RU2412437C1

RU2412437C1 - Portable instrument for determining cryoscopic temperature and water activity in high moisture content food products

Info

Publication number: RU2412437C1
Application number: RU2009140021/13A
Authority: RU
Inventors: Сергей Геннадьевич Юзов (RU); Сергей Геннадьевич Юзов
Priority date: 2009-10-30
Filing date: 2009-10-30
Publication date: 2011-02-20

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: proposed device comprises thermoelectric refrigerator built around Peltier element with freezing indenter made up of two parallel plates made from heat conducting material. Note here that cold junction of needle thermocouple is arranged between said plates with its hot junction built in the device case or chassis. Besides, proposed device comprises thermoelectric compensator for needle thermocouple, electric defrosting system, control board, thermocouple signal processor, indication and power supply unit made up of small-sized storage battery and automatic charging device.

EFFECT: fast response, reduced weight and sizes, higher reliability.

1 dwg

Description

Изобретение относится к лабораторной измерительной технике, более конкретно - к приборам и методам контроля природной среды, веществ, материалов и изделий, и может использоваться в пищевой промышленности.The invention relates to laboratory measuring equipment, and more specifically to devices and methods for monitoring the environment, substances, materials and products, and can be used in the food industry.

Известно устройство для определения активности воды (а_w) в пищевых продуктах криоскопическим методом, у которого холодильная часть выполнена на основе инжектора для сжатого СО₂ - газа, содержащегося в баллоне [А.С. № SU 1464069 А1]. Применение газокомпрессорного вспомогательного оборудования усложняет эксплуатацию этого средства измерения.A device for determining the activity of water (a _w ) in food products by the cryoscopic method, in which the refrigeration part is made on the basis of an injector for compressed CO ₂ gas contained in the cylinder [A.S. No. SU 1464069 A1]. The use of gas compressor accessories complicates the operation of this measuring instrument.

Известен другой прибор для определения активности воды пищевых продуктов криоскопическим способом (торговая марка "Kriometer AWK - 20", фирма "NAGY", производство Германия). Такое измерительное устройство имеет высокую точность и быстродействие при измерении криоскопической температуры и активности воды продукта, но конструкция системы весьма громоздка (холодильная часть прибора выполнена на основе фреоновой холодильной машины с компрессором винтового типа), поэтому прибор отличается высокой стоимостью.There is another device for determining the activity of water of food products in a cryoscopic manner (trademark "Kriometer AWK - 20", the company "NAGY", made in Germany). Such a measuring device has high accuracy and speed when measuring the cryoscopic temperature and water activity of the product, but the system design is very cumbersome (the refrigeration part of the device is based on a freon refrigeration machine with a screw type compressor), therefore the device is notable for its high cost.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является измерительное устройство, у которого холодильная часть выполнена на основе термоэлектрического модуля (элемент Пельтье), отличающегося малой тепловой инерцией, а также малыми весом и габаритными размерами [Рогов И.А., Жаринов А.И., Фатьянов Е.В., Алейников А.К., Юзов С.Г. Определение активности воды в пищевых системах и продуктах криоскопическим методом: Метод, указ. - М.: МГУПБ, 2003. - 27 с.].The closest in technical essence and the achieved result is a measuring device in which the refrigeration part is based on a thermoelectric module (Peltier element), characterized by low thermal inertia, as well as low weight and overall dimensions [Rogov I.A., Zharinov A.I. , Fatyanov E.V., Aleinikov A.K., Yuzov S.G. Determination of water activity in food systems and products by the cryoscopic method: Method, decree. - M .: MGUPB, 2003. - 27 p.].

Недостатком известного измерительного устройства является завышенная масса образца пищевого продукта для проведения анализа термограммы охлаждения - замораживания вследствие размещения исследуемой пробы в измерительной ячейке цилиндрической формы. Второй причиной увеличения массы пробы является применение термометра электрического сопротивления обмоточного типа в качестве чувствительного датчика, обладающего большей массой и теплоемкостью конструктивного элемента чувствительной зоны по сравнению с термометром электрического сопротивления пленочного типа или термопарой. Это, в свою очередь, приводит к необходимости увеличения мощности холодильника, из-за чего конструкция измерительного устройства получается слишком громоздкой по отношению к массе и геометрическим размерам самого элемента Пельтье. А также отсутствует система оттаивания пробы продукта после проведения замера криоскопической температуры, которая необходима для оперативной замены одного тестируемого образца на другой.A disadvantage of the known measuring device is the overestimated mass of the sample of the food product for the analysis of the thermogram of cooling - freezing due to the placement of the test sample in the measuring cell of a cylindrical shape. The second reason for increasing the mass of the sample is the use of a winding type electric resistance thermometer as a sensitive sensor, which has a greater mass and heat capacity of the structural element of the sensitive zone compared to a film type electric resistance thermometer or thermocouple. This, in turn, leads to the need to increase the capacity of the refrigerator, due to which the design of the measuring device is too cumbersome in relation to the mass and geometric dimensions of the Peltier element itself. And also there is no system for thawing a product sample after measuring cryoscopic temperature, which is necessary for the rapid replacement of one test sample with another.

Задача направлена на разработку измерительного устройства, позволяющего упростить и ускорить процедуру измерения криоскопической температуры и активности воды в высоковлажных пищевых продуктах при одновременном снижении веса и габаритных размеров его конструкции. В большинстве высоковлажных пищевых продуктов a_w>0,900 и массовая доля влаги W>40%.The objective is to develop a measuring device that allows to simplify and accelerate the procedure for measuring cryoscopic temperature and water activity in high-moisture food products while reducing weight and overall dimensions of its design. In most high-moisture foods, a _w > 0.900 and the mass fraction of moisture W> 40%.

Поставленная задача решается предлагаемым измерительным устройством портативной конструкции для определения криоскопической температуры и активности воды в высоковлажных пищевых продуктах, включающим термоэлектрический холодильник на основе элемента Пельтье, который связан с замораживающим индентором в виде двух пластин из теплопроводящего материала, расположенных параллельно друг другу, между которыми размещен холодный спай игольчатой термопары, откалиброванной в узком диапазоне температур, теплый спай игольчатой термопары, вмонтированный в корпус или шасси устройства, термоэлектрический компенсатор для игольчатой термопары, систему электрического оттаивания для замораживающего индентора, действующую на основе явления обратимости термоэлектрического эффекта и внутреннего сопротивления элемента Пельтье термоэлектрического холодильника, пульт управления, электронный блок управления и обработки сигнала от игольчатой термопары, блок индикации, блок питания, состоящий из малогабаритной аккумуляторной батареи и автоматического зарядного устройства.The problem is solved by the proposed measuring device with a portable design for determining the cryoscopic temperature and water activity in high-moisture food products, including a thermoelectric cooler based on a Peltier element, which is connected to the freezing indenter in the form of two plates of heat-conducting material located parallel to each other, between which there is a cold junction of a needle thermocouple calibrated in a narrow temperature range, warm junction of a needle thermocouple in mounted in the case or chassis of the device, a thermoelectric compensator for a needle thermocouple, an electric defrosting system for a freezing indenter based on the phenomenon of reversibility of the thermoelectric effect and internal resistance of a Peltier element of a thermoelectric refrigerator, a control panel, an electronic control unit and signal processing from a needle thermocouple, an indication unit , a power supply unit consisting of a small battery and an automatic charger.

Предлагаемое устройство отличается от прототипа следующими признаками:The proposed device differs from the prototype in the following features:

- использование индентора замораживания в виде двух пластин, расположенных параллельно друг другу, из теплопроводящего материала - меди или алюминия, вместо измерительной ячейки цилиндрической формы;- the use of a freeze indenter in the form of two plates arranged parallel to each other, from a heat-conducting material - copper or aluminum, instead of a cylindrical measuring cell;

- введение системы электрического оттаивания для замораживающего индентора, действующего на основе явления обратимости термоэлектрического эффекта и внутреннего сопротивления элемента Пельтье термоэлектрического холодильника;- the introduction of an electric defrosting system for a freezing indenter, acting on the basis of the phenomenon of reversibility of the thermoelectric effect and the internal resistance of the Peltier element of the thermoelectric refrigerator;

- использование в схеме измерительного устройства игольчатой термопары в качестве термоэлектрического датчика совместно с ее узкополосной калибровкой (t_{рабочая}=-20…+1°С) и термоэлектрическим компенсатором;- the use of a needle thermocouple in the measuring device circuit as a thermoelectric sensor together with its narrow-band calibration (t _working = -20 ... + 1 ° С) and thermoelectric compensator;

- применение малогабаритной аккумуляторной батареи в качестве источника питания с автоматическим зарядным устройством вместо сетевого блока электропитания.- the use of a small battery as a power source with an automatic charger instead of a mains power supply.

Использование индентора замораживания в виде двух пластин, расположенных параллельно друг другу, и игольчатой термопары, внедряемых в толщу исследуемого продукта, позволяет с большей эффективностью концентрировать зону замораживания пищевого продукта в малой области по сравнению с измерительной ячейкой цилиндрической формы. Игольчатая термопара обладает меньшей массой и теплоемкостью по сравнению с термометром электрического сопротивления обмоточного типа. В результате, из-за уменьшения массы исследуемого образца продукта, появляется возможность снизить мощность замораживающего устройства и упростить его конструкцию. Сокращение продолжительности измерения криоскопической температуры позволяет применить малогабаритную аккумуляторную батарею в качестве источника питания вместо сетевого блока электропитания. А также введение системы электрического оттаивания пробы продукта после проведения замера криоскопической температуры делает замену одного тестируемого образца на другой гораздо более оперативной.The use of a freezing indenter in the form of two plates parallel to each other and a needle thermocouple embedded in the thickness of the test product allows more efficient concentration of the food freezing zone in a small area compared to a cylindrical measuring cell. A needle thermocouple has a lower mass and heat capacity compared to a winding type resistance thermometer. As a result, due to the decrease in the mass of the product sample under study, it becomes possible to reduce the power of the freezing device and simplify its design. Reducing the duration of the measurement of cryoscopic temperature allows you to use a small battery as a power source instead of a mains power supply. And also the introduction of a system for electric thawing of a product sample after measuring cryoscopic temperature makes the replacement of one test sample with another much more efficient.

На чертеже приведена схема предлагаемого измерительного устройства портативной конструкции для определения криоскопической температуры и активности воды в высоковлажных пищевых продуктах, ближайшим аналогом которой является схема технического средства, описанного в работе [Рогов И.А., Жаринов А.И., Фатьянов Е.В., Алейников А.К., Юзов С.Г. Определение активности воды в пищевых системах и продуктах криоскопическим методом: Метод. указ. - М.: МГУПБ, 2003. - 27 с.]. Ее основными элементами являются: холодильная часть, измерительная часть вместе с электронным блоком управления и обработки сигнала, блок электропитания и пульт управления.The drawing shows a diagram of the proposed measuring device of a portable design for determining the cryoscopic temperature and activity of water in high-moisture food products, the closest analogue of which is the scheme of the technical means described in [Rogov IA, Zharinov AI, Fatyanov EV , Aleinikov A.K., Yuzov S.G. Determination of water activity in food systems and products by the cryoscopic method: Method. decree. - M .: MGUPB, 2003. - 27 p.]. Its main elements are: the refrigeration part, the measuring part together with the electronic control and signal processing unit, the power supply unit and the control panel.

Предлагаемое измерительное устройство состоит из следующих компонентов: термоэлектрического холодильника (ТЭХ) 1, связанного с ним индентора замораживания 2 в виде двух пластин из теплопроводящего материала; холодного спая игольчатой термопары 3, расположенного между пластинами индентора замораживания; теплого спая игольчатой термопары 4, вмонтированного в корпус или шасси измерительного устройства; термоэлектрического компенсатора 5, в качестве которого используется термометр электрического сопротивления пленочного типа или полупроводниковый термоэлемент, также вмонтированного в корпус или шасси измерительного устройства; нормализатора 6, два входа которого связаны с холодным и теплым спаями термопары, а третий вход связан с термоэлектрическим компенсатором; аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 7, вход которого связан с выходом от нормализатора; PiC-контроллера 8, один вход которого связан с выходом от АЦП, второй вход и выход связаны с оперативно-запоминающим устройством (ОЗУ) 9, третий вход и выход связаны с арифметически-логическим устройством (АЛУ) 10, первый выход которого связан с первым входом блока индикации 11 показаний измерительного устройства, четвертый выход которого связан с интерфейсом RS-232 12 для связи с ЭВМ, четвертый вход которого связан с пультом управления 13, пятый выход которого связан с устройством управления мощностью (УУМ) 14, в свою очередь связанным с ТЭХ. Вторые вход и выход ОЗУ и АЛУ также связаны между собой, а третий выход ОЗУ связан со вторым входом блока индикации показаний измерительного устройства. Также второй выход пульта управления связан с третьим входом блока индикации показаний измерительного устройства, а третий выход пульта управления связан с ТЭХ. В схему измерительного устройства входит блок питания (БПА) 15 из малогабаритной аккумуляторной батареи и автоматического зарядного устройства, связанного посредством пульта управления с компонентами холодильной и измерительной части вместе с электронным блоком управления и обработки сигнала технического средства. Связи блока питания с другими элементами конструкции на схеме условно не показаны. Система электрического оттаивания (СЭО) измерительного устройства состоит из ТЭХ 1 и связанного с ним индентора замораживания 2, а также пульта управления 13, замыкающего/размыкающего клеммы ТЭХ, и измерительной части устройства, блок индикации 11 которой отображает результат работы СЭО.The proposed measuring device consists of the following components: thermoelectric refrigerator (TEH) 1, the associated indenter freezing 2 in the form of two plates of heat-conducting material; cold junction needle thermocouple 3 located between the plates of the indenter freezing; a warm junction of a needle thermocouple 4 mounted in the housing or chassis of the measuring device; thermoelectric compensator 5, which is used as a film-type thermometer of electrical resistance or a semiconductor thermocouple, also mounted in the housing or chassis of the measuring device; normalizer 6, two inputs of which are connected to cold and warm junctions of the thermocouple, and the third input is connected to a thermoelectric compensator; analog-to-digital Converter (ADC) 7, the input of which is connected to the output from the normalizer; PiC-controller 8, one input of which is connected to the output from the ADC, the second input and output are connected to the random access memory (RAM) 9, the third input and output are connected to the arithmetic-logical device (ALU) 10, the first output of which is connected to the first the input of the display unit 11 of the readings of the measuring device, the fourth output of which is connected to the RS-232 interface 12 for communication with a computer, the fourth input of which is connected to the control panel 13, the fifth output of which is connected to the power control device (UUM) 14, in turn, connected with TEH. The second input and output of RAM and ALU are also interconnected, and the third output of RAM is connected to the second input of the indication unit of the readings of the measuring device. Also, the second output of the control panel is connected to the third input of the display unit of the readings of the measuring device, and the third output of the control panel is connected to the TEH. The measuring device circuit includes a power supply unit (BPA) 15 from a small battery and an automatic charger connected via a control panel to the components of the refrigeration and measuring parts together with an electronic control unit and signal processing equipment. The connections of the power supply with other structural elements are not conventionally shown in the diagram. The electrical defrosting system (SEA) of the measuring device consists of a TEH 1 and a freezing indent 2 associated with it, as well as a control panel 13, a closing / opening terminal of the TEH, and a measuring part of the device, the display unit 11 of which displays the result of the SEA.

Корпус вместе с шасси измерительного устройства на схеме условно не показаны.The housing together with the chassis of the measuring device are conventionally not shown in the diagram.

На практике измерительное устройство портативной конструкции для определения криоскопической температуры и активности воды в высоковлажных пищевых продуктах работает следующим образом.In practice, a portable design measuring device for determining the cryoscopic temperature and water activity in high-moisture food products works as follows.

С помощью пульта управления 13 подключают электропитание от малогабаритной аккумуляторной батареи БПА 15 к холодильной части и измерительному блоку технического средства. Замораживающий индентор 2 в виде двух металлических пластин и холодный спай игольчатой термопары 3, применяющий в качестве электрического датчика температуры, внедряют в толщу исследуемого пищевого продукта. С помощью пульта управления 13 включают ТЭХ 1 и подвергают образец продукта охлаждению-замораживанию. Интенсивность работы (мощность) ТЭХ регулируется пультом управления 13 посредством PiC-контроллера 8 и устройства управления мощностью (УУМ) 14 в зависимости от содержания слабосвязанной влаги в продукте (ориентировочно). Сигнал от пульта управления 13 также поступает на блок индикации 11 показаний измерительного устройства для отображения функционального состояния его рабочих органов.Using the remote control 13 connect the power from the small battery BPA 15 to the refrigeration part and the measuring unit of the technical means. A freezing indenter 2 in the form of two metal plates and a cold junction of a needle thermocouple 3, used as an electric temperature sensor, are introduced into the thickness of the studied food product. Using the remote control 13 turn on the TEH 1 and subject the product sample to cooling-freezing. The intensity (power) of the TEH is regulated by the control panel 13 through the PiC controller 8 and the power control device (UUM) 14, depending on the content of loosely coupled moisture in the product (tentatively). The signal from the control panel 13 also enters the display unit 11 of the readings of the measuring device to display the functional state of its working bodies.

Электрические сигналы от холодного спая игольчатой термопары 3 и теплого спая игольчатой термопары 4 в виде изменения напряжения электрического тока и от термоэлектрического компенсатора 5 в виде изменения резистивного сопротивления поступают в нормализатор 6, где осуществляется сопряжение двух сигналов и их преобразование в аналоговый сигнал электрического напряжения. То есть термоэлектрический компенсатор применяется для корректирования электрического сигнала от игольчатой термопары в зависимости от температуры ее теплого спая. При этом теплый спай игольчатой термопары и термоэлектрический компенсатор находятся в тепловом контакте с тепловой емкостью, в качестве которой используется корпус или шасси технического средства, для снижения тепловых возмущений от окружающей среды.The electrical signals from the cold junction of the needle thermocouple 3 and the warm junction of the needle thermocouple 4 in the form of a change in the voltage of the electric current and from the thermoelectric compensator 5 in the form of a change in the resistive resistance are fed to the normalizer 6, where two signals are coupled and converted into an analog signal of the electric voltage. That is, a thermoelectric compensator is used to correct the electrical signal from a needle thermocouple depending on the temperature of its warm junction. In this case, the warm junction of the needle thermocouple and the thermoelectric compensator are in thermal contact with the heat capacity, which is used as a body or chassis of a technical tool, to reduce thermal disturbances from the environment.

Далее сигнал проходит обработку в АЦП 7 и принимает цифровую форму, которая выражается в целых и дробных десятичных значениях температуры в центре образца продукта в градусах по Цельсию. Цифровой сигнал, отображающий текущее дискретное значение температуры замораживаемого продукта, направляется в PiC-контроллер 8, который управляет работой измерительного устройства. От него в свою очередь сигнал поступает на жидкокристаллический дисплей блока индикации 11 и одновременно в ОЗУ 9 вместе со значением момента времени при замере нового текущего цифрового значения температуры в продукте в процессе его замораживания с дискретностью ±0,1 С° в виде списка из двух величин. Момент времени замера температуры выражается в цифровой форме в виде целых единиц и дробных десятичных и сотых долях секунды. Значения в этом списке проходят математическую обработку с помощью АЛУ 10. Работа АЛУ 10 и ОЗУ 9 координируется PiC-контроллером согласно математическому алгоритму определения криоскопической температуры, запрограммированного в PiC-контроллере.Next, the signal is processed in ADC 7 and takes a digital form, which is expressed in whole and fractional decimal values of the temperature in the center of the product sample in degrees Celsius. A digital signal representing the current discrete temperature value of the frozen product is sent to the PiC controller 8, which controls the operation of the measuring device. From it, in turn, the signal is fed to the liquid crystal display of the display unit 11 and simultaneously to the RAM 9 together with the time value when measuring a new current digital temperature value in the product during its freezing with a resolution of ± 0.1 ° C in the form of a list of two values . The time instant of temperature measurement is expressed in digital form in the form of whole units and fractional decimal and hundredths of a second. The values in this list are mathematically processed using ALU 10. The operation of ALU 10 and RAM 9 is coordinated by the PiC controller according to the mathematical algorithm for determining the cryoscopic temperature programmed in the PiC controller.

Определение криоскопической температуры осуществляется путем дифференцирования (цифрового или, точнее, числового) термограммы охлаждения-замораживания образца исследуемого пищевого продукта с помощью математического алгоритма, предложенного в работе [Юзов С.Г. Определение активности воды в высоковлажных пищевых продуктах по криоскопической температуре // Все о мясе. - 2009. - №1. - С.29-32]. Преимущество данного математического алгоритма заключается в саморегуляции величины текущего интервала времени процесса при числовом дифференцировании термограммы охлаждения-замораживания исследуемого продукта, что позволяет без сбоев в работе измерительного устройства определять криоскопическую температуру при относительно высоком темпе снижения температуры в центре образца порядка 20-70°С/ мин.Determination of cryoscopic temperature is carried out by differentiating (digital or, more precisely, numerical) thermograms of cooling-freezing a sample of the food product under study using the mathematical algorithm proposed in the work [Yuzov S.G. Determination of water activity in high-moisture food products by cryoscopic temperature // All about meat. - 2009. - No. 1. - S. 29-32]. The advantage of this mathematical algorithm is self-regulation of the value of the current time interval of the process with numerical differentiation of the cooling-freezing thermogram of the test product, which allows determining the cryoscopic temperature without a malfunction of the measuring device at a relatively high rate of temperature decrease in the center of the sample of about 20-70 ° C / min .

Использование математического алгоритма реализует метод числового дифференцирования функции/зависимости значения момента времени, при котором происходит смена текущей температуры продукта на одно дискретное значение при измерении длительности процесса охлаждения-замораживания исследуемого образца с точностью до ±0,01 сек, равной разрешающей способности или точности электронного секундомера, в зависимости от текущего значения температуры продукта с дискретностью ±0,1°С, равной разрешающей способности электронного цифрового измерителя температуры, и с точностью применяемого измерителя температуры ±(0,1-0,2)°С, т.е. числовое дифференцирование термограммы охлаждения-замораживания образца продукта основано на преобразовании формы отображения данной зависимости в виде кривой в ломаную ступенчатую линию за счет дискретности показаний электронного цифрового измерителя температуры и несопоставимо малой дискретности показаний электронного цифрового секундомера, в отличие от дифференцирования функции температуры продукта на термограмме охлаждения-замораживания с точностью до ±(0,01-0,03)°С, равной величине погрешности измерителя температуры, в зависимости от времени анализируемого процесса с дискретностью (периодичностью) 3-15 сек, большей или равной разрешающей способности измерителя температуры, °С, разделенной на скорость снижения температуры в криоскопической точке термограммы, °С/сек, с целью нахождения криоскопической температуры. Это позволяет определять значение активности воды с точностью до ±(0,001-0,002) ед. a_w, что соответствует значению допустимой погрешности измерений для анализаторов активности воды пищевых продуктов в современном конструктивном исполнении импортного производства.Using a mathematical algorithm implements a method of numerical differentiation of the function / dependence of the value of the moment of time at which the current product temperature changes to one discrete value when measuring the duration of the cooling-freezing process of the test sample with an accuracy of ± 0.01 sec, equal to the resolution or accuracy of the electronic stopwatch , depending on the current value of the product temperature with a resolution of ± 0.1 ° С, equal to the resolution of the electronic digital measurement ator temperature, and applied with a precision temperature meter ± (0,1-0,2) ° C, e.g. the numerical differentiation of the cooling-freezing thermogram of a product sample is based on the transformation of the display form of this dependence in the form of a curve into a broken step line due to the discrete readings of the electronic digital temperature meter and the incomparably small discrete readings of the electronic digital stopwatch, in contrast to the differentiation of the product temperature function on the cooling thermogram- freezing with an accuracy of ± (0.01-0.03) ° С, equal to the value of the error of the temperature meter, depending the time dependence of the analyzed process with a resolution of 3-15 seconds, greater than or equal to the resolution of the temperature meter, ° C, divided by the rate of temperature decrease at the cryoscopic point of the thermogram, ° C / s, in order to find the cryoscopic temperature. This allows you to determine the value of the activity of water with an accuracy of ± (0.001-0.002) units. a _w , which corresponds to the value of the permissible measurement error for analyzers of the activity of food water in a modern design of imported production.

При этом возможны два варианта метода математической обработки термограммы охлаждения-замораживания продукта в зависимости от скорости снижения температуры в центре исследуемой пробы.In this case, two variants of the method of mathematical processing of the thermogram of cooling-freezing a product are possible, depending on the rate of temperature decrease in the center of the test sample.

В случае быстрого темпа охлаждения-замораживания пищевого продукта (для продуктов с высокой теплопроводностью, например, большинства мясных, молочных и рыбных продуктов) процесс будет протекать без переохлаждения, криоскопическая температура определяется в точке (t_з; τ_з) минимального значения производной функции/зависимости момента времени смены дискретного значения температуры исследуемой пробы на -0,1 С° в зависимости от текущего значения температуры образца продукта в процессе охлаждения-замораживания (значение производной функции отрицательное) на основании следующих математических условий.In the case of a fast rate of cooling-freezing of a food product (for products with high thermal conductivity, for example, most meat, dairy and fish products), the process will proceed without hypothermia, the cryoscopic temperature is determined at the point (t _s ; τ _s ) of the minimum value of the derivative function / dependence the time of the change in the discrete value of the temperature of the test sample by -0.1 ° C depending on the current value of the temperature of the product sample during cooling-freezing (the value of the derivative function uu negative) on the basis of the following mathematical conditions.

Условие 1Condition 1

где: i - номер замера момента времени и температуры пробы продукта (замер осуществляется в момент перемены показаний термометра на ±0,1°С);where: i is the number of measuring the time point and temperature of the product sample (measurement is carried out at the moment the thermometer readings change by ± 0.1 ° C);

t_i - текущее значение температуры пробы продукта в процессе его охлаждения-замораживания при замере №i, °C;t _i - the current value of the temperature of the sample product during its cooling-freezing when measuring No. i, ° C;

τ_i - момент времени при замере №i, мин, сек.τ _i - time point when measuring No. i, min, sec.

где: з

- номер замера момента времени и текущего значения температуры исследуемой пробы продукта при смене двух дискретных значений температуры в точке начала замерзания;where: s

- number of measurements of the time instant and the current temperature value of the product sample under study when two discrete temperature values are changed at the freezing point;

t_з - температура продукта при замере №з, °С, т.е. температура начала замерзания исследуемого продукта (криоскопическая температура);t _s - temperature of the product when measuring No. 3, ° C, i.e. freezing temperature of the test product (cryoscopic temperature);

τ_з - момент времени при замере №з, мин, сек («криоскопическая точка»).τ _s - time point when measuring No. 3, min, sec (“cryoscopic point”).

где: i - номер замера временного интервала между двумя дискретными значениями температуры продукта;where: i is the number of measurements of the time interval between two discrete values of the product temperature;

Δτ_i, - временной интервал между двумя замерами температуры исследуемой пробы продукта, а именно при замере №i и №i+1, мин, сек.Δτ _i , is the time interval between two measurements of the temperature of the studied sample of the product, namely when measuring No. i and No. i + 1, min, sec.

где: з - номер замера временного интервала в точке начала замерзания продукта;where: h is the number of measurements of the time interval at the freezing point of the product;

Δτ_з - временной интервал между моментом начала замерзания продукта и последующим замером его дискретного значения температуры, а именно при замере №з, мин, сек («криоскопическая планка»).Δτ _s - the time interval between the moment of freezing of the product and the subsequent measurement of its discrete temperature, namely when measuring No. 3, min, sec (“cryoscopic bar”).

где t_i - текущее значение температуры продукта в процессе его охлаждения-замораживания в зависимости от величины временного интервала между двумя замерами дискретного значения температуры исследуемой пробы, °С.where t _i is the current value of the temperature of the product during its cooling-freezing, depending on the size of the time interval between two measurements of the discrete value of the temperature of the test sample, ° C.

где t_з - температура исследуемой пробы в начальный момент и на протяжении временного интервала Δτ_з (т.е. температура начала замерзания, она же криоскопическая температура исследуемого продукта), °С.where t _s is the temperature of the test sample at the initial moment and over the time interval Δτ _s (i.e., the freezing temperature, it is also the cryoscopic temperature of the test product), ° С.

В случае медленного темпа охлаждения-замораживания пищевого продукта (для продуктов с низкой теплопроводностью и содержащие слабосвязанную влагу, например, свежий и соленый свиной шпик, или сливочное масло и сметана с высоким содержанием жира) процесс будет протекать с переохлаждением. Тогда криоскопическая температура определяется в точке (t_з; τ_з') второго изменения в направлении процесса снижения/роста текущего дискретного значения температуры в исследуемом продукте на ±0,1 С° согласно следующим математическим условиям.In the case of a slow cooling-freezing rate of a food product (for products with low thermal conductivity and containing weakly bound moisture, for example, fresh and salted pork fat, butter or sour cream with a high fat content), the process will proceed with supercooling. Then the cryoscopic temperature is determined at the point (t _z ; τ _z ') of the second change in the direction of the process of decreasing / increasing the current discrete temperature value in the test product by ± 0.1 ° C according to the following mathematical conditions.

Условие 2Condition 2

Более детально, в первом случае процесса замораживания продукта АЛУ осуществляет вычисление интервалов между соседними моментами времени замера текущего дискретного значения температуры в центре исследуемого образца и поиск максимального интервала времени, который соответствует «криоскопической точке» («криоскопической планке»), в режиме реального времени. По найденному интервалу в списке величин, сохраненному в ОЗУ, АЛУ находит значение температуры продукта, соответствующее начальному моменту замера в найденном интервале времени процесса замораживания продукта. Этому значению PiC-контроллер присваивает криоскопическую температуру исследуемого продукта.In more detail, in the first case of the product freezing process, ALU calculates the intervals between adjacent points in time for measuring the current discrete temperature in the center of the sample and searches for the maximum time interval that corresponds to the “cryoscopic point” (“cryoscopic bar”) in real time. From the found interval in the list of values stored in RAM, ALU finds the product temperature value corresponding to the initial moment of measurement in the found time interval of the product freezing process. The PiC controller assigns this value to the cryoscopic temperature of the test product.

Во втором случае процесса замораживания продукта (с переохлаждением) АЛУ осуществляет вычисление интервалов между соседними текущими дискретными значениями температуры в центре исследуемого образца и поиск интервала температуры, который второй раз поменял свой знак в процессе измерения. Начало этого интервала соответствует «криоскопической точке» («криоскопической планке») в режиме реального времени. По найденному интервалу в списке величин, сохраненному в ОЗУ, АЛУ находит значение температуры продукта, соответствующее начальному текущему значению температуры исследуемого образца в найденном интервале (дифференциале) температуры в процессе замораживания продукта. Этому значению PiC-контроллер присваивает криоскопическую температуру исследуемого продукта.In the second case of the product freezing process (with subcooling), the ALU calculates the intervals between the adjacent current discrete temperature values in the center of the sample under study and searches for the temperature interval, which changed its sign for the second time during the measurement. The beginning of this interval corresponds to the “cryoscopic point” (“cryoscopic bar”) in real time. Using the found interval in the list of values stored in RAM, ALU finds the product temperature value corresponding to the initial current temperature value of the test sample in the found temperature interval (differential) during the product freezing. The PiC controller assigns this value to the cryoscopic temperature of the test product.

PiC-контроллер, ОЗУ и АЛУ осуществляют числовое дифференцирование термограммы замораживания исследуемого образца по двум вышеописанным алгоритмам одновременно в режиме реального времени. В рабочей программе приоритет по определению «криоскопической точки» и криоскопической температуры отдается второму алгоритму (термограмма замораживания продукта с переохлаждением).The PiC controller, RAM and ALU perform numerical differentiation of the thermogram of freezing the test sample according to the two above-described algorithms simultaneously in real time. In the work program, the priority for determining the “cryoscopic point” and cryoscopic temperature is given to the second algorithm (thermogram of product freezing with supercooling).

Окончание процесса числового дифференцирования термограммы охлаждения-замораживания для образца продукта определяет PiC-контроллер по ускорению темпа снижения текущего значения температуры в центре исследуемой пробы после обнаружения максимального временного интервала, во время которого дискретное значение температуры исследуемого образца продукта остается постоянным, или после выявления максимума температуры на термограмме охлаждения-замораживания. То есть после нахождения момента времени выявления «криоскопической точки» и криоскопической температуры. Эта часть алгоритма также программируется в PiC-контроллере измерительного устройства, реализующего данный математический алгоритм определения криоскопической температуры.The end of the process of numerical differentiation of the cooling-freezing thermogram for a product sample is determined by the PiC controller by accelerating the rate of decrease in the current temperature in the center of the test sample after detecting the maximum time interval during which the discrete temperature value of the test product sample remains constant, or after the maximum thermogram of cooling-freezing. That is, after finding the point in time to identify the "cryoscopic point" and cryoscopic temperature. This part of the algorithm is also programmed in the PiC controller of a measuring device that implements this mathematical algorithm for determining cryoscopic temperature.

По окончании процесса числового дифференцирования термограммы охлаждения-замораживания для исследуемой пробы PiC-контроллер 8 рассчитывает значение активности воды в зависимости от найденного значения криоскопической температуры пищевого продукта по формуле, запрограммированной в PiC-контроллере. Эта формула получена аналитическим путем или эмпирическим методом, непременным требованием к которой является точная корреляция между результатами вычисления и экспериментального определения активности воды прямым методом (манометрический метод определения активности воды). Сравнительные исследования должны быть выполнены одновременно на одних и тех же образцах пищевой продукции.At the end of the process of numerical differentiation of the cooling-freezing thermogram for the test sample, the PiC controller 8 calculates the value of water activity depending on the found value of the cryoscopic temperature of the food product according to the formula programmed in the PiC controller. This formula was obtained analytically or empirically, an indispensable requirement for which is an exact correlation between the results of calculation and experimental determination of water activity using the direct method (manometric method for determining water activity). Comparative studies should be performed simultaneously on the same samples of food products.

Например, в измерительном устройстве можно использовать аналитически полученную зависимость значения активности воды высоковлажного пищевого продукта по температуре начала замерзания, предложенную в работе [Кулагин В.Н. Изменение активности воды как показателя качества продуктов при термообработке // Мясная индустрия СССР. - 1982. - № 3. - С.31-33]:For example, in a measuring device it is possible to use the analytically obtained dependence of the water activity of a high-moisture food product on the freezing temperature, proposed in [Kulagin V.N. Change in water activity as an indicator of the quality of products during heat treatment // Meat industry of the USSR. - 1982. - No. 3. - S.31-33]:

где t_з - температура начала замерзания (криоскопическая температура) высоковлажного пищевого продукта, °С.where t _s - freezing temperature (cryoscopic temperature) of high-moisture food product, ° C.

С целью дополнительного упрощения схемы и повышения скорости работы технического средства возможна запись значений активности воды внутри продукта в зависимости от криоскопической температуры в виде списка или таблицы-номограммы, запрограммированной в PiC-контроллере. Это позволит осуществлять вычисление значения активности воды в режиме реального времени при определении «криоскопической точки» на термограмме охлаждения-замораживания и криоскопической температуры продукта.In order to further simplify the circuit and increase the speed of the technical tool, it is possible to record the values of the water activity inside the product depending on the cryoscopic temperature in the form of a list or table-nomograms programmed in the PiC controller. This will allow the calculation of the value of water activity in real time when determining the "cryoscopic point" on the thermogram of cooling-freezing and cryoscopic temperature of the product.

Результат измерения криоскопической температуры и активности воды исследуемого продукта в форме цифрового сигнала с помощью PiC-контроллера записывается в ОЗУ и выводится на блок индикации 11 показаний измерительного устройства, заменяя при этом на дисплее текущее значение температуры продукта, вместе с сопровождающим звуковым сигналом и посредством интерфейса RS-232 12 на ЭВМ (при необходимости).The result of measuring the cryoscopic temperature and water activity of the test product in the form of a digital signal using a PiC controller is written into RAM and displayed on the display unit 11 of the readings of the measuring device, replacing the current value of the product temperature on the display, together with the accompanying sound signal and through the RS interface -232 12 on the computer (if necessary).

Для извлечения пластин замораживающего индентора 2 и холодного спая игольчатой термопары 3 (датчик температуры) измерительного устройства из исследуемого продукта осуществляется оттаивание зоны замораживания с помощью самого же ТЭХ 1 и замораживающего индентора 2, которые в режиме размораживания работают как система электрического оттаивания (СЭО). Пуск СЭО производится путем короткого замыкания рабочих клемм ТЭХ 1 с помощью тумблера пульта управления 13. Одновременно осуществляется «сброс памяти» ОЗУ, тем самым подготавливая его к новой серии замеров. Функционирует СЭО под воздействием разности температур пластин замораживающего индентора 2, погруженных в замороженный продукт, и на воздушном радиаторе ТЭХ 1. ТЭХ работает в режиме термоэлектрического генератора и за счет своего же внутреннего сопротивления выделяет тепловую энергию, передаваемую пластинам замораживающего индентора 2 и замороженной части пищевого продукта. Время завершения процесса оттаивания образца продукта определяется с помощью блока индикации 11, на дисплее которого в этот момент должно быть отображено значение температуры исследуемой пробы, равной t≥+1,0°С (для дистиллированной воды) или t≥t_кр+1,0,°С, где t_кр - криоскопическая температура исследуемой пробы продукта, °С. Тумблер управления работой ТЭХ переводится в нейтральное положение, тем самым подготавливая техническое средство к очередному замеру. Возможен вариант автоматического включения и выключения СЭО, сопровождающихся соответствующими сигналами блока индикации.To remove the plates of the freezing indenter 2 and the cold junction of the needle thermocouple 3 (temperature sensor) of the measuring device from the test product, the freezing zone is thawed using the same TEH 1 and freezing indenter 2, which in defrost mode operate as an electric defrosting system (SEA). The SEA is started by shorting the working terminals of the TEH 1 using the toggle switch of the control panel 13. At the same time, the RAM is “reset”, thereby preparing it for a new series of measurements. The SEA functions under the influence of the temperature difference of the plates of the freezing indenter 2 immersed in the frozen product and on the air radiator TEH 1. The TEH operates in the thermoelectric generator mode and, due to its internal resistance, releases heat energy transmitted to the plates of the freezing indenter 2 and the frozen part of the food product . The completion time of the thawing process of the product sample is determined using the display unit 11, the display of which at this moment should show the temperature of the test sample equal to t≥ + 1.0 ° C (for distilled water) or t≥t _cr +1.0 , ° С, where t _cr - cryoscopic temperature of the studied product sample, ° С. The TEH operation control toggle switch is moved to the neutral position, thereby preparing the technical tool for the next measurement. The option of automatically turning on and off the SEA, accompanied by the corresponding signals of the display unit.

Малогабаритная аккумуляторная батарея блока питания 15, текущее состояние электрической емкости которой отображается с помощью блока индикации, периодически заряжается автоматическим зарядным устройством от электросети.The small-sized rechargeable battery of the power supply unit 15, the current state of the electric capacity of which is displayed using the display unit, is periodically charged by the automatic charger from the mains.

Данное устройство для определения криоскопической температуры и активности воды в пищевых продуктах разработано в Проблемной научно-исследовательской лаборатории электрофизических методов обработки пищевых продуктов (ПНИЛЭФМОПП) МГУ прикладной биотехнологии с целью проведения научных исследований, инновационных технологических разработок, производственно-контрольных работ и учебных лабораторных занятий со студентами.This device for determining the cryoscopic temperature and activity of water in food products was developed at the Problem Research Laboratory of Electrophysical Methods of Food Processing (PNILEFMOPP) of Moscow State University of Applied Biotechnology for the purpose of conducting research, innovative technological developments, production and control works and educational laboratory studies with students .

С помощью экспериментального лабораторного измерительного устройства (стенд) для определения температуры начала замерзания продуктов, в конструкции которого использовался электронный цифровой термометр на основе платинового датчика электрического сопротивления, со значением допустимой погрешности до ±0,2°С, была показана возможность определять значение активности воды пищевых продуктов с погрешностью до ±0,002 ед. a_w.Using an experimental laboratory measuring device (stand) to determine the freezing temperature of products, the design of which was used an electronic digital thermometer based on a platinum electrical resistance sensor, with a tolerance value of up to ± 0.2 ° C, the ability to determine the value of food water activity was shown products with an error of up to ± 0.002 units. a _w .

При проведении лабораторных испытании была показана надежность и дешевизна технического, в том числе конструктивного, исполнения применяемого высокоскоростного метода определения криоскопической температуры и активности воды для исследования пищевых продуктов и сырья. Получены результаты экспериментального определения криоскопической температуры и активности воды высокой точности в образцах, отобранных во время опытных выработок экспериментальной продукции. В ходе определения активности воды в образцах мясной и молочной продукции было показано, что точность (сходимость) используемого метода в лабораторной версии предлагаемого устройства составляет в среднем ±0,001 ед. a_w, что сопоставимо со значением допустимой погрешности измерения для современных анализаторов активности воды пищевых продуктов импортного производства.In laboratory tests, the reliability and low cost of technical, including structural, performance of the applied high-speed method for determining the cryoscopic temperature and activity of water for the study of food products and raw materials was shown. The results of the experimental determination of cryoscopic temperature and activity of high-precision water in the samples taken during the experimental workings of experimental products are obtained. In the course of determining the activity of water in samples of meat and dairy products, it was shown that the accuracy (convergence) of the method used in the laboratory version of the proposed device is on average ± 0.001 units. a _w , which is comparable with the value of the permissible measurement error for modern analyzers of the activity of water of imported food products.

При определении криоскопической температуры в экспериментальных образцах мясной и молочной продукции вышеназванным устройством было показано, что точность (сходимость и воспроизводимость по дистиллированной воде) составляет в среднем ±0,1°С.When determining the cryoscopic temperature in experimental samples of meat and dairy products by the above-mentioned device, it was shown that the accuracy (convergence and reproducibility in distilled water) is on average ± 0.1 ° C.

Точное и оперативное определение значения криоскопической температуры продуктов является нужным в пищевых технологиях по причине возможности более обоснованного выбора рационального режима термообработки и хранения сырья и продукции. Предлагаемое устройство, в котором реализуется модифицированный метод определения криоскопической температуры (температура начала замерзания), позволяет установить минимальную температуру хранения высоковлажных пищевых продуктов в охлажденном виде для каждой их ассортиментной принадлежности в отдельности, например, колбасных и других мясных изделий, рыбных и молочных продуктов, что приведет к увеличению срока годности.Accurate and prompt determination of the cryoscopic temperature of products is necessary in food technology due to the possibility of a more informed choice of a rational regime of heat treatment and storage of raw materials and products. The proposed device, which implements a modified method for determining cryoscopic temperature (freezing temperature), allows you to set the minimum storage temperature of high-humidity food products in a refrigerated form for each of their assortment accessories individually, for example, sausage and other meat products, fish and dairy products, which will increase shelf life.

Описанное в настоящем изобретении измерительное устройство содержит в микропроцессоре программу на основе модифицированного алгоритма определения криоскопической температуры и активности воды высоковлажных пищевых продуктов. Этот алгоритм, повышающий надежность работы измерительной части устройства, позволяет сократить продолжительность процесса измерения до 0,6-2,0 минут (максимум 3 минуты) при указанной выше точности определения криоскопической температуры и активности воды в продукте. А также сокращение процедуры измерения вместе с использованием игольчатой термопары и замораживающего индентора позволяет достичь настолько малого веса и габаритных размеров технического средства, за счет которых является возможным создание измерительного устройства портативной конструкции.The measuring device described in the present invention comprises a program in the microprocessor based on a modified algorithm for determining the cryoscopic temperature and water activity of high-moisture food products. This algorithm, which increases the reliability of the measuring part of the device, can reduce the duration of the measurement process to 0.6-2.0 minutes (maximum 3 minutes) with the above accuracy in determining the cryoscopic temperature and activity of water in the product. As well as shortening the measurement procedure, together with the use of a needle thermocouple and a freezing indenter, it is possible to achieve such a small weight and overall dimensions of the technical means, due to which it is possible to create a measuring device with a portable design.

Claims

A portable design measuring device for determining the cryoscopic temperature and activity of water in high-humidity food products, including a Peltier thermoelectric refrigerator connected to a freezing indenter in the form of two plates of heat-conducting material parallel to each other, between which a cold junction of a needle thermocouple is placed, calibrated in a narrow temperature range, a warm junction of a needle thermocouple mounted in the housing or chassis of the device, thermoelectric compensator for a needle thermocouple, an electric defrosting system for a freezing indenter based on the phenomenon of reversibility of the thermoelectric effect and internal resistance of a Peltier element of a thermoelectric refrigerator, a control panel, an electronic control unit and signal processing from a needle thermocouple, an indication unit, a power supply unit consisting of a small battery and automatic charger.