Метрологическая оценка модифицированного метода определения поверхностной энергии молока и молочных продуктов
УДК 637.(142+333): 545
МЕТРОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА МОДИФИЦИРОВАННОГО МЕТОДА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНОЙ ЭНЕРГИИ МОЛОКА И МОЛОЧНЫХ ПРОДУКТОВ
– аспирант, . – инженер,
. – д. т.н., профессор
ФГОУ ВПО «Омский государственный аграрный университет», г. Омск
Функциональная схема прибора для определения поверхностного натяжения молока и молочных продуктов представлена на рисунке. Прибор включает сифон 1, состоящий из негерметичного сосуда 2, наполненного водой, и герметичного сосуда 3. Сосуды 2 и 3 соединены между собой соединительной трубкой, один конец которой опущен под уровень воды в сосуде 2, а второй помещен в сосуд 3. На соединительной трубке установлен регулирующий клапан 4. В негерметичный сосуд 7 с исследуемой жидкостью установлен капилляр 6, соединенный при помощи соединительной трубки с герметичным сосудом 3 сифона 1. Другой конец трубки соединяет полость капилляра 6 с микроманометром 10.
Прибор работает следующим образом. Воздух, поступающий из сифона 1 через соединительную трубку в капилляр 6, повышают давление в капилляре до величины – Р и станет больше атмосферного Ратм. Мениск жидкости в капилляре начинает прогибаться, т. е. радиус кривизны уменьшается и возрастает лапласово давление со стороны исследуемой жидкости в сосуде 7, вызванное поверхностным натяжением исследуемой жидкости, а значения показаний микроманометра постепенно увеличиваются [1]. Повышенное давление в капилляре вытолкнет из него в сосуд с гелем пузырек воздуха. В геле на пузырек, кроме атмосферного давления Ратм, действует добавочное – лапласово давление Рл, обусловленное силами поверхностного натяжения жидкости. Сумма давлений Ратм+Рл уравновешивается давлением Р, т. е. Р = Ратм + Рл
Учитывая, что добавочное давление определяется уравнением Лапласа
, получим:
(1)
Так как вода продолжает поступать из сосуда 2 в сосуд 3 (см. рис.5.1), давление Р, а также разность давлений Р–Ратм в системе возрастает. При этом радиус пузырька, выдавливаемый из капилляра в сгусток, будет уменьшаться. Когда радиус пузырька станет наименьшим (равным радиусу капилляра), разность давлений Р-Ратм будет максимальной, в этот момент, согласно формуле (5.1), получим:
(2)
где σ – поверхностное натяжение; R – радиус капилляра (радиус выделившегося пузырька);
(Р-Ратм)max=H – максимальный уровень подъема жидкости в многопредельном микроманометре.
Расчет величины поверхностного натяжения проводится по формуле:
(3)
где: R- радиус капилляра, мм;
H- высота максимального подъёма жидкости в микроманометре, кг/м2;
g - ускорение свободного падения, 9,81 м/с2;
k – постоянная характеристика многопредельного микроманометра (угол наклона измерительной трубки).
Рис. Схема прибора по определению поверхностного натяжения молочных продуктов методом максимального давления : 1- сифон; 2 - негерметичный сосуд; 3 – герметический сосуд; 4 - регулирующий клапан; 5– воздуховоды; 6 – капилляр; 7 – сосуд с исследуемым продуктом; 8 – электромагнит; 9 – терморегулятор; 10 – многопредельный микроманометр; 11 – миллиамперметр
Для определения размера радиуса капилляра используем жидкости с известными табличными значениями поверхностного натяжения, например, поверхностное натяжения дистиллированной воды равно 72,7 мДж/м2, этилового спирта 23,3 мДж/м2 (при температуре 293К). Рекомендуется радиус капилляра определять при различных значениях угла наклона микроманометра (k - константа прибора), и рассчитывать радиус капилляра как среднее арифметическое значение.
Для снижения погрешности измерения поверхностного натяжения следует проводить 8 параллельных замеров.
В таблице 1 приведены результаты измерения поверхностного натяжения некоторых молочных продуктов.
Таблица. 1. Поверхностное натяжение молока и молочных продуктов
( температура измерения 293 К)
№ | Продукты | σ, мДж/м2 |
1. | Молоко пастеризованное, Ж=3,2% | 54,00 |
2. | Молоко пастеризованное, Ж=2,5% | 55,70 |
3. | Молоко обезжиренное | 57,74 |
4. | Пахта | 55,00 |
5. | Сливки с массовой долей жира 10% | 46,40 |
6. | Сливки с массовой долей жира 20% | 44,80 |
7. | Сыворотка творожная | 57,65 |
8. | Сыворотка творожная с концентрацией сухих веществ 40% | 46,40 |
9. | Сыворотка подсырная с концентрацией сухих веществ 40% | 50,00 |
10. | Сыворотка подсырная, 540Т | 53,50 |
11. | Сыворотка подсырная, 17 0Т | 57,82 |
12. | Сгущенное обезжиренное молоко, 42%сухих веществ | 51,40 |
Определение оптимального числа замеров. Расчет оптимального числа параллельных экспериментальных замеров производится по формуле [1] :
(4)
где t – значение аргумента функции Лапласа при доверительной вероятности р = 0,95 ; t = 1,96; p = 0,99; t = 2,58; p = 0,999; t = 3,3;
S – среднеквадратическое отклонение;
Dsmax – максимальная абсолютная погрешность измерения.
Метрологическая характеристика предлагаемого метода приведена в табл. 2. Относительная погрешность измерения составляет не более 3,5 %, при уровне значимости Р = 0,99.
Таблица 2. Метрологическая оценка метода измерения поверхностного натяжения методом максимального давления
Параметры | Единицы измерения | Пределы измерения |
Температура | °С | 1…90 |
Динамическая вязкость | Па∙с | (1,1…6,2)∙10-3 |
Время замера | с | 10…20 |
Оптимальное число параллельных замеров | - | 8 |
Погрешность измерения | % | 2…3,5 |
Разработанный модифицированный метод определения поверхностного натяжения позволяет исследовать молочные продукты с относительно не высокой погрешностью ( ≤ 4% ), продукты различной вязкостью, исследовать динамику изменения поверхностного натяжения в зависимости от температуры и содержания сухих веществ в исследуемом продукте.
Библиографический список:
1. Ахназарова, С. Л. Оптимизация эксперимента в химии и химической технологии / , . – М.: Высшая школа, 1978. – 319 с.
2. Лисин, П. А. Биотермодинамика поверхностного слоя молока и молочных продуктов: монография / . – Омск. Изд-во ФГОУ ВПО ОмГАУ, 2008. – 135 с.
3. Твердохлеб, Г. В. Химия и физика молока и молочных продуктов / , . – М.: ДеЛи принт, 2006. – 360 с.
Реферат
УДК 637.(142+333): 545
МЕТРОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА МОДИФИЦИРОВАННОГО МЕТОДА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНОЙ ЭНЕРГИИ МОЛОКА И МОЛОЧНЫХ ПРОДУКТОВ
– аспирант, – инженер,
. – д. т.н., профессор
ФГОУ ВПО «Омский государственный аграрный университет», г. Омск
Проведена метрологическая оценка модифицированного метода определения поверхностной энергии молока и молочных продуктов. Определена погрешность измерения исследуемой величины, оптимальное число повторностей, интервал изменения температуры и динамической вязкости. Погрешность измерения поверхностного натяжения не превышает 4%
