Способ определения оптимальных характеристик пищевых продуктов и устройство для его осуществления Советский патент 1993 года по МПК G01N33/02 

-Ч

JZ

S

/

, фиг.1

ления оптических характеристик пищевых продуктов включает эллипсоиды вращения 9, 10, систему отражающих зеркал, рабочий канал 6 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 теплофизиче- ским измерениям и может найти применение при измерении терморадиационных характеристик материалов.

Целью изобретения является повышение точности и. сокращение длительности определения полусферических отражательной РПи пропускательной ТА характеристик сееторзссемваклцих материалов.

Измерение спектральных оптических характеристик в два этапа обусловлено тем, что измеряются две неизвестные величины ТАд-и RA.2. Для их расчета необходимо иметь два уравнения. Каждое из уравнений находят на отдельном этапе. На первом - находят уравнение, описывающее суммарную спектральную отражательную способность R Ai+2+o. Величину FU.i+2+o находят путем сравнения отраженного лучистого потока с лучистым потоком непосредственно от излучателя, На втором этапе находят второе уравнение, описывающее отношение К Л1+2+3 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 RA.2, так и пропуска-- тельная ТА.2 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 малой оси эллипсоида вращения канала сравнения. 2 ел. 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 ТД.2 и RA.2.

Наличие двух световодов необходимо для осуществления поэтапного экспериментального 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

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

Установка другого световода в канале сравнения обусловлена необходимостью

подведения лучистого потока от излучателя в 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. Необходимость этого совмещения обусловлена тем, что этот световод поворачивается на разных этапах измерений и при этих поворотах расстояние от торца световода до образца и параболического зеркала не должно существенно отличаться.

Расположение источника излучения на пересечении осей световодов обусловлено свойством этих световодов - излучение должно падать перпендикулярно к их торцевой поверхности, что обусловлено необходимостью освещения образца в перпендикулярном направлении.

Предлагаемый способ определения оптических характеристик пищевых продуктов и устройство для его осуществления имеют единый изобретательский замысел и направлены на решение поставленной задачи по повышению точности и сокращению длительности определения,

Способ иллюстрируется фиг, 1-3.

На фиг. 1 изображено устройство для определения оптических характеристик пищевых продуктов.

Устройство для определения оптиче- ских характеристик пищевых продуктов содержит источник излучения 1, два световода 2 и 3, изготовленные из стекла KRS-5 с границами пропускания 0,6 - 38 мкм, оптическую приставку 4 иДаухлучевой спектрофотометр 5, которые соединены между собой при помощи рабочего канала 6 и канала сравнения 7, заслонку 8. Приставка 4 состоит из эллипсоидов вращения 9 и 10 с внутренним серебрянным покрытием, которые смонтированы на подвижных платах и перемещаются по вертикали и вдоль приставки, кюветы 11, которая с образцом перемещается в.направляющих и может быть закреплена на любом уровне, подвижного экрана 12, параболических зеркал 13 и 14 с фокусным расстоянием 40 мм, фокальными, плоскостями которых являются плоскости Fa и FZ , при этом фокусы параболических зеркал 13 и 14 и их центры расположены на продолжении большой оси зеркальных эллипсоидов вращения 9 и 10, благодаря чему достигается равномерность освещения плоских зеркал 15, 16, 17, и 18, расположенных в приставке 4, и параллельность лучей в каналах 6 и 7, Каждое из зеркал 15, 16, 17 и 18 имеет четыре степени свободы, параболические зеркала 13 и 14 снабжены также шаровым шарниром. В спектрофотометре-5 для равномерного освещения щелей по высоте установлены сменные линзы 19, 20 и 21, компенсирующие клинья 22 и 23, которые уравнивают мощность световых потоков в рабочем канале бив канале сравнения 7, плоские зеркала 24, 25, 26, 27,

28, 29 укреплены на шаровых шарнирах, прерыватель 30, который обеспечивает поочередное направление лучей из рабочего канала 6 и канала сравнения 7 на приемник 31, 5 в качестве которого используют датчик с малой приемной площадкой, например, висмутовый болометр. В спектрофотометре 5 также расположены торические зеркала 32, 33 и 34,которые попеременно направля10 ют сравниваемые лучи на приемник 31, и параболическое зеркало 35 для направления интегральных лучей из каналов 6 и 7 на призму разложения 36. Зачерненный экран 37 позволяющий получить требуемое пре15 ломление луча, попадающего из канала сравнения 7, закреплен в спектрофотомет- f ре 5 неподвижно. Входная 38 и выходная 39 щели предназначены для устранения рассеянного света. Зеркало Литтрова 40, позво20 ляющее направить монохроматический луч из щели 38 в щель 3.9, закреплено на шаровом шарнире. Эллиптическое зеркало 41 для фокусирования лучей на приемнике 31 установлено на шаровых шарнирах,

5

Способ осуществляют следующим образом, Исследуемый образец устанавливают в кювету 11, так что поверхности образца находятся е первых фокальных плоскостях

0 FI и FY блоков, состоящих из зеркальных эллипсоидов вращения 9 и 10. Hs первом этапе открывают заслонку 8 и световод 2 поворачивают на 180° вокруг оси 0-0 таким образом, чтобы излучение от источника 1 с

5 помощью световода 2 попадало непосредственно на параболическое зеркало 11, при этом вдвигают экран 12 системы, чтобы излучение от световода 3 не проходило через .- образец. В результате этого с помощью

0 спектрофотометра 5 определяют суммарную спектральную отражательную способ- ность RA.1+2-H) путем сравнения отраженного лучистого потока с лучистым потоком непосредственно от излучателя. На вто5 ром этапе закрывают заслонку 8, световод 2 поворачивают на 180° в положение, указанное на фиг. 1, чтобы излучение от источника 1 попадало на образец в канале сравнения 7, при этом выдвигают экран 12. Благодаря 0 этому на втором этапе измеряют отношение КЯ.и-2+з пропущенного излучения к отражен- ному излучению. Отраженный от поверхности образца лучистый поток фокусируется во второй фокальной плоскости F2 эллипсо5 ида вращения 10, а прошедший через образец поток коллимируется в фокальной плоскости F2 эллипсоида вращения 9. Отра-. женные плоскими зеркалами 17 и 18 лучистые потоки проходят компенсирующие

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

В рабочем канале б пучок плоским зеркалом 26 направляется на торическое зеркало 33, которое создает второе изображение источника е плоскости отражающей поверхности прерывателя 30. В канале сравнения 7 плоское зеркало 24 направляет луч на торическое зеркало 32, которое создает изображение источника в том месте отражающей поверхности прерывателя 30, что и торическое зеркало 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 RAm+o и КАч+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 экструдаты помещают в кювете между стеклами. Стекла кюветы имеют следующие спектральные характеристики: ТА .1 Т Аз 0,7; RA ,1 R Аз 0,2. При наличии экрана 12 за кюветой имеют тАо 0, RAo 0,95. Открывают заслонку 8 и световод 2 поворачивают на 180° вокруг оси 0-0 таким образом, чтобы излучение от 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 спектрофотометра 5 определяют суммарную спектральную отражательную способность путем сравнения отраженного лучистого потока с лучистым потоком непосредственно от излучателя: RAi+2+o 0,47. На втором этапе закрывают заслонку 8, световод 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 отношение K/li+2+з пропущенного излучения к отраженному излучению: К Ai+2+з 0,42. Подставляя указанные значения в уравнение 1 и 2, и имея в виду, что спектральная

отражательная способность экрана R АО 0,95, находим значения спектральных характеристик экструдатов Т А,2 0,3 и R A.2 0,4. Продолжительность измерений не превышает 18 мин.

0 Таким образом предлагаемый способ и устройство позволяют повысить мощность выходного сигнала вследствие облучения образца более мощным интегральным лучистым потоком, модулирования пропущенно5 го 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 уст0 ройством. Благодаря этому обеспечивается возможность одновременного измерения ТА и RA в условиях быстропротекающих процессов в образце, кроме того повышается точность экспериментального исследова5 ния вследствие сравнения ТЯ и ПЯподвухлу- чевой схеме и использования одного приемника для измерения как отраженного, так и пропущенного образцом Лучистых потоков.

0 Указанные оптические характеристики позволят подобрать оптимальные режимы работы генератора при ИК-обработке пищевых продуктов, что обеспечит в конечном итоге повышение качества высушиваемых

5 пищевых продуктов.

Используя метод многократных отражений, получены суммарные значения ТА 1+2+3 и R Л1+2+3, позволяющие определять ТА и RA.2 материала в случае измерения пропу0 скательной и отражательной способностей материала, заключенного в кювете с известными свойствами верхней (TAi; RAi) и нижней (ТАз; НАз) стекол.

Схема для расчета RA1+2+3 методом

5 многократных отражений представлена на фиг. 2, для расчета TAi+2+з - на фиг. 3.

На фиг. 2 и 3 представлены гармоники отражаемых и пропускаемых лучистых потоков и знаменатели геометрических прогрес0 сии. При определении отражательной способности RA1+2+3 рассмотрены лишь лучистые потоки, возникающие при добавлении к двухслойной среде третей пластины с отражательной способностью RA з. Суммар5 ная отражательная способность двухслойной пластины известна:

Т,1 RA2

RAl+2 RAl +

1-RA.1RA2

0)

91809381 10

f Из фиг. 2 видно, что основной суммар-+ , R, D-, + J л /g) ный лучистый поток от составляющей ТА.1 и Л 1 - RA,1RA3TA,2 Т А,2 можно представить в следующем виде:

тя,1 1Я2 . 5 у 1 з RJ (1 + Для проверки справедливости получен- А1+2+з A A AJV 5 ного выражения нами рассчитаны по (5) зна+ RJ RJ о 4- Rl i2 1RJ о3 4- VI +ЧеНИЯ 1+2+3 ДЛЯ Тр6Х °ДИнакОВЫХ ЛИСТОВ

-- пд ,irvi, ...д«писчей бумаги с отражательной способно4- R3 ,ТЗ о 2R3 о + R3 i2 TJ ,4RJ + У+СТЬЮ кажД°ГО ЛИСТа R 50% И 90%

RA1 А2 rvi,3-rrw,i IA fvuj ...;Отличие полученного по уравнению (5)

,-., 2r,v гч oi / значения РД,1+2+з от действительного + TAI ТАЗ RA3FUiRA2(l + 1,2%.

2 pi 2 /«чСхема для расчета величины суммарной

+ R/uRA,2 + ,1 «Д,2 + ...; (4)пропускательной способности трехслойной

Основной лучистый поток, проходящийсреды -цН2+3 представлена на фиг. 3. на

через двухслойную пластину, описывается 15 которой показаны гармоники проходящих

геометрической прогрессией:через трехслойную пластину лучистых пото. ,.,,. , , ,ков и знаменатели их геометрических проТЯ1+2 ТЯ1ТА2(1+RA.1IU2+грессий.

+ FUi2fU22 + ...)(3) 20 Как видно из фиг. 3 Преобразуя уравнения (2) и (3) найдем -ц 1+2+3 в т Дд + R 2p дэ + дополнительный отраженный лучистый поток: +lU22RA32 + ...)- UiU2aTbRA3RAi(1 +

T21T29R,q25 + RA,2RA,3+ai22RA,32 + .-.Kl Н2+3 (1 RA1R/ RA-1fU;2+ +RZiRA3U22 + RAi2rU32U24...) +

T iU23TbRA32RA2RAi(1 +

----- 1(4) л; +R/t,3TA22RA1 + RA32TA24RXl4 +

: -«.«Tfc.30 +.д,«А,ил. «Ля л ...}.

Таким образом, суммарная отражатель-Преобразуя полученное выражение и ная способность трехслойной пластины оп- учитывая (3) получим ределяется суммированием полученного

лучистого потока RA.1+2+31 с отраженным в 35ТА,1ТА,2ГАЗ двухслойной пластине RAn-2. . ТА, 1+2+3- рд РАзУс 1 - RA.1RA2)

fUl RA 1t -м.

40(1 - RA.2U3) (1 - RA.1 RA3T&)

I,1RA2 T ufcRA3

1-RA,tRA2(i-RA,1RA2):

Учитывая уравнения 5 и б в соотношении КА1+2+3 (ТЛи-2+з)/(Р Л1+2+2) получим:

ia,1+2+3 TA,1TA2TA3( 1 - RA.1 RA2)

,1RA3Tfc (1 - RA.2 RA3) (1 - RA.1RA3Tb)

RA.1(1 -RA.1RA3)2 (1 -RAHRA )T|,TrbRA3(RA,+ 1

..ГО

Полученные выражения позволяют еде- 45 чения РЛ,2 и ТА.2 могут быть определены лать вывод, что при измерении спект- только, при совместном решении в каждом ральных характеристик влажных случае системы уравнения (5), (7), т.е. нельзя материалов в кюветах действительные знаУчитывая уравнения 5 и б в соотношении КА1+2+3 (ТЛи-2+з)/(Р Л1+2+2) получим:

ограничиваться учетом только одной из составляющих.

Формула изобретения 1. Способ определения оптических характеристик пищевых продуктов, предусматривающий 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 пропуска- тельной 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 устанавлиКА,1+2+3 ТА,1 ТА2ТА,3( 1 - RA.1 RA2

1 +

RA,1RA,3Tfc (1- RA.2RA.3) (1 - RA,1RA,

RA,1(1 -RA,1RA,2)Z +lЈlRA,2(l -RA,1RA;2 )Т,ТгЈш,3(РА,Ш,2-Ь

где RA2 - спектральная отражательная способность исследуемого материала;

ТА2 - спектральная пропускательная способность исследуемого материала;

RAi и RAs - спектральные отражательные способности стекол кюветы;

RAo спектральная отражательная способность экрана;

R Аи-2-ю - суммарная спектральная отражательная способность; TAt и ТАз - спектральные пропуска- тельные способности стекол кюветы;

К Ai+2+з - отношение лучистого яотока, прошедшего через образец к отраженному лучистому потоку.

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

величине лучистого потока, отраженного от данной пробы, а определение оптических характеристик пищевых продуктов осуществляют из формулы.

R3 9

RA,1+2-hO RA,1+ T%4Т%1Т%21Щ) rR,,.RJ94. 1ч

20 (1 -НАЛ RA2)21

1-RA

ЛЖзТЙ

липсоида вращения с размещенной между

ними кюветой для пробы исследуемого продукта, и двухлучевой спектрофотометр, подсоединённый к оптической приставке рабочим каналом и каналом сравнения, о т- личающееся тем, что, с целью сокращения времени и повышения точности, оно снабжено двумя световодами, поворотной заслонкой и подвижным экраном, при этом первый из световодов установлен неподвижно в рабочем канале и оснащен поворотной заслонкой, а второй размещен с возможностью поворота вокруг малой оси эллипсоида вращения в канале сравнения, причем в фокальной плоскости последнего расположен подвижный экран, а источник

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

Фиг. 2

MV