Введение к работе
1.1 Актуальность.
Быстрое развитие промышленных технологий в сельскохозяйственной и пищевой промышленности, стремление к улучшению качества продукции и ее потребительских свойств, эффективному производственному процессу, соответствию выпускаемой продукции установленным нормам, соблюдению санитарно-гигиенических требований делает чрезвычайно актуальным разработку и создание методов и средств измерения, позволяющих проводить анализ на современном уровне.
Особое место занимают методы рефрактометрии, основанные на изучении рефракции (преломлении) света при переходе его через границу раздела двух сред. Количественным показателем, характеризующим преломление света, является показатель преломления (п). Показатель преломления принадлежит к числу немногих величин, которые можно измерить с очень высокой точностью и небольшой затратой времени, с использованием простых и дешевых средств измерения, как в лабораторных, так и производственных процессах, располагая лишь малым количеством вещества.
1.2 Состояние проблемы.
Хотя рефрактометрия давно известный и широко используемый метод для измерения показателя преломления разных жидкостей и растворов, актуальной проблемой является создание новых типов рефрактометрических методов и средств измерения для повышения точности и надежности определения показателя преломления, позволяющих проводить мониторинг на современном уровне. А именно, проводить измерения концентраций растворов с высокой точностью, удаленно, сразу в нескольких точках, с осуществлением непрерывного контроля и автоматического управления технологическим процессом.
Наиболее подходящей и практически применимой для решения этих задач является волоконно - оптическая система, основанная на явлении распространения света в волоконных световодах.
Таким образом, разработка технологии и устройств повышения точности и надежности определения концентрации растворов с использованием волоконно-оптических систем является актуальной темой для исследования.
1.3 Цель работы и задачи исследования.
Цель данной работы - разработка технологии и исследование нового метода и средств повышения точности и надежности определения концентрации растворов с использованием волоконно-оптической системы, обеспечивающей контроль параметров жидких технологических сред с высокой точностью в режиме реального времени.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
Провести обзор современных оптических методов и средств физико-химического анализа концентрации растворов и сырья в пищевой промышленности и предложить новый метод с улучшенными метрологическими и техническими характеристиками.
Исследовать отражение света при нормальном падении излучения на границу двух сред щуп - зонд и внешняя среда.
Разработать алгоритм расчета показателя преломления растворов для измерений с помощью волоконно-оптической системы.
Исследовать влияние параметров системы и измеряемой среды на точность измерения показателя преломления.
Разработать конструкцию и технологию изготовления волоконно -оптической системы в составе волоконно - оптического щупа - зонда и регистрирующего блока.
Составить статистическую модель обработки результатов экспериментов и провести анализ выполненных измерений для оценки основных характеристик системы.
Разработать экспресс-метод определения концентрации растворов моно- и дисахаридов на основе волоконно-оптической системы при различных технологических операциях в пищевой промышленности.
1.4 Методы исследования.
При выполнении работы применялись как теоретические, так и экспериментальные методы исследования, которые способствовали решению поставленных задач. Теоретические исследования проводились путем построения модели, основанной на формулах Френеля при нормальном падении света на границу раздела двух сред, а также путем построения статистической модели обработки результатов экспериментов. Экспериментальные исследования проводились с использованием рефрактометров ИРФ-454Б, УРЛ-1, ATR-C (Германия) и с использованием волоконно-оптической системы FOR-411-VIS/2.1 объемным и весовым методами. На протяжении всей работы выполнялось сопоставление теоретических и экспериментальных результатов.
1.5 Научная новизна работы заключается в следующем:
Разработан новый метод определения показателя преломления и связанной с ним концентрации вещества в растворе, основанный на измерении интенсивности оптического излучения, отраженного по нормали от границы раздела «щуп-зонд/раствор» и, позволяющий осуществлять контроль параметров жидких технологических сред, в режиме реального времени, с высокой точностью и надежностью, для целей сокращения потерь и повышения выхода целевых продуктов, снижения расхода материалов и достижения значительного экономического эффекта.
Исследовано отражение света при нормальном падении излучения на границу раздела двух сред, позволяющее установить зависимость коэффициента отражения света от показателя преломления среды и показателя преломления щупа-зонда с его увеличением при формировании повышенного показателя преломления щупа - зонда.
Разработан алгоритм расчета показателя преломления растворов с помощью волоконно-оптической системы, учитывающий оптические параметры внешней среды и особенности оцифровки оптического сигнала, конструкции системы,
характеристик фотоприемников и источников излучения, оптической и электронной схем. На основе алгоритма составлена программа, позволяющая определять показатель преломления и связанную с ним концентрацию вещества в растворе.
Разработан экспресс-метод определения концентрации растворов моно- и
дисахаридов на основе волоконно-оптической системы при различных
технологических операциях в пищевой промышленности, заключающийся в
экспресс оценке свойств технологической среды и измерении концентрации
растворов до 85% (Вх).
1.6 Практическая ценность работы состоит в том, что:
Разработана конструкция волоконно - оптической системы в составе волоконно - оптического щупа - зонда и регистрирующего модуля для определения концентрации растворов, позволяющая повысить точность и стабильность измерений, а также в любой момент времени видеть изменение в измеряемой среде.
Разработана конструкция системы с датчиком температуры для осуществления ее термокомпенсации, позволяющая проводить измерение показателя преломления растворов при превышении температуры раствора выше 55С.
Определены технологические характеристики щупа - зонда, выбрана оптимальная конструкция и рассчитаны его оптимальные геометрические параметры, которые позволяют обеспечить определение показателя преломления измеряемой среды до 2,1768.
Показана возможность практической и технологической реализации волоконно-оптической системы на разных длинах волн для повышения информативности результатов и снижения погрешности измерений и долговременной стабильности выходного сигнала до 10~4.
Составлена статистическая модель обработки результатов экспериментов позволяющая проводить анализ выполненных измерений для оценки основных характеристик системы.
Экспериментально показана возможность применения волоконно -оптической системы для измерения концентрации сухих веществ сахарных растворов с точностью ±0,1%(Вх).
1.7 Реализация и использование результатов работы.
Разработанная волоконно - оптическая система для мониторига
параметров технологических сред нашла практическое применение в закрытом акционерном обществе «ШАГ».
Экспресс-метод определения концентрации растворов моно- и дисахаридов на основе волоконно-оптической системы при различных технологических операциях в пищевой промышленности нашел практическое применение и внедрен в Государственном научном учреждении Всероссийском научно-исследовательском институте крахмалопродуктов Россельхозакадемии и Государственном научном учреждении Научно-исследовательском институте кондитерской промышленности Россельхозакадемии.
1.8 Апробация работы.
Основные результаты работы обсуждались на семинарах и научных конференциях ГНУ ВНИИ крахмалопродуктов РАСН, секции РАСХН, Московского государственного университета приборостроения и информатики.
Результаты диссертационной работы демонстрировались на IX Международной выставке «Мир биотехнологии 2011», на XII Международном форуме «Высокие технологии XXI века», на XIV Московском международном салоне «Архимед 2011», на 21-й международной выставке «Здравоохранение-2011», на VII международной специализированной выставке «ФОТОНИКА. МИР ЛАЗЕРОВ И ОПТИКИ-2012» и XI международной специализированной выставке «МИР БИОТЕХНОЛОГИИ 2013».
1.9 Публикации.
По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ, из них 4 в опубликованных тезисах и докладах всероссийских и международных конференций и 1 в журнале из перечня ВАК ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук.
Получен один патент на изобретение, два патента на полезную модель, одно решение о выдаче патента на изобретение и одно решение о выдаче патента на полезную модель.
1.10 Структура и объем работы.
