Эти устройства содержат радиоволновые (ВЧ и СВЧ) чувствительные элементы в виде антенн, волноводов, длинных линий, полосковых линий, резонаторов.
Недостатком таких концентратомеров является невысокая точность измерения при концентратометрии многокомпонентных веществ, в частности водосодержащих растворов при наличии, кроме воды, двух и более компонент. К числу таких веществ относятся вино и виноматериалы, являющиеся многокомпонентными жидкостями.
Известно также техническое решение (Мериакри В.В., Чигряй Е.Е. Определение содержания спирта и сахара в водных растворах с помощью сантиметровых и миллиметровых волн // Электромагнитные волны и электронные системы. 2004. №1. С.55-58), содержащее описание устройства, наиболее близкого по технической сущности к предлагаемому устройству и принятого в качестве прототипа. Устройство-прототип содержит два чувствительных элемента: один из них в совокупности передающей и приемной секций полого металлического волновода, между открытыми концами которого, имеющими согласующие диэлектрическими окна, установлена измерительная ячейка, заполняемая контролируемой жидкостью, а второй чувствительный элемент - в виде отрезка коаксиальной линии с установленной на участке вдоль его длины, в пределах которого отсутствует внутренний проводник коаксиальной линии, измерительной ячейкой. Каждый из чувствительных элементов подключен входом через элементы возбуждения и съема колебаний к соответствующему СВЧ-генератору электромагнитных колебаний и выходом - к соответствующему блоку регистрации мощности прошедшей волны. Выходы первого и второго чувствительных элементов подключены, соответственно, к первому и второму входам блока вычислений, подсоединенного выходом к индикатору.
Недостатком данного устройства является невысокая точность измерения. Обусловлено это применением двух пространственно-разнесенных чувствительных элементов, осуществляющих контроль разных образцов жидкости с различным содержанием определяемых компонент, что заведомо предопределяет снижение точности измерения. Кроме того, точность может быть снижена и вследствие отличия температуры в контролируемых областях, приводя к отличию электрофизических параметров жидкости.
3
В реальных условиях производства вина имеет место значительное изменение температуры и состава контролируемого вещества в пределах объема технологической емкости, содержащей производимый продукт. В частности, при производстве шампанских (игристых) вин различие (градиент) температуры внутри бродильного аппарата по различным его координатам (высоте, радиусу) составляет 2-6°С; концентрация спирта и сахара в производимом вине также значительно различна в разных областях внутри аппарата; так, концентрация сахара внутри этого аппарата может быть в разных областях объема аппарата в пределах 1,3÷2,2 г/дм (Гагарин М.А. Прогрессивная технология шампанских вин. М.: изд-во Кругозор-наука. 2003. 320 с.). В то же время для обеспечения качества производимого продукта необходимо с высокой точностью определять содержание спирта и сахара в вине (виноматериале) в различных областях внутри технологических резервуаров, соответствующих разным стадиям получения конечного продукта (Справочник по виноделию. Андреев В.В., Жданович Г.А., Коган И.С. и др. Под ред. Милтабара В.М. и Шприцмана Э.М. М.: Пищевая промышленность. 1973. 408 с.).
Как показывают оценки, погрешность при проведении измерений содержания спирта и сахара в разных областях внутри объема технологической емкости, осуществляемая пространственно-разнесенными чувствительными элементами, как в устройстве-прототипе, имеет недопустимо большую величину. Так, в частности, при определении содержании спирта и сахара в шампанских (игристых) винах, когда различие температуры внутри бродильного аппарата по различным его координатам (высоте, радиусу) может составлять 4°С (от 2°С до 6°С), температурная погрешность измерения может достигать, с учетом максимального значения из вышеприведенных оценок, 15% и более - недопустимо большую величину.
К рассмотренной температурной погрешности следует добавить также погрешность, вызванную возможной неоднородностью состава контролируемой жидкости внутри объема технологической емкости. При этом содержание спирта и сахара в производимом вине в различных областях этого объема может быть различным.
От температуры и состава в значительной степени зависят электрофизические свойства веществ (главным образом, воды, этанола) в водно-спиртовых растворах, доминирующих в составе вина и виноматериалов (Ахадов Я.Ю. Диэлектрические параметры чистых жидкостей. Справочник. М.: изд-во МАИ. 1999. 856 с.). Другие компоненты вина и виноматериалов не оказывают существенного влияния на их электрофизические свойства; содержание сахара влияет на электрофизические свойства лишь в определенных частотных диапазонах (Мериакри В.В., Чигряй Е.Е. Определение содержания спирта и сахара в водных растворах с помощью сантиметровых и миллиметровых волн // Электромагнитные волны и электронные системы. 2004. №1. С.55-58). Следовательно, электрофизические свойства производимого вина (виноматериала) существенно отличаются внутри объема содержащей его емкости по различным координатам емкости.
Техническим результатом настоящего изобретения является повышение точности измерения.
Технический результат достигается тем, что предлагаемое устройство для определения содержания спирта и сахара в вине содержит первый и второй чувствительные элементы в виде, соответственно, полого металлического волновода и отрезка коаксиальной линии, внутри каждого из которых на участке вдоль его длины установлена измерительная ячейка, имеющая с обеих сторон согласующие диэлектрические окна и заполняемая контролируемой жидкостью, каждый из чувствительных элементов подключен входом через элементы возбуждения и съема колебаний к выходу соответствующего СВЧ-генератора электромагнитных колебаний фиксированной частоты и выходом - к одному из входов соответствующего блока регистрации коэффициента прохождения по мощности, ко второму входу каждого из которых подсоединен выход соответствующего СВЧ-генератора, выходы блоков регистрации коэффициента прохождения по мощности подключены, соответственно, к первому и второму входам блока вычислений, подсоединенного выходом к индикатору, при этом полый металлический волновод и отрезок коаксиальной линии расположены соосно и внутренним проводником отрезка коаксиальной линии служит наружная поверхность полого металлического волновода. В проводниках волновода и отрезка коаксиальной линии могут быть выполнены сквозные продольные или поперечные щели для заполнения контролируемой жидкостью ячеек, располагаемых одна над другой.
На фиг.1 изображена функциональная схема предлагаемого устройства. На фиг.2 изображено поперечное сечение чувствительных элементов устройства.
Устройство содержит первый и второй чувствительные элементы 1 и 2, соответственно, СВЧ-генераторы электромагнитных колебаний 3 и 4, блоки регистрации значений коэффициента прохождения по мощности прошедшей волны 5 и 6, блок вычислений 7, регистратор 8, волновод 9, отрезок коаксиальной линии 10, измерительные ячейки 11 и 12, сквозные щели 13 и 14.
Устройство работает следующим образом.
11
01
В предлагаемом устройстве для определения содержания спирта и сахара в вине проводят, как и в устройстве-прототипе, измерения коэффициента прохождения по мощности P (отношения проходящей через слой контролируемой жидкости мощности к мощности электромагнитной волны, падающей на этот слой), на двух фиксированных частотах в двух разных частотных диапазонах. Измерения на частоте ~8÷10 ГГц (длина волны ~3,75÷3 см) проводят с применением чувствительного элемента в виде полого круглого металлического волновода с возбуждаемой электромагнитной волной одного из низших типов, в частности, типа Н или типа Н, а на частоте ~2÷4 ГГц (длина волны ~15÷7,5 см) - с применением коаксиальной линии с возбуждаемой электромагнитной волной типа ТЕМ. Как в полом волноводе, так и в отрезке коаксиальной линии вдоль длины каждого из них установлена соответствующая измерительная ячейка, ограниченная с обеих сторон согласующими диэлектрическими окнами и занимающая все поперечное сечение волновода и коаксиальной линии, соответственно. В отличие от прототипа, круглый полый волновод и коаксиальная линия не имеют, соответственно, разрыва для установки измерительной ячейки в пространстве между двумя частями (передающей и приемной) волновода (это первый чувствительный элемент) и разрыва во внутреннем проводнике отрезка коаксиальной линии (это второй чувствительный элемент). В первом чувствительном элементе через слой жидкости распространяется волна возбуждаемого в круглом волноводе типа волн, а не волна в свободном пространстве (поперечная волна), а во втором чувствительном элементе вдоль отрезка коаксиальной линии - поперечная волна типа ТЕМ.
01
01
01
Полый металлический волновод и отрезок коаксиальной линии расположены соосно, первый внутри второго. При этом наружная поверхность полого волновода служит внутренним проводником отрезка коаксиальной линии. Такое взаимное расположение волновода и отрезка коаксиальной линии обеспечивает возможность контроля физических свойств жидкости в одной и той же ее области и при одинаковой температуре. Тем самым обеспечивается повышение точности измерения по сравнению с прототипом. Обе измерительные ячейки могут иметь в их металлических стенках сквозные щели, позволяя жидкости заполнять их объем. Форма этих щелей должна соответствовать возбуждаемому типу волн, чтобы не допускать излучения волн: щели не вызывают заметных потерь на излучение только в том случае, если они расположены вдоль линий тока и не пересекаются токами в течение всего периода колебаний (Семенов Н.А. Техническая электродинамика. М.: Связь, 1973. С.197-198). Так, в полом волноводе круглого сечения с волной типа Е отверстие может иметь форму продольной щели, а при возбуждении волны типа Н - форму поперечной щели, в том числе круговой щели или нескольких таких щелей. В отрезке коаксиальной линии в области расположения измерительной ячейки с возбуждаемой на этом участке волной типа E возможно наличие продольной щели в наружном проводнике отрезка коаксиальной линии. Обе измерительные ячейки следует располагать одну над другой для их заполнения контролируемой жидкостью через сквозные щели.
1
1
2
1
2
1
1
1
2
2
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
1
1
1
2
2
2
1
2
1
1
2
2
2
1
2
1
2
Как показано в вышеуказанной статье (Мериакри В.В., Чигряй Е.Е. Определение содержания спирта и сахара в водных растворах с помощью сантиметровых и миллиметровых волн // Электромагнитные волны и электронные системы. 2004. №1. С.55-58), коэффициент прохождения по мощности Р при измерениях на частоте f диапазона частот ~8÷10 ГГц зависит только (в пределах допустимой погрешности) от содержания спирта с в вине, а при измерениях на частоте f диапазона частот ~2÷4 ГГц зависит как от содержания спирта с, так и от содержания сахара с в вине. При этом выбором длины слоя контролируемой жидкости, через который проходит электромагнитная волна, можно регулировать чувствительность к содержанию спирта и сахара в вине. Изменения ΔР(c)=Р(с)-Р(с=0) и ΔР(с)=P(c)-P(c=0) величины Р в растворах, содержащих одновременно спирт и сахар, как показали измерения ΔP(c,c), суммируются практически аддитивно. Точность определения с и с в вине при с≤20% и c≤300 г/л та же, что и в растворах спирта в воде и сахара в воде. Поэтому, измеряя P(c,c,f) на частоте f, можно определить содержание спирта с в вине и, измеряя P(c,c,f) на частоте f, можно по значению разности P(c,c,f) и P(c,c,f) найти содержание сахара с в вине. Как показано в данной статье, при с=9÷18% и с≤30 г/л погрешность измерений с и с не превышала, соответственно, значений 0,1% и 3 г/л.
1
2
В чувствительных элементах 1 и 2 с помощью подсоединенных к их входам СВЧ-генераторов, соответственно 3 и 4, возбуждаются электромагнитные волны (фиг.1). СВЧ-генераторы 3 и 4 работают на фиксированных частотах, соответственно, f (диапазон частот ~8÷10 ГГц) и f (диапазон частот ~2÷4 ГГц). Электромагнитные волны, принимаемые на выходах чувствительных элементов 1 и 2, поступают в блоки регистрации значений коэффициента прохождения по мощности прошедшей волны 5 и 6, соответственно. На входы этих блоков подаются также сигналы с генераторов 3 и 4, соответственно, несущие информацию о мощности волн, поступающей на входы чувствительных элементов 1 и 2. Выходные сигналы с выходов блоков 5 и 6 поступают в блок вычислений 7. В этом блоке производятся вычислительные операции с поступившими сигналами для определения раздельно содержания спирта и сахара в вине. Образуемые на выходе блока 7 полезные сигналы, соответствующие содержанию спирта и сахара, поступают на регистратор 8.
На фиг.2 приведены конструкции чувствительных элементов 1 и 2. Здесь полый металлический волновод 9 и отрезок коаксиальной линии 10 размещены соосно. Наружная поверхность волновода 9 служит внутренним проводником коаксиальной линии 10. Внутри полого металлического волновода 9 и отрезка коаксиальной линии 10 размещены, соответственно, измерительные ячейки 11 и 12, каждая из которых имеет с обеих сторон согласующие диэлектрические окна. Измерительные ячейки 11 и 12 заполняются контролируемой жидкостью (вином), для чего в проводниках волновода 9 и отрезка коаксиальной линии 10 могут быть выполнены сквозные щели 13 и 14.
Расположение обоих чувствительных элементов на одном и том же измерительном участке позволяет воспринимать информацию о контролируемой жидкости (вине) в одной и той же ее области и при одной и той же температуре, что, тем самым, обеспечивает повышение точности измерений по сравнению с прототипом.
Таким образом, предлагаемое устройство позволяет производить одновременные измерения содержания спирта и сахара в вине с высокой точностью. Оно может быть применено и для контроля других многокомпонентных жидкостей.