Автореферат

по теме магистерской работы


«Измеритель влажности полуфабрикатов из теста»


Учитывая новую ступень отношений Украины со странами запада, перед страной ставятся некоторые обязательства не только правового и экономического характера, как следствие, усиливается контроль за качеством продукции во всех промышленных и пищевых отраслях.

Тема магистерской работы посвящена области хлебопекарного производства. Объектом исследования здесь выступают параметры качества хлеба: влажность полуфабрикатов из теста, влияние на которую определенно оказывают атмосферное давление, температура и влажность в помещении технологического процесса. Несоблюдение норм по указанным параметрам ведет к получению продукции низкого качества и как следствие – к материальным убыткам.

Одним из важнейших параметров, влияющих на образование мякиша и определяемых на первоначальной стадии является влажность полуфабрикатов из теста. Уровень влажности должен отвечать установленным ГОСТом нормам [1], тогда мякиш не утратит необходимые биовещества, пышность, степень пропеченности, вкусовые качества и обеспечит заданный выход продукта.

Сам технологический процесс производства хлеба включает в себя ответственные этапы [2], начиная от взвешивания необходимых ингредиентов, предварительного замеса, при выполнении которого крайне важна интенсивность и продолжительность. Далее процесс переходит в брожение опары. После повторного замеса с добавлением некоторых компонентов будущий хлеб подвергается механической обработке: деление, придание тестовым заготовкам округлой формы, расстойка, загрузка заготовок в формы, окончательная расстойка и, наконец, выпечка. На протяжении всего процесса в тестовых заготовках происходит ряд процессов, таких как: изменение температуры теста, внутренний влагообмен, микробиологические и биохимические процессы. Жизненный цикл хлеба представлен на рис.1.

анимация хлеб
Рисунок 1 – Технологический процесс производства хлеба
(анимация, 5 кадров, 3 цикла повторения, 112 кБ)

Под влажностью (массовой) W [3] понимается отношение массы влаги М, содержащейся в теле, к массе влажного материала М1 :

      (1)

Эти величины иногда выражают через веса и в процентах. В таком случае выражения (2) и (3) принимают вид:

     (2)
     (3)
где Р — вес влажного тела; Ро — вес абсолютно сухого тела.

Влажность измеряют специальными приборами - влагомерами, которые в зависимости от метода, положенного в основу их работы, делятся на психрометры, гигрометры, весовые влагомеры, кондуктометрические влагомеры, диэлькометрические влагомеры, влагомеры ядерно-магнитного резонанса и др. Наиболее широко в промышленности применяются методы [4, 5], основанные на физическом или химическом разделении влаги и сухого материала и определении их весового или объемного соотношения. Однако основным недостатком является невозможность использования таких методов в качестве информационного звена при автоматическом контроле и регулировании непрерывных технологических процессов, а также при изучении прцессов влагообмена и изменения форм связи влаги с материалом.

В ходе информационного поиска было найдено множество методов определения влажности [6] (метод высушивания, метод сушки в сушильных шкафах, экстракционный метод, химический метод, кондуктометрический и диэлькометрический методы, метод ядерного магнитного резонанса и т.д.), среди которых наибольшее распространение получил метод высушивания. Однако он имеет существенные недостатки. Используя такой метод, а также реализованный на нем прибор-прототип влагомер Чижовой [7] (рис.2), возникают очевидные неудобства.

Влагомер Чижовой
Рисунок 2 — Влагомер Чижовой для измерения влажности теста

Прибор предполагает:

  • необходимость извлечения анализируемой пробы из непрерывного технологического процесса;
  • отсутствие объективной фиксации момента полного удаления влаги в процессе высушивания;
  • необходимость проведения повторных измерений (в ходе технологического процесса);
  • недостаточная вероятность результата.

Поэтому, оценив недостатки, предложен прибор, математический аппарат которого основан на законе падения твердого тела под действием силы тяжести. В основу разрабатываемой системы предполагается положить принцип влияния силы веса на тестовую заготовку и приложенной к ней архимедовой силы, которой в процессе дальнейших расчетов пренебрегают в виде ее малости в зависимости от пройденного (установленного) расстояния [8].

     (4)

Продифференцировав уравнение движения тестовой заготовки от момента отрыва в тестоделильной машине до момента соприкосновения с транспортировочной емкостью, были учтены все влияющие на заготовку факторы: температура, давление, плотность воздуха.

,     (5)
где m — масса полуфабриката, g — ускорение свободного падения, ρn — плотность полуфабриката, ρb — плотность взаимодействующей среды (воздуха), y — контролируемое расстояние, пройденное полуфабрикатом из теста.

Время падения t от точки В до точки С (места расположения бесконтактных датчиков) представляет собой:

     (6)

Таким образом, способ действия универсального влагомера основан на измерении времени падения тестовой заготовки в воздушной среде под действием силы тяжести, между двумя фиксированными точками пространства, в которых установлены статические бесконтактные датчики. Итоговый расчет влажности производится по формуле (7):

      (7)

С помощью пакета MATHCAD выполнен анализ влияния важных факторов на влажность тестовой заготовки и установлено, что оптимальными условиями для достоверного определения влажности является температура — 25-30 °С и расстояние между статическими бесконтактными датчиками — 10 см.

Научная новизна. Среди всех известных устройств, определяющих влажность, нет такого, которое контролировало бы влажность в реальном времени. За прототип можно считать прибор для определения влажности — ВНИИХП-ВЧ Чижовой, однако метод контроля будет предложен иной, основанный на законах физики и математики. Поэтому наблюдаются существенные отличия:

  1. Способ определения и контроля влажности.
  2. Прибор ВНИИХП-ВЧ Чижовой для быстрого определения влажности не функционирует в реальном времени.

  3. Контроль прибором производится выборочно для всего потока теста и несколько раз (при контроле выхода хлеба, оценки полуфабриката и при проверке рецептуры).

  4. Предлагаемый датчик предельно прост в использовании и имеет большую точность.

Предложенный новый способ построения влагомера позволяет определять также влажность воздуха в помещении хлебопекарного цеха. На основании разработанной математической модели и исходя из конструкции устройства очевидно, что влажность воздуха определяется путем измерения времени падения влажного сорбента в камере влагомера дискретного действия.

Генераторные датчики положения. Для фиксации времени падения полуфабриката из теста используются датчики этого типа [9], которые отличаются компактностью и высокой точностью. Хорошо зарекомендовали себя генераторные датчики серий КВД-6М и КВД-25 (щелевые), КВП-8 и КВП-16 (плоскостные). Они пригодны для использования при повышенной концентрации влаги и пыли. В корпусе из ударопрочного полистирола размещены элементы транзисторной схемы датчика (генератор и триггер).

Датчики КВП-8 и КВП-16 срабатывают при прохождении мимо них металлической пластины на максимальном расстоянии соответственно 8 и 16 мм.

Влияние атмосферного давления на влажность полуфабрикатов из теста. Влажность тел определяется наличием в них воды в виде пара [10], количество которой зависит от парциального давления водяных паров, например в воздухе при данной температуре и атмосферном давлении, что свидетельствует о влиянии атмосферного давления на влажность тестовых заготовок. Проследим такую зависимость с помощью формулы (7): При P1 = 79993.2 Па, P2 = 86659.3 Па, P3 = 93325.4 Па, P4 = 99991.5 Па, P5 = 106657.6 Па; t = 20 мс, g = 9.80665 м/с2 , ρsv = 1420 кг/м3 , ρ = 1.6 кг/м3, Т = 24 °С, S=0.1 м.

Получена следующая зависимость (рис. 3):


Рисунок 3 – Влияние атмосферного давления на влажность полуфабрикатов из теста

Влияние температуры в помещении на влажность полуфабрикатов из теста. Используя тот самый математический аппарат, но меняя температуру в помещении можно получить характерную зависимость влажности полуфабрикатов от температуры.

При P700= 93325.4 Па, t = 20 мс, g = 9.80665 м/с2 , ρsv =1420 кг/м3 , ρ =1.6 кг/м3, S=0.1 м, однако Т1=10 °С, T2=15 °C, T3=20 °C, T4=25 °C, T5=30 °C, T6 = 35 °C, T7=40 °C, T8 = 45 °C.

Была получена следующая зависимость (рис.4):


Рисунок 4 – Влияние температуры на влажность полуфабрикатов из теста

График показывает, что температура в технологическом помещении обратнопропорционально влияет на влажность, то есть при увеличении температуры имеет место уменьшение процента влажности тестовых заготовок. При вариации температуры от 10 °С до 45 °С влажность уменьшается на 16.6 %.

Литература


  1. Зверева Л.Ф. Технология и технохимический контроль хлебопекарного производства. — М., 1983 — 48 с. — http://narakeshvara.livejournal.com/243367.html
  2. А. Экерт. Выпечка хлеба. - М., 1996 — 236 с.
  3. Музалевский В. И. Измерение влажности древесины. — М.: Лесная промышленность, 1976. — 120 с., ил.
  4. Кричевский Е.С. Теория и практика экспрессного контроля влажности твердых и жидких материалов/ Кричевский Е.С., Бензарь В.К., Венедиктов М.В. — М.: Энергия, 1980. — 240 с., ил.
  5. Богачук В.В. Методи та засоби вимірювального контролю вологості матеріалів. — Вінниця, 2008.
  6. Берлинер М.А. Измерение влажности. — М.: Энергия, 1973 — 400 с., ил.
  7. Aуэрман Л.Я. Технология хлебопекарного производства. — М.: Легкая и пищевая промышленность, 1984. — 415 с.
  8. Чичикало Н.И. Алгоритмические принципы построения напряженно-деформированных объектов. — Донецк.: РИА ДонГТУ, 1998. — 158 с.
  9. Криворученко А. Бесконтактные датчики положения механизмов.// Компоненты и технологии. 2007. №1. с. 24-28 — http://electricalschool.info/main/drugoe/190-beskontaktnye-datchiki-polozhenija.html
  10. Кричевский Е.С. Контроль влажности твердых и сыпучих материалов.— М.: Энергия, 1986. — 182с.