DE68912030T2

DE68912030T2 - Verfahren zur Messung einer Erstarrungstemperatur.

Info

Publication number: DE68912030T2
Application number: DE68912030T
Authority: DE
Inventors: Tomoshige Hori; Kensuke Itoh
Original assignee: Snow Brand Milk Products Co Ltd
Current assignee: Snow Brand Milk Products Co Ltd
Priority date: 1988-08-30
Filing date: 1989-08-23
Publication date: 1994-06-30
Anticipated expiration: 2009-08-24
Also published as: JPH0262948A; EP0356893A3; CA1321491C; DE68912030D1; EP0356893A2; EP0356893B1; US4971451A

Description

DER ERFINDUNG ZUGRUNDELIEGENDER STAND DER TECHNIK

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung von Erstarrungstemperaturen von erstarrten und/oder geschmolzenen Fluiden, wie etwa Lebensmitteln und hochmolekularen Verbindungen, entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
In industriellen Produktionsprozessen ist eine hinreichende Kenntnis und Regelung der Erstarrungstemperatur wasserhaltiger Lebensmittel zur Qualitätsverbesserung der jeweiligen Endprodukte sehr nützlich.
Die folgenden Verfahren zur Messung der Erstarrungstemperatur sind bekannt:
(1) Die subjektive Methode, bei der eine Eisenkugel auf eine in einer Röhre enthaltene Gelmasse aufgesetzt, dann die Gelmasse unter visueller Beobachtung der Kugel erhitzt wird, welche beginnt, in die Gelmasse einzusinken. Eine Temperatur, bei der die Eisenkugel derart bei ginnt, in die Gelmasse einzusinken, wird als Erstarrungstemperatur gemessen.
(2) Das Verfahren, mit dem ein Erstarrungsprozeß, bspw. fuhr eine wäßrige Lösung von Stärke o.ä. ermittelt wird, bei der eine Änderung der transmittierten Lichten ge als Funktion der Temperaturänderung gemessen wird, und eine Änderung physikalischer Eigenschaften mit der Änderung der Lichtmenge in Beziehung steht (Japanese Disclosure Gazette Nr. 1979-121190).
Von den obengenannten bekannten Verfahren ist das Verfahren mit der Eisenkugel von relativ geringer Meßgenauigkeit, da nach diesem Verfahren der Moment, in dem die Kugel zu sinken beginnt, von einer menschlichen Bedienungsperson visuell beobachtet wird; das auf der transmittierten Lichtmenge beruhende Verfahren ist in seinem Anwendungsbereich begrenzt, da das Meßobjekt lichtdurchlässig sein muß. Diese Verfahren nach dem Stand der Technik haben daher den gemeinsamen Nachteil, daß die Erstarrungstemperaturen gewisser Substanzen mit ihnen nicht gemessen werden können.
Es ist eine Aufgabe dieser Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem die Erstarrungstemperatur im wesentlichen jeder Substanz mit hoher Genauigkeit und in objektiver Weise gemessen wird.
Die vorliegende Erfindung benutzt daher ein Verfahren zur Messung einer Erstarrungstemperatur, das folgende Schritte umfaßt: stationäres Einsetzen eines wärmeerzeugenden Elementes und eines Temperaturmeßelementes in einer zu messenden Fluidmenge, Messung einer Temperatur Θ∞ des genannten Fluids und Messung einer Durchschnittstemperatur Θw des genannten wärmeerzeugenden Elementes. Dieses Verfahren wird in EP-A 0 150 111 offenbart, in der ausgeführt wird, daß die Benutzung des genannten Verfahrens in automatischen Prozesse zur Herstellung von gelartigen Lebensmitteln (z.B. Käse, Joghurt, Gelee oder Sülze) integriert werden kann, bei denen Änderungen der kinematischen Viskosität wichtig sind Größen wie die Koagulationschnelligkeit und die Umwandlung von einer Flüssigkeit in einen halbfesten Zustand können in ihrem Zeitverlauf ausgewertet werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, auf der Grundlage des bekannten Vorschlages aus EP-A 0 150 111 eine Meßvorschrift in genauen Schritten anzugeben.
Die Erfindung ist gekennzeichnet durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 angegebenen Schritte.
Das Verfahren dieser Erfindung bietet folgende Vorzüge:
A. Die Messung der Erstarrungstemperatur ist selbst dann möglich, wenn das Fluid, in dem sie gegessen werden soll, keine bedeutende endotherme Reaktion aufweist und/oder lichtundurchlässig ist.
B. Messungen der Erstarrungstemperatur können wahlweise bei verschiedenen Temperaturänderungsgeschwindigkeiten vorgenommen werden, und aus den bei verschiedenen Temperaturänderungsgeschwindigkeiten gewonnenen Messungen läßt sich dann die Erstarrungstemperatur bei der Temperaturänderungsgeschwindigkeit mit dem Betrag Null (d.h. der Vergleichswert, der die Erstarrungseigenschaften dieses Fluides beschreibt) bestimmen.
C. Anstatt sich auf die visuelle Beobachtung durch eine menschliche Bedienungsperson zu verlassen, kann die Erstarrungstemperatur durch die Vorrichtung selbst objektiv und daher mit großer Genauigkeit aus einer Änderung der Viskosität des Fluids abgeleitet werden.
D. Sowohl off-line Messungen durch Stichprobenkontrolle des Fluids als auch in-line Messungen während des Herstellungsprozesses sind möglich.
E. Das Verfahren gemäß dieser Erfindung kommt ohne Zerstörung der Struktur des Gels aus, welche eine unvermeidliche Folge der mechanischen Meßverfahren nach dem Stand der Technik ist. Wegen dieser Strukturzerstörung war die Anwendung der Messung der Erstarrungstemperatur bisher schwierig.
F. Die Größe des wärmeerzeugenden Elementes ist nahezu beliebig, so daß auch an kleinen Probenmengen gemessen werden kann.
G. Die Messung ist auch unter den Bedingungen hoher Temperatur und hohen Druckes möglich.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die obigen sowie weitere Aufgaben dieser Erfindung werden aus der Beschreibung ersichtlich, die sich auf die beigefügten Zeichnungen bezieht:
Fig. 1 ist eine Schnittansicht, die ein Ausführungsbeispiel des bei dem Verfahren der Erfindung benutzten wärmeerzeugenden Elementes zeigt;
Fig. 2 ist eine Prinzipskizze des erfindungsgemäßen Meßverfahrens;
Fig. 3 ist ein Kurvenschaubild, das die Differenz zwischen der Oberflächentemperatur Θs des genannten wärmeerzeugenden Elementes, das sich stationär abkühlt in einer 1%-igen wäßrigen Lösung von Gelatine bei der Fluid-Temperatur Θ∞ als Funktion der Durchschnittstemperatur Θf der genannten stagnanten Fluidschicht zeigt; und
Fig. 4 ist ein Kurvenschaubild, das die Erstarrungstemperatur als Funktion der Abkühlungsschnelligkeit zeigt.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

In einem ersten Schritt des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung werden in eine Menge geschmolzenen oder erstarrten Fluides ein wärmeerzeugendes Element 1 und ein Temperaturmeßelement stationär eingebracht, welche dazu dienen, gleichzeitig Wärme zu erzeugen und ihre eigene sowie die Fluidtemperatur zu messen.
Sodann wird der Wert des elektrischen Widerstandes der jeweiligen Elemente kontinuierlich mit dem bekannten Vierpolverfahren gemessen und damit werden Größen bestimmt wie die genannte Durchschnittstemperature des wärmeerzeugenden Elementes, die genannte Oberflächentemperatur Θs des wärmeerzeugenden Elementes, die Temperaurdifferenz zwischen der genannten Durchschnittstemperatur Θw und der genannten Fluidtemperatur Θ∞, die Temperaturdifferenz zwischen der genannten Oberflächentemperatur Θs und der genannten Fluidtemperatur Θ∞, und ein Wärmeübertragungs-Koeffizient α an der Oberfläche des genannten wärmeerzeugenden Elementes, so daß jede bedeutende Veränderung dieser Werte ermittelt werden kann, um die Erstarrungstemperatur zu bestimmen. Es versteht sich, daß bei einem erstarrten Fluid die Messung während der Aufheizung der genannten Fluidmenge und bei einem geschmolzenen Fluid während der Abkühlung der genannten Fluidmenge durchgeführt wird.
Die Durchschnittstemperatur Θw des wärmeerzeugenden Elementes erhält man durch Messung des elektrischen Widerstandswertes Rw des in dem wärmeerzeugenden Element 1 enthaltenen Elementes und Berechnung nach der folgenden Gleichung:
und
Rw =Vw/Iw (2)
wobei R&sub0; bis R&sub2; Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes darstellen.
Die Fluidtemperatur Θ∞ wird ebenso aus dem elektrischen Widerstandswert des in dem temperaturabhängigen Widerstand lb enthaltenen Elementes berechnet. Man mache sich klar, daß der genannte temperaturabhängige Widerstand baugleich mit dem des wärmeerzeugenden Elementes 1 sein kann.
Wie von den Erfindern in der Japanese Disclosure Gazette Nr. 1988-132149 offenbart wird, ist es bekannt, daß die Durchschnittstemperatur Θw eines wärmeerzeugenden Elementes benutzt werden kann, um die Oberflächentemperatur Θs das wärmeerzeugenden Elementes durch die folgende Gleichung ausdrücken:
θs = θ∞ + k&sub1;(θw - θ∞)k&sub2; (3)
wo k&sub1; und k&sub2; für bestimmte konstante Werte des wärmeerzeugenden Elementes stehen.
Dementsprechend kann die Oberflächentemperatur Θs des wärmeerzeugenden Elementes aus der Durchschnittstemperatur Θw des wärmeerzeugenden Elementes und der Fluidtemperatur errechnet werden.
Daher ist es möglich die Durchschnittstemperatur w des wärmeerzeugenden Elementes, die Oberflächentemperatur Θs des wärmeerzeugenden Elementes, die Temperaturdifferenz zwischen der genannten Durchschnittstemperatur Θw des wärmeerzeugenden Elementes und der genannten Fluidtemperatur Θ∞ sowie die Temperaturdifferenz zwischen der genannten Oberflächentemperatur Θs des wärmeerzeugenden Elementes und der genannten Fluidtemperatur Θ∞ zu bestimmen oder zu berechnen.
Der Wärmeübertragungs-Koeffizient α wird durch die folgende Gleichung angegeben:
wobei Q für den Wärmefluß aus dem wärmeerzeugenden Element und S für die oberfläche des wärmeerzeugenden Elementes steht und
Q = Rw(Iw)² (5)
ist.
Die Durchschnittstemperatur Θw des wärmeerzeugenden Elementes, die Oberflächentemperatur Θs des wärmeerzeugenden Elementes, die Temperaturdifferenz zwischen der genannten Durchschnittstemperatur Θw dem wärmeerzeugenden Elementes und der Fluidtemperatur Θ∞, die Temperaturdifferenz zwischen der genannten Oberflächentemperatur Θs des wärmeerzeugenden Elementes und der genannten Fluidtemperatur Θ∞, und der Wärmeübertragungs-Koeffizient α sind Kennziffern, in denen sich die kinematische Viskosität des Fluides widerspiegelt, wie beschrieben in der oben genannten Japanese Disclosure Gazette Nr. 1988-132149,
Angesichts der Tatsache, daß die Erstarrung oder das Schmelzen des Fluides von einer bedeutenden Änderung seiner Viskosität begleitet wird, können die genannten Kennziffern bestimmt werden, während die Fluidtemperatur Θ∞ langsam geändert wird, und ein Punkt, an dem die genannten Kennziffern sich deutlich ändern, kann aufgefunden werden, um die Erstarrungstemperatur zu bestimmend
Um eine noch genauere Messung der Erstarrungstemperatur zu ermöglichen, kann bei dem obengenannten Verfahren statt der Fluidtemperatur Θ∞ die Durchschnittstemperatur Θf der stagnanten Fluidschicht benutzt werden.
Bezüglich der Berechnung von Θf hat Sparrow das Modell einer imaginären Schicht stagnanten Fluids vorgeschlagen, durch die Wärme nur über Wärmeleitung übertragen wird (Sparrow, E.H. and Gregg, J.L. 1956; Trans. Amer. Soc. Mech. Engrs. 78: 1823-1829). Nach diesem Modell ist die Temperaturverteilung über die genannte Schicht stagnanter Flüssigkeit gegeben durch
und Θf ist als integrierte Durchschnittstemperatur der genannten Temperaturverteilung gegeben durch
Die Beziehung zwischen dr und δ in Gleichung 7 wird durch die beiden folgenden Gleichungen ausgedrückt:
df = d + 2δ (8)
wobei δ für die Dicke der genannten Schicht stagnanten Fluids steht.
So wird also die Durchschnittstemperatur Θf der Schicht stagnanten Fluides aus dem genannten Durchmesser d des wärmeerzeugenden Elementes, der Wärmeleitfähigkeit λ des stagnanten F1uides, der Fluidtemperatur Θ∞, der Oberflächentemperatur Θs des wärmeerzeugenden Elementes und dem Wärmeübertragungs-Koeffizienten α berechnet. Für ein wäßriges Gel ist λ praktisch konstant und kann mit 0,6 W/m K angenommen werden.

BEISPIEL 1

Im folgenden werden nun die Abläufe der von den Erfindern durchgeführten Experimente und ihre Ergebnisse als Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beschrieben.
In diesem Beispiel wurde während der Abkühlung einer geschmolzenen Probe eine Veränderung in der Durchschnittstemperatur Θf der Schicht stagnanten Fluides gegenüber die Temperaturdifferenz zwischen der Oberflächentemperatur Θs des wärmeerzeugenden Elementes und der Fluidtemperatur Θ∞ gemessen; dabei wurde eine deutliche Veränderung beobachtet, so daß die Erstarrungstemperatur bestimmt werden konnte.
Bevor nun der Ablauf des Experimentes im Detail beschrieben wird, soll ein bestimmtes wärmeerzeugendes Element 1, das fur dieses Beispiel benutzt wurde, unter Bezug auf Fig. 1 erklärt werden. Dieses wärmeerzeugende Element 1 besteht aus einem Element 2, das aus einem 5 cm langen Platindraht besteht, einen Widerstandswert von etwa 5X bei einer Temperatur von 0ºC aufweist und in einem Stück keramischen Rohrs eingeschlossen ist, und aus einem Stück Edelstahlrohr 3 mit einem äußeren Durchmesser von 2 mm und einer Länge von 10 cm, welches das genannte Element 2 fest enthält. Bei diesem konkreten Ausführungsbeispiel des wärmeerzeugenden Elementes 1 waren k&sub1; und k&sub2; aus der obengenannten Gleichung 3 gleich 0,521 und 0,941.
Wie in Fig. 2 zu sehen, wurde ein Behälter 4 mit einer 1%-igen wäßrigen Lösung von Gelatine gefüllt und in ein thermostatisches Bad gestellt, um die genannte Lösung bei einer Temperatur von etwa 50 ºC zu halten. In diese wäßrige Lösung wurden senkrecht ein wärmeerzeugen des Element 1a und ein mit dem genannten wärmeerzeugenden Element 1a baugleicher temperaturabhängiger Widerstand 1b eingebracht und beide wurden über Anschlußdrähte 9 mit einer konstanten DC (Gleichstrom)-Quelle 6, einem Digitalvoltmeter 7 und einem Steuergerät 8 elektrisch verbunden. Die elektrischen Widerstandswerte von 1a und 1b wurden kontinuierlich mit Hilfe der Vierpolmethode gemessen, während die genannte wäßrige Lösung 5 sich abkühite und somit wurde die Durchschnittstemperatur Θw des wärmeerzeugenden Elementes wie auch die Fluidtemperatur Θ∞ kontinuierlich gemessen.
Insbesondere wurde das wärmeerzeugende Element 1a mit konstantem Gleichstrom (in diesem Experiment 0,4 A) versorgt, was eine Selbsterwärmung bewirkte, und gleichzeitig wurde die Durchschnittstemperatur Θw des wärmeerzeugenden Elementes von dem Widerstandswert Rw abgeleitet, der wiederum auf Grundlage der Spannung Vw und des Stromes Iw berechnet worden war. Zur gleichen Zeit wurde der temperaturabhängige Widerstand 1b mit schwachem konstantem Gleichstrom (in diesem Experiment 1 mA) versorgt und die Temperatur des temperaturabhängigen Widerstandes 1b wurde vom Widerstandswert abgeleitet, der wiederum auf Grundlage der Spannungs- und Strommeßwerte berechnet worden war, sowie auch die Temperatur Θ∞ der den genannten temperaturabhängigen Widerstand 1b umgebenden wäßrigen Lösung 5. Unter Benutzung dieser Werte für Θw und Θ∞ wurde die Oberflächentemperatur Θs des wärmeerzeugenden Elementes nach Gleichung 3 berechnet.
Die Durchschnittstemperatur Θf der Schicht stagnanten Fluids um das wärmeerzeugende Element 1a wurde unter Benutzung der Definitionsgleichung 7 berechnet.
Das oben beschriebene Experiment wurde während der Abkühlung der Probenlösung bei einer Abkühlungsschnelligkeit von 24 ºC/Std. durchgeführt, und es ergab sich, wie von Fig. 3 gezeigt, daß die Temperaturdifferenz Θs - Θ∞ an einem Punkt sich plötzlich ändert, dem deutlich die Durchschnittstemperatur Θf der der Schicht stagnanten Fluids von 12,4 ºC entspricht. Auf der Grundlage dieses Ergebnisses wurde eine Erstarrungstemperatur von 12,4ºC für den Fall erhalten, indem die genannten 1%-ige wäßrige Gelatinelösung (Sigma Chemical Co., U.S.A. Nr. G-2500) einer Abkühlung von 24ºC/Std. unterzogen wurden

BEISPIEL 2

Die genannte Erstarrungstemperatur wurde bei verschiedenen Abkühlungsschnelligkeiten gemessen. Wie man in Fig. 4 sieht, ist die Erstarrungstemperatur um so höher, je niedriger die Abkühlungsschnelligkeit ist. Ausgehend von einer Regressionskurve durch die Erstarrungstemperaturen bei Abkühlungsschnelligkeiten von 24 ºC/Std., 11,2 ºC/Std. und 0,5 ºC/Std. wurde ein Nennwert der Erstarrungstemperatur von etwa 27 ºC bei der Abkühlungsschnelligkeit Null durch Extrapolation der Werte hergeleitet.

Claims

1. Verfahren zur Messung einer Erstarrungstemperatur, das folgende Schritte umfaßt:

stationäres Einsetzen eines wärmeerzeugenden Elementes (1a) und eines Temperaturmeßelementes (1b) in einer zu messenden Fluidmenge;

Messung einer Temperatur Θ∞ des genannten Fluids;

Messung einer Durchschnittstemperatur Θw des genannten wärmeerzeugenden Elementes;

gekennzeichnet durch folgende Schritte:

Bestimmung einer Oberflächentemperatur Θs des genannten wärmeerzeugenden Elementes aus der genannten Durchschnittstemperatur Θw, aus Spezifischen konstanten Werten k&sub1; und k&sub2; des wärmeerzeugenden Elementes und der genannten Fluid-Temperatur Θ∞;

Bestimmung einer mittleren Temperatur Θf einer imaginären Schicht eines stagnanten Fluids um das wärmeerzeugende Element aus dem Durchmesser d des genannten wärmeerzeugenden Elementes, der Wärmeleitfähigkeit des genannten Fluids, aus der genannten Fluid-Temperatur Θ∞, der Oberflächentemperatur Θs des genannten wärmeerzeugenden Elementes und aus dem Wärmeübertragungs-Koeffizienten α an der Oberfläche des genannten wärmeerzeugenden Elementes;

Berechnung der Temperaturdifferenzen Θs - Θ∞ für eine Reihe von Temperaturen des zu messenden Fluids

und Bestimmung eines signifikanten Wechsels in der Temperaturdifferenz Θs - Θ∞, so daß die Fluid-Temperatur Θ∞ oder die mittlere Temperatur Θf der stagnanten Fluidschicht im Augenblick der Auffindung als Erstarrungtemperatur abgeleitet werden kann.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Fluidmenge um ein feststehendes wärmeerzeugendes Element nicht erstarrtes Fluid ist, welches fließt oder still steht, und daß die Messung während des Erstarrens dieses Fluids durchgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Fluidmenge um ein feststehendes wärmeerzeugendes Element sich in einem Erstarrungszustand befindet, und diese fließt oder still steht, und daß die Messung während des Schmelzens des Fluids durchgeführt wird.

4. Verfahren nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder mehr Abkühlungs- oder Erwärmungsschnelligkeiten verwendet werden, die zum Erstarren bzw. Schmelzen führen und um die Temperaturen Θ∞ und Θs zu bestimmen, und Verwendung eines extrapolierten Wertes der Erstarrungstemperatur bei einer Abkühlungs- oder Erwärmungsschnelligkeit mit dem Betrag Null, um die spezifische Erstarrungstemperatur des betreffenden Fluids zu bestimmen.