Общая постановка проблемы

Карамель по объему производства занимает одно из первых мест среди различных видов кондитерских изделий. Для выпуска карамели высокого качества с минимальными затратами сырья и энергоносителей необходимо в течение всего технологического процесса приготовления карамельного сиропа (уваривания сиропа) осуществлять его постоянный тех-нохимический контроль. Основными контролируемыми параметрами являются процентное содержания сахара (концентрация сахара) в сиропе, температура сиропа, продолжительности обработки, вязкость сиропа в слегка охлажденном состоянии [1].

Известно [1], что концентрацию сахара в сиропе (в растворе сахара) можно определить косвенным путем по результатам измерения температуры раствора и его плотности. В [3] показано, что наиболее приемлемым способом измерения текущей плотности сиропа в реальном времени является применение гидростатического метода. Принцип измерения плотности этим методом основан на использовании зависимости между плотностью жидкости ρ и ее гидростатическим давлением Р на определенной глубине h, измеряемой от поверхности жидкости:

где g — ускорение силы тяжести.
При постоянной высоте столба жидкости его гидростатическое давление служит мерой плотности жидкости (раствора). Давление столба жидкости можно измерять с помощью пре-образователя разности давлений.

На рис. 1 показана схема гидростатического плотномера [4], в котором текущее значение плотности карамельного сиропа определяется по разности давлений и с помощью измерительного преобразователя разности давлений преобразуется в пропорциональный электрический сигнал. Сироп находится в емкости 1, в которой поддерживается примерно посто-янный уровень (что принципиально не обязательно). Газ (воздух, нагнетаемый компрессором) при небольшом избыточном давлении поступает в трубки 2 и 3 плотномера, барботиру-ет через сироп и выходит в атмосферу. Одновременно давление газа в трубке 2 (и 3), равное давлению столба сиропа высотой h1 (и h2), подается на вход измерительного преобразователя разности давлений 4. Таким образом, с помощью двух трубок разной длины, помещенных в сироп, и измерительного преобразователя разности давлений (ИПРД) осуществляется измерение перепада давления P, обусловленного разностью уровней h=h1–h2. Текущие значения перепада давления P(t) и плотность сиропа ρ(t) связаны между собой зависимостью

(где k=h*g=const), так как база измерения h=const. Выходной сигнал ИПРД, пропорциональный текущему значению перепада P(t), пересчитывается в специальном устройстве в текущее значение плотности сиропа, а по текущей плотности ρ и температуре сиропа T рассчитывается концентрация сахара C(t) в сиропе.

Рисунок 1 — Схема гидростатического плотномера

Таким образом, метод измерения концентрации сахара в сиропе по плотности и температуре с использованием гидростатического плотномера позволяет выполнять измерения текущих значений плотности и концентрации сиропа в реальном времени, что очень важно для осуществления постоянного технохимического контроля процесса и его автоматизации.

Постановка задачи исследования.

В работе [4] оценена погрешность измерения концентрации C сахарного сиропа кос-венным методом по результатам измерения температуры T и плотности ρ гидростатическим плотномером. Установлено, что в приведенной на рис. 1 схеме плотномера при базе измерения h=0,1 м предельное значение абсолютной погрешности измерения разности давлений в диапазоне (1,3…1,5) кПа составляет ± 4Па даже при использовании наиболее точного стандартного ИПРД (предел допускаемой приведенной погрешности ϒ_P=± 0,25%) с верхним пределом измерения 1,6 кПа. При этом предельная погрешность измерения плотности сахар-ного сиропа в диапазоне (1,3…1,5) г/см³ составляет ± 0,004 г/см³, а доверительная граница погрешности определения концентрации сиропа (Р=0,95) в диапазоне температур (100…150)C вдвое превышает погрешность лабораторного рефрактометра РПЛ-3 и равна 0,7% (ед. конц.). Совершенно очевидно, что эта погрешность велика и для практического применения устройства должна быть уменьшена хотя бы в 2-3 раза.

Очевидно, что значительная погрешность измерения плотности сиропа в приведенной схеме обусловлена тем, что сравнительно малые изменения разности давлений, обусловленные изменением плотности сиропа при уваривании, измеряются на фоне значительной разности давлений (± 1,5 кПа).

Решение задачи, результаты исследований.

Анализ структуры и оценка соотношения составляющих погрешности измерения кон-центрации сиропа (косвенного измерения) с использованием гидростатического плотномера позволяют сделать следующие выводы:

а) вклад погрешности измерения плотности сиропа в погрешность измерения его кон-центрации в 5-6 раз превышает вклад погрешности измерения температуры (при ϒ_P=± 0,25%), что обусловлено более сильной зависимостью концентрации сиропа от его плотности, чем от температуры, в рабочем диапазоне изменения параметров процесса. Значит, для повышения точности измерения концентрации сахарного сиропа необходимо, в пер-вую очередь, повышать точность гидростатического плотномера;

б) невозможно существенно (в несколько раз) повысить точность приведенной выше схемы плотномера за счет ощутимого увеличения базы измерения h (как это может показаться на первый взгляд). С ростом базы измерения увеличивается не только диапазон изменения измеряемой разности давлений

но и максимальное значение измеряемой разности давлений

P_max=ρ_max*g*h

что обусловит необходимость применения ИПРД с более высоким верхним пределом измерения, а значит – с большей абсолютной погрешностью;

в) ощутимое повышение точности гидростатического метода измерения плотности может обеспечить схема построения плотномера, в которой верхний предел измерения разности давлений использованного ИРПД равен или незначительно превышает диапазон изменения измеряемой разности давлений при изменении плотности сиропа.

В схеме измерения разности давлений, приведенной на рис. 2 (с компенсацией постоянного уровня - см. [5]), разность давлений, измеряемая ИПРД, равна:

P=ρ_x*g*h-ρ₀*g*h₀,

где ρ — плотность контролируемого сахарного сиропа; ρ₀ — плотность эталонной жидкости (ρ₀ = const).
Выбором эталонной жидкости (ее плотности ρ₀ и высоты столба h₀) в этой схеме измерения можно обеспечить:

P=ρ_x*g*h-ρ₀*g*h₀=0.

Если принять, что текущее значение плотности сиропа ρ_x=ρ_min+Δρ и приведенное выше условие выполняется при ρ_x=ρ_min, то для выбора ρ₀ и h₀ можно воспользоваться следующим равенством:

ρ_min*h=ρ₀*h₀.

В таком случае диапазон изменения разности давлений, обусловленный изменением плотности сиропа, в этой схеме равен:

ΔP=Δρ*=g*h=(ρ_max-ρ_min)*g*h=(1,5-1,3)г/см³* 10м/см²*0,1м=200г/см*с²=200Па,

а ИПРД может иметь верхний предел измерения, равный:

P_max=Δρ_max*g*h=0,2г/см³*10м/см²*0,1м=0,2кПа

при g = 10 м/с² и h = 0,1 м.

Таким образом, за счет компенсации постоянного уровня в этой схеме для измерения P_max=0,2кПа можно применить стандартный измерительный преобразователь разности давлений с верхним пределом измерения 0,25 кПа и пределом допускаемой приведенной погрешности ϒ_P=± 0,5% (самый точный для данного диапазона).

Рисунок 2 — Схема гидростатического плотномера с компенсацией постоянного уровня

Выводы.

1. Применение схемы гидростатического плотномера (h = 0,1 м) с компенсацией по-стоянного уровня (рис. 2) обеспечит:
а) измерения разности давлений с предельным значением абсолютной погрешности Δ_ρ=± 1,2Па (вместо ± 4 Па в схеме без компенсации постоянного уровня);
б) предельную абсолютную погрешность измерения плотности сиропа

в) измерения концентрации сиропа с предельной абсолютной погрешностью Δ_С=± 0,23% (ед. конц.) при доверительной вероятности Р=0,95.

2. В устройстве контроля параметров сахарного сиропа карамельного производства для обеспечения требуемой точности результатов измерений следует использовать измеритель концентрации на основе гидростатического плотномера с компенсацией постоянного уровня.

3. Расширение диапазона изменения измеряемой разности давлений (0,2 кПа) до значения верхнего предела измерения стандартного ИПРД (0,25 кПа) дает возможность уменьшить погрешности измерения плотности и концентрации сиропа за счет увеличения базы из-мерения h в (0,25 кПа/0,2 кПа)=1,25 раза.

Список использованной литературы

1. Лурье И.С. Руководство по технологическому контролю в кондитерском производстве. — М.: Пищевая промышленность. — 1978.— 278 с.
2. Антопольская М.Я., Бронштейн И.Н. Справочник по сырью, полуфабрикатам и готовым изделиям кондитерского производства. — М.: Пищевая промышленность, 1964.
3. Зори А.А., Коренев В.Д., Кузнецова О.Н. Контрольно-измерительная система параметров кондитерского производства // Труды 1-ой научно-практической конференции «Совре-менная контрольно-испытательная техника промышленных изделий и их сертификация». СКИТ-97. — Мукачево, 1997. — С.82–85.
4. Кузнецова О.Н., Коренев В.Д., Зори А.А. Автоматизированная система контроля парамет-ров сахарных растворов кондитерского производства // Наукові праці Донецького держав-ного технічного університету. Серія: Обчислювальна техніка та автоматизація, випуск 3. — Донецьк: Донату, 1999. — С.370–375.
5. Измерения в промышленности: Справочное издание. В 3-х кн. Способы измерения и ап-паратура: Пер. с нем./ Под ред. Профоса П. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Металлур-гия, 1990. — 384 с., ил.

Наверх