Принцип контроля качества продукта по показателю его вязкости

УДК 681.5.08; 681.518

М. В. ЛУНИН

M. V. LUNIN

ПРИНЦИП КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ПРОДУКТА ПО ПОКАЗАТЕЛЮ ЕГО ВЯЗКОСТИ

PRINCIPLE OF QUALITY CONTROL PRODUCT ON VALUE OF ITS VISCOSITY

Предложен принцип измерения динамической вязкости молока, основанный на движении пузырька газа в жидкой среде. Принцип измерения позволяет осуществлять контроль за качеством цельного молока и контролировать в нем процесс развития молочнокислых бактерий. Предложенное средство контроля обеспечивающее высокоточное измерение концентрации вещества в однокомпонентном растворе.

Ключевые слова. Качество продуктов питания; принцип измерения реологических свойств жидкости; контроль процесса развития молочнокислых бактерий.

The proposed measurement principle of dynamic viscosity of milk, based on the movement of gas bubbles in a liquid medium. Measurement principle allows for quality control whole milk and monitoring of the processes development of lactic acid bacteria. The instrument of control is suggested for high-precision measurement of the concentration substance in a single-component solution.

Keywords. The quality of food, the principle of measurement of the rheological properties of the fluid, the control of the development process of lactic acid bacteria.

Физико-химические свойства молока обуславливаются концентрацией и степенью дисперсности его составных компонентов. Их можно разделить на свойства, на которые существенно влияют частицы всех дисперсных фаз и свойства, зависящие от истинно растворимых составных компонентов молока. Одно из таких свойств – вязкость, которая определяется составными компонентами молока, находящихся в эмульгированном и коллоидном состояниях. Физико-химические свойства, в том числе вязкость, все больше используются для оценки качества молока.

Вязкость молока можно представить как сумму вязкости воды и приращений вязкости от дисперсной фазы (белки, жиры углеводы) и структурных связей. Структурная составляющая вязкости исчезает при температуре более 34°С в связи с плавлением молочного жира и интенсивным тепловым движением самих элементов структуры. На вязкость молока влияют эмульгированные и коллоидно растворимые частицы, в частности, жира, казеина, а также наличие агломератов жировых шариков, состояния казеина (гидратация, величина мицелл), сывороточных белков, режим и способ обработки молока. При 20°С вязкость цельного молока может изменяться от 0,0013 до 0,0035 Па.с. При развитии в молоке молочнокислых бактерий углеводы, белки, биологически активные вещества используются микроорганизмами в пищу. Ферменты микроорганизмов катализируют гидролиз сложных биополимеров молока, снижается их концентрация, в то же время концентрация низкомолекулярных продуктов метаболизма бактерий увеличивается. В результате жизнедеятельности молочнокислых бактерий динамическая вязкость сложной дисперсной системы – молока уменьшится, что может быть критерием оценки его качества.

Существуют различные методы определения вязкости жидкостей: с помощью падающего шарика (метод Стокса), истечения жидкости через капилляр (метод Пуазейля), определение вязкости с помощью ротационных вискозиметров (вискозиметр Воларовича, вискозиметр Шведова).

Нами предложен принцип измерения реологических свойств жидкости, основанный на использовании пузырька газа, сформированного на выходе сопла. Измеряется время прохождения пузырьком определенных участков, расположенных на траектории его подъема, с определением динамической вязкости по косвенным зависимостям и метрологической оценкой результатов измерения.

При описании поведения пузырька газа при различных температурах и давлениях использовалось уравнение Ван-дер-Ваальса. Объём газа в пузырьке определим по формуле:

, (1)

где - температура газа в пузырьке; - универсальная газовая постоянная; - константа Ван-дер-Ваальса; - масса газа; - плотность газа при нормальных условиях; - нормальное давление; - молярный объём газа.

На движущийся в вязкой жидкости пузырёк газа действуют силы, для которых справедливо соотношение:

, (2)

где - сила Архимеда; - сила трения; - сила, действующая на движущийся с ускорением пузырёк (при равномерном движении сила равна нулю).

При этом для предельных значений скорости , справедливо выражение Стокса:

, (3)

где - предельное значение скорости при равномерном движении; - радиус шара движущегося в жидкости; - динамическая вязкость жидкости.

Сила Архимеда, определяется выражением:

, (4)

где - плотность вязкой жидкости; - ускорение свободного падения.

Учитывая силы, действующие на сферический пузырёк, запишем:

. (5)

Для описания физических процессов движения вязких жидкостей воспользуемся формулой Пуазейля:

, (6)

где t – время прохождения пузырьком пути l (учитывая предельное значение скорости, справедливо: ); – радиус измерительной кюветы.

Разность давлений определим по формуле:

, (7)

где и - высоты столбов вязкой среды.

Вязкость жидкостей с ростом температуры уменьшается по закону:

, (8)

где - постоянная Больцмана; А – множитель, слабо зависящий от температуры Т; - энергия активации вязкого течения.

Учитывая (6) и (8), перепишем (5) и получим зависимость в виде:

, (9)

где ; .

На основании результатов теоретического анализа, сформулирован принцип измерения [1], поясняющийся функциональной схемой на рисунке 1.

Газ через сопло 4 поступает в цилиндрическую кювету 1, заполненную вязкой жидкостью. На выходе сопла 4 образуется пузырек газа 3, который перемещается вдоль оси цилиндрической кюветы. Измерение скорости прохождения пузырька в вязкой среде осуществляется с помощью оптических преобразователей, образованных источниками света 2 и фотоприёмниками 5. При движении пузырьки газа изменяют слой жидкости между источником света и фотоприемником, что приводит к образованию импульсов, поступающих на устройство 6. Устройство 6 осуществляет измерения временного интервала между импульсами, поступающими последовательно на фотоприёмники при движении пузырька.

Средство измерения, построенное на данном принципе, позволяет с высокой точностью измерять динамическую вязкость жидкости. Применение разработанного высокоточного средства измерения позволяет контролировать динамику изменения динамической вязкости в молоке для оценки его потребительских свойств. На рисунке 2 приведена практическая реализация устройства контроля реологических свойств жидкости и измерения расхода газа и концентрации вещества в растворе [2].

При движении пузырька газа сначала повышается ток IФ2 и напряжение на выходе усилителя 2 становится больше опорного U2 = IФ2R > UОП. При этом срабатывает компаратор 4, сравнивающий напряжения U2, UОП, и формирует импульс длительностью ТИ1. Затем повышается напряжение на выходе усилителя 1 и срабатывает компаратор 3, формирующий импульс с длительностьюТИ2. Триггер 5 срабатывает по фронту импульса напряжения U4 на выходе компаратора 4 и возвращается в исходное состояние по фронту импульса U3 на выходе компаратора 3, поступающего на R-вход триггера 5. К выходам компараторов 3, 4 подключен элемент 6 типа 2ИЛИ для формирования интервала измерения ТИЗМ, а также элемент 7 типа 3ИЛИ-НЕ, которым выделяется интервал DТИЗМ = ТИЗМ –ТИ1–ТИ2 времени между выходными импульсами компараторов 3, 4.

При появлении на инверсном выходе триггера 5 нулевого уровня напряжения и наличии нулевых сигналов на выходах компараторов 3 и 4 появляется высокий (единичный) уровень напряжения на выходе элемента 7 типа 3ИЛИ-НЕ, выходным сигналом U7 которого устанавливает в нулевое состояние триггер 9. При этом на выходе логического элемента 10 типа 2ИЛИ формируются импульсы с частотой FТ, а в остальное время частота этих импульсов уменьшается вдвое до уровня 0,5FТ.

С выхода элемента 10 типа 2ИЛИ импульсы напряжения U10 переключаемой частоты через логический элемент 11 типа 2И поступают на счетный вход счетчика 12. Элемент типа 2ИЛИ 6 применен для выделения времени измерения ТИЗМ и формирует сигнал U6 при появлении высокого уровня напряжения на выходах триггера 5 или компаратора 3. Этот сигнал U6 также поступает на микропроцессор 13 как команда "Измерение", в начале которой микропроцессор 13 формирует короткий импульс, подаваемый на R-вход счетчика импульсов 12 для его установки в нулевое состояние. Поэтому счетчик 12 реализует операцию цифрового измерения интервала времени ТИЗМ посредством его заполнения тактовыми импульсами с переключаемой частотой FТ и 0,5FТ. При этом число импульсов, поступающих с выхода элемента 11 на счетчик 12 в течение интервала одного измерения, определяется формулой:

N11 = 0,5FТ ·(ТИ1 + ТИ2) + FТ ·DТИЗМ. (10)

По окончанию цикла измерения полученный код N11 с выходов счетчика 12 записывается в оперативное запоминающее устройство микропроцессора 13 и после преобразования в десятичную форму и умножения на коэффициент преобразования выводится на цифровой индикатор 14.

На рисунке 3 показано изменение вязкости молока в зависимости от продолжительности развития молочнокислых бактерий Lactobacillus plantarum 8P-A3 с учетом среднеквадратического отклонения. В течение 52 минут бактерии не изменяли вязкость молока, что характерно для лаг-фазы развития микробной культуры. Затем микроорганизмы вступают в лог-фазу, которая характеризуется интенсивным потреблением питательных веществ и размножением. На 117 минуте наступает стационарная фаза развития микробной культуры, динамическая вязкость молока снизилась до 0,0005 Па.с и более не изменялась.

Предложенный принцип измерения динамической вязкости жидкости, в частности молока, основанный на движении пузырька газа в жидкости позволяет осуществлять контроль за качеством цельного молока и контролировать в нем процесс развития молочнокислых бактерий.

Подобное средство измерения может найти применение и в других пищевых технологиях и биотехнологиях. Например, в технологии пищевых продуктов, где проводят инструментальный контроль концентрации растворов компонентов, для настройки дозаторов и получения полуфабриката с определенными реологическими свойствами.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.  Лунин пузырьковый метод и средство измерения малых расходов газа с учётом параметров среды используемой для барботажа. // Контроль. Диагностика. – № 2. – Москва: Изд-во Машиностроение, 2010. - С. 66 – 68.

2.  , Позднякова контроля концентрации вещества в однокомпонентных растворах. // Современные материалы, техника и технология [Текст]: материалы 2-й Международной научно-практической конференции (25 декабря 2012 года)/ редкол.: (отв. Ред.); Юго-Зап. Гос. Ун-т. Курск, 2012.

ФГБОУ ВПО «Госуниверситет - УНПК», г. Орел, Россия

к. т.н., доцент кафедры «Приборостроения метрологии и сертификации»

Тел. 8(910)

E-mail: *****@***ru