Способ определения концентрации спирта и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к пищевой промышленности и может найти применение в системах контроля качества алкогольной продукции. Способ предусматривает помещение кюветы на пути оптического луча длиной волны 1250-1350 нм, измеряют поглощение излучения источника в кювете с исследуемым раствором. Полученные результаты обрабатывают и вычисляют крепость раствора. Устройство содержит вычислительное устройство, устройство сопряжения, оптически связанные излучатель с длиной волны излучения в диапазоне 1250-1380 нм, светоделительную пластину, кювету с раствором, измерительное фотоприемное устройство, выход которого связан через устройство сопряжения с вычислительным устройством. Изобретение позволит повысить точность определения содержания спирта в растворах. 2 с. и 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к пищевой промышленности и может найти применение в системах контроля качества винных, ликероводочных и водно-спиртовых растворов.

Известны способы и устройства для исследования спиртных напитков, основанные на различных физических принципах.

По авторскому свидетельству СССР 567135 (БИ 28, 1977 г.) известен способ, предусматривающий нагревание спирта, определение разницы объемных расходов до и после нагревания с последующим вычислением коэффициента объемного расширения, по которому судят о крепости спирта.

В авторском свидетельстве 544917 (БИ 4, 1977 г.) и авторском свидетельстве 938154 (БИ 23, 1982 г.) предложены способы воздействия потоком электромагнитных колебаний на водно-спиртовую смесь и фиксации в первом случае фазового сдвига между падающим и отраженным потоками, по которому судят о концентрации водных растворов спирта, а во втором случае фазового сдвига между входным и выходным сигналами в эталонном и контролируемом растворах, приведения фазовых сдвигов к равным значениям изменением частоты входного сигнала, по которой определяют концентрацию раствора.

В авторском свидетельстве 1107047 (БИ 29, 1984 г.) предложен способ, предусматривающий определение концентрации раствора в зависимости от его диэлектрической постоянной.

В авторском свидетельстве 16311420 (БИ 8, 1991 г.) предложен способ определения концентрации, предусматривающий отбор и сожжение пробы в камере сгорания с последующим анализом продуктов сгорания и установлением показателя, коррелирующего с концентрацией спирта.

В патенте DE 4410781С2, G 01 N 35/00, G 06 K 7/10, G 01 N 23/223, G 01 N 35/04, Siemens AG, 1995 г. представлено устройство для идентификации и манипулирования пробами в автоматическом просвечивающем анализирующем приборе. Устройство имеет носитель проб, в котором пробы размещены в виде растра, и приемник проб, который перемещается по пробам, просвечивая их, снимая в том числе и код, нанесенный на пробы.

Существенным недостатком данного устройства является наличие носителя проб, ограничивающего перечень проверяемых растворов, требующего для своей работы манипулирующего устройства, устройства распознавания изображения, наличия на производстве специальной службы, поддерживающей эталонность растворов во времени (учитывая фактор их старения, испарения алкоголя, расслоения и сбраживания растворов и т.д.). В итоге данное техническое решение, отличаясь громоздкостью, дороговизной, сложностью технического обслуживания, не является универсальным средством, которое могло бы быть применено на винно-водочном производстве с широкой номенклатурой производимых растворов.

В патенте РФ 2142630, G 01 N, 3/14 (БИ 34, 1999 г.) предложен способ экспресс-контроля качества спиртовых изделий для их идентификации, состоящий в проведении двухканальной корреляционной спектроскопии путем направления на исследуемый образец лазерного светового потока с последующей регистрацией сигналов рассеяния этого потока по двум направлениям и после соответствующей обработки сравнения получаемых результатов с соответствующими значениями эталонных образцов и в итоге определения качества спиртоводочных жидкостей по результату сравнения.

Таким образом, для работы данного устройства, как и для предыдущего устройства, необходимым является наличие эталонов растворов, что резко сужает область применения таких устройств.

В патенте РФ 2082967, G 01 N, 3/14 (БИ 18, 1997 г.) предложен способ, основанный на спектрально-селективном измерении поглощения света, прошедшего через кювету с исследуемым раствором, на предварительно определенных характеристических длинах волн λ₁ = 920,8 нм и λ^*, которая является точкой максимального светопоглощения спиртом. Выбор длины волны произведен исходя из зависимостей спектрального поглощения водно-спиртового раствора, дистиллированной воды и этилового спирта, полученных на стандартном спектрофотометрическом приборе "Hitachi-4000". Способ включает отбор пробы исследуемого раствора, помещение кюветы с пробой на пути оптического луча, измерение поглощения излучения в кювете на предварительно определенных характеристических длинах волн, одна из которых равна 920,8 нм, а другая расположена вблизи первой и определяется по максимальному светопоглощению, измерение аналогичных параметров на эталонном образце раствора, сравнение и обработку полученных результатов с определением по формуле концентрации спирта.

По признаку наличия эталона последнее техническое решение обладает уже отмеченными недостатками.

Авторами на том же приборе "Hitachi-4000" были проведены аналогичные исследования дистиллированной воды, портвейна, водки и спирта. Полученные результаты светопоглощения для указанных растворов в зависимости от длины волны представлены на фиг.1. Из фиг.1 видно, что на длинах волн максимального светопоглощения спирта, используемых в известном техническом решении, измеренные сигналы светопоглощения составляют для воды 1,01 (кривая 4); для водки 1,0 (кривая 2); для спирта 0,95 (кривая 1). Для водно-спиртовых растворов при изменении крепости от 0 до 40% диапазон светопоглощения изменяется в 1,01 раза, весь же диапазон светопоглощения изменяется в 1,063 раза (до максимально возможной концентрации спирта). Наличие в водно-спиртовом растворе сахара для длин волн в области 900...930 нм резко изменяет светопоглощение, при этом (см. фиг.1), например, для портвейна, имеющего 7% сахара, величина светопоглощения выходит за пределы указанного диапазона светопоглощения и составляет 0,925 (кривая 3), при этом влияние сахара полностью нейтрализует влияние на светопоглощение спирта.

Таким образом, световые потоки с длинами волн 900...930 нм более чувствительны к наличию в растворе сахара, и почти не реагируют на содержание спирта. Малая чувствительность к концентрации спирта требует значительных технических усилий по реализации измерительного устройства, состоящих в высоких требованиях к электронно-усилительным блокам, в необходимости использования кюветы с эталонным раствором, что фактически означает реализацию метода компенсации, используемого для измерения слабо меняющихся сигналов. В итоге практически достижимая погрешность измерения крепости для данных устройств достигает до 6% для водочных растворов, содержащих незначительные количества сахара (до 1-2%).

Целью изобретения является обеспечение непрерывности измерения и повышение точности определения количества спирта в водно-спиртовых растворах.

Поставленная цель достигается тем, что для водно-спиртовых растворов операции помещения кюветы на пути оптического луча, измерения поглощения излучения источника в кювете с исследуемым раствором, обработки полученных результатов и вычисления крепости раствора проводят с помощью оптического луча в диапазоне длин волн 1250...1350 нм, при этом фиксируют изменение мощности излучения с помощью опорного фотоприемного устройства и корректируют результат измерения.

Таким образом, в предлагаемом техническом решении просвечивают раствор световым потоком с длиной волны, которая менее критична к наличию сахара и в большей степени зависит от крепости растворов. Из фиг.1 видно, что на длине волны λ=1300 нм измеряемые сигналы светопоглощения имеют наибольший диапазон и изменяются от 0,265 для воды до 0,765 для спирта, т.е. в 2,887 раза. При этом, как показывают измерения, проведенные для портвейна, наличие в растворе сахара принципиально не меняет закономерности изменения сигнала в зависимости от крепости.

На фиг.2 представлена блок-схема заявляемого устройства.

Оптическая схема устройства для реализации данного технического решения представлена на фиг.3.

Предлагаемое устройство включает вычислительное устройство 1, блок устройств сопряжения 2, оптико-электронную систему со светоделительной пластиной 6 (см. фиг.3) и кюветой 4, просвечиваемой излучателем 5, соединенную с трубопроводами слива, а также измерительное и опорное фотоприемные устройства 7 и 8. Входной трубопровод ответвляется от основного сливного трубопровода, на его входе размещен электроклапан 3. Через блок устройств сопряжения 2 фотоприемные устройства 7 и 8, электроклапан 3 соединены с вычислительным устройством 1.

Опорное фотоприемное устройство 8 предназначено для фиксации изменения излучения полупроводникового лазера на момент проведения измерения светопоглощения в кювете путем корректировки (нормирования) сигнала, принимаемого измерительным фотоприемным устройством. Изменение излучения, например, полупроводникового лазерного излучателя может быть вызвано изменением его температурного режима, изменением мощности излучения вследствие выгорания тела свечения (кристалла излучателя) и ухода вследствие этого оси излучения от ее первоначального положения или из-за различного отражения излучения от кюветы при ее заполнении различными растворами. В последнем случае отраженный от кюветы световой поток проходит через светоделительную пластину, отражается от линзы излучателя, возвращается на светоделительную пластину и от нее отражается на опорное фотоприемное устройство.

Как показывают проведенные экспериментальные исследования, корректировка сигнала, принимаемого измерительным фотоприемным устройством, может состоять, например, в его делении на величину сигнала, принимаемого опорным фотоприемным устройством, получаемое отношение составляет достаточно постоянную величину.

Работа предлагаемого устройства.

На этапе настройки заполняют кювету дистиллированной водой и запоминают в памяти вычислительного устройства сигнал, снимаемый с измерительного фотоприемного устройства, соответствующий нулевой крепости, нормируемый по данным, снимаемым с опорного фотоприемного устройства (значение величины I₀). Затем повторяют данную операцию с водно-спиртовыми растворами заранее измеренной крепости, например, ареометром и вычисляют коэффициент k=A•d из формулы (1).

Нажатием клавиши с клавиатуры (пульта) вычислительного устройства 1 открывают электроклапан 3, раствор поступает в кювету 4, меняя светопоглощение за счет ее заполнения, после стабилизации значение сигнала, снимаемого с измерительного фотоприемного устройства 7, считают соответствующим измеряемой крепости раствора. После нормирования этого сигнала по значению, снимаемому с опорного фотоприемного устройства 8, определяют содержание спирта в растворе по известной формуле Бугера-Ламберта-Бера I=I₀e^-Acd, (1) где I - интенсивность света после прохождения через среду d; I₀ - интенсивность источника света на входе в слой поглощающей среды; с - концентрация растворенного вещества; А - постоянная, зависящая от свойств растворенного вещества и от длины световой волны.

Предлагаемое устройство было изготовлено на базе непрерывного полупроводникового лазера длиной волны 1300 нм со средней мощностью лазерного излучения 5 мВт, фотоприемных устройств на фотодиодах типа ФД9Э111А. Раствор, подлежащий измерению, помещают в бачок, откуда он самотеком при открытии электроклапана с клавиатуры вычислительного устройства поступает в кювету длиной 45 мм и объемом 55 мл. Раствор поступает в кювету снизу, вытесняя воздух. Измерение производят после полного заполнения кюветы, когда наблюдается переливание раствора через верхний выводной патрубок кюветы.

Экспериментальные данные, полученные на базе изготовленного образца, приведены на фиг.4 (нижняя кривая с нулевым содержанием сахара) на графике зависимости величины светопоглощения от процентного (по объему) содержания спирта в водно-спиртовом растворе.

Реально достижимой является погрешность измерений процентного (по объему) содержания спирта (крепости) в водно-спиртовом растворе, не содержащем сахар - не более 0,1%.

Для растворов, содержащих сахар, проводят заблаговременно операции помещения кюветы с эталонными сахарными растворами и водно-спиртовыми растворами, содержащими сахар, на пути оптического луча, поочередного измерения светопоглощения излучения источника в кювете с занесением данных измерений в память вычислительного устройства, а перед определением крепости раствора вводят процентное содержание (концентрацию) сахара в исследуемом растворе в вычислительное устройство.

Занесение данных о содержании сахара в исследуемом водно-спиртовом растворе может быть произведено, например, с клавиатуры вычислительного устройства.

Экспериментальные исследования, полученные на базе изготовленного образца, для различных концентраций сахара в растворах приведены на фиг.4 на графике зависимости величины светопоглощения от процентного (по объему) содержания спирта в водно-спиртовом растворе, содержащем сахар.

Формула изобретения

1. Способ определения концентрации спирта, состоящий в помещении кюветы на пути оптического луча, измерении поглощения излучения источника в кювете с исследуемым раствором, обработке полученных результатов и вычислении крепости раствора, отличающийся тем, что измерение поглощения излучения источника в кювете с исследуемым раствором проводят для оптического луча длиной волны 1250-1350 нм.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что фиксируют изменение мощности излучения и корректируют результаты измерения.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что проводят заблаговременно операции помещения кюветы с эталонными сахарными растворами и водно-спиртовыми растворами, содержащими сахар, на пути оптического луча, поочередного измерения светопоглощения излучения источника в кювете с занесением данных измерений в память вычислительного устройства, а перед определением крепости раствора вводят процентное содержание (концентрацию) сахара в исследуемом растворе в вычислительное устройство.

4. Устройство определения концентрации спирта, содержащее вычислительное устройство, устройство сопряжения, оптически связанные излучатель, светоделительную пластину, кювету с раствором, измерительное фотоприемное устройство, выход которого связан через устройство сопряжения с вычислительным устройством, отличающееся тем, что в нем излучатель имеет длину волны излучения в диапазоне 1250-1350 нм.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что содержит опорное фотоприемное устройство, выход которого связан через устройство сопряжения с вычислительным устройством, а вход оптически связан через светоделительную пластину с излучателем.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4