Способ градуировки акустооптических спиртомеров для измерения объемной доли этилового спирта в многокомпонентных спиртсодержащих растворах без предварительной перегонки, устройство кюветы для осуществления градуировки Российский патент 2022 года по МПК G01N21/25 G01N33/14 

Изобретение относится к пищевой промышленности, к акустооптическим спиртомерам (АОС) и может быть использовано для экспресс-анализа и контроля объемной доли этилового спирта в линиях розлива алкогольной продукции, в заводских лабораториях у производителей алкогольной продукции, в центрах государственного контроля за качеством алкогольной продукции.

Прототипом АОС является традиционный ареометрический метод анализа, основанный на измерении плотности водно-спиртового раствора [1]. Ареометрический метод измерения объемной доли этилового спирта входит в ГОСТ 8.024-2002 [2].

Ареометры отградуированы при температуре 20°С. Если температура измерения отличается от 20°С, следует довести ее до 20°С, или измерить при другой температуре, пользуясь табличными данными [3]. При измерениях используются ареометры для спирта по ГОСТ 18481-81 [4] и термометры ртутные стеклянные лабораторные по ГОСТ 28498-90 [5]. По результатам показаний ареометра и термометра с учетом поправок на них вычисляется объемная доля этилового спирта [3].

Ареометром для спирта определяется объемная доля этилового спирта в полученном водно-спиртовом растворе по ГОСТ 3639-79 [6].

Недостатки ареометрического метода измерения объемной доли этилового спирта:

- для определения объемной доли этилового спирта в многокомпонентных спиртсодержащих растворах (МСР) необходимо перегонять спирт от алкогольной продукции с соблюдением требований процедуры перегонки ликероводочных изделий в соответствии с ГОСТами на них.

- процедуру перегонки надо проводить всегда для каждой продукции каждый раз.

- в производстве алкогольной продукции при доводке продукта до готовности приходится неоднократно перегонять промежуточный виноматериал.

- каждое измерение ареометром с обработкой результатов занимает около 1,5-2 часа.

Ареометрический метод анализа трудоемок.

АОС представляет собой акустооптический двухлучевой спектрофотометр с программным блоком управления и обработки данных.

Метод измерения объемной доли этилового спирта АОС основан на измерении величины резонансного поглощения в исследуемом водно-спиртовом растворе и сравнением ее величины с величиной резонансного поглощения эталонного водно-спиртового раствора. Объемная доля этилового спирта в измеряемом растворе определяется по ослаблению излучения на характерных длинах волн, обусловленных наличием этилового спирта в данном растворе, и рассчитывается по алгоритму, заложенному в программное обеспечение с архивированием и с выводом результата измерения на экран монитора.

Объем анализируемой пробы на АОС не более 15 см³; время одного измерения не более 1 мин.

Представленные способы градуировки распространяются на МСР, на алкогольную продукцию любой крепости и состава (пиво, вино, ликеры, наливки, настойки, водки, коньяки, виски, бальзамы и т.д.).

Процедура градуировки для каждого МСР производится только один раз. Сроки дальнейших прямых измерений по однажды отградуированным изделиям не ограничены.

АОС, установленные в линиях розлива, градируются в реальных условиях эксплуатации, непосредственно в технологических линиях, в условиях, соответствующих технологическому процессу (температура производственного помещения, температура заливаемого раствора, турбулентность потока и т.д.).

Градуировка

На отградуированном АОС, предназначенном для измерения объемной доли этилового спирта в водно-спиртовых растворах, запускается программа измерения объемной доли этилового спирта с архивированием и выводом на монитор результатов промежуточных вычислений.

Градуировка АОС осуществляется двухканальным оптическим кюветным блоком 1 (рисунок 1) с продольными каналами - опорный 2 и измерительный 3. Опорный канал залит эталонный водно-спиртовой раствор с известной объемной долей этилового спирта, которая остается неизменной в течение всего периода эксплуатации АОС. Измерительный канал заполняется исследуемым раствором 3. Для прохождения излучения сквозь кювету служат оптические окна 4, представляющие собой плоские стекла, прижимаемые к корпусу кюветы втулками 5 с герметизирующим уплотнением. Для залива и слива измеряемого раствора служат штуцеры 6 и 7, закрывающими колпачками 8. Внутренний диаметр опорного канала больше диаметра входного окна, образовавший в опорном канале воздушный пузырь визуально не попадает в поле зрения. Все элементы, контактирующие с растворами, изготовлены из материалов нейтральных по отношению к воде и спирту. Цельность конструкции кюветы обеспечивает быстрое выравнивание температур растворов в обоих каналах, обеспечивает точность измерений.

Разность спектральной оптической плотности в двух каналах R(λ₁) характеризует отношение интенсивностей сигналов в измерительном и опорном каналах на длине волны λ₁ и определяется по формуле

где I^И(λ_i) - интенсивность излучения, регистрируемая спиртомером на заданной длине волны λ_i в измерительном канале с измеряемым раствором;

I^O(λ_i) - интенсивность излучения, регистрируемая спиртомером на заданной длине волны λ_i в опорном канале с эталонным раствором;

i-я длина волны, i=1, 2, 3.

По системе уравнений (2) вычисляются значения ар2 и ар3.

где С_ЭТ - объемная доля этилового спирта опорного канала кюветы; С_B - объемная доля этилового спирта, водно-спиртового раствора полученного от перегонки градуируемого МСР, измеренное ареометром для спирта АСП - рабочим эталоном 1-го разряда - истинное значение объемной доли этилового спирта градуируемого МСР; С_М - объемная доля этилового спирта МСР без перегонки измеренное АОС; - средние значения отношения логарифмов опорного и измерительного канала для водно-спиртового и МСР без перегонки (разность спектральной оптической плотности в двух каналах АОС); ар2 - свободный член уравнения; ар3 - коэффициент в линейном члене уравнения.

Перегоняется спирт от градуируемого МСР, определяется объемная доля этилового спирта полученного водно-спиртового раствора С_В ареометром для спирта АСП - рабочим эталоном 1-го разряда по ГОСТ 3639-79. С_В является истинным значением объемной доли этилового спирта, градуируемого МСР.

Выбирается кювета, рабочий диапазон которой содержит ожидаемую объемную долю этилового спирта в измеряемом растворе. Заполняется измерительный канал кюветы АОС измеренным ареометром водно-спиртовым раствором. Кювета устанавливается в кюветное отделение АОС.

Выбирается из таблицы исходных данных (таблица 1) строчка «Спирт-вода XX» по объемной доле этилового спирта соответствующей ожидаемой объемной доле этилового спирта в измеряемом растворе. Проводится измерение объемной доли этилового спирта в водно-спиртовом растворе. Значение отношения логарифмов опорного и измерительного канала (ip)_B выводится на экран монитора.

Заполняется измерительный канал этой же кюветы МСР без перегонки. Кювета устанавливается в кюветное отделение АОС. Проводится измерение объемной доли этилового спирта в МСР. Значение отношения логарифмов опорного и измерительного канала (ip)_M выводится на экран монитора.

Создается новая строчка в таблице исходных данных под наименованием МСР с данными строчки «Спирт-вода XX», на которой производилось измерение, и вводятся вычисленные значения ар2 и ар3, соответствующие МСР, по которому в дальнейшем проводится экспресс-анализ - измерение объемной доли этилового спирта по наименованию градуируемого МСР.

Результаты градуировки, включающие в себя разовую процедуру, действительны на весь период эксплуатации АОС в комплекте с отградуированными оптическими кюветами по МСР.

Технический результат градуировки

Экспресс-анализ - уменьшение продолжительности измерения объемной доли этилового спирта АОС в МСР более сто раз по сравнению с прототипом - ареометром для спирта, упрощение процедур измерения

База данных градуировки АОС позволяет: сопровождать экспресс-анализом технологический процесс готовности виноматериала; идентифицировать производимую алкогольную продукцию производителем, определять поступившей на экспертизу продукцию - свой/чужой, сравнивая спектральную характеристику контрольного арбитражного образца, объемную долю в нем этилового спирта, вклада ингредиентов в объемную долю этилового спирта.

Пример расчета свободного члена уравнения ар2 и коэффициента ар3 в линейном члене уравнения.

94.70-71.19=ар2+(-1246.5б)⋅ар3

94.70-66.16=ар2+(-1480.26)⋅ар3

23.51=ар2-1246.56⋅ар3

28.54=ар2-1480.26⋅ар3

23.51-28.54=(-1246.56+1480.26)⋅ар3

-5.03=233.70⋅ар3

ар3=-0.02152

23.51=ар2-1246.56(-0.02152)

23.51=ар2+26.8259712

ар2=23.51-26.8259712

ар2=-3.3159712

Список литературы

1. Полыгалина Г.В. Технологический контроль спиртового и ликероводочного производства. - М.: - Колос, - 1999. - С. 85.

2. ГОСТ 8.024-2002 ГСИ. Государственная поверочная схема для средств измерений плотности».

3. Таблицы для определения содержания этилового спирта в водно-спиртовых растворах. М.: Издательство стандартов, - 1988. - С.7-9, 85-142.

4. ГОСТ 18481-81. Ареометры и цилиндры стеклянные. Общие технические условия.

5. ГОСТ 28498-90. Термометры жидкостные стеклянные. Общие технические требования. Методы испытаний.

6. ГОСТ 3639-79 Растворы водно-спиртовые. Методы определения концентрации этилового спирта.

Использование: для градуировки акустооптического спиртомера (АОС). Сущность изобретения заключается в том, что осуществляют градуировку акустооптических спиртомеров для измерения объемной доли этилового спирта в многокомпонентных спиртсодержащих растворах (МСР) посредством экспресс-анализа, который включает однократную процедуру, действительную на весь период эксплуатации спиртомера в комплекте с двухканальными оптическими отградуированными кюветами по многокомпонентным спиртсодержащим растворам. Технический результат: уменьшение продолжительности измерения объемной доли этилового спирта АОС в МСР, а также упрощение процедур измерения. 2 н.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.

1. Способ градуировки акустооптического спиртомера (АОС) по многокомпонентным спиртсодержащим растворам для измерения объемной доли этилового спирта многокомпонентного спиртсодержащего раствора без перегонки - экспресс-анализ, заключающийся в том, что измерение осуществляется АОС двухканальным оптическим кюветным блоком, в опорный канал которого залит эталонный водно-спиртовой раствор с известной объемной долей этилового спирта, которая остается неизменной в течение всего периода эксплуатации АОС, для измерения объемной доли этилового спирта в исследуемом растворе из него перегоняется спирт, измеряется в нем истинное значение объемной доли этилового спирта эталонным ареометром АСП - рабочим эталоном 1 разряда, измеренный водно-спиртовой раствор заливают в измерительный канал кюветы, измеряют объемную долю этилового спирта в данном водно-спиртовом растворе, регистрируют значение отношения логарифмов опорного и измерительного канала в измеряемом водно-спиртовом растворе (ip)_В, разность спектральной оптической плотности в двух каналах АОС определяется по формуле

где I^И(λ_i) - интенсивность излучения на заданной длине волны λ_i в измерительном канале с измеряемым раствором; I^O(λ_i) - интенсивность излучения на заданной длине волны λ_i в опорном канале с эталонным раствором; i-я длина волны, i=1, 2, 3, далее измерительный канал этой же кюветы заполняют многокомпонентным спиртсодержащим раствором без осуществления перегонки и измеряют в нем объемную долю этилового спирта, регистрируют значение отношения логарифмов опорного и измерительного канала в измеряемом многокомпонентном спиртсодержащем растворе без перегонки (iр)_M, по результатам проведенных измерений по системе уравнений (2) вычисляют значения ар2 и ар3, соответствующие образцу многокомпонентного спиртсодержащего раствора,

где С_ЭТ - объемная доля этилового спирта опорного канала кюветы; С_В - объемная доля этилового спирта водно-спиртового раствора, полученного от перегонки градуируемого многокомпонентного спиртсодержащего раствора, измеренное ареометром для спирта АСП - рабочим эталоном 1-го разряда - истинное значение объемной доли этилового спирта, градуируемого многокомпонентного спиртсодержащего раствора; С_М - объемная доля этилового спирта многокомпонентного спиртсодержащего раствора без перегонки измеренное АОС; - средние значения отношения логарифмов опорного и измерительного канала для водно-спиртового раствора и многокомпонентного спиртсодержащего раствора без перегонки (разность спектральной оптической плотности в двух каналах АОС); ар2 - свободный член уравнения; ар3 - коэффициент в линейном члене уравнения, вычисленные значения ар2 и ар3 вносят в таблицу исходных данных, по которым в дальнейшем проводится экспресс-анализ - измерение объемной доли этилового спирта по наименованию градуируемого многокомпонентного спиртсодержащего раствора.

2. Устройство кюветы для градуировки АОС, включающее в себя оптическое устройство с продольными каналами - опорный и измерительный, опорный канал заполнен эталонным водно-спиртовым раствором с известной объемной долей этилового спирта, которая остается неизменной в течение всего периода эксплуатации АОС, измерительный канал заполняется исследуемым раствором, для прохождения излучения сквозь кювету служат оптические окна, представляющие собой плоские стекла, прижимаемые к корпусу кюветы втулками с герметизирующим уплотнением, для залива и слива измеряемого раствора служат штуцеры, закрывающиеся колпачками, внутренний диаметр опорного канала больше диаметра входного окна, образовавшийся в опорном канале воздушный пузырь визуально не попадает в поле зрения, все элементы, контактирующие с растворами, изготовлены из материалов, нейтральных по отношению к воде и спирту, цельность конструкции кюветы обеспечивает быстрое выравнивание температур растворов в обоих каналах, обеспечивает точность измерений.