XIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2021

С начала XXI века проблема подделки вина серьезно усугубляется. Согласно данным WineSpectator, примерно 20% вина, потребляемого во всем мире, является контрафактным. Рядовой потребитель зачастую не способен отличить натуральное вино от некачественного напитка. Проверка качества винных продуктов без применения лабораторного оборудования не способна в должной степени оценить подлинность товара. Следовательно, задача применения эффективных экспресс-методов идентификации вин является актуальной [1].

Материалы и методы исследования

В Российской Федерации качество фасованных винных напитков контролируется сводом норм и правил, государственных стандартов, где описаны методы [2]:

- методы органолептического анализа;

- методы определения сахаров;

- метод определения относительной плотности;

- метод определения объемной доли этилового спирта;

-метод определения концентрации железа, меди и свинца.

Одним из основных методов анализа вин является определение массовой концентрации сахаров. Данный метод основан на восстановлении инвертным сахаром окисной формы меди в растворе Фелинга в закисную. После закисную форму переводят в окисную с помощью сульфата железа. Полученную закись железа определяют с помощью перманганотоментрии [3].

Другой способ основан на органолептической оценке продукта. Он представляет собой ряд методов, позволяющих определить прозрачность, наличие осадка, цвет, аромат и вкус. [4]

Такой способ достаточно прост, но имеет существенные недостатки: необходимость изъятия товара из партии и вскрытие его упаковки, погрешность измерений, соблюдение особых условий, применение специального оборудования и реагентов.

Чтобы решить поставленную проблему и оптимизировать процесс контроля была разработана модель мобильного автоматизированного комплекса на основе применения метода весовой импедансной электрометрии (ВИЭМ) [5]

Зная массу и объем пустой бутылки, можно определить плотность жидкости -ρ. (кг/м³) взвешиванием на электронных весах, не вскрывая пробки по формуле [6]:

(1)

где. - измеренный вес i-го образца в фасованной таре, г; т - эталонный вес тары, г; V - эталонный объем тары, м³.

При этом изменение плотности от температуры вычисляется по формуле [7]:

(2)

где – плотность винного напитка при нынешней температуре; – плотность винного напитка при 293 °K; – коэффициент объемного расширения; T – текущая температура винного напитка.

Определение необходимых параметров выполняется с помощью измерителя иммитанса Е7–25 (рис.1) – прецизионного прибора класса точности 0,1 с широким диапазоном рабочих частот 25 Гц – 1 МГц и высокой скоростью измерений до 25 измерений/сек., благодаря использованию микропроцессоров.

Измеряемые параметры: индуктивность, емкость, сопротивление, проводимость, фактор потерь, добротность, модуль комплексного сопротивления, реактивное сопротивление, угол фазового сдвига, ток утечки (на постоянном токе) [8].

Рис. 1. Измеритель иммитанса Е7-25

Как следует из метода весовой электрометрии, измерения двух емкостей и двух тангенсов угла потерь позволяют вычислить среднее значение относительной диэлектрической проницаемости винного напитка, и при наличии данных эталона - определить динамическую вязкость образца вина через вычисление его микроскопического и макроскопического времён релаксации [7]:

(3)

(4)

(5)

(6)

где – емкость датчика в воздухе; – емкость датчика с винным напитком; – динамическая вязкость; τ и – макроскопическое и микроскопическое время релаксации; ω – циклическая частота; и – табличные данные воздуха, загруженные в компьютер.

Принимая во внимание, что измерения проводятся на фиксированных частотах (100 Гц, 1000 Гц и т.д. до 1 МГц), а значение ε∞ → 1 при высоких температурах (например, при парообразовании), получим:

или

(7)

Заменяя ω на 2πf и разделив каждый член уравнения на множитель при τ², получим:

(8)

Подставляя частоту измерения и измеренные значения тангенса угла потерь и относительной диэлектрической проницаемости образцов, выразим макроскопические времена релаксации исследуемого винного напитка при температуре окружающей среды (22 °С):

(9)
Зависимость кинематической вязко­сти от температуры определяют формулой Вальтера: [6]:

(10)

где эмпирические коэффициенты а и b определяются по известным парам значений ν и Т, по следующим формулам:

(11)

и
(12)

Для идентификации образцов вин по температуре застывания используются формулы Вальтера, при значе­нии кинематической вязкости 10000 мм²/с: [7]:

(13)

где 10000 – кинематическая вязкость жидкого продукта при температуре застывания T, °К; а и в – константы для жидкого продукта.

Результаты исследования и их обсуждение

Чтобы получить данные с измерителя иммитанса, необходимо встроить емкостный датчик в крышку тары и вывести контакты наружу. Определенные с помощью измерителя данные и физические параметры фасованного винного напитка позволят с высокой точностью идентифицировать продукт, сравнив полученные величины с - эталонными.

Для проведения экспресс-контроля разработана модель автоматизированного комплекса, состоящая из крышки-датчика (рис. 3), электронных весов, измерителя иммитанса (рис.1) и ноутбука (рис. 2).

Таблица 1 - Параметры, составляющие «образ эталона»

№	Наименование параметра	Обозначение	Размерность	Диапазон измерения
1	Масса	m	кг
2	Объем	V	м3
3	Плотность		кг/м3
4	Проводимость	G	См(1/Ом)
5	Емкость	C	пФ
6	Диэлектрическая проницаемость		Ф/м
7	Магнитная проницаемость		Гн/м
8	Кинематическая вязкость		м2/с
9	Динамическая вязкость		Па∙с
10	Частота измерения	f	Гц

Рис. 2 - Блок-схема экспресс-контроля винных продуктов

Рис. 3. Емкостный 3-х электродный коаксиальный датчик-крышка

Заключение

Автоматизированный комплекс экспресс-анализа, адаптированный под фасованные в картонную тару винные напитки, позволяет идентифицировать их соответствие эталонным значениям в течение десятка секунд, без вскрытия тары. Данная модель основана на применении метода весовой импедансной электрометрии. Комплекс состоит из измерителя иммитанса Е7-25, электронных весов с измерителем температуры, датчика-крышки и ноутбука.

Список литературы

1. Frank M., Mustacich S., Weed A. Counterfeit Wine Goes Global //Wine Spectator – 2015.- № 11 [Электронныйресурс] - URL: https://www.winespectator.com/articles /counterfeit-wine-goes-global-52223 (дата обращения: 04.02.2021)

2. ГОСТ 32030-2013 Вина столовые и виноматериалы столовые. Общие технические условия (с Поправками, с Изменением N 1). М.: Стандартинформ, 2014, - 7 c.

3.ГОСТ 13192-73 Вина, виноматериалы и коньяки. Метод определения сахаров (с Изменениями N 1, 2, 3). М.: ИПК Издательство стандартов, 2005. - 9 с.

4. ГОСТ 32051-2013 Продукция винодельческая. Методы органолептического анализа (Переиздание). М.: Стандартинформ, 2019.- 13 с.

5. Т.А. Жилякова, А.Я. Кириченко, Г.В. Голубничная, О.А. Горобченко, О.Т. Николов. Влияние содержания спирта и сахара на диэлектрическую проницаемость вин в микроволновом диапазоне //Прикладная радиоэлектроника.- 2012.- Том 11, № 1, с.108-111.

6. Белозеров В.В. Метод экспресс-анализа жидких фасованных продуктов // Электроника и электротехника. - 2018. - № 2. - С. 1-31. DOI: 10.7256/2453 8884.2018.2.25998.

7. Белозеров В.В., Батшев А.С., Любавский А.Ю. — Об автоматизации идентификации жидких фасованных продуктов // Электроника и электротехника.– 2016. – № 1. – С. 135 - 145. DOI: 10.7256/2453-8884.2016.1.20924

8. Измеритель иммитанса Е7-20. Руководство по эксплуатации /УШЯИ.411218.012 // РЭ – Минск: ОАО «МНИПИ», 2004. -40с.