ИЗМЕРИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ПОРТАТИВНОЙ КОНСТРУКЦИИ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КРИОСКОПИЧЕСКОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ И АКТИВНОСТИ ВОДЫ В ВЫСОКОВЛАЖНЫХ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТАХ
PORTABLE INSTRUMENT FOR DETERMINING CRYOSCOPIC TEMPERATURE AND WATER ACTIVITY IN HIGH MOISTURE CONTENT FOOD PRODUCTS

Изобретение относится к лабораторной измерительной технике, более конкретно - к приборам и методам контроля природной среды, веществ, материалов и изделий, и может использоваться в пищевой промышленности.
w
2
Известно устройство для определения активности воды (а) в пищевых продуктах криоскопическим методом, у которого холодильная часть выполнена на основе инжектора для сжатого СО - газа, содержащегося в баллоне [А.С. № SU 1464069 А1]. Применение газокомпрессорного вспомогательного оборудования усложняет эксплуатацию этого средства измерения.
Известен другой прибор для определения активности воды пищевых продуктов криоскопическим способом (торговая марка "Kriometer AWK - 20", фирма "NAGY", производство Германия). Такое измерительное устройство имеет высокую точность и быстродействие при измерении криоскопической температуры и активности воды продукта, но конструкция системы весьма громоздка (холодильная часть прибора выполнена на основе фреоновой холодильной машины с компрессором винтового типа), поэтому прибор отличается высокой стоимостью.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является измерительное устройство, у которого холодильная часть выполнена на основе термоэлектрического модуля (элемент Пельтье), отличающегося малой тепловой инерцией, а также малыми весом и габаритными размерами [Рогов И.А., Жаринов А.И., Фатьянов Е.В., Алейников А.К., Юзов С.Г. Определение активности воды в пищевых системах и продуктах криоскопическим методом: Метод, указ. - М.: МГУПБ, 2003. - 27 с.].
Недостатком известного измерительного устройства является завышенная масса образца пищевого продукта для проведения анализа термограммы охлаждения - замораживания вследствие размещения исследуемой пробы в измерительной ячейке цилиндрической формы. Второй причиной увеличения массы пробы является применение термометра электрического сопротивления обмоточного типа в качестве чувствительного датчика, обладающего большей массой и теплоемкостью конструктивного элемента чувствительной зоны по сравнению с термометром электрического сопротивления пленочного типа или термопарой. Это, в свою очередь, приводит к необходимости увеличения мощности холодильника, из-за чего конструкция измерительного устройства получается слишком громоздкой по отношению к массе и геометрическим размерам самого элемента Пельтье. А также отсутствует система оттаивания пробы продукта после проведения замера криоскопической температуры, которая необходима для оперативной замены одного тестируемого образца на другой.
w
Задача направлена на разработку измерительного устройства, позволяющего упростить и ускорить процедуру измерения криоскопической температуры и активности воды в высоковлажных пищевых продуктах при одновременном снижении веса и габаритных размеров его конструкции. В большинстве высоковлажных пищевых продуктов a>0,900 и массовая доля влаги W>40%.
Поставленная задача решается предлагаемым измерительным устройством портативной конструкции для определения криоскопической температуры и активности воды в высоковлажных пищевых продуктах, включающим термоэлектрический холодильник на основе элемента Пельтье, который связан с замораживающим индентором в виде двух пластин из теплопроводящего материала, расположенных параллельно друг другу, между которыми размещен холодный спай игольчатой термопары, откалиброванной в узком диапазоне температур, теплый спай игольчатой термопары, вмонтированный в корпус или шасси устройства, термоэлектрический компенсатор для игольчатой термопары, систему электрического оттаивания для замораживающего индентора, действующую на основе явления обратимости термоэлектрического эффекта и внутреннего сопротивления элемента Пельтье термоэлектрического холодильника, пульт управления, электронный блок управления и обработки сигнала от игольчатой термопары, блок индикации, блок питания, состоящий из малогабаритной аккумуляторной батареи и автоматического зарядного устройства.
Предлагаемое устройство отличается от прототипа следующими признаками:
- использование индентора замораживания в виде двух пластин, расположенных параллельно друг другу, из теплопроводящего материала - меди или алюминия, вместо измерительной ячейки цилиндрической формы;
- введение системы электрического оттаивания для замораживающего индентора, действующего на основе явления обратимости термоэлектрического эффекта и внутреннего сопротивления элемента Пельтье термоэлектрического холодильника;
рабочая
- использование в схеме измерительного устройства игольчатой термопары в качестве термоэлектрического датчика совместно с ее узкополосной калибровкой (t=-20…+1°С) и термоэлектрическим компенсатором;
- применение малогабаритной аккумуляторной батареи в качестве источника питания с автоматическим зарядным устройством вместо сетевого блока электропитания.
Использование индентора замораживания в виде двух пластин, расположенных параллельно друг другу, и игольчатой термопары, внедряемых в толщу исследуемого продукта, позволяет с большей эффективностью концентрировать зону замораживания пищевого продукта в малой области по сравнению с измерительной ячейкой цилиндрической формы. Игольчатая термопара обладает меньшей массой и теплоемкостью по сравнению с термометром электрического сопротивления обмоточного типа. В результате, из-за уменьшения массы исследуемого образца продукта, появляется возможность снизить мощность замораживающего устройства и упростить его конструкцию. Сокращение продолжительности измерения криоскопической температуры позволяет применить малогабаритную аккумуляторную батарею в качестве источника питания вместо сетевого блока электропитания. А также введение системы электрического оттаивания пробы продукта после проведения замера криоскопической температуры делает замену одного тестируемого образца на другой гораздо более оперативной.
На чертеже приведена схема предлагаемого измерительного устройства портативной конструкции для определения криоскопической температуры и активности воды в высоковлажных пищевых продуктах, ближайшим аналогом которой является схема технического средства, описанного в работе [Рогов И.А., Жаринов А.И., Фатьянов Е.В., Алейников А.К., Юзов С.Г. Определение активности воды в пищевых системах и продуктах криоскопическим методом: Метод. указ. - М.: МГУПБ, 2003. - 27 с.]. Ее основными элементами являются: холодильная часть, измерительная часть вместе с электронным блоком управления и обработки сигнала, блок электропитания и пульт управления.
Предлагаемое измерительное устройство состоит из следующих компонентов: термоэлектрического холодильника (ТЭХ) 1, связанного с ним индентора замораживания 2 в виде двух пластин из теплопроводящего материала; холодного спая игольчатой термопары 3, расположенного между пластинами индентора замораживания; теплого спая игольчатой термопары 4, вмонтированного в корпус или шасси измерительного устройства; термоэлектрического компенсатора 5, в качестве которого используется термометр электрического сопротивления пленочного типа или полупроводниковый термоэлемент, также вмонтированного в корпус или шасси измерительного устройства; нормализатора 6, два входа которого связаны с холодным и теплым спаями термопары, а третий вход связан с термоэлектрическим компенсатором; аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 7, вход которого связан с выходом от нормализатора; PiC-контроллера 8, один вход которого связан с выходом от АЦП, второй вход и выход связаны с оперативно-запоминающим устройством (ОЗУ) 9, третий вход и выход связаны с арифметически-логическим устройством (АЛУ) 10, первый выход которого связан с первым входом блока индикации 11 показаний измерительного устройства, четвертый выход которого связан с интерфейсом RS-232 12 для связи с ЭВМ, четвертый вход которого связан с пультом управления 13, пятый выход которого связан с устройством управления мощностью (УУМ) 14, в свою очередь связанным с ТЭХ. Вторые вход и выход ОЗУ и АЛУ также связаны между собой, а третий выход ОЗУ связан со вторым входом блока индикации показаний измерительного устройства. Также второй выход пульта управления связан с третьим входом блока индикации показаний измерительного устройства, а третий выход пульта управления связан с ТЭХ. В схему измерительного устройства входит блок питания (БПА) 15 из малогабаритной аккумуляторной батареи и автоматического зарядного устройства, связанного посредством пульта управления с компонентами холодильной и измерительной части вместе с электронным блоком управления и обработки сигнала технического средства. Связи блока питания с другими элементами конструкции на схеме условно не показаны. Система электрического оттаивания (СЭО) измерительного устройства состоит из ТЭХ 1 и связанного с ним индентора замораживания 2, а также пульта управления 13, замыкающего/размыкающего клеммы ТЭХ, и измерительной части устройства, блок индикации 11 которой отображает результат работы СЭО.
Корпус вместе с шасси измерительного устройства на схеме условно не показаны.
На практике измерительное устройство портативной конструкции для определения криоскопической температуры и активности воды в высоковлажных пищевых продуктах работает следующим образом.
С помощью пульта управления 13 подключают электропитание от малогабаритной аккумуляторной батареи БПА 15 к холодильной части и измерительному блоку технического средства. Замораживающий индентор 2 в виде двух металлических пластин и холодный спай игольчатой термопары 3, применяющий в качестве электрического датчика температуры, внедряют в толщу исследуемого пищевого продукта. С помощью пульта управления 13 включают ТЭХ 1 и подвергают образец продукта охлаждению-замораживанию. Интенсивность работы (мощность) ТЭХ регулируется пультом управления 13 посредством PiC-контроллера 8 и устройства управления мощностью (УУМ) 14 в зависимости от содержания слабосвязанной влаги в продукте (ориентировочно). Сигнал от пульта управления 13 также поступает на блок индикации 11 показаний измерительного устройства для отображения функционального состояния его рабочих органов.
Электрические сигналы от холодного спая игольчатой термопары 3 и теплого спая игольчатой термопары 4 в виде изменения напряжения электрического тока и от термоэлектрического компенсатора 5 в виде изменения резистивного сопротивления поступают в нормализатор 6, где осуществляется сопряжение двух сигналов и их преобразование в аналоговый сигнал электрического напряжения. То есть термоэлектрический компенсатор применяется для корректирования электрического сигнала от игольчатой термопары в зависимости от температуры ее теплого спая. При этом теплый спай игольчатой термопары и термоэлектрический компенсатор находятся в тепловом контакте с тепловой емкостью, в качестве которой используется корпус или шасси технического средства, для снижения тепловых возмущений от окружающей среды.
Далее сигнал проходит обработку в АЦП 7 и принимает цифровую форму, которая выражается в целых и дробных десятичных значениях температуры в центре образца продукта в градусах по Цельсию. Цифровой сигнал, отображающий текущее дискретное значение температуры замораживаемого продукта, направляется в PiC-контроллер 8, который управляет работой измерительного устройства. От него в свою очередь сигнал поступает на жидкокристаллический дисплей блока индикации 11 и одновременно в ОЗУ 9 вместе со значением момента времени при замере нового текущего цифрового значения температуры в продукте в процессе его замораживания с дискретностью ±0,1 С° в виде списка из двух величин. Момент времени замера температуры выражается в цифровой форме в виде целых единиц и дробных десятичных и сотых долях секунды. Значения в этом списке проходят математическую обработку с помощью АЛУ 10. Работа АЛУ 10 и ОЗУ 9 координируется PiC-контроллером согласно математическому алгоритму определения криоскопической температуры, запрограммированного в PiC-контроллере.
Определение криоскопической температуры осуществляется путем дифференцирования (цифрового или, точнее, числового) термограммы охлаждения-замораживания образца исследуемого пищевого продукта с помощью математического алгоритма, предложенного в работе [Юзов С.Г. Определение активности воды в высоковлажных пищевых продуктах по криоскопической температуре // Все о мясе. - 2009. - №1. - С.29-32]. Преимущество данного математического алгоритма заключается в саморегуляции величины текущего интервала времени процесса при числовом дифференцировании термограммы охлаждения-замораживания исследуемого продукта, что позволяет без сбоев в работе измерительного устройства определять криоскопическую температуру при относительно высоком темпе снижения температуры в центре образца порядка 20-70°С/ мин.
w
Использование математического алгоритма реализует метод числового дифференцирования функции/зависимости значения момента времени, при котором происходит смена текущей температуры продукта на одно дискретное значение при измерении длительности процесса охлаждения-замораживания исследуемого образца с точностью до ±0,01 сек, равной разрешающей способности или точности электронного секундомера, в зависимости от текущего значения температуры продукта с дискретностью ±0,1°С, равной разрешающей способности электронного цифрового измерителя температуры, и с точностью применяемого измерителя температуры ±(0,1-0,2)°С, т.е. числовое дифференцирование термограммы охлаждения-замораживания образца продукта основано на преобразовании формы отображения данной зависимости в виде кривой в ломаную ступенчатую линию за счет дискретности показаний электронного цифрового измерителя температуры и несопоставимо малой дискретности показаний электронного цифрового секундомера, в отличие от дифференцирования функции температуры продукта на термограмме охлаждения-замораживания с точностью до ±(0,01-0,03)°С, равной величине погрешности измерителя температуры, в зависимости от времени анализируемого процесса с дискретностью (периодичностью) 3-15 сек, большей или равной разрешающей способности измерителя температуры, °С, разделенной на скорость снижения температуры в криоскопической точке термограммы, °С/сек, с целью нахождения криоскопической температуры. Это позволяет определять значение активности воды с точностью до ±(0,001-0,002) ед. a, что соответствует значению допустимой погрешности измерений для анализаторов активности воды пищевых продуктов в современном конструктивном исполнении импортного производства.
При этом возможны два варианта метода математической обработки термограммы охлаждения-замораживания продукта в зависимости от скорости снижения температуры в центре исследуемой пробы.
з
з
В случае быстрого темпа охлаждения-замораживания пищевого продукта (для продуктов с высокой теплопроводностью, например, большинства мясных, молочных и рыбных продуктов) процесс будет протекать без переохлаждения, криоскопическая температура определяется в точке (t; τ) минимального значения производной функции/зависимости момента времени смены дискретного значения температуры исследуемой пробы на -0,1 С° в зависимости от текущего значения температуры образца продукта в процессе охлаждения-замораживания (значение производной функции отрицательное) на основании следующих математических условий.
Условие 1
где: i - номер замера момента времени и температуры пробы продукта (замер осуществляется в момент перемены показаний термометра на ±0,1°С);
i
t - текущее значение температуры пробы продукта в процессе его охлаждения-замораживания при замере №i, °C;
i
τ - момент времени при замере №i, мин, сек.
где: з - номер замера момента времени и текущего значения температуры исследуемой пробы продукта при смене двух дискретных значений температуры в точке начала замерзания;
з
t - температура продукта при замере №з, °С, т.е. температура начала замерзания исследуемого продукта (криоскопическая температура);
з
τ - момент времени при замере №з, мин, сек («криоскопическая точка»).
где: i - номер замера временного интервала между двумя дискретными значениями температуры продукта;
i
Δτ, - временной интервал между двумя замерами температуры исследуемой пробы продукта, а именно при замере №i и №i+1, мин, сек.
где: з - номер замера временного интервала в точке начала замерзания продукта;
з
Δτ - временной интервал между моментом начала замерзания продукта и последующим замером его дискретного значения температуры, а именно при замере №з, мин, сек («криоскопическая планка»).
i
где t - текущее значение температуры продукта в процессе его охлаждения-замораживания в зависимости от величины временного интервала между двумя замерами дискретного значения температуры исследуемой пробы, °С.
з
з
где t - температура исследуемой пробы в начальный момент и на протяжении временного интервала Δτ (т.е. температура начала замерзания, она же криоскопическая температура исследуемого продукта), °С.
з
з
В случае медленного темпа охлаждения-замораживания пищевого продукта (для продуктов с низкой теплопроводностью и содержащие слабосвязанную влагу, например, свежий и соленый свиной шпик, или сливочное масло и сметана с высоким содержанием жира) процесс будет протекать с переохлаждением. Тогда криоскопическая температура определяется в точке (t; τ') второго изменения в направлении процесса снижения/роста текущего дискретного значения температуры в исследуемом продукте на ±0,1 С° согласно следующим математическим условиям.
Условие 2
Более детально, в первом случае процесса замораживания продукта АЛУ осуществляет вычисление интервалов между соседними моментами времени замера текущего дискретного значения температуры в центре исследуемого образца и поиск максимального интервала времени, который соответствует «криоскопической точке» («криоскопической планке»), в режиме реального времени. По найденному интервалу в списке величин, сохраненному в ОЗУ, АЛУ находит значение температуры продукта, соответствующее начальному моменту замера в найденном интервале времени процесса замораживания продукта. Этому значению PiC-контроллер присваивает криоскопическую температуру исследуемого продукта.
Во втором случае процесса замораживания продукта (с переохлаждением) АЛУ осуществляет вычисление интервалов между соседними текущими дискретными значениями температуры в центре исследуемого образца и поиск интервала температуры, который второй раз поменял свой знак в процессе измерения. Начало этого интервала соответствует «криоскопической точке» («криоскопической планке») в режиме реального времени. По найденному интервалу в списке величин, сохраненному в ОЗУ, АЛУ находит значение температуры продукта, соответствующее начальному текущему значению температуры исследуемого образца в найденном интервале (дифференциале) температуры в процессе замораживания продукта. Этому значению PiC-контроллер присваивает криоскопическую температуру исследуемого продукта.
PiC-контроллер, ОЗУ и АЛУ осуществляют числовое дифференцирование термограммы замораживания исследуемого образца по двум вышеописанным алгоритмам одновременно в режиме реального времени. В рабочей программе приоритет по определению «криоскопической точки» и криоскопической температуры отдается второму алгоритму (термограмма замораживания продукта с переохлаждением).
Окончание процесса числового дифференцирования термограммы охлаждения-замораживания для образца продукта определяет PiC-контроллер по ускорению темпа снижения текущего значения температуры в центре исследуемой пробы после обнаружения максимального временного интервала, во время которого дискретное значение температуры исследуемого образца продукта остается постоянным, или после выявления максимума температуры на термограмме охлаждения-замораживания. То есть после нахождения момента времени выявления «криоскопической точки» и криоскопической температуры. Эта часть алгоритма также программируется в PiC-контроллере измерительного устройства, реализующего данный математический алгоритм определения криоскопической температуры.
По окончании процесса числового дифференцирования термограммы охлаждения-замораживания для исследуемой пробы PiC-контроллер 8 рассчитывает значение активности воды в зависимости от найденного значения криоскопической температуры пищевого продукта по формуле, запрограммированной в PiC-контроллере. Эта формула получена аналитическим путем или эмпирическим методом, непременным требованием к которой является точная корреляция между результатами вычисления и экспериментального определения активности воды прямым методом (манометрический метод определения активности воды). Сравнительные исследования должны быть выполнены одновременно на одних и тех же образцах пищевой продукции.
Например, в измерительном устройстве можно использовать аналитически полученную зависимость значения активности воды высоковлажного пищевого продукта по температуре начала замерзания, предложенную в работе [Кулагин В.Н. Изменение активности воды как показателя качества продуктов при термообработке // Мясная индустрия СССР. - 1982. - № 3. - С.31-33]:
з
где t - температура начала замерзания (криоскопическая температура) высоковлажного пищевого продукта, °С.
С целью дополнительного упрощения схемы и повышения скорости работы технического средства возможна запись значений активности воды внутри продукта в зависимости от криоскопической температуры в виде списка или таблицы-номограммы, запрограммированной в PiC-контроллере. Это позволит осуществлять вычисление значения активности воды в режиме реального времени при определении «криоскопической точки» на термограмме охлаждения-замораживания и криоскопической температуры продукта.
Результат измерения криоскопической температуры и активности воды исследуемого продукта в форме цифрового сигнала с помощью PiC-контроллера записывается в ОЗУ и выводится на блок индикации 11 показаний измерительного устройства, заменяя при этом на дисплее текущее значение температуры продукта, вместе с сопровождающим звуковым сигналом и посредством интерфейса RS-232 12 на ЭВМ (при необходимости).
кр
кр
Для извлечения пластин замораживающего индентора 2 и холодного спая игольчатой термопары 3 (датчик температуры) измерительного устройства из исследуемого продукта осуществляется оттаивание зоны замораживания с помощью самого же ТЭХ 1 и замораживающего индентора 2, которые в режиме размораживания работают как система электрического оттаивания (СЭО). Пуск СЭО производится путем короткого замыкания рабочих клемм ТЭХ 1 с помощью тумблера пульта управления 13. Одновременно осуществляется «сброс памяти» ОЗУ, тем самым подготавливая его к новой серии замеров. Функционирует СЭО под воздействием разности температур пластин замораживающего индентора 2, погруженных в замороженный продукт, и на воздушном радиаторе ТЭХ 1. ТЭХ работает в режиме термоэлектрического генератора и за счет своего же внутреннего сопротивления выделяет тепловую энергию, передаваемую пластинам замораживающего индентора 2 и замороженной части пищевого продукта. Время завершения процесса оттаивания образца продукта определяется с помощью блока индикации 11, на дисплее которого в этот момент должно быть отображено значение температуры исследуемой пробы, равной t≥+1,0°С (для дистиллированной воды) или t≥t+1,0,°С, где t - криоскопическая температура исследуемой пробы продукта, °С. Тумблер управления работой ТЭХ переводится в нейтральное положение, тем самым подготавливая техническое средство к очередному замеру. Возможен вариант автоматического включения и выключения СЭО, сопровождающихся соответствующими сигналами блока индикации.
Малогабаритная аккумуляторная батарея блока питания 15, текущее состояние электрической емкости которой отображается с помощью блока индикации, периодически заряжается автоматическим зарядным устройством от электросети.
Данное устройство для определения криоскопической температуры и активности воды в пищевых продуктах разработано в Проблемной научно-исследовательской лаборатории электрофизических методов обработки пищевых продуктов (ПНИЛЭФМОПП) МГУ прикладной биотехнологии с целью проведения научных исследований, инновационных технологических разработок, производственно-контрольных работ и учебных лабораторных занятий со студентами.
w
С помощью экспериментального лабораторного измерительного устройства (стенд) для определения температуры начала замерзания продуктов, в конструкции которого использовался электронный цифровой термометр на основе платинового датчика электрического сопротивления, со значением допустимой погрешности до ±0,2°С, была показана возможность определять значение активности воды пищевых продуктов с погрешностью до ±0,002 ед. a.
w
При проведении лабораторных испытании была показана надежность и дешевизна технического, в том числе конструктивного, исполнения применяемого высокоскоростного метода определения криоскопической температуры и активности воды для исследования пищевых продуктов и сырья. Получены результаты экспериментального определения криоскопической температуры и активности воды высокой точности в образцах, отобранных во время опытных выработок экспериментальной продукции. В ходе определения активности воды в образцах мясной и молочной продукции было показано, что точность (сходимость) используемого метода в лабораторной версии предлагаемого устройства составляет в среднем ±0,001 ед. a, что сопоставимо со значением допустимой погрешности измерения для современных анализаторов активности воды пищевых продуктов импортного производства.
При определении криоскопической температуры в экспериментальных образцах мясной и молочной продукции вышеназванным устройством было показано, что точность (сходимость и воспроизводимость по дистиллированной воде) составляет в среднем ±0,1°С.
Точное и оперативное определение значения криоскопической температуры продуктов является нужным в пищевых технологиях по причине возможности более обоснованного выбора рационального режима термообработки и хранения сырья и продукции. Предлагаемое устройство, в котором реализуется модифицированный метод определения криоскопической температуры (температура начала замерзания), позволяет установить минимальную температуру хранения высоковлажных пищевых продуктов в охлажденном виде для каждой их ассортиментной принадлежности в отдельности, например, колбасных и других мясных изделий, рыбных и молочных продуктов, что приведет к увеличению срока годности.
Описанное в настоящем изобретении измерительное устройство содержит в микропроцессоре программу на основе модифицированного алгоритма определения криоскопической температуры и активности воды высоковлажных пищевых продуктов. Этот алгоритм, повышающий надежность работы измерительной части устройства, позволяет сократить продолжительность процесса измерения до 0,6-2,0 минут (максимум 3 минуты) при указанной выше точности определения криоскопической температуры и активности воды в продукте. А также сокращение процедуры измерения вместе с использованием игольчатой термопары и замораживающего индентора позволяет достичь настолько малого веса и габаритных размеров технического средства, за счет которых является возможным создание измерительного устройства портативной конструкции.