Измерения и их классификация

УДК 612.39:075.8

Л 33

Василинец И.М., Колодязная В.С.

Методы исследования свойств сырья и продуктов питания:Учеб. пособие. - СПб.: СПбГУНиПТ, 2001. -159 с.

В учебном пособии даны понятия об измерениях параметров техно-логических процессов, основные понятия измерений и их классификация.

Рассмотрены статистический анализ и математическая статистика измерений, параметры точности ряда измерений, анализ результатов экспе-риментов, нахождение оптимальных параметров с применением методов планирования экспериментов ЭВМ.

Рассмотрены способы отбора проб сырья, полуфабрикатов и пищевых продуктов для проведения исследований, приемы подготовки проб к анализу, а   

также методы анализа пищевых продуктов: измерение кислотности и окислительно-восстановительного потенциала; измерения с использованием рефрактометрии, поляриметрии, колориметрии, хроматографии, электрофоре-за, спектроскопии, молекулярного спектрального анализа, масс-спектрометрии.

Предназначено для студентов, обучающихся по специальностям 270300 – Технология хлеба, макаронных и кондитерских изделий», 270500 «Технология пива, безалкогольных изделий и виноделия», а также 270800 «Технология консервов и пищеконцентратов».

Рецензенты

Всероссийский научно-исследовательский институт пищевых ароматизаторов, кислот и красителей (директор, доктор техн. наук, проф. Т.Н. Никифорова)

Директор Госниихлебпром канд. техн. наук доц. Л.И. Кузнецова

Одобрено к изданию советом факультета пищевых технологий

ISBN 5-

Ó Санкт-Петербургский государственный

университет низкотемпературных

и пищевых технологий, 2001

ВвЕДЕНИЕ

Производство качественных пищевых продуктов невозможно без проведения контроля качества сырья, полуфабрикатов и готовых изделий.

 При этом необходимо учитывать, что качество продукции закладывается при заготовке сырья для производства продукции, при разработке тех-нологии ее производства, при изготовлении, расфасовке, транспортировании и хранении готовой продукции. Для этого необходимо обеспечить возможность измерения соответствующих параметров с установленной точностью и использования полученной информации для управления технологическими процессами.

За каждым измеренным значением стоят материальные и временные затраты, социальные и организационные трудности, которые резко возрастают с ростом требования к точности результатов измерений.

Материальные затраты на измерения складываются из стоимости средств измерений, эксплуатационных затрат на хранение, поверку, обслу-живание и ремонт измерительной техники. Затраты времени на измерения имеют особое значение в пищевых отраслях промышленности, где большую часть информации получают аналитическими методами измерения, которые зачастую бывают громоздкими и трудоемкими. Социальные трудности обусловлены проблемой обслуживания средств измерений высококвалифицированным персоналом. При этом необходимо обеспечить соблюдение требований техники безопасности, промышленной санитарии, экологии. Организационные проблемы связаны с дефицитом намечаемых к использованию средств измерений, средств их ремонта и поверки.

Таким образом, измерения следует проводить только тогда, когда в этом есть экономическая целесообразность или социальная необходимость либо тогда, когда о качестве продукции или правильности хода технологических процессов недостаточно судить только при помощи органов чувств.

Правильно организованная технология производства продукции должна обеспечивать выпуск продукции с определенным уровнем качества, т. е. с заданной вероятностью годности. Это значит, что допустимый уровень брака должен быть увязан с себестоимостью продукции.

Каждый технологический параметр имеет погрешность, вызываемую отклонением фактического его значения от номинального из-за нестабильности технологического процесса, и погрешность измерения, зависящую от качества организации измерения.

На основании получаемой путем измерений информации необходимо принимать такие меры, которые бы положительно влияли на ход технологических процессов и улучшали качество выпускаемой продукции. Точные измерения позволяют снизить производственные погрешности, уменьшить долю брака и расхода средств на дополнительную доработку изделий.

Технологии производства пищевой продукции, как правило, многостадийные и включают разнообразные воздействия на сырье и полуфабрикаты: механические (смешение, осаждение, эмульгирование, фильтрация, распыление и т. д.); тепловые (нагрев, дистиллирование, кристаллизация, сушка и т. д.); химические (химические взаимодействия, сорбция, экстрагирование, нейтрализация и т. д.); биохимические (ферментация, брожение, сквашивание и т. д.). В связи с этим используются многие виды измерений, среди которых основными являются физико-химические, теплотехнические и механические. При этом номенклатура контролируемых параметров многообразна.

Пищевые процессы направлены на производство разнообразной по видам продукции, причем для каждого из них используются различные и часто сменяемые виды сырья, нередко обладающие существенно различающимися и нестабильными свойствами.

Пищевое сырье и готовая продукция имеют высокую материальную ценность и социальную значимость. Кроме того, многие технологии пищевых производств оказывают экологическое воздействие на окружающую среду и нередко небезопасны в санитарном и пожарном отношении. В таких условиях измерения выполняют не только технологические функции, но и служат для материального учета и решения социальных задач.

Объекты измерения (сырье, полуфабрикаты и готовая продукция), как правило, многокомпонентные, с нестабильными во времени измеряемыми свойствами.

Физические и физико-химические свойства пищевых объектов, на основании которых могут создаваться методы измерений, выполняемых с помощью приборов, сравнительно мало изучены. Широко используемые хи-мические (аналитические) методики выполнения измерений отличаются большой трудоемкостью и наличием значимых источников погрешностей и не могут служить основой для создания современных аналитических приборов.

Многие показатели вообще не имеют количественных нормативов и оцениваются органолептическими и экспертными методами. В связи с этим во многих случаях выполнять технологические процессы и давать оценку качества готовой продукции приходится не по прямым показателям, а по косвенным или вспомогательным, что снижает эффективность использования полученной путем измерения информации.

Аналитические измерения чаще всего производят с отбором проб анализируемых материалов и их многостадийной подготовкой к анализу. В таких условиях в погрешности результата измерения обычно преобладает методическая составляющая погрешности над инструментальной.

Измерения и их классификация

Измерение – сравнение данной величины с некоторым ее значением, принятым за единицу.

Число, выражающее отношение измеряемой величины к единице измерения, называется числовым значением измеряемой величины; оно может быть целым или дробным, но отвлеченным числом. Значение величины, принятое за единицу измерения, называется размером этой единицы.

На основании определения имеем

                                                       Q = qU,                                               (1.1)

где Q – измеряемая величина; q – числовое значение измеряемой величины в принятой единице; U – единица измерения.

Результат всякого измерения является именованным числом и состоит из единицы измерения U,которая имеет свое наименование, и числа q, показывающего, сколько раз данная единица содержится в измеряемой величинеQ.

Непосредственно измерять можно только очень немногие физические величины: длину – масштабной линейкой; промежутки времени – секундомером; температуру – термометром; силу тока – амперметром и т. д. Измерения, при которых искомое значение величины определяется сравнением ее с мерами или показаниями прибора, проградуированного в принятых единицах измерений, называют прямыми измерениями. Искомое значение величины Yравно значению Х, непосредственно полученному в процессе измерения, т. е. Y = Х.

Прямое измерение заключается в том, что результат измерения получается непосредственно в тех же единицах, что и измеряемая величина.

 Большое количество физических величин не измеряют непосредственно, их определяют вычислением, так как непосредственные измерения в большинстве случаев могли бы дать недостаточно точные и надежные результаты или оказались бы очень сложными; иногда их получить совершенно невозможно. Измерения, при которых искомое значение величины вычисляют по результатам прямых измерений одной или нескольких величин, связанных с искомой определенной функциональной зависимостью, называют косвенными измерениями. В этом случае числовое значение измеряемой величины определяется из уравнения

                                          Y = F(Х₁, Х₂, Х₃…),                                         (1.2)

где Y – искомое значение измеряемой величины; F – знак функциональной зависимости, форма которой известна, как и природа связанных ею величин; Х₁, Х₂, Х₃, … – значения величин, измеренных прямым способом.

На предприятиях широко применяется термин "контроль", показывающий, что действительное значение измеряемой величины находится между предельными ее значениями или вне их.

По способу связи между измеряемым объектом и измерительным наконечником различают контактные и бесконтактные измерения. При контактныхизмерениях элемент прибора соприкасается с измеряемым материалом, а при бесконтактных – не соприкасается. Контакт может быть точечный, линейный и поверхностный.

Изделия можно контролировать непосредственно в процессе их изготовления или после. В зависимости от этого контроль подразделяют на активный и пассивный. Под действием пассивного контроля объект не изменяет своих физических или химических качеств и этим он отличается от активного.

Контроль каждого элемента в отдельности называют элементным или дифференцированным.

При комплексном контроле проверяют одновременно несколько параметров элемента или суммарную погрешность, определяемую рядом погрешностей отдельных элементов. В отдельных случаях комплексный контроль применяют одновременно с дифференцированным, который необходим для анализа технологических процессов и выявления причин брака.

 Средства измерения подразделяются на меры, измерительные приборы и измерительные приспособления. Мерами называют тела, вещества и устройства, предназначенные для определенного наперед установленного размера. Измерительными приборами считают устройства, предназначенные для прямого или косвенного сравнения измеряемой величины с мерами. К измерительным приспособлениям относятвсякого рода дополнительные и вспомогательные приспособления, для надлежащего выполнения измерений или облегчения наблюдения.

Учение о единицах, средствах и методах измерения называется метрологией. Она охватывает большой комплекс вопросов, включающих установление и воспроизведение единиц измерения в виде конкретных эталонов, разработку средств и методов измерения.

 Задачей метрологии является также установление способов передачи размера единицы от эталонов до изделия через ряд промежуточных звеньев. Это обеспечивает соблюдение единства мер. Кроме того, к одной из основных задач метрологии относится поверка и испытание мер и измерительных приборов для установления точности и надежности их действия.

Единицы измерения величин

Величиной называют число, наименование которого определяется принятой единицей ее измерения. Если в уравнении (1.1) за единицу измерения вместо U принять другую величину U',то оно примет вид         

                                                     Q = q' U.                                            (1.3)

Следовательно, числовое значение Q измеряемой величины зависит от выбора определяющего множителя – единицы измерения U. Выбранным значением единицы измерения должна достигаться сопоставимость результата измерений с измерениями других величин, и поэтому оно подчинено определенным условиям, вытекающим из физических соотношений между измеряемыми величинами.

Помимо требования физического согласования отдельных единиц между собой, при выборе их предъявляется требование удобства, т. е. результат измерения по возможности должен выражаться "удобным" числом: не слишком большим и не слишком малым.

Единицы измерения подразделяют на независимые, основные, производные, кратные и дольные.

Независимыми называют единицы, установленные независимо от других единиц (произвольно выбранные), которые могут быть воспроизведены в виде эталонов. Определения этих единиц основаны на физически воспроизводимых свойствах веществ или тел.

К числу независимых основных единиц относятся, например, метр и килограмм, определенные через свои вещественные эталоны; независимы также единицы угла, если рассматривать его как физическую величину. Число независимых единиц стремятся свести к минимуму.

Производными называют единицы, определяемые на основании закономерной связи между величинами, для которых эти единицы устанавливаются, и величинами, единицы которых выбраны независимо.

Формула связи между величиной Q, для которой устанавливается производная единица, и величинами А, В, С,…, единицы которых установлены независимо, в общем случае имеет вид

                                             Q = К А ^а В ^β С ^γ,                                         (1.4)

Системы единиц

Совокупность основных и производных единиц, охватывающая определенную область величин, называется системой единиц.

ХI Генеральная конференция по мерам и весам (Париж, октябрь   1960 г.) приняла Международную систему единиц (СИ), которая была затем введена в ряде государств законодательными актами и стандартами, в том числе и в нашей стране.

Государственными стандартами разрешается для отдельных областей науки и техники применение еще трех систем механических единиц – МКС, СГС, МКГСС; двух систем электрических и магнитных единиц – МКСА и СГС; двух систем тепловых и двух систем акустических единиц; систем световых и системы единиц рентгеновского и гамма-излучений и радиоактивности. Кроме того, применяется много произвольных (внесистемных) единиц измерения, связанных с системными единицами сложными соотношениями.

                                                                                       Таблица 1.1

 Кратные и дольные единицы по ГОСТ 1052-78

Помимо метрических систем единиц, иногда приходится оперировать с единицами английской системы мер.

Необходимость максимальной унификации и упрощения в этой сложной области науки и техники очевидна.

С 1 января 1963 г. в нашей стране система СИ утверждена для предпочтительного применения как Государственный стандарт (ГОСТ 9867–61)

В системе СИ основными единицами являются: метр, килограмм, секунда, ампер, градус Кельвина, свеча.

Международная система единиц измерения физических величин является универсальной системой, охватывающей все отрасли науки и техники. Этой системой воедино связаны единицы измерения механических, тепловых, электрических, магнитных и других величин.