بخصوص صنايع غذايي همچون صنايع توليد قند، رب، آب ميوه وغيره بسيار ضروري مي باشد.عمل سنجش در بخشهاي مختلف فرايند توليد مورد نياز است. بنابراين سيسـتمي مـورد نياز است كه بتواند در كمترين زمان ممكن اطلاعات را پردازش نمايد وميزان غلظت را اندازه گيري نمـوده ودر اختيـار واحد كنترل قرار دهد. روش انتخابي ما براي سنجش غلظت شربت قند استفاده از اشعه مادون قرمز است. بطور كلي مي توانيم آزمايش را به دو قسمت، واحد نوري و واحد پـردازش سـيگنال تقسـيم نمـود . در واحـد نـوري از المانهاي موجود استفاده شده است كه همان ديودهاي نور گسيل در طيف مادون قرمز مي باشند .نورحاصـل را از درون ماده مبنا كه آب مي باشد ونيز مايع تحت آزمايش(شربت قند) عبور داده ونور خروجي را دريافت كـرده و بـا پـردازش
مناسب ميزان غلظت قند بدست مي آيد.
كلمات كليدي: غلظت، بريكس، جذب نور، انعكاس نفوذي، آشكار ساز سنكرون، تقويت كننده قفل شونده.
-1 مقدمه
جهت سنجش غلظت مايعات روشهاي متعددي وجود دارند كه از آن ميان مي توان به روشهاي زير اشاره نمود:
[1]و[2] :
-1 جابجايي وشناور جابجا شونده.
-2 هيدرو متري.
-3 صوتي ومافوق صوت.
-4 هيدروستاتيك.
-5 تشعشعي.
-6 لرزشهاي مكانيكي.
-7 سنجش وزن حجم ثابت.
-8 نوري.
واحد غلظت در صنايع قند درصد بريكس مي باشد وبنا بر تعريف عبارتسـت از ميـزان وزن شـكر موجـود در 100 گرم از محلول.لازم به ذكر است كه اين واحد در دماي « C17/5° «تعريف مي گردد.
روش نوري كه در صنعت بكار مي رود بر اساس شكست نور عبوري از نمونه مي باشد . در اين روش از تغييـر ضريب شكست با غلظت محلول استفاده مي شود. نخست زاويه بحراني را بدست آورده و از آنجا با توجه به شـكل
(1) ضريب شكست محلول را مي يابند. پس از آن با استفاده از منحني شـكل (2) ميـزان غلظـت را بدسـت مـي
آورند. همانطوريكه مشاهده مي گردد منحني فوق براي غلظتهاي 10 تا 70 درصد تقريباً خطي است.
در اين روش نياز به منشور ازجنس سفاير يا اسپينل است .چون اين منشورها در داخل كشور ساخته نمي شود وهزينه ارزي آن بسيار زياد است لذا روش ديگري پيشنهاد گرديد. در اين روش شدت نور عبوري از محلول انـدازه
گيري مي شود.
در اين قسمت قوانين حاكم بر سيستمهاي نوري بر اساس اشعه عبوري توضيح داده مي شود.
-1-2 قانون بي ير- لمبرت
I به جسم نازكي بـا ضـخامت L و in اين قانون به اين صورت بيان مي شود كه هرگاه نور تك رنگي با شدت I عبارتست از[3] و [4]: out ثابت جذب K برخورد كند شدت نور عبوري
I I exp( KL) (1) out = in −
كه در اين رابطه ثابت جذب K بصورت حاصلضرب قدرت جذب a وغلظت ماده جاذب c بيان مـي شـود.حـال در صورتيكه مقادير Iin و out I معلوم باشد براحتي مي توان ميزان جذب را محاسبه كرد.
( ) (2)
out
in
I
I جذب ميزان = A = Ln
-2-2 قانون كابلكا- مانك
وقتي اشعه اي بر روي يك ماده برخورد كند دو نوع انعكاس رخ مي دهد: انعكاس آينه اي و انعكاس نفوذي.
انعكاس آينه اي همان است كه در سطوح صاف رخ مي دهد. در حاليكه در سطوح ناهموار انعكاس نفوذي بيشتر از انعكاس آينه اي است. با توجه به شكل (3) پرتويي كه از منبع نور تابيده مـي شـود بـا شـدت I وتحـت زاويـه i
نسبت به بردار نرمال، به سطح اثابت مي كند. در صورتيكه شدت نور منعكس شده R وزاويه اي كه با بردار نرمال مي سازد e باشد.
در انعكاس نفوذي اشعه اي كه از داخل ماده عبور مي كند قبل از ايمكه از طـرف ديگـر خـارج شـود بـا درجـات ، كـه ∞R F مختلف انعكاس، انكسار وجذب مي يابد.كابلك ومانك تئوري قابل قبولي ارائه داده اند و با ت عريـف( )
S∞ R ،ضريب جذب K ،وضريب پراكندگي يك لايه ضخيم است، رابطه اي بر ∞R حسب تابعي از قدرت انعكاس بدست آورده اند:
با توجه به قوانين مذكور روش انتخابي بر اساس قانون بي ير- لمبرت است. در اين سيستم با توجه به هزينه و امكانات موجود از ديودهاي مادون قرمز بعنوان سيستم نوري استفاده كرده ايم. در ايـن روش نـور را از دو محـيط آب خالص و محلول قند عبور مي دهيم. مي دانيم مبناي غلظت آب خالص را در نظر مي گيرند. لذا سنجش را بـر اساس مقايسه بين نور عبوري از دو محيط قرار داده ايم (شكل 4).نـور عبـوري از ظـرف آب را بعنـوان مبنـا ونـور عبوري از محلول قند را بعنوان پرتو جذب شونده در نظر مي گيريم. پس از پيش تقويت كننده(.A.P(، واحد تقويت كننده قفل شونده قرار دارد. جهت كاهش نويز بايد پهناي باند پايه را كاست ولي اين امر با استفاده از فيلترها به دليل محدوديتهايي كـه از نظـر سـاخت دارنـد هميشـه ميسـر نيست.مثلا اگر فركانس كار به عللي تغيير كند بايد فركانس مركزي فيلتر نيز تغيير نمايد و چون از لحـاظ عملـي ساخت چنين فيلتري بسيار مشكل است لذا فكر استفاده از تقويت كننده قفل شونده مطرح مي گردد.ساختار كلي اين واحد بصورت شكل(6) مي باشد.
از عوامل كاهنده حساسيت سيستمهاي قفل شونده، نويز واحد ضرب كننده است كـه بـراي جلـوگ يري از آن احتياج به تقويت سيگنال مورد نظر است.اساس كار شبيه كار آشكارسازهاي سنكرون بر پايه ضرب كننده ايـده ال استوار است واين بدان معني است كه ضرب كننده مورد نظر بايد در هر سـطح از سـيگنال و نـويز ورودي،وظيفـه خود را بدقت انجام دهد.جهت افزايش محدوده ديناميكي ضرب كننده هاي واقعي از ضرب كننده هاي سوئيچينگ با نام آشكارساز حساس فاز استفاده شده است.(شكل(7))
تقويت كننده ابزاري بدليل داشتن امپدانس ورودي تفاضلي زياد و CMRR خيلي بـالا در سيسـتمهاي انـدازه گيري دقيق مورد استفاده قرار مي گيرند. در اينجا چون سيگنال خروجي تقويت كننـده قفـل شـونده نسـبت بـه سيگنال تفاضلي داراي ولتاژ مشترك بزرگي است لازم است در خروجي آنها از يك تقويت كننده ابـزاري اسـتفاده شود كه با استفاده از چهار تقويت كننده عملياتي ساخته شده است.[8] در نهايت خروجي بهD/A منتقل مي گردد تا اطلاعات ديجيتال حاصل گردد.جهت تعيين غلظت از جدول داده ها استفاده شده است.
با توجه به مقدمه ذكر شده مقدار بريكس براي دماي « C17/5° «تعريف مي گردد.لذا ضـروري اسـت كـه دمـاي محلول تعيين گردد. به ازاي هر C1°اختلاف دما غلظت %0/1 در واحد بريكس تغيير مي كند. سيگنال حاصل از سنسور دما را تقويت نموده و به يكي از كانالهاي D/A متصل مي كنيم و نهايتاً پس از پـردازش و تعيين دما ، غلظت را اصلاح مي كنيم.
-4 نتيجه
در اين مقاله روشي براي سنجش غلظت مايعات ارائه شد. دراين روش براساس قانون بي ير- لمبـرت از انـدازه گيري نور مادون قرمز خروجي از محيطهاي محلول قند وآب استفاده كرده و پس از تفاضل دقيـق آنهـا بـا واحـد تقويت كننده ابزاري و تبديل مقدار تفاضل به اطلاعات ديجيتال، توسط واحد ميكـرو كنتـرل مقـدار غلظـت را بـا روش جدول داده ها بدست مي آوريم و پس از اصلاح ناشي از اختلاف دما آنرا رويLCD نمايش مي دهيم.
Analytical Instrumentation .R.E.Sherman , Editer .L.J.Rhodes , Associate Editer.ISA 1996
Analytical Instrumentation , B.G.Liptak.ISA 1
Benson, I.B.,” Industrial Applications of Near Infrared Reflectance for the Measurement of
Moisture,” Measurement & Control , Vol,22,PP.45-46,1989
Edger, R.F., Hindle, P.H., ” Infrared Absorption Gauging,”SPIE,Vol.665,PP.101-109,1986
