Способ контроля размеров кристаллов сахара в утфелях Советский патент 1990 года по МПК G01N33/02 

фиг.2

Изобретение относится к методам контроля, используемым в сахарной промышленности, и предназначено для реализации контроля характеристик утфелей в технологических потоках сахарного производства.

Цель изобретения - сокращение времени и расширение диапазона контролируемых величин.

В качестве физического параметра, коррелирующего с гранулометрическим составом кристаллов утфелей, используют рассеяние энергии упругих волн на кристаллах при соизмеримости длин волн и размеров кристаллов. В процессе контроля в утфелях измеряют скорость ультразвука, затухание ультразвука за счет рассеяния упругой энергии на кристаллах в диапазоне частот 0,4-20 МГц в режиме увеличения частоты, определяют длины волн, и в зависимости от длин волн, на которых происходит рассеяние упругой энергии на кристаллах, определяют размеры кристаллов, а в зависимости от величины затухания за счет рассеяния определяют относительное количественное соотношение кристаллов ра личных размеров в утфелях.

На фиг. 1 показана экспериментально полученная в режиме увеличения частоты (уменьшения длины волн) зависимость длин волн, на которых начинается рассеяние, от размеров кристаллов, вызывающих это рассеяние; на фиг. 2 - схема реализации способа на фиг. 3 - пример, характеризующий последовательность обработки измерительной информации.

При прохождении акустических волн через различные среды потери энергии этих волн (затухание звука) обусловлены двумя основными причинами: погл щением н рассеянием. Рассеяние упругой энергии может возникать в среде только при условии наличия в ней неоднородностей, в частном случае кристаллов сахара в утфелях. Рассеивающую способность неоднородностей характеризуют сечением рассеяния - отношением мощности рассеянных волн к плотности потока энергии в первичной волне. Связь между размерами тела, являющегося источником рассеяния, и его сечением рассеяния все да зависит от соотношения между размерами этого тела и длиной упругой волны.

0

5

0

5

0

5

0

5

0

При введении в утфели упругих волн с уменьшающейся длиной волны (увеличивающейся частоты) происходит рассеяние упругой энергии, причем начиная с определенных величин длин волн. Процесс можно условно разбить на отдельные стадии. При уменьшении длины волны до величины, соизмеримой с размерами самых крупных кристаллов, произойдет начало рассеяния. В процессе дальнейшего уменьшения длины волны источниками рассеяния становятся все более мелкие кристаллы. По достижении волной наименьшей длины в выбранном диапазоне длин волн величина рассеяния обусловлена рассеивающей способностью суммы кристаллов всех размеров, т.е. рассеяние упругой энергии является интегральной характеристикой гранулометрического состава кристаллов сахара.

Таким образом, информативным сос- таврм о гранулометрическом составе кристаллов сахара является изменение величины потерь упругой энергии в зависимости от длины волны.

Экспериментально полученная зависимость длин волн, на которых начинается рассеяние при введении в утфели упругих колебаний с уменьшающейся длиной волны, от размеров кристаллов показана на фиг. 1. Для определения затухания ультразвука, обусловленного только рассеянием, использован метод сравнения амплитуд сигналов, выделенных на акустических приемниках после прохождения упругих волн через чистый раствор (потери акустической энергии только на поглощение), и через утфель с той же концентрацией жидкой фазы (потери акустической энергии на поглощение и рассеяние).

Если величина у - плотность весового распределения кристаллов сахара по размерам F, тогда изменение величины потерь упругой энергии вследствие рассеяния при уменьшении длины волны зависит, от изменения величины у

5

где oi

расе

d об расеL F(y) (1)

d X расе - потери упругой энергии на

рассеяние;i

F - произвольная функция распределения кристаллов сахара по размерам.

Следовательно, для получения информации о гранулометрическом составе кристаллов сахара необходимо дифференцировать получаемую зависимость потерь акустической энергии на рассеяние на кристаллах сахара при уменьшении длины волны.

Определение относительной массовой концентрации твердой фазы достигается решением интеграла

JF(y)d,

где г кр- размер кристаллов.

Верхний предел интегрирования (величина п) нормируется в зависимости от числа условных размерных диапазонов кристаллов, на которые разбивают .получаемую кривую распределения.

При выборе частотного диапазона исходят из следующих технологических критериев. Известно, что при варке утфелей скорость ультразвука может колебаться в диапазоне 1700-2000 м/с

По формуле Д c/f, где ft - длина волны, с - скорость ультразвука, f - частота, определим величины для волн для номинальных, верхних и нижних значений крайних точек диапазона частот 0,4-20 МГц, а также величины размеров кристаллов, которые при данных значениях длин волн становятся источниками рассеяния упругой энергии в режиме уменьшения длины волны (по фиг. 1).

Гранулометрический состав кристаллов сахара в зависимости от частоты приведен в таблице.

Процесс варки утфелей прекращают, когда кристаллы сахара достигают размеров 1,2-1,5 мм, но в ряде случаев кристаллы наращивают и до больших размеров. В частности, на некоторых сахарных заводах варят кристаллы размером до 5 мм. Контролировать кристаллы таких размеров возможно, если в качестве нижнего предела частотного диапазона выбрать частоту 0,4 МГц, ниже которой лежит неинформативная частотная зона.

Верхний предел частотного диапазона 20 МГц выбран из условия начала контроля характеристик утфелей сразу после заводки кристаллов (размер кристаллов затравочной пудры или пасты около 0,02U мм). Как видно из табли

10

.

15

20

25

30

35

40

45

50

55

цы, частота свыше 20 МГц также не несет информации о гранулометрическом - составе кристаллов сахара.

Для реализации способа необходимо) измерить скорость ультразвука, а также получить зависимость амплитуд сигналов на приемнике от частоты в диапазоне частот 0,4-20 МГц в результате прохождения упругих волн через чистый раствор и через утфель. При этом амплитудно-частотная зависимость сигналов для чистого раствора может быть измерена заранее и записала в устройстве обработки информации, так как характер этой зависимости не зависит от температуры утфеля и свойств его жидкой фазы, а зависит только от свойств применяемых электроакустических преобразователей.

Разность амплитудно-частотных зависимостей сигналов для чистого раствора и для утфеля является интегральной характеристикой гранулометрического состава кристаллов сахара. После дифференцирования этой разности и последующего двойного пересчета величин частот: вначале пересчет частота - длина волны, затем длина волны - размер кристаллов, а также после решения интеграла (формула 2) получится зависимость размеров кристаллов от их относительной массовой концентрации в утфеле.

Схема реализации способа представлена на фиг. 2 и содержит операцион- но-управляющий блок 1, генератор 2 сигналов синусоидальной формы и генератор 3 импульсов, не менее одной пары электроакустических, например, пьезокерамических преобразователей, излучатель 4 - приемник 5,- вторичный регистрирующий или отображающий прибор 6. Схема осуществляет измерение скорости ультразвука и получение зависимости амплитуды сигналов на приемнике от частоты с последующей обработкой информации операционно- управляюшим блоком 1.

Способ осуществляют следующим образом.

В утфели помещают излучатель 4 и приемник 5, закрепленные соосно друг другу.

Операционно-управляющий блок 1 производит запуск генератора импульсов 3. Сигналы с генератора 3 поступают на излучатель 4 и в блок 1.

Входящий в состав блока 1 измеритель интервалов времени определяет интервал времени между импульсами, поступившими от генератора 3 и приемника 5, после чего блок 1 по формуле С S/T, где S - акустическая база (расстояние между активными поверхностями излучателя и приемника), Т - измеренный интервал времени; определяет скорость ультразвука (например 1800 м/с).

Затем блок 1 производит отключение генератора импульсов 3 и запуск генератора 2 сигналов синусоидальной формы, который вырабатывает сигналы синусоидальной формы в диапазоне частот 0,4-20 МГц в сторону увеличения частоты, которые поступают на излучатель 4. Напряжения, выделенные на приемнике 5 после прохождения упругих волн через утфели, содержат информацию о зависимости амплитуды на приемнике от частоты. Кроме того, в блоке 1 записана зависимость амплитуды сигналов на приемнике от частоты после прохождения упругих волн через чистый раствор (или сироп) .

После проведения измерений блок 1 отключает генератор 2 и производит обработку измерительной информации в следующей последовательности (фиг. 3): - вычитание зависимости амплитуды на приемнике от частоты после прохождения упругих волн через утфели (фиг. За, кривая 2) из предварительно записанной аналогичной зависимости после прохождения упругих волн через чистый раствор (фиг. За,кривая 1).

Результирующая кривая показана на фиг. 36 - дифференцирование кривой фиг. 36 (результат, показан на фиг. Зв); - пересчет вычисленных зна- ч.ений оси абсцисс дифференциальной кривой фиг. Зв с частоты на длину волны ( для этого необходимо измеренное значение скорости ультразвука).

Результирующая кривая показана на фиг. Зг - пересчет численных значений оси абсцисс кривой фиг. Зд с длины волны на размеры кристаллов по фиг. 1 (результирующая кривая показана на фиг. Зд).

Полученная после решения интеграла (формула 2) зависимость характе

5

0

ризует относительную концентрацию кристаллов сахара различных размеров в утфеле (гранулометрический состав кристаллов).

Информация после обработки в информационно-управляющем блоке 1 выдается на регистрирующий или отображающий прибор 6 (пример приведен для значения скорости ультразвука 1800 м/с и для диапазона частот 0,4-20 МГц).

Как показали исследования, длительность одного цикла измерения не превышает 60 с и в основном зависит от скорости обработки измерительной информации. Ускорение процесса контроля и расширение его диапазона позволяет поддерживать оптимальный режим процесса кристаллизации сахара и увеличить выход сахара на 0,03% к массе перерабатываемой свеклы.

Формула изобретения

5

Способ контроля размеров кристаллов сахара в утфелях, предусматривающий электрофизическое воздействие на исследуемый продукт с последующим

Q установлением физическогдо показателя, коррелирующего с размерами кристаллов сахара, отличающийся тем, что, с целью сокращения времени и расширения диапазона контролируемых величин путем установления фракционного состава кристаллов сахара в утфеле, электрофизическое воздействие на исследуемый продукт осуществляют путем введения в кристаллизующиеся са0 харные утфели ультразвуковых колебаний в режиме увеличения частоты в диапазоне 0,4-20,0 МГц, а в процессе контроля измеряют скорость распространения ультразвуковых колебаний в

5 сахарных утфелях, величины затухания ультразвуковых колебаний за счет рассеяния упругой энергии на кристал- лах сахара и устанавливают значения длин волн, при этом в качестве физического показателя, коррелирующего с размерами кристаллов сахара в утфеле, выбирают установленные значения длин волн, на которых происходит рассеяние упругой энергии на кристаллах, а контроль фракционного состава

5

кристаллов сахара осуществляют в Зависимости от измеренной величины затухания ультразвуковых колебаний.

Рнр.мм

Изобретение относится к сахарной промышленности и может найти применение при контроле размеров кристаллов сахара при варке утфелей. Целью изобретения является сокращение времени и расширение диапазона контролируемых величин. При варке в утфель помещают излучатель 4 и приемник 5, закрепленные соосно друг другу. Генератор 3 импульсов вырабатывает сигналы синусоидальной формы, возбуждая в исследуемом продукте ультразвуковые колебания в режиме увеличения частоты в диапазоне 0,4 - 20 МГц. Измеряют скорость распространения ультразвука в сахарных утфелях, величину затухания ультразвуковых колебаний. Устанавливают значение длин волн, в зависимости от которого определяют размеры кристаллов. Относительное количественное соотношение кристаллов различных размеров в утфелях определяют в зависимости от величины затухания за счет рассеяния упругой энергии на кристаллах. 3 ил., 1 табл.

456 фиг.1

8

фигЗ

Составитель Н.Арцыбашева Редактор М.Недолуженко Техред А.Кравчук Корректор С.Иекмар

Заказ 398

Тираж 507

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Подписное