Функциональная схема прибора для определения

УДК 637.(142+333): 545
МЕТРОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА МОДИФИЦИРОВАННОГО
МЕТОДА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНОЙ ЭНЕРГИИ МОЛОКА
И МОЛОЧНЫХ ПРОДУКТОВ
Канушина Ю.А. – аспирант, Кистер И.А. – инженер,
Лисин П.А. – д.т.н., профессор
ФГОУ ВПО «Омский государственный аграрный университет», г.Омск
Функциональная схема прибора для определения поверхностного
натяжения молока и молочных продуктов представлена на рисунке. Прибор
включает сифон 1, состоящий из негерметичного сосуда 2, наполненного
водой, и герметичного сосуда 3. Сосуды 2 и 3 соединены между собой
соединительной трубкой, один конец которой опущен под уровень воды в
сосуде 2, а
второй помещен в сосуд 3. На соединительной трубке
установлен регулирующий клапан 4. В негерметичный сосуд 7 с исследуемой
жидкостью установлен капилляр 6, соединенный при помощи
соединительной трубки с герметичным сосудом 3 сифона 1. Другой конец
трубки соединяет полость капилляра 6 с микроманометром 10.
Прибор работает следующим образом. Воздух, поступающий из
сифона 1 через соединительную трубку в капилляр 6, повышают давление в
капилляре до величины – Р и станет больше атмосферного Ратм. Мениск
жидкости в капилляре начинает прогибаться, т.е. радиус кривизны
уменьшается и возрастает лапласово давление со стороны исследуемой
жидкости в сосуде 7, вызванное поверхностным натяжением исследуемой
жидкости, а значения показаний микроманометра постепенно увеличиваются
[1]. Повышенное давление в капилляре вытолкнет из него в сосуд с гелем
пузырек воздуха. В геле на пузырек, кроме атмосферного давления Ратм,
действует добавочное – лапласово давление Рл, обусловленное силами
поверхностного натяжения жидкости. Сумма давлений
Ратм+Рл
уравновешивается давлением Р, т.е. Р = Ратм + Рл
Учитывая, что добавочное давление определяется уравнением Лапласа
2
2
Рл 
, получим: Р  Ратм 
(1)
R
R
Так как вода продолжает поступать из сосуда 2 в сосуд 3 (см. рис.5.1),
давление Р, а также разность давлений Р–Ратм в системе возрастает. При этом
радиус пузырька, выдавливаемый из капилляра в сгусток, будет
уменьшаться. Когда радиус пузырька станет наименьшим (равным радиусу
капилляра), разность давлений Р-Ратм будет максимальной, в этот момент,
согласно формуле (5.1), получим:

( Р  Ратм ) max
H R
R 
2
2
(2)
где σ – поверхностное натяжение; R – радиус капилляра (радиус
выделившегося пузырька);
(Р-Ратм)max=H – максимальный уровень подъема жидкости в
многопредельном микроманометре.
Расчет величины поверхностного натяжения проводится по формуле:
 
RHgk
, мДж / м 2
2
(3)
где: R- радиус капилляра, мм;
H- высота максимального подъёма жидкости в микроманометре, кг/м2;
g - ускорение свободного падения, 9,81 м/с2;
k – постоянная характеристика многопредельного микроманометра (угол
наклона измерительной трубки).
Рис. Схема прибора по определению поверхностного натяжения молочных
продуктов методом максимального давления : 1- сифон; 2 - негерметичный
сосуд; 3 – герметический сосуд; 4 - регулирующий клапан; 5– воздуховоды;
6 – капилляр; 7 – сосуд с исследуемым продуктом; 8 – электромагнит; 9 –
терморегулятор; 10 – многопредельный микроманометр; 11 –
миллиамперметр
Для определения размера радиуса капилляра используем жидкости с
известными табличными значениями поверхностного натяжения, например,
поверхностное натяжения дистиллированной воды равно 72,7 мДж/м2,
этилового спирта 23,3 мДж/м2 (при температуре 293К). Рекомендуется
радиус капилляра определять при различных значениях угла наклона
микроманометра (k - константа прибора), и рассчитывать радиус капилляра
как среднее арифметическое значение.
Для снижения погрешности измерения поверхностного натяжения
следует проводить 8 параллельных замеров.
В таблице 1 приведены результаты измерения поверхностного
натяжения некоторых молочных продуктов.
Таблица. 1. Поверхностное натяжение молока и молочных продуктов
( температура измерения 293 К)
Продукты
№
1.
Молоко пастеризованное, Ж=3,2%
2.
3.
4.
5.
6.
Молоко пастеризованное, Ж=2,5%
Молоко обезжиренное
Пахта
Сливки с массовой долей жира 10%
Сливки с массовой долей жира 20%
σ,
мДж/м2
54,00
55,70
57,74
55,00
46,40
44,80
Сыворотка творожная
Сыворотка творожная с концентрацией сухих
веществ 40%
9. Сыворотка подсырная с концентрацией сухих
веществ 40%
10. Сыворотка подсырная, 540Т
11. Сыворотка подсырная, 17 0Т
12. Сгущенное обезжиренное молоко, 42%сухих веществ
7.
8.
57,65
46,40
50,00
53,50
57,82
51,40
Определение оптимального числа замеров. Расчет оптимального числа
параллельных экспериментальных замеров производится по формуле [1] :
 tS 

nорт  


 max 
2
(4)
где t – значение аргумента функции Лапласа при доверительной
вероятности р = 0,95 ; t = 1,96; p = 0,99; t = 2,58; p = 0,999; t = 3,3;
S – среднеквадратическое отклонение;
max – максимальная абсолютная погрешность измерения.
Метрологическая характеристика предлагаемого метода приведена в
табл. 2. Относительная погрешность измерения составляет не более 3,5 %,
при уровне значимости Р = 0,99.
Таблица 2. Метрологическая оценка метода измерения поверхностного
натяжения методом максимального давления
Параметры
Температура
Динамическая вязкость
Единицы
измерения
°С
Па∙с
Пределы
измерения
1…90
(1,1…6,2)∙10-3
Время замера
Оптимальное
число
параллельных замеров
Погрешность измерения
с
-
10…20
8
%
2…3,5
Разработанный модифицированный метод определения поверхностного
натяжения позволяет исследовать молочные продукты с относительно не
высокой погрешностью ( ≤ 4% ), продукты различной вязкостью, исследовать
динамику изменения поверхностного натяжения в зависимости от
температуры и содержания сухих веществ в исследуемом продукте.
Библиографический список:
1. Ахназарова, С.Л. Оптимизация эксперимента в химии и химической
технологии / С.Л. Ахназарова, В.В. Кафаров. – М.: Высшая школа,
1978. – 319 с.
2. Лисин, П.А. Биотермодинамика поверхностного слоя молока и молочных
продуктов: монография / П.А. Лисин. – Омск. Изд-во ФГОУ ВПО
ОмГАУ, 2008. – 135 с.
3. Твердохлеб, Г.В. Химия и физика молока и молочных продуктов / Г.В.
Твердохлеб, Р.И. Раманаускас. – М.: ДеЛи принт, 2006. – 360 с.
Реферат
УДК 637.(142+333): 545
МЕТРОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА МОДИФИЦИРОВАННОГО
МЕТОДА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНОЙ ЭНЕРГИИ МОЛОКА
И МОЛОЧНЫХ ПРОДУКТОВ
Канушина Ю.А. – аспирант, Кистрер И.В. – инженер,
Лисин П.А. – д.т.н., профессор
ФГОУ ВПО «Омский государственный аграрный университет», г.Омск
Проведена метрологическая оценка модифицированного метода определения
поверхностной энергии молока и молочных продуктов. Определена
погрешность измерения исследуемой величины, оптимальное число
повторностей, интервал изменения температуры и динамической вязкости.
Погрешность измерения поверхностного натяжения не превышает 4%