СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЕЙ НАСЫЩЕНИЯ УГЛЕКИСЛЫМ ГАЗОМ В НАПИТКАХ В ОТКРЫТОЙ ЕМКОСТИ
METHOD OF MEASURING LEVELS OF SATURATION WITH CARBON DIOXIDE IN BEVERAGES IN AN OPEN CONTAINER

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Уровни углекислого газа в напитках могут существенно влиять на вкус и другие свойства, такие как вкусовое ощущение. По этой причине при операциях розлива, как правило, тщательно контролируют уровни насыщения углекислым газом. Коммерчески доступен ряд приборов для определения количества углекислого газа в бутилированных напитках. Одна стандартная методика предполагает вставку пробоотборника через крышку запечатанной емкости (например, заполненной напитком банки или бутылки) и перенос образца жидкости в измерительную камеру. После закрытия измерительной камеры ее объем увеличивают посредством гибкой мембраны или инжектора поршневого типа, герметично установленного в камеру. После этого измеряют равновесное давление, установившееся после расширения, и температуру образца. Затем содержание углекислого газа может быть рассчитано по закону Генри. В патенте США 6,874,351, Bloder et al., описан прибор, выполненный с возможностью учета растворенных количеств кислорода и азота, так что уровни углекислого газа можно измерить точнее.
Хотя такие относительно точные способы методики измерения доступны для измерения уровней насыщения углекислым газом в бутилированных напитках, эти методики не подходят для измерения уровней насыщения углекислым газом в напитках в условиях сообщения с атмосферой, например, в напитках, находящихся в открытой емкости, или в напитках, которые разливают, например, с помощью фонтанного оборудования. Методики измерения уровней насыщения углекислым газом в напитках открытой емкости, как правило, предполагают применение так называемого способа «установления», который включает помещение образца жидкости в измерительный сосуд и затем его встряхивание для достижения равновесного давления. Сосуд часто оборудован манометром и термометром, показания которых могут применяться для расчета уровней насыщения углекислым газом. Такие методики, как правило, менее точны и менее надежны, чем вышеупомянутые методики, применяемые для бутилированных напитков. Ошибки измерений могут быть обусловлены не только применяемым оборудованием, но также и действиями лиц, проводящих измерения, включая отклонения от методик, допускаемые разными операторами. Была бы желательна разработка способа более точного и более надежного измерения уровней насыщения углекислым газом в напитках открытой емкости.
ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В одном аспекте предложен способ измерения уровней углекислого газа в напитке открытой емкости. Количество напитка переносят в сосуд, по меньшей мере частично заполняя его. Затем на сосуде закрепляют крышку с образованием закрытого объема, содержащего напиток. Через крышку вводят пробоотборник для контакта с напитком, и образец переносят из сосуда в измерительный прибор, который применяют для измерения уровня углекислого газа.
В измерительном приборе может применяться ряд разных принципов измерения уровней углекислого газа. В одной методике объем измерительной камеры увеличивают и измеряют равновесное давление увеличенного объема. На основе измеренного равновесного давления и температуры может быть установлен уровень углекислого газа в образце.
В другой методике в измерительном приборе для определения уровней углекислого газа можно применять избирательную мембрану. Мембрана проницаема для углекислого газа, но непроницаема для других газов (азота, кислорода и т. д.). Измеряют количество углекислого газа, проходящего через избирательную мембрану, после чего можно определить количество углекислого газа, присутствующего в образце.
В еще одной методике измерения уровней углекислого газа применяют инфракрасный (ИК) свет. В этой методике луч ИК-света пропускают через образец жидкости. Измеряют угол преломления, и на основе измеренного угла преломления можно определить уровень насыщения образца углекислым газом.
Описанные в настоящем документе способы позволяют значительно повысить точность и надежность измерения уровней насыщения образца углекислым газом в напитках открытой емкости по сравнению с применяемыми в настоящее время методиками «установления». Описанные в настоящем документе способы позволяют применять более точные измерительные приборы, которые до настоящего времени применялись только для бутилированных напитков. Дополнительно, в отсутствие необходимости вручную перемешивать (встряхивать) образец напитка для достижения равновесного давления измерения более надежны и в меньшей степени подвержены влиянию ошибок, связанных с человеческим фактором.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Более полное понимание настоящего изобретения и некоторых его преимуществ может быть достигнуто путем ознакомления с представленным ниже подробным описанием со ссылкой на сопроводительные чертежи.
На ФИГ. 1 представлена блок-схема, иллюстрирующая способ измерения уровней углекислого газа в напитке в соответствии с одним вариантом осуществления изобретения.
На ФИГ. 2 представлен график, иллюстрирующий методику компенсации на растворенные газы, такие как кислород и азот, при измерении уровней углекислого газа.
На ФИГ. 3 представлена схематическая иллюстрация измерительной камеры, которая может применяться в соответствии с одним вариантом осуществления изобретения.
На ФИГ. 4 схематично представлена избирательная мембрана, которая может применяться для измерения уровней углекислого газа в соответствии с другим вариантом осуществления изобретения.
На ФИГ. 5 схематично представлен инфракрасный (ИК) датчик, который может применяться для измерения уровней углекислого газа в соответствии с еще одним вариантом осуществления изобретения.
На ФИГ. 6 представлен изометрический вид сосуда для измерения насыщения углекислым газом, который может применяться в соответствии с одним вариантом осуществления изобретения.
На ФИГ. 7 представлен изометрический вид сосуда для измерения насыщения углекислым газом со снятой резьбовой крышкой.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
В целом описанные в настоящем документе способы конкретно выполнены с возможностью измерения уровней насыщения углекислым газом (диоксидом углерода) в напитках открытой емкости. В настоящем документе термин «открытой емкости» относится к напитку, который был открыт после операций по розливу, например, открытой банке или открытой пластмассовой или стеклянной бутылке, которая может быть повторно закрыта с помощью повторно запечатываемой (например, закручивающейся) крышки. В некоторых случаях может быть полезно измерять уровни насыщения углекислым газом в открытой банке для установления снижения уровня насыщения углекислым газом через заданный (-ые) интервал (-ы) времени. Также может быть полезно измерять уровни насыщения углекислым газом в открытой и затем запечатанной бутылке с газированным безалкогольным напитком (CSD) или газированной водой через заданный (-ые) интервал (-ы) времени для измерения снижения уровня насыщения углекислым газом. Термин «открытой емкости» и аналогичные выражения также относятся к напиткам без емкости, таким как выдаваемые из фонтанного оборудования или т. п. Описанные в настоящем документе способы могут применяться для измерения уровней насыщения углекислым газом газированных напитков любого типа, включая алкогольные и неалкогольные напитки, например, безалкогольные напитки, фруктовые напитки, газированная вода и т. п.
В описанных в настоящем документе способах могут применяться коммерчески доступные приборы для измерения насыщения углекислым газом и подходящий сосуд для измерения насыщения углекислым газом, который может быть выполнен с возможностью применения вместе с конкретным применяемым прибором. Подробное описание подходящих приборов для измерения насыщения углекислым газом и сосудов для измерения насыщения углекислым газом, которые могут применяться, приведено в настоящем документе ниже, хотя следует подчеркнуть, что изобретение не ограничивается подробным описанием конкретного оборудования, представленного в настоящем описании. Напротив, изложенные в настоящем документе принципы могут применяться к измерительным приборам и сосудам для измерения насыщения углекислым газом различных других типов с подходящими модификациями, которые могут потребоваться, которые будут очевидны специалистам в данной области после прочтения настоящего описания.
Прибор для измерения насыщения углекислым газом
Совместно с описанными в настоящем документе способами могут применяться разнообразные приборы для измерения насыщения углекислым газом (иногда называемые в настоящем документе «измерительным прибором» или «прибором»). Ниже в настоящем документе будут рассмотрены три общие категории приборов, хотя следует понимать, что изобретение не ограничено этими конкретными типами приборов. С помощью измерительного прибора первого типа уровни углекислого газа определяют с помощью закона Генри, и в этом приборе увеличивается объем измерительной камеры и измеряются равновесное давление и равновесная температура увеличенного объема. На основе измеренных равновесного давления, равновесной температуры и известного объема может быть установлен уровень углекислого газа в образце.
В приборе этого конкретного типа измерительная камера выполнена с возможностью расширения для обеспечения равновесного давления измеряемого образца в одном или более увеличенных объемах. Один пример такого прибора описан в патенте США 6,874,351, Bloder et al., описание которого полностью включено в настоящий документ путем ссылки. Такой прибор коммерчески доступен от компании Anton Paar под торговым названием CarboQC. Прибор позволяет свести к минимуму влияние других газов, растворенных в образце жидкости (особенно азота и кислорода), на содержание углекислого газа. Можно установить фактические значения растворимости и/или давления насыщения отдельных газов, растворенных в образце жидкости, и, таким образом, также можно определить количественные содержания этих газов.
При увеличении объема образца жидкости в измерительной камере из исходной отдельной жидкой фазы, в которой растворены все газы, образуется жидкая фаза и газовая фаза. Вследствие сильно отличающихся значений растворимости углекислого газа, кислорода и азота в образце жидкости соотношение парциальных давлений отдельных газов в газовой фазе существенно отличается от соотношения давлений насыщения растворенных газов в исходном (до расширения) образце жидкости. Общий принцип заключается в том, что чем ниже растворимость газа в жидкости, тем сильнее парциальное давление газа, растворенного в жидкости, будет снижаться при увеличении объема.
Для определения количеств двух или более газов, растворенных в образце жидкости, реализуют два или более этапов увеличения. После каждого из этапов увеличения объема измеряют равновесное, а затем установившееся давление и преобладающую температуру. На основании установленных значений рассчитывают количественные содержания, а при необходимости также значения растворимости и/или давления насыщения отдельных газовых компонентов. В результате увеличения объема на основании законов Генри и Бойля в газовой фазе возникают следующие парциальные давления:
s
p' = p / (l + k / (L * p))
p' представляет собой парциальное давление газа после увеличения объема измерительной камеры;
p представляет собой исходное давление насыщения газа в жидкости;
k представляет собой коэффициент увеличения объема;
L представляет собой растворимость газа в образце жидкости; и
s
p представляет собой нормальное давление (0,1 MПа (1 бар)).
С помощью многоэтапного способа объемного расширения, описанного в патенте США 6,874,351, Bloder et al., также могут быть определены значения растворимости углекислого газа и/или других газов, растворенных в образце жидкости. Это особенно важно, когда необходимо определить количественные содержания нескольких газов, растворенных в образце жидкости, а значения растворимости отдельных определяемых растворенных газов в самой фактической жидкости точно не известны. Это происходит часто, поскольку остальная часть композиции образца жидкости оказывает сильное воздействие на значения растворимости растворенных в ней газов. Например, значения растворимости вышеупомянутых газов в кислом напитке могут существенно отличаться от значений растворимости этих же газов в чистой воде.
Если газ, растворенный в образце жидкости, присутствует в гораздо большем количестве, чем все остальные растворенные в нем газы, а также если значения растворимости других газов существенно ниже и, возможно, даже равны, эти остальные газы можно рассматривать как единый газовый компонент. Это дает преимущества, если, например, кроме содержания углекислого газа в образце следует определить только, например, содержание воздуха или если необходимо устранить лишь воздействие всех остальных растворенных газов на устанавливаемое содержание углекислого газа. В этом случае в системе уравнений для «гипотетической» растворимости «остальных» растворенных газов можно применять средневзвешенное значение их фактических значений растворимости.
Если, например, определяют лишь содержание и растворимость CO2, а кислород и азот растворены лишь в незначительной степени, посредством двух соответственно больших увеличений объема, например, на 10% и на 20%, воздействие кислорода и азота может быть снижено до такой степени, что им можно пренебречь, и для его учета не требуются конкретные этапы увеличения объема. Вследствие очень низких значений растворимости кислорода и азота их парциальные давления в газовой фазе заметно снижаются в результате увеличения объема и более не являются значимыми.
Поскольку растворимость газов в жидкостях существенно зависит от температуры, то кроме обычных измерений при температурных условиях, которые остаются практически постоянными, может быть целесообразно измерять температуру образца жидкости и включать ее в расчеты. Если процедура предполагает только одну измерительную камеру, в которой этапы увеличения объема выполняются один за другим, легко обеспечить постоянство условий измерения.
На ФИГ. 2 графически представлен принцип многократного объемного расширения для целей устранения влияния растворенного воздуха и/или азота на результат измерения. Содержание CO2 измеряют при двух разных объемных расширениях измерительной камеры, например, на 10% и 30%. Если два результата идентичны, можно сделать вывод о том, что растворенный воздух или азот отсутствует, и, таким образом, коррекция не требуется. Если присутствует растворенный воздух или азот, то второй результат будет меньше первого. Затем разность между двумя результатами может применяться для расчета поправки для устранения таким образом влияния растворенного воздуха или азота на результат измерения.
В некоторых примерах для увеличения объема измерительной камеры может применяться инжектор поршневого типа. В других примерах для увеличения объема измерительной камеры может применяться деформируемая мембрана с возможностью восстановления, например, изготовленная из эластомера или т. п. Однако для увеличения объема измерительной камеры могут применяться и другие методики, при условии, что при объемном(-ых) расширении(-ях) поддерживается герметичность. В дополнение к выполнению измерений равновесного давления, как описано ранее, для определения содержания отдельных растворенных в жидкости газов также могут применяться избирательные газовые датчики.
При необходимости для стимуляции кавитационных эффектов при осуществлении требуемого достижения равновесного давления в измерительной камере может применяться ультразвуковой преобразователь с регулируемой мощностью. Для конкретной анализируемой жидкости может быть установлена соответствующая величина применяемой ультразвуковой энергии.
В процессе эксплуатации герметичная измерительная камера может быть полностью заполнена образцом жидкости и герметично закрыта. Одна частичная область границы или стенки ее внутреннего пространства может применяться для изменения объема ее внутреннего пространства. Положение и/или геометрическая форма поверхности частичной области изменяются с полным сохранением герметичности. Если в качестве частичной области применяется мембрана, она изначально может находиться в стандартном положении и иметь стандартную геометрическую форму. Мембрана может быть выполнена с возможностью перемещения и/или деформации в по меньшей мере одно определенное положение и/или одну геометрическую форму поверхности, воздействие которых заключается в увеличении объема внутреннего пространства измерительной камеры, соответствующего в каждом случае регулируемому коэффициенту увеличения объема. Если необходимо избирательно определять два или более газов, растворенных в жидкости, положение и/или геометрическая форма поверхности частичной области границы внутреннего пространства или стенки измерительной камеры могут изменяться таким образом, что она может перемещаться и/или деформироваться в по меньшей мере два взаимно отличающихся определенных положения и/или две взаимно отличающиеся геометрические формы поверхности.
Другой не имеющий ограничительного характера пример устройства для измерения насыщения углекислым газом, в котором используются поршни для создания объемного расширения образца, описан в патенте США 4,726,769, Wieland et al., описание которого полностью включено в настоящий документ путем ссылки.
На ФИГ. 3 схематично представлено устройство 60 для измерения насыщения углекислым газом, имеющее впускной клапан 64a для доставки образца в измерительную камеру 65. Объем измерительной камеры 65 может быть увеличен путем приведения поршня 63 в действие. Клапан 62 потока позволяет регулировать поток образца в измерительную камеру 65. По завершении измерений образец выгружают из измерительной камеры 65 через выпускной клапан 64b.
Измерительный прибор второго типа, который может применяться, предполагает избирательную мембрану, в частности мембрану, которая является проницаемой для углекислого газа, но непроницаемой для других газов. После отделения углекислого газа от остальных жидких и газообразных компонентов в образце для определения уровня углекислого газа может применяться подходящее устройство. Например, в устройстве одного типа, производимом компанией Hach Orbisphere, для измерения количества CO2, проникающего через избирательную мембрану, применяется теплопроводность. Избирательная мембрана служит фильтром для отделения углекислого газа от образца и образования пермеата, богатого CO2, как показано схематически на Фиг. 4. Производительность мембраны определяют две основные характеристики: проницаемость (поток конкретного газа через мембрану) и избирательность (предпочтение в прохождении одного вида газа через мембрану, но не другого). Существует несколько возможных механизмов мембранного разделения, включая кнудсеновскую диффузию, молекулярную фильтрацию, разделение «растворение-диффузия», поверхностную диффузию и капиллярную конденсацию. Молекулярная фильтрация и растворение-диффузия являются основными механизмами действия большинства газоразделительных мембран. Кнудсеновское разделение основано на прохождении молекул газа через поры мембраны, которые достаточно малы для предотвращения объемной диффузии. Разделение основано на различии в среднем пробеге молекул газа из-за столкновений со стенками пор, что связано с молекулярной массой. В частности, избирательность для любой пары газов определяется обратным отношением квадратного корня от их молекулярной массы. Для разделения CO2/N2, например, согласно кнудсеновской диффузии, избирательность составляет меньше единицы.
Молекулярная фильтрация основана на фильтрации по размеру для разделения газовых смесей. Поры внутри мембраны имеют контролируемый размер относительно кинетического диаметра (диаметра фильтрования) молекулы газа. Это позволяет осуществлять диффузию газов с более мелкими молекулами гораздо быстрее, чем больших молекул газа. В этом случае для CO2/N2 избирательность больше единицы, поскольку CO2 имеет меньший кинетический диаметр, чем N2. Поверхностная диффузия представляет собой миграцию адсорбированных газов вдоль стенок пор пористых мембран. Скорость поверхностной диффузии определяется уровнем взаимодействия между адсорбированными газами и поверхностью пор. Таким образом, молекулы диффундируют вдоль стенок пор в зависимости от силы этого взаимодействия, и разделение в основном достигается за счет разницы в степени этого взаимодействия для отдельных газов. Распространение поверхностной диффузии происходит тогда, когда давление паров становится низким, причем может происходить частичная конденсация адсорбированного газа внутри пор. Этот конденсированный компонент диффундирует через поры быстрее, чем газы, вызывая разделение конденсируемого газа. Это явление известно как капиллярная конденсация.
Полимерные мембраны, как правило, являются непористыми, и, следовательно, проницаемость газа через них характеризуется механизмом «растворение-диффузия». Это обусловлено растворимостью конкретных газов внутри мембраны и их диффузией через плотную матрицу мембраны. Таким образом, разделение зависит не только от диффузии, но также зависит от физико-химического взаимодействия между различными видами газа и полимером, которое определяет количество газа, который может накапливаться в полимерной матрице мембраны.
Третий тип измерительного прибора, который может применяться, включает пропускание луча инфракрасного (ИК) света через образец жидкости и измерение угла преломления для определения уровня насыщения образца углекислым газом. Поглощение инфракрасного излучения в газе происходит на атомном и молекулярном уровнях. В случае CO2 многоатомная молекулярная структура определяет моды возбуждения фотонов и скорости обмена энергией, и, следовательно, длины волн, при которых происходит поглощение оптической энергии. Поскольку этот эффект поглощения происходит на молекулярном уровне, поглощение инфракрасного излучения по данному пути передачи зависит от количества присутствующих молекул. Величина поглощения на 4,26 микрометра прямо пропорциональна молекулярной фракции присутствующего CO2. Кроме того, поскольку давление и температура влияют на плотность газа, поглощение также зависит от давления и температуры, при которых выполняются измерения поглощения инфракрасного излучения.
Это явление избирательного оптического поглощения применяется в качестве способа определения присутствия и числа газообразных компонентов, растворенных в жидкости. Например, в базовой общепринятой методике определения CO2 применяется источник инфракрасного излучения (как правило, лампа накаливания) и детектор инфракрасного излучения (как правило, полупроводниковый фотодиод) в закрытой камере, в которую вводят образцы газа для проведения испытаний. В качестве оптического окна фотодиодного детектора применяется узкополосный интерференционный фильтр, который определяет его избирательность только для поглощения излучения с длиной волны 4,26 микрометра. Для заданной длины оптического пути в испытательной камере выход фотодетектора может быть откалиброван с применением газовых смесей с известной концентрацией газа CO2, чтобы обеспечить подходящий прибор для регистрации CO2, растворенного в образцах жидкости. Базовая чувствительность этого устройства зависит от точности настройки интерференционного фильтра, так чтобы свести к минимуму количество достигающего детектора инфракрасного излучения, не связанного с поглощением CO2, длину оптического пути, содержащего молекулы CO2, стабильность свечения источника инфракрасного излучения и стабильность реакции детекции фотодиодного детектора. Другие факторы, которые могут влиять на чувствительность и точность калибровки способа, включают возможный турбулентный поток в образце газа, проходящий через испытательную камеру, износ источника и детектора инфракрасного излучения и накопление загрязнений на оптических окнах источника и детектора.
Один пример основанного на ИК-излучении измерительного прибора показан схематически на ФИГ. 5. Скомпенсированный ИК-датчик 100 CO2 имеет два оптических пути, но лишь один источник 102 ИК-излучения и один детектор 103 ИК-излучения. Пара фиксированных фильтров 106a и 106b оптических помех в комбинации с оптическим модулятором 108 обеспечивают раздельные и независимые измерения при 4,26 микрометра (длина волны при ослаблении газом) и 3,9 микрометра (эталонная длина волны). Путем нормализации измерения поглощения при 4,26 микрометра с измерением при 3,9 микрометра компенсируют эффекты износа ИК-источника 102 и детектора 103, а также в некоторой степени эффекты загрязнения оптических окон.
Образец может быть введен через входное отверстие 101а в камеру 101 и выведен через выходное отверстие 101b после измерения. Камера 101 может иметь по существу трубчатую форму и круглое поперечное сечение. Внутренние элементы, а именно коллиматорная линза 105, фильтры 106а и 106b, модулятор 107 и фокусирующая линза 108, могут иметь круглую форму, чтобы по существу соответствовать внутреннему диаметру камеры 101. Коллиматорная линза 105 коллимирует инфракрасное излучение от источника 102. Фокусирующая линза 108 фокусирует излучение на детектор 103. Линзы 105 и 108 представляют собой, как правило, сапфировые или германиевые линзы.
Если камера 101 является цилиндрической, каждый из фильтров 106а и 106b может иметь полукруглую геометрическую форму. Один фильтр фильтрует первую половину поперечного сечения коллимированного излучения вдоль длины камеры 101, а другой фильтр фильтрует другую половину сечения коллимированного излучения. Один фильтр является избирательным для длины волны 3,9 микрометра, а другой является избирательным для длины волны 4,26 микрометра. Эффект фильтров 106а и 106b заключается в разделении пути излучения пополам таким образом, что одна половина содержит излучение с длиной волны 4,26 микрометра, а другая половина содержит излучение с длиной волны 3,9 микрометра.
Модуляторы 107a и 107b моделируют излучение, проходящее через фильтры 106a и 106b соответственно. Геометрическая форма модуляторов 107а и 107b соответствует геометрической форме фильтров 106а и 106b, так что каждый модулятор имеет полукруглую геометрическую форму. Модуляторы 107a и 107b функционируют как чередующиеся затворы для блокировки и пропускания излучения, передаваемого через фильтры 106a и 106b. Они работают последовательно таким образом, что детектор 103 последовательно и периодически принимает эталонный сигнал от фильтра 107a и сигнал, ослабленный CO2, от фильтра 107b (или наоборот).
Модуляторы 107a и 107b могут быть реализованы с применением жидкокристаллических устройств (LCD), например, двухсекционных жидкокристаллических модуляторов. LCD-матрица может применяться таким образом, что ее верхняя часть применяется для модуляции излучения от фильтра 106а, а его нижняя часть применяется для модуляции излучения от фильтра 106b. Таким образом, две части выполнены с возможностью независимого функционирования.
Для управления модуляторами 107a и 107b и нормализации сигнала 4,26 микрометра с сигналом 3,9 микрометра могут применяться стандартные электронные схемы и устройства обработки (не показаны). Ослабление сигнала в модуляторе 107b зависит от количества CO2, присутствующего на оптическом пути внутри камеры 101. Более подробно ИК-датчик CO2 описан в патенте США № 6,969,857, Owen, описание которого полностью включено в настоящее описание путем ссылки.
Сосуд для измерения насыщения углекислым газом
Для сбора напитка открытой емкости и его подачи в прибор для измерения насыщения углекислым газом в подходящем для анализа состоянии может применяться подходящий сосуд для измерения насыщения углекислым газом. Сосуд для измерения насыщения углекислым газом, как правило, должен быть выполнен с возможностью сохранения состояния жидкости с растворенными в ней газами и должен иметь подходящую крышку (например, завинчивающуюся крышку или т. п.) для предотвращения выхода газов из образца и растворения любых газов из окружающей среды в образце жидкости.
На ФИГ. 6 и 7 представлен пример применяемого сосуда 50 для измерения насыщения углекислым газом. Сосуд 50 представляет собой модифицированный вариант сосуда для измерения насыщения углекислым газом, производимого компанией TapRite (изделия № 2701-16A и № 2701-15). Сосуд 50 для измерения насыщения углекислым газом содержит по существу цилиндрическую емкость 56 для удержания объема напитка и крышку 54, которую можно закрепить для образования герметично закрытого объема. Коммерчески доступный сосуд имеет три отверстия в завинчивающейся крышке 54, через которые вставляют датчики (не показаны). В модифицированном варианте, показанном на ФИГ. 6, три отверстия герметично запечатаны крышками 52а–52с. Другая модификация заключается в том, что приблизительно в центре крышки 54 образовано отверстие, через которое устанавливают клапан 53. Клапан 53 позволяет вводить пробоотборник (не показан) в закрытый объем для извлечения образца из емкости 56, а в ином случае поддерживаются герметичные условия. Как показано на ФИГ. 7, крышка 54 может быть прикреплена к корпусу 56 емкости путем накручивания по резьбе 55. В качестве дополнительного средства обеспечения герметичной среды может быть предусмотрена шайба 51.
Дополнительная модификация коммерчески доступного сосуда заключается в том, что форма нижней части 58 сосуда 50 может быть модифицирована таким образом, чтобы нижняя часть 58 входила в приемник применяемого устройства для переноса образца. Например, если устройство для переноса образца выполнено с возможностью приема банки стандартного размера 0,35 л (12 унций), нижняя часть 58 сосуда 50 для измерения насыщения углекислым газом может иметь форму, соответствующую нижней части банки стандартного размера 0,35 л (12 унций), так что сосуд 50 может быть принят в приемник устройства для переноса образца.
Несмотря на то что показан резьбовой корпус 54, для крепления крышки может применяться любое другое подходящее средство, например, защелка или запорный механизм другого типа. Чаще всего образец напитка переносят из вмещающей его емкости (или непосредственно из фонтанного раздаточного устройства) в сосуд 50. Однако при желании напиток вместе с вмещающей его емкостью (например, одноразовой чашкой с крышкой или без крышки) может быть помещен в сосуд 50. В этой ситуации пробоотборник вставляют через клапан 53 и через крышку одноразовой чашки (при наличии) для контакта с напитком.
Дополнительно, хотя отверстие для приема клапана 53 показано как центрированное относительно верхней поверхности корпуса 54, следует понимать, что возможны различные другие конфигурации, включая расположение отверстия в месте корпуса 54, отличном от центра верхней поверхности. Отверстие может быть расположено в любом месте при условии, что оно позволяет осуществлять соответствующий перенос образца жидкости.
Для охлаждения сосуда для измерения насыщения углекислым газом может применяться небольшая емкость для ванны (не показана), содержащая смесь «лед/вода», или теплообменник другого подходящего типа. Охлаждение образца напитка может иметь преимущества с точки зрения сохранения как можно большего количества растворенного в объеме образца СО2.
Устройство для переноса образца
Одна из проблем, возникающих при измерении уровней насыщения углекислым газом, в особенности для напитков открытой емкости, заключается в том, что при переносе образца возможна потеря углекислого газа и/или растворение внешних газов в образце жидкости. Для сведения к минимуму этих рисков имеет преимущество перенос образцов с применением системы для наполнения, предназначенной для предотвращения переноса газа в образец жидкости и из него. Подача сжатого газа в свободное пространство емкости, например, снижает риск потери CO2 из образца. Примером коммерчески доступного устройства, которое может применяться, является устройство для пробивания и наполнения (PFD), производимое компанией Anton Paar. PFD содержит пробоотборник (не представлен), который вводят через клапан 53 сосуда для измерения насыщения углекислым газом. Образец напитка переносят с применением сжатого инертного газа, так что количество растворенного газа, например, углекислого газа и кислорода, не изменяется во время переноса.
ПРИМЕР 1
Следующий пример приведен в целях иллюстрации, и его не следует рассматривать как ограничивающий объем настоящего изобретения. Со ссылкой на блок-схему, показанную на ФИГ. 1, этот пример иллюстрирует способ измерения уровней насыщения углекислым газом в открытых банках с безалкогольным напитком с применением описанного выше прибора Anton Paar CarboQC, оснащенного устройством для пробивания и наполнения (PFD).
Сначала необходимо проверить поток образца. На ФИГ. 3 показано, что поток через измерительную камеру 65 должен быть таким, чтобы, когда время наполнения установлено на приблизительно 30 секунд, расходовалось приблизительно 150 мл образца. Расход можно регулировать, поворачивая клапан 62 потока по часовой стрелке для уменьшения и против часовой стрелки для увеличения потока образца. Значительно более низкие или более высокие значения расхода могут приводить к ошибочным измерениям вследствие перелива образца в измерительную камеру 65 или появления в ней газовых пузырьков. Расход необходимо регулировать так, как это необходимо, до начала проведения испытания, но его не нужно проверять перед каждой операцией. Минимальный объем промывки должен составлять по меньшей мере 150 мл, 100 мл для идентичных образцов. Минимальное время промывки должно составлять не менее 20 секунд или более 35 секунд.
Для проверки расхода мерный стакан или градуированный цилиндр можно применять следующим образом. Т-образный соединитель шланга 64b для выпуска образца вставляют в мерный стакан, заполненный по меньшей мере 150 мл деионизированной воды. Выбирают меню «instrument» (прибор) > «rinse» (промывка) и устанавливают время промывания 30 секунд. Устанавливают клапан 62 потока приблизительно на 10%-й поток, т. е. вблизи положения минимального потока. Проводят измерение согласно описанию ниже. Проверяют объем израсходованной жидкости (он должен составлять 150 мл). Если значение объема не находится в требуемом диапазоне, немного открывают или закрывают клапан 62 потока или регулируют время промывки и повторяют эти этапы до тех пор, пока объем не достигнет требуемого диапазона.
Градуированная бутылка может применяться для контроля расхода следующим образом. Делают отметки объема «0» и «150 мл» на прозрачной ПЭТ-бутылке емкостью 0,5 л (16 унций) или аналогичного размера. Чтобы правильно нанести эти отметки на бутылку, применяют воду и градуированный цилиндр или весы. Бутылку заполняют до отметки «0» деионизированной водой и закрывают. Вставляют бутылку в PFD. Выбирают меню «instrument» (прибор) > «rinse» (промывка) и устанавливают время промывания 30 секунд. Устанавливают клапан 62 потока приблизительно на 10%-й поток, т. е. вблизи положения минимального потока. Проводят измерение согласно описанию ниже. Проверяют объем израсходованной жидкости (он должен составлять 150 мл). Если значение объема не находится в требуемом диапазоне, немного открывают или закрывают клапан 62 потока или регулируют время промывки и повторяют эти этапы до тех пор, пока объем не достигнет требуемого диапазона.
Взвешивание может применяться для контроля расхода следующим образом. Взвешивают полную бутылку или банку с напитком и записывают значение массы. Вставляют тару в PFD. Выбирают меню «instrument» (прибор) > «rinse» (промывка) и устанавливают время промывания 30 секунд. Устанавливают клапан 62 потока приблизительно на 10%-й поток, т. е. вблизи положения минимального потока. Проводят измерение согласно описанию ниже. Извлекают тару из PFD и повторно взвешивают ее. Масса должна уменьшиться на 150 г.
Процедура измерения
При сборе образца для измерения насыщения углекислым газом из системы в сосуд для измерения насыщения углекислым газом следует понимать, что процесс переноса может влиять на показания насыщения углекислым газом. Способ сбора образца из системы для этой системы должен быть стандартизован с целью обеспечения согласованных показаний. Желательно наполнять емкость образцом до ее верхней части. После того как образец будет собран в сосуд для измерения насыщения углекислым газом, сосуд для измерения насыщения углекислым газом осторожно перемещают в PFD, чтобы свести к минимуму какое-либо влияние на насыщение углекислым газом.
Начинают с приготовления небольшой ледяной/водяной ванны. Помещают дно сосуда для измерения насыщения углекислым газом в ледяную/водяную ванну на по меньшей мере 10 минут.
Пробоотборную трубку PFD перемещают в самое верхнее положение. Защитный экран полностью отводят вверх. Снимают переходник ПЭТ-бутылки. При необходимости регулируют положение пробивающей головки. Дно сосуда для измерения насыщения углекислым газом извлекают из ледяной ванны. Воду, оставшуюся на дне сосуда для измерения насыщения углекислым газом, стряхивают. Собирают образец для измерения насыщения углекислым газом из измеряемой системы. Помещают дно сосуда для измерения насыщения углекислым газом на ровную поверхность и плотно прикручивают крышку. Вставляют сосуд для измерения насыщения углекислым газом в PFD (дно должно плотно прилегать к вырезу). Надавливают на защитный экран вниз до зацепления с предохранительным штифтом. Удерживая защитный экран внизу, тянут за рычаг для активации. Опускают пробоотборную трубку PFD в сосуд для измерения насыщения углекислым газом до тех пор, пока она не окажется на уровне приблизительно 0,64 см (1/4дюйма) от дна сосуда для измерения насыщения углекислым газом (при этом следует избегать касания дна), а затем закрепляют пробоотборную трубку.
После этого выбирают подходящий способ на приборе для измерения насыщения углекислым газом для испытуемого образца (например, безалкогольного напитка с сахаром, диетического безалкогольного напитка и т. д.). Разные способы позволяют учитывать разную растворимость углекислого газа в разных напитках. Могут быть разработаны пользовательские способы для учета распределения углекислого газа между газом в свободном пространстве и жидкостью, присутствующей в бутылках или банках.
Нажимают <Start> («Запуск») для начала измерения. Сначала промывают измерительную камеру и заполняют ее 150 мл нового образца. Измерительную камеру визуально осматривают, чтобы обеспечить протекание образца без образования пузырьков. Если пузырьки не исчезают через приблизительно 15 секунд, может потребоваться очистка фильтра. Проверяют давление подачи сжатого газа. Оно должно составлять 0,6 ± 0,05 MПa (6 ± 0,5 бар отн. (87 ± 7 фунтов на кв. дюйм)).
После того как промывка будет завершена, начнется анализ. Поршень будет перемещаться вниз до первой остановки, а затем до второй остановки при непрерывной работе перемешивателя. Если в образце имеется высокое содержание частиц (например, мякоть), то сито фильтра может засориться. Это может привести к снижению давления в измерительной камере. Во время заполнения емкости образцом проверяют давление. В случае применения PFD давление не должно опускаться ниже 0,5 МПа (5 бар (70 фунтов на кв. дюйм абс.)). Если сито полностью засорено, в шланге между фильтром и измерительной камерой и в самой измерительной камере образуются пузырьки и пена.
Для получения результата измерения необходимо подождать приблизительно 90 секунд. Результат измерения будет отображен, сохранен на запоминающем устройстве и при необходимости распечатан. Затем поршень будет перемещен вверх, но измерительная камера останется закрытой.
На PFD перемещают пробоотборную трубку в самое верхнее положение и закрепляют ее. Нажимают на рычаг для активации, чтобы отключить систему. Защитный экран перемещают в самое верхнее положение и снимают сосуд для измерения насыщения углекислым газом. Необязательно с помощью весов проверяют, правильное ли количество образца было взято из бутылки или банки.
Если не нужно проводить дальнейших измерений, систему очищают. Если прибор не использовался более 30 минут после последнего измерения образца, то прибор промывают деионизированной водой. Регулярные проверки нулевой точки с применением деионизированной воды позволяют обеспечить надлежащую функциональность прибора. Проверка нулевой точки, проводимая с применением деионизированной воды, должна давать 0 ± 0,03 г/л (0 ± 0,02 об.). Если проверку и регулировку нулевой точки выполняют с применением воды, содержащей CO2, это приведет к неоправданному смещению.
В измерительную камеру следует переносить лишь уравновешенные для переноса образцы. Если образцы не уравновесить (встряхнуть) перед анализом, это может привести к получению ошибочных результатов или плохой воспроизводимости.
Давление заполнения, отображаемое на дисплее CarboQC, должно составлять от 0,55 до 0,6 МПа (от 5,5 до 6 бар) относительно от 0,54 МПа до 0,6 МПа (от 79 фунтов на кв. дюйм до 87 фунтов на кв. дюйм), и измерительная камера должна быть заполнена без пузырьков. Слишком низкие значения давления подачи образца во время заполнения емкости образцом может привести к образованию пузырьков в камере для образца. Следовательно, исходный объем будет включать пузырьки газа, что приведет к получению неверных результатов.
В таблице 1 ниже представлены данные валидации в одной и нескольких лабораториях для безалкогольного напитка марки Pepsi в металлических банках. Для валидации в нескольких лабораториях при среднем объеме газа 3,6 и 2% RSD от 1% (измеренном по стандартной процедуре CarboQC, TM200.082) следует ожидать, что измеренное по этой процедуре насыщение углекислым газом (AMS-001) будет соответствовать среднему объему газа 3,4 с 2% RSD от 2,71% при условии, что банки охлаждены. Результаты одиночной лаборатории аналогичны: средний объем газа 3,62 с 2% RSD от 0,17% с применением TM200.082 и 3,43 с 2% RSD от 2,26% с применением AMS-001.
В таблице 2 ниже представлены данные для безалкогольного напитка марки Mountain Dew. В результатах от нескольких лабораторий показана минимальная разница для двух способов. Для TM200.082 средний объем газа составил 2,41 с 2% RSD от 1,68%, а для AMS-001 средний объем газа составил 2,35 с 2% RSD от 1,69%.
Приведенное выше описание следует рассматривать как имеющее иллюстративный, а не ограничительный характер. Следует понимать, что могут быть предложены различные модификации без отклонения от сущности или объема изобретения, описанного и заявленного в настоящем документе.