Способ определения оптимальных характеристик пищевых продуктов и устройство для его осуществления

 

союз соВетских

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (у ) 6 01 М 33/02

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 (21) 4872276/13 (22) 10.10.90 (46) 15.04,93. Бюл. М 14 (71) Московский технологический институт пищевой промышленности (72) В. Е. Бабенко, Ю. М. Плаксин, Д. Г.

Арвеладзе, Н. А. Кахидзе и Н. Х, Беридзе (56) С, Г. Ильясов, В. В. Красников. Метод определения оптических и терморадиационных характеристик пищевых продуктов.

M.: Пищевая промышленность, 1972, 175 с.

С. Г. Ильясов, В. В. Красников, Физические основы инфракрасного облучения пищевых продуктов, М.; Пищевая промышленность, 1978, 360 с.

l0. M. Плаксин. Исследование процесса выпечки мучных кондитерских изделий в печах с ИК-излучением. Диссертация канд. техн. наук. M,: 1972 г„с, 29 — 35.

„„ Ц „„1809381 А1 (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОПТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО

ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (57) Назначение: измерение терморадиационных характеристик пищевых продуктов.

Сущность изобретения: измерение спектральных оптических характеристик проводят в два этапа; на первом определяют суммарную спектральную отражательную способность путем сравнения отраженного лучистого потока с лучистым потоком непосредственно из излучателя, на втором измеряют отношение лучистого потока, прошедшего через образец, к отраженному лучистому потоку от образца пробы. Для расчета спектрального пропускательного и Б отражательного свойства материала используют формулы, Устройство для опреде.Г

1809381

35

45 ления оптических характеристик пищевых продуктов включает эллипсоиды вращения

9, 10, систему отражающих зеркал, рабочий канал б и канал сравнения 7, источник 1 излучения, два световода 2, 3. Один из последних установлен неподвижно в рабочем канале и снабжен поворотной заслонкой, а другой установлен в канале сравнения с возИзобретение относится к теплофизическим измерениям и может найти применение при измерении терморадиационных характеристик материалов, Целью изобретения является повышение точности и сокращение длительности определения полусферических отражательной В и пропускательной ТА характеристик светорассеивающих материалов, Измерение спектральных оптических характеристик в два этапа обусловлено тем, что измеряются две неизвестные величины

Tilä и Яд, Для их расчета необходимо иметь два уравнения. Каждое из уравнений находят на отдельном этапе. На первом — находят уравнение, описывающее суммарную спектральную отражательную способность

R Я, + +о. Величину Щ,1+ +о находят путем сравнения отраженного лучистого потока с лучистым потоком непосредственно от излучателя, На втором этапе находят второе уравнение, описывающее отношение

К Я, + +э лучистого потока, прошедшего через образец к отраженному от образца лучистому потоку.

На первом этапе — определение суммарной спектральной отражательной способности путем сравнения отраженного лучистого потока с лучистым потоком непосредственно от излучателя обусловлено тем, что измерение характеристик производится по двухлучевой схеме, Двухлучевая схема работает по принципу сравнения двух потоков, Один из них — отраженный от исследуемого образца поток, другой — поток непосредственно от излучателя.

На втором этапе измерение отношения лучистого потока, прошедшего через образец к отраженному лучистому потоку обусловлено тем, что используется также двухлучевая схема спектрофотометра, требующая наличия двух различных потоков, и тем, что одновременно участвуют в измерении как отражательная Яд, так и пропускательная Tgz способности материала. можностью поворота вокруг малой оси эллипсоида вращения, в фокальной плоскости эллипсоида. вращения в канале сравнения расположен подвижный экран 12. Источник излучения установлен на пересечении оси неподвижного световода и малоф оси эллипсоида вращения канала сравнения. 2 с.п. ф-лы, 3 ил.

Обоснование расчета спектральных пропускательных и отражательных способностей материала по формулам (1) и (2) приведена в приложении (с. 11 — 13), Снабжение устройства световодами необходимо для увеличения плотности теплового потока, падающего на исследуемый образец, что приводит к значительному повышению точности измерения Tgz и Щг.

Наличие двух световодов необходимо для осуществления поэтапного экспериментал ьногб исследования.

Установка одного из световодов неподвижно в рабочем канале обусловлена тем, что он выполняет при исследованиях только одну функцию — подать лучистый поток от излучателя на поверхность исследуемого образца в рабочем канале на первом этапе, исследований. Снабжение его поворотной

20 заслонкой необходимо для перекрытия лучистого потока падающего на него от излучателя на втором этапе измерений.

Установка другого световода в канале сравнения обусловлена необходимостью

25 подведения лучистого потока от излучателя

s канале сравнения. Поворот этого световода вокруг малой оси эллипсоида вращения обусловлен тем, что на первом этапе исследования лучистый поток направляется непосредственно в канал сравнения, а на втором этапе — на поверхность исследуемого образца со стороны канала сравнения.

Расположение подвижного экрана в фокальной плоскости эллипсоида вращения в канале сравнения обусловлена тем, что на первом этапе измерений необходимо полностью исключить попадание пропущенного исследуемым образцом лучистого потока в канал сравнения, .

Установка источника излучения на пересечении оси неподвижного световода, и малой оси эллипсоида вращения канала сравнения обусловлена тем, что малая ось эллипсоида совмещается с осью вращения световода в канале сравнения. Необходи1809381 мость этого совмещения обусловлена тем, 28, 29 укреплены на шаровых шарнирах, что этот световод поворачивается на разных прерыватель 30, который обеспечивает пооэтапах измерений и при этих поворотах рас- чередное направление лучей из рабочего кастояние от торца световода до образца и . нала 6 и канала сравнения 7 на приемник 31, параболического зеркала не должно суще- 5 в качестве которого используют датчик с ственно отличаться, малой приемной площадкой, например, асположение источника излучения на висмутовый болометр. В спектрофотометре пересечении осей световодов обусловлено 5 также расположены торические зеркала свойством этих световодов — излучениедол- 32, 33 и 34,которые попеременно направляжно падать перпендикулярно к их торцевой 10 ют сравниваемые лучи на приемник 31, и поверхности, что обусловлено необходимо- параболическое зеркало 35 для направлестью освещения образца в перпендикуляр- ния интегральных лучей из каналов 6 и 7 на ном направлении. призму разложения 36. Зачерненный экран

Предлагаемый способ определения оп- 37 позволяющий получить требуемое претическиххарактеристикпищевыхпродуктов 15 ломление луча, попадающего из канала и устройство для его осуществления имеют сравнения 7, закреплен в спектрофотомет-, единый изобретательский замысел и на- ре 5 неподвижно. Входная 38 и выходная 39 правлены на решение поставленной задачи щели предназначены для устранения pacceflo повышениюточностиисокращениюдли- янного света. Зеркало Литтрова 40, позвотельности определения.

Способ иллюстрируется фиг. 1 — 3, . из щели 38 в щель 39, закреплено на шараа фиг. 1 изображено устройство для вом шарнире. Эллиптическое зеркало 41 определения оптических характеристик пи- для фокусирования лучей на приемнике 31 щевых продуктов. установлено на шаровых шарнирах, Устройство для определения оптиче- 25 ских характеристик пищевых продуктов со- Способ осуществляат Об ествляат следующим Обдержит источник излучения 1, два разом, Исследуемый образец устанавливасветовода 2 и 3, изготовленные из стекла ютвкювету11.такчтоповерхностиобразца

KRS-5 с границами пропускания 0,6 — 38 находятся в первых фокальных плоскостях . мкм, Оптическую приставку4иДвухлучевой 30 F> и F> блоков с с ков, состоящих из зеркальных снектрофотометр 5, которые соединены эллипсоидов вращения 9 10. Ндусобои при помощи рабочего канала 6 этапе открывают заслонку 8 и световод 2

4с т и канала сравнения 7, заслонку 8. Приставка поворачивают í 180О 0-0 состоит из эллипсоидов вращения 9 и 10 с образом, чтобы излучение от источника 1 с внутренним серебрянным покрытием, кото- 35 помощью световода 2 и . рые смонтированы на подвижных платах и ственно на параболическое зеркало 11, при перемещаются по вертикали и вдоль при- этом вдвигают экран 12 системы, чтобы изставки, кюветы 11, которая с образцом пе- . лучение от светово а 3 н да не проходило через; ремещается в направляющих и может быть образец. В результате ультате этого с помощью эк ан 1 закреплена на любом уровне, подвижного 40. спектрофотометра 5 экрана 2, параболических зеркал 13 и 14 с ную спектральную отражательную способ+ путем сравнения отрафокусным расстоянием 40 мм, фокальными ность а+во путе плоскостями которых являются плоскости женного лучисто y того потока с лучистым потозе кал 1 и

2 и g, при этом фокусы параболических ком непосредственно от изл а . Н р 3 14 и их центры расположены íà 45 ромэтапезакрываютзаслонку8, световод2 продолжении большой оси зеркальных эл- поворачивают на 180 в и липсоидов в а ения 9 и 10 бл р щения и, благодаря чему ное на фиг. 1, чтобы излучение от источника достигается равномерность освещения пло- 1 попадало на образе о разец в канале сравнения в и иставке 4 и ских зеркал 15, 16, 17, и 18, расположенных 7, при этом выдвигают экр 12. Б к ан . лагодаря каналах 6 и 7, Каж е р Ä 50 этому на втором этапе измеря м ряютотношение

18 име до из зеркал 15. 16, 17 и KiL1+2+3 пропущенного излучения ет четыре степени свободы, парабо- ному излучению. От ж к отражен13 14 б р л и снабжены также . сти образца лучистый поток фокусируется шаровым шарниром. В спектрофотометре.5 во второй.фокальной плоскости Fg эллипсодля равномерного освещения елей и вщ я щелей по вы- 55 ида вращения 10, а прошедший через обрасоте установлены сменные линзы 19, 20 и зец поток коллимиру оллимируется в фокальной

ые авнив р1 щие клинья 22 и 23, кото- плоскости Fz эллипсоида в 9. О р ур ают мощность световых пото- женные плоскими зеркалами 17 и 18 лучиращения . тра-. ков в рабочем канале 6 и в канале, стые потоки проходят компенси ю ие

1809381 клинья 23, 22 и попадают на плоские зеркала 24 и 25.

В рабочем канале 6 пучок плоским зеркалом 26 направляется на торическое зеркало 33, которое создает второе изображение источника в плоскости отражающей поверхности прерывателя 30, В канале сравнения

7 плоское зеркало 24 направляет луч на торическое зеркало 32, которое создает иэображение источника в том месте отражающей поверхности прерывателя 30, что и торическое зеркала 33 рабочего канала

6. При вращении прерывателя 30 пучки из обоих каналов 6 и 7 попеременно направляются торическим зеркалом 27 во входную щель 38 двухлучевого спектрофотометра 5 и фокусируется в плоскости этой щели 38.

Пройдя входную щель 38, луч попадает на параболическое зеркало 35 и затем разлагается в спектр призмой разложения 36, Отразившись от зеркала Литтрова 40 луч вторично проходит через призму разложения 36, фокусируется параболическим зеркалом 35 и направляется плоским зеркалом

28 на выходную щель 39, При повороте зеркала Литтрова 40 на выходную щель 39 направляются лучи различных длин волн, Изображение щели 39 проектируется плоским

29 и эллиптическим 41 зеркалами на приемнике 31. Отношения Ю,1+2+0и КА,1+2+з непрерывно записываются на диаграмме.

Продолжительность измерений в пределах одного микрона не превышает 18 — 20 мин.

Пример:

Проводили измерения оптических характеристик рисовых экструдатов. Рисовые экструдэты помещают в кювете между стеклами. Стекла кюветы имеют следующие спектральные характеристики: Til,,1 = Т Я,з =

0,7; Ю„1= R А,з = 0,2, При наличии экрана 12 за кюветой имеют TiLo= О, Ю„o =0,95. Открывают заслонку 8 и световод 2 поворачивают нэ 180 вокруг оси Π— О таким образом, чтобы излучение ат источника 1 с помощью световода 2 попало непосредственно на параболическое зеркало 14, при этом вдвигают экран 12, чтобы излучение от световода

3 не проходило через образец. В результате этого с помощью двухлучевого спектрофатометра 5 определяют суммарную спектральную отражательную способность путем сравнения отраженного лучистого потока с лучистым потоком непосредственно от излучателя; Ril, +2þ = 0,47, На втором этапе закрывают заслонку 8, световад 2 поворачивают на 180 в положение, указанное на фиг, 1, с тем, чтобы излучение от источника

1 попадало на образец, при этом выдвигают экран 12. Благодаря этому измеряют отно5

10 шение IQ,1+2+з пропущенного излучения к отраженному излучению: К Д, +2+з = 0,42.

Подставляя укаэанные значения в уравнение 1 и 2, и имея в виду, что спектральная отражательная способность экрана R Д,о =

=0,95, находим значения спектральных характеристик экструдатов Т ),г = 0,3 и R Q =

= 0,4. Продолжительность измерений не превышает 18 мин.

Таким образом предлагаемый способ и устройство позволяют повысить мощность выходного сигнала вследствие облучения образца более мощным интегральным лучистым потоком, модулирования пропущенно15 ro и отраженного лучистых потоков, а также последующего усиления с помощью усилителя переменного тока, кроме того сокращается продолжительность эксперимента в 3—

5 раз по сравнению с существующим уст20 ройством. благодаря этому обеспечивается возможность одновременного измерения

Т и Мв условиях быстропротекающих процессов в образце, кроме того повышается точность экспериментального исследова25 ния вследствиесравнения ТАи Ю,подвухлучевай схеме и использования одного приемника для измерения как отраженного, таК и пропущенного образцом лучистых потоков, 30 Указанные оптические характеристики позволят подобрать оптимальные режимы работы генератора при ИК-обработке пищевых продуктов, что обеспечит в конечном итоге повышение качества высушиваемых

35 пищевых продуктов.

Используя метод многократных отражений, получены суммарные значения ТА,1+2+з и R М,1+2+э, позволяющие определять ТАд и

Щ,2 материала в случае измерения прапу40 скательной и отражательной способностей материала, заключенного в кювете с известными свойствами верхней (ТЯ,1; Rk>) и нижней (ТЯ,з; Ю„з) стекол.

Схема для расчета Ril,1+2+э методом

45 многократных отражений представлена на фиг. 2, для расчета ТЯ,1+2+3 — на фиг. 3, На фиг. 2 и 3 представлены гармонйки отражаемых и пропускаемых лучистых потоков и знаменатели геометрических прогрес50 сий, При определении отражательной способности Ю„1+2+3 рассмотрены лишь лучистые потоки, возникающие при добавлении к двухслойной среде третей пластины с отражательной способностью Ю„з. Суммар55 ная отражательная способность двухслой.ной пластины известна:

Ю.1+2 = Ю.1 + — „— -- ТА,1 Ю,2 (1)

1809381

1 — Rg,1Ят д

+ Ю,1гЦ,2 + Щ,1,1Щ,2 + "Х1 +

+ ТЛ,1 ТЛ,2 Ю,ЗЩ1Ю,2(1 +

Тг,1+2 = ТЛ,1ТЛ,2(1 + %„1Ю,2 +

Т,1ТЗР ЯЛ„З (1 — Ю,1 1Ч,2) 30

ТЛ,1ТЛ,2ГЛ

ТЛ,1+2+3— гц,1+2+3 = нЛ,1 1

В,1 Е.,ЗТЬ

) (6) 40

Т7,1 Ч,2 Т3,1 Т1Я Л,З

1-% Х2+ (1 — Ц,1 ВЛ,2} 2

Rk,1 Ю,,ЗТЗЯ (2 3} (,МЧ,3,2) йЛ,1(1 — Щ,1 ВЛ,2) 2 + Т,1Щ,2(1 — fg,,1 Щ,2 ) T,1Т,2ВЛД(Щ,МЦ,2+ (7) ° Из фиг. 2 видно; что основной суммарный лучистый поток от составляющей ТЛ,1 и

ТЛ,2 можно представить s следующем виде:

2 3 яЛ,1 .2 3=ТЛ,1 ТЛ,2 цз(1+

+ Ril,1Ö2 Ril,,3+ Ю,1 ТЛ,2 Ю,З + ")+

+ Щ1Ю,г+ ИЛ,1 Ю,2 + ...) (2)

Основной лучистый поток, проходящий через двухслойную пластину, описывается геометрической прогрессией:

+ Щ1 Ю2 + ) (3)

Преобразуя уравнения (2) и (3) найдем дополнительный отраженный лучистый поток;

Таким образом, суммарная отражательная способность трехслойной пластины определяется суммированием полученного лучистого потока ВЛ,1+2+3 с отраженным в

ДВУХСЛОйНОй ПЛаСтИНЕ Щ1+2.

КЛ,1+2+3 = ТЛ,1ТЛ,2ТЛ3(1 — Ч,1 Ч,2) Полученные выражения позволяют сделать вывод, что при измеренииспектральных характеристик влажных материалов в кюветах действительные знаДля проверки справедливости полученного выражения нами рассчитаны по (5) значения fg,1+2+3 для трех одинаковых листов писчей бумаги с отражательной способностью каждого листа R = 50 и Fb= 907;, Отличие полученного по уравнению (5)

0 значения яя,1+2+3 от действительного

1,2 (.

Схема для расчета величины суммарной пропускательной способности трехслойной среды ТЛ,1+2+з представлена на фиг. 3, на которой показаны гармоники проходящйх через трехслойную пластину лучистых потоков и знаменатели их геометрических прогрессий.

Как видно из фиг. 3

ТЛ, 1+2+3 = Т Я, 1ТЛ,2Т Л, 3(1 + R il„2R Л,З +

+ Ril,2 ВЯ,З + ...)+ тЛ,1тЯ,2зтЛ,ÇR il,ÇR Л,1(1 +

25 + Ю,2 И,З+Ю,2 fU,,3 + ...)(1+

+ Ю,1ЩЗТЛ.22+ Ю,1 %„3 ТЛ,г ...)+

+Т Я„1ТЛ,2 U,3%„3 Й Л,2Я il,1(1 +

+ 1Ч,ЗТЛ,2 ЙЛ,1+ Ю„З ТЛ,2 FQ,1 +

+ ...Х1 + Rл,2тл,з+ ю,2 1ч,з + ...)

Преобразуя полученное выражение и учитывая (3) получим

Учитывая уравнения 5 и 6 в соотношении К Л,1+2+3 = (T Я,1+2+3)/(R Л,1+2+2) получим .

45 чения Щ,2 и ТЛ,2 могут быть определены только, при совместном решении в каждом: случае системы уравнения (5), (7), т. е. нельзя

1809381 Щ (1 — rM,1%2) + T/1%2(1 — %,1%2 2 Т)„Г Я ЛЗ(Ю,ЯЛ.,2+ ограничиваться учетом только одной из составляющих.

Формула изобретения

1. Способ определения оптических характеристик пищевых продуктов, предус. матривающий облучение исследуемой пробы источником монохроматического излучения, измерение величин отраженного от пробы исследуемого .пищевого продукта и прошедшего через нее лучистого потока с последующим установлением значений спектральных отражательной и пропускательной характеристик исследуемого пищевого продукта, отличающийся тем, что, с целью сокращения времени и повышения точности, дополнительно измеряют величину отраженного лучистого потока непосредственно от источника монохроматического излучения, при этом установление значений спектральных отражательной и пропускательной .характеристик ведут в два этапа, на первом из которых устанавлиЧ,,1+2+3 = ТА,1 ТЛ,2 ТА,З(1 — Ю,1%,2) где Ы д — спектральная отражательная способность исследуемого материала;

ТДд — спектральная пропускательная способность исследуемого материала;

fQ, и FQ,з — спектральные отражательные способности стекол кюветы;

ВЯ,о — спектральная отражательная способность экрана;

ЯЯ, +г+о- суммарная спектральная отражательная способность;

ТЯ, и ТЯ,з — спектральные пропускательные способности стекол кюветы;

К Я, +2+э — отношение лучистого потока, прошедшего через образец к отраженному лучистому потоку.

2. Устройство для определения оптических характеристик пищевых продуктов, содержащее источник монохроматического излучения, систему отражающих зеркал, оптическую приставку, включающую два элвают значение суммарной спектральной отражательной характеристики по результату сравнения величин отраженного от пробы исследуемого пищевого продукта лучистого

5 потока с лучистым потоком непосредственно от источника монохроматического излучения, на втором устанавливают отношение величин прошедшего через пробу исследуемого пищевого продукта лучистого потока к

10 величине лучистого потока, отраженного от данной пробы, а определение оптических характеристик пищевых продуктов осуществляют из формулы. липсоида вращения с размещенной между

25 ними кюветой для пробы исследуемого продукта, и двухлучевой спектрофотометр, подсоединенный к оптической приставке рабочим каналом и каналом сравнения, о тл и ча ю щ ее с я тем, что, с целью сокра30 щения времени и повышения точности, оно снабжено двумя световодами, поворотной заслонкой и подвижным экраном, при этом первый из световодов установлен неподви>кно в рабочем канале и оснащен поворот35 ной заслонкой, а второй размещен с воэможностью поворота вокруг малой оси эллипсоида вращения в канале сравнения, причем в фокальной плоскости последнего расположен подвижный экран, а источник

40 монохроматического излучения установлен на пересечении оси первого световода и малой оси эллипсоида вращения канала сравнения, 1809381

2R2

I Я. Фиг. 2

Фиг. Э г

Реда кто В.Трубченко р

Заказ 1283 Тираж . Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

11303S, Москва. Ж-35, Раушская наб., 4/5

КТа

R37

Составитель В.Матвеев

Техред М.моргенгел Коррехгор, И.Шуллв

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101