Автоматизация процессов виноделия - Приборы контроля состава и свойств веществ в виноделии

ГЛАВА 17. ПРИБОРЫ КОНТРОЛЯ СОСТАВА И СВОЙСТВ ВЕЩЕСТВ

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

В автоматизации производственных процессов виноделия широкое применение получают устройства, осуществляющие анализ состава и свойств жидкостей, газов, сыпучих и твердых материалов в самых различных процессах: мойка стеклянной тары, хранение сырья и виноматериалов, приемка винограда и т. д.
Устройства, предназначенные для анализа состава и свойств веществ, называются приборами контроля состава и свойств веществ.
Наиболее часто приходится осуществлять автоматический контроль следующих физико-химических величин: водородного показателя pH, влажности и плотности многих сред, а также содержания солей и кислорода в питательной воде, кислорода и углекислоты в дымовых газах парокотельных.
В соответствии с этим датчики физико-химических величин приборов контроля состава и свойств веществ разделяются на следующие группы: 1) рН-метры; 2) влагомеры; 3) плотномеры; 4) солемеры; 5) кислородомеры; 6) газоанализаторы.
В качестве вторичных приборов ко всем перечисленным датчикам служат описанные ранее автокомпенсаторы типа ЭПИД, ЭПД, ЭМД, МСР1, ЭМП и пирометрические милливольтметры.

рН-МЕТРЫ

В растворах в результате диссоциации молекул появляются ионы водородас положительным зарядом и гидроксильные ионыс отрицательным зарядом электричества. Установлено, что для нейтральной среды при неизменной температуре (в пределах 15—25° С) справедливо равенство 2 I= 10-14. Откуда в нейтральной среде (например, в чистой воде, у которой количество зарядов положительного электричества равно количеству зарядов отрицательного электричества) концентрация ионов водорода определится числом

Если в чистую воду вводится кислота, то концентрация ионов повышается, а если щелочь — понижается. Следовательно, число 10—7 может служить исходной мерой кислотности или щелочности водных растворов.
В технике измерений использование чисел с отрицательными степенями оказалось неудобным. Поэтому условились выражать кислотность или щелочность растворов не концентрацией ионов а ее десятичным логарифмом, взятым с обратным знаком:

Величину, характеризующую концентрацию ионов водорода в растворах, назвали водородным показателем и обозначили знаком pH. В кислой среде pH меньше 7, в щелочной —  наоборот.
Приборы, предназначенные для измерения величины pH жидкостей, называются pH-метрами.
В виноделии этими приборами определяется активная кислотность виноматериалов, сока винограда и фруктов (количество водорода, находящегося в состоянии ионов в 1 л жидкости), а также щелочность моющих растворов в бутылкомоечных машинах. Кроме того, pH-метрами устанавливается значение pH котловых вод и загрязненных сточных вод, подвергающихся очистке. В последние годы разработаны и внедряются специальные конструкции pH-метров, с помощью которых можно производить потенциометрическое (электрометрическое) титрование (определение в вине и соке свободных кислот и их кислых солей).
Рассмотрим принципиальные особенности устройства и действия современных автоматических pH-метров, состоящих из датчика, высокоомного преобразователя и вторичного прибора.
Датчик pH-метра снабжен измерительным элементом в виде двух стеклянных электродов: измерительного 5079 (рис. 96, в (I)) и сравнительного 5268 (рис. 96, в (II)).
Измерительный электрод представляет собой калиброванную стеклянную трубку 1 с присоединенным к ней шариком 2 (из специального электродного стекла). Полость электрода частично заполнена раствором 3 бромисто-водородной кислоты. В кислоту погружен вспомогательный электрод 4 из серебряной проволоки, покрытой слоем бромистого серебра. От электрода 4 отведен гибкий проводник 5.
Сравнительный электрод в верхней части калиброванной стеклянной трубки 1 имеет серебряный контактный электрод 2, находящийся в растворе треххлористого калия. Кроме того, в стеклянной трубке имеются две эластичные резиновые мембраны 5, предохраняющие от попадания внутрь электрода посторонних ионов из измеряемой среды. Электрод 2 соединен с гибким проводником 4.
При погружении измерительного электрода в контролируемую жидкость на границе раздела двух разнородных структур (стекло и жидкость) вследствие обмена ионами между этими структурами происходит электризация электрода, образуется так называемая «гальваническая пара», электродвижущую силу которой мы обозначаем через Ех. Так как величина Ех при данной температуре пропорциональна значению pH, то шкала прибора, измеряющего ее, может градуироваться в числах pH. Для осуществления измерений Ех вторичным прибором применяется сравнительный электрод.
Высокоомный преобразователь является промежуточным устройством между датчиком и вторичным прибором. Применение его в pH-метре вызвано следующим. Протекание тока через огромное сопротивление электродов (500—1000 МОм) источника электродвижущей силы, безусловно, сопровождается некоторой внутренней потерей напряжения, что влечет за собой значительную погрешность измерения показателя pH. Основное назначение преобразователя заключается в том, чтобы ограничить величину тока, а следовательно, и потерю напряжения в источнике до как можно меньшего значения и тем самым обеспечить измерение с допустимой погрешностью.

Рис. 96. Автоматические рН-метры:
а — общий вид высокоомного указывающего преобразователя ПВУ 5256; б — принципиальная схема действия преобразователя ПВУ-5256; в — измерительный 5079 и сравнительный 5268 электроды датчика; г — схема внешних соединений.

На рис. 96 показаны общий вид и принципиальная схема действия высокоомного указывающего преобразователя типа ПВУ-5256. Из схемы видно, что электроды подключены к выходным зажимам электронного усилителя ЭУ преобразователя через сопротивление R.
На этом сопротивлении при протекании выходного тока Iвых. усилителя ЭУ вызывается выходное напряжение Uвых. Так как величины UU и Ех направлены встречно, сила тока, 
протекающего через источник электродвижущей силы, оказывается весьма малой.
Входное напряжение преобразователя каждый раз определяется из соотношения
В электронном усилителе сигнал Uвx преобразуется вибропреобразователем в переменное напряжение, затем последнее многократно усиливается и вновь преобразуется в напряжение постоянного тока. Коэффициент усиления усилителя ЭУ, находится в пределах десятков тысяч. Следовательно, МОЖНО допустить, ЧТО Uвх ≈ 0 и тогда Ех≈Ubux≈IвыхR. Поэтому для измерения числа pH вторичный прибор подключается к зажимам 1 и 2 преобразователя.
Вторичным прибором к преобразователю ПВУ-5256 может служить автокомпенсатор ЭПД и другие потенциометры, рассчитанные на величину входного сигнала 0—50 мВ. Кроме того, преобразователь снабжен дублирующим электроизмерительным прибором магнитоэлектрической системы типа М-170.
На рис. 96, г показана схема внешних соединений автоматического рН-метра, измеряющего среду с резко изменяющейся температурой. Для таких условий, помимо электродов 1 и 2, применяется термометр сопротивления 3, выполняющий функцию термокомпенсатора температурной погрешности измерения.
Электроды и термокомпенсатор на заводе-изготовителе объединяются в один блок (корпус) и подсоединяются к соединительной коробке 4 коаксиальным кабелем. Получаемая система устройств носит название датчика рН-метра.
Автоматические pH-метры характеризуются следующими техническими данными:

1. работа pH-метров обеспечивается с наибольшей точностью измерений при использовании погружных датчиков типа ДПг-5274 или ДПг-5275 и проточных типа ДПр-5315. Эти датчики имеют пределы измерения числа pH от 1,5 до 14. Масса ДПг до 8,5, ДПр до 5 кг. Датчики ДПг-5274 приспособлены для установки на крышках аппаратов при помощи фланца, а ДПг-5275 — на боковую стенку посредством скобы.
2. pH-метры комплектуются с высокоомным указывающим преобразователем ПВУ-5256 со следующими техническими характеристиками: сила выходного тока 0—5 мА; питание от сети переменного тока 220 В; мощность до 20 В-А; габаритные размеры 270x346x210 мм; масса не более 15,5 кг.

Отечественным приборостроением в настоящее время выпускаются промышленные pH-метры повышенной точности типа pH-261 (рис. 97, а), предназначенные для использования в системах непрерывного контроля и автоматического регулирования кислотности и щелочности водных растворов.
Пределы измерения приборов pH-261 от 1 до 14; диапазон измерения (в единицах pH) 1; 2; 5; 10; питание от сети переменного тока 220 В; мощность до 20 В-А; габаритные размеры 250X230X330 мм; масса не более 10 кг.

Рис. 97. pH-метры новых разработок:
а — промышленные автоматические pH-метры повышенной точности типа pH-261; б — лабораторный pH·метр-милливольтметр типа ЛПМ-60М.

На рис. 97 представлен внешний вид лабораторного рН- метра-милливольтметра типа ЛПМ-60М (новая разработка), предназначенного для измерения величины pH, а также для потенциометрического титрования при помощи блока автоматического титрования типа БАТ-12ЛМ (на рисунке не показан).
pH-метр ЛПМ-60М может применяться в научно-исследовательских институтах, заводских лабораториях и имеет следующие технические характеристики: пределы измерения величины pH от 2 до 14; допускаемая основная погрешность 2,5%; питание от сети переменного тока 220 В; габаритные размеры 430X Х342Х240 мм; масса не более 10 кг.
Блок БАТ-12ЛМ при напряжении переменного тока 220 В имеет мощность не более 50 В-А; габаритные размеры блока 330Х279Х 122 мм; масса не более 7,5 кг.

ВЛАГОМЕРЫ

Влагосодержание газовой смеси (воздуха) характеризуется абсолютной или относительной влажностью.
Абсолютная влажность — это количество водяного пара (кг) к единице объема (м³) влажного воздуха.
Относительная влажность — это выраженное в процентах отношение абсолютной влажности к максимально возможному количеству водяного пара в 1 м³ воздуха при данной температуре.
Различают три основных принципа (метода) измерения относительной влажности воздуха: точки росы, поглотительный и психрометрический.
Принцип, или метод, точки росы заключается в определении температуры, при которой содержащийся в контролируемой газовой смеси водяной пар достигает состояния насыщения (выпадания росы) при неизменном давлении; затем по величине температуры, взятой из специальных таблиц, устанавливается влагосодержание.
Поглотительный принцип основан на использовании измерительных элементов в виде пучка обезжиренных человеческих волос или специальных пленок, способных изменять свою длину при понижении или повышении влажности среды; при этом методе применяются также измерительные элементы, содержащие соли с закономерно изменяющейся электропроводностью под действием влагосодержания (например, хлористый литий и др.).
Психрометрический принцип положен в основу создания современных приборов автоматического контроля и регулирования влажности и на нем мы остановимся позже.
Устройства, предназначенные для определения влажности, называются влагомерами.
Приведем некоторые примеры использования влагомеров в виноделии.
Вина высокого качества можно получить путем поддержания в основных цехах винзаводов не только определенной температуры, но и влажности воздуха. Поэтому на передовых винзаводах внедряется автоматическое кондиционирование воздуха. Без автоматического контроля и регулирования влажности воздуха в холодильных камерах не может осуществляться хранение винограда и фруктов: при слишком низкой относительной влажности наблюдается усиленная усушка, что приводит к уменьшению массы и ухудшению внешнего вида продуктов, при слишком высокой относительной влажности возможно появление плесени.
Влагомеры, действие которых основано на применении психрометрического принципа, называются психрометрами. Рассмотрим устройство и принцип действия электронного автоматического психрометра типа ПЭ, состоящего из датчика типа ДВП (рис. 98, в) и вторичного прибора (рис. 98, а, б).
Датчик представляет собой цилиндрический корпус 1, внутри которого расположен цилиндр 2, Последний служит обоймой, удерживающей теплоизоляционную втулку 3 с двумя расположенными в каналах 4 платиновыми электрическими термометрами сопротивления 5 градуировок 22 и коксовыми фильтрами 6. Внутри корпуса помещен резервуар 7 с водой для смачивания хлопчатобумажного чехла 8, надетого на мокрый термометр. Фитильная часть чехла проходит через отверстие 9. Резервуар снабжен двумя ниппелями 10, при помощи которых подсоединяется к бачку с водой. В головке 11 прибора закреплена клеммная колодка 12 для подключения термометров ко вторичному прибору. На рабочем месте датчик крепится с помощью фланца 13.

Рис. 98. Электронный автоматический психрометр ПЭ:
а — внешний вид; б — принципиальная схема устройства; в — датчик типа ДВП.

При работе прибора в помещении применяется вытяжное устройство, состоящее из двигателя переменного тока, на валу которого насажена крыльчатка. Вытяжное устройство обеспечивает просос воздуха со скоростью 3—5 м/с через отверстия 14 регулируемого сечения, отверстия в колпаке 15, коксовый фильтр и канал 16.
Принцип действия датчика основан на использовании психрометрического эффекта. Суть этого явления такова. Испарение влаги чехлом сопровождается отбором тепла от тела мокрого термометра. При этом интенсивность испарения находится в пропорциональной зависимости от количества водяных паров, содержащихся в контролируемом воздухе. Следовательно, разность температур мокрого и сухого термометров является мерой влагосодержания.
Вторичный прибор (рис. 98,б) изготовлен на базе автокомпенсатора типа ЭМД. Как видно из схемы, измерительное устройство его состоит из шунтирующего сопротивления R4 и двух одинарных мостов I и II, включающих сопротивления плеч R1, R2, R5 реохорда Rр и сухого термометра Rтс (мост I), сопротивления мокрого термометра Rтм и плеч R1, R2, R5 (мост II). Напряжение на вершинах 1 и 2 диагонали моста 1 пропорционально температуре сухого термометра, а на вершинах 1 и 3 диагонали моста II — температуре мокрого термометра. Разность потенциалов между точками 2 и 3 диагонали двойного моста пропорциональна психрометрической разности температур термометров, т. е. влажности измеряемой среды.
При изменении относительной влажности на вершинах 2 и 3 появляется напряжение рассогласования, которое усиливается электронным усилителем ЭУ до величины, достаточной для работы реверсивного двигателя РД. Движение от вала двигателя посредством кинематических связей (показаны пунктирными линиями) сообщается ползунку реохорда Rp, перу и стрелке прибора (см. также рис. 98, а). Вращение вала каждый раз длится до тех пор, пока ползунок реохорда не окажется в позиции, обеспечивающей новое равновесное состояние двойного моста.
Дисковая суточная диаграмма психрометра приводится во вращение синхронным двигателем СД через редуктор.
Кроме измерительного и регистрирующего устройства, вторичный прибор может быть оснащен электрическим или пневматическим регулирующим устройством.
Шкала прибора градуирована в процентах относительной влажности от 10 до 100; основная погрешность показаний комплекта психрометра не превышает 3% относительной влажности; время прохождения стрелкой всей шкалы 15 с; питание от сети переменного тока 127 В; габаритные размеры датчика 225X220Х407 мм; масса комплекта не более 35 кг.
Психрометры ПЭ эксплуатируются также со вторичными приборами — мостами ЭМП-68М1.