XIV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2022

Введение. В соответствии с Решением Государственной комиссии по противодействию незаконному обороту промышленной продукции [1] Роскачество совместно с Росаккредитацией, Роспатентом, Росстандартом и Россельхознадзором провело беспрецедентное исследование российского рынка питьевой бутилированной воды, в том числе, минеральной столовой, лечебной и лечебно-столовой. Более двухсот торговых марок, закупленных в семи федеральных округах страны (Центральном, Северо-Западном, Приволжском, Южном, Северо-Кавказском, Уральском, Сибирском), были исследованы по показателям качества, химической безопасности и фальсификации [2]. Результаты проверки настораживают: так, у 59 торговых марок выявлены признаки фальсифицированной продукции; в 6 торговых марок присутствовали нитраты и нитриты в повышенных концентрациях, свидетельствующие о проблемах при водоподготовке; в питьевой воде природного происхождения одной торговой марки был обнаружен остаточный хлор, а в еще одной (лечебно-столовой) – повышенное содержание марганца. Более 40 торговых марок минеральной воды содержали указание на группы минерализации, но при этом, будучи изготовлены не по ГОСТу, вводили потребителя в заблуждение [2], т.е. фактически эти марки не обладают заявленным лечебным эффектом.

Кроме того, используемые в настоящий момент методы и средства контроля качества и безопасности питьевой бутилированной воды неэффективны и требуют дополнительных непроизводственных и временных затрат, таких как изъятие готового продукта из мест реализации, транспортировка, хранение и проведение лабораторного исследования [3], а выборочный метод контроля не гарантирует качество каждого продукта во всей партии, что, на наш взгляд, требует кардинального изменения политики надзора и средств контроля: необходимо разрабатывать и внедрять автоматизированные системы сплошного выходного контроля и эффективные экспресс-методы и средства входного контроля параметров [3].

В данной статье пойдет речь о принципиально новом подходе в реализации указанных выше задач, применительно к жидким фасованным пищевым продуктам (ЖФПП) с помощью метода компаративного анализа и переносного автоматизированного комплекса (ПАК), его реализующего, защищенных патентом РФ [4], применение которого потенциально способно полностью ликвидировать фальсификат бутилированных вод, а также стать соответствующей подсистемой в «Национальной системе управления качеством пищевой продукции» [3].

Цель исследования заключается в повышении эффективности контроля качества и безопасности жидких фасованных продуктов.

Материалы и методы исследования. Как показали наши исследования, ЖФПП реализуются в различной таре (полимерной, стеклянной и т. д.), розлив в которую, как правило, осуществляют автоматизированные линии и установки, а их соответствие и качество, кроме определения химического состава, можно идентифицировать по плотности, кинематической и динамической вязкости, температуре замерзания и вспышки (самовоспламенения), щелочному и кислотному числу, цвету, прозрачности и помутнению; диэлектрической проницаемости, проводимости, характеристической частоте колебаний и др. [3, 4].Также, в последнее время всю большую популярность приобретают готовые решения, основанные на компаративном анализе, т. е. использующие метод сравнения «образов» (акустических, электрических, механических и т.д.) эталона и произведенного продукта, или/и нахождения взаимосвязей между различными параметрами, в частности, бутилированной воды [5].

Например, портативный прибор безопасности «LQtest 3.0» (рисунок 1), использующий метод квазистатической электрополевой томографии, позволяет оценивать пространственное распределение электрических свойств среды и, тем самым, определять характеристики жидкости в закрытом неметаллическом сосуде без нарушения его герметичности [6]. На измерительных электродах устройства наводятся потенциалы, величина которых зависит от источника напряжения, расстояния между активным электродом и измерительными электродами и комплексной диэлектрической проницаемости среды, которая совместно с проводимостью позволяет однозначно оценить ее опасность (Таблица 1) [6].

Рисунок 1 – Портативный прибор безопасности LQtest 3.0

Таблица 1. Электрические свойства жидкости

№	Жидкость	Электропроводность, см/м	Диэлектрическая проницаемость
1	Вода, безалкогольные напитки	0.011	81
2	Этанол	10	25
3	Ацетон	10	21
4	Нитроглицерин	-	19
5	Эфир	-	4.3
6	Бензин, дизельное топливо	10	2

Помимо определения диэлектрических свойств среды, одну из главнейших позиций занимают измерители плотности, в том числе ультразвуковые плотномеры, так как плотность жидкости определяет такие важные показатели, как состав и свойства вещества. Принцип действия ультразвукового анализатора (рис. 2) основан на том, что через образец пропускают ультразвуковые колебания и регистрируют характеристики ультразвука в зависимости от концентраций веществ в жидких средах и температуры пробы, после чего из семейства предварительно установленных калибровочных зависимостей происходит выбор наиближайшей зависимости скорости распространения ультразвука от температуры и расчет этой скорости по формуле [7, 8]:

где - скорость распространения ультразвука для каждой зависимости; – измеренная температура исследуемой жидкости; – постоянные коэффициенты для каждой жидкости из всего класса, и определением абсолютных отклонений по формуле:

где – абсолютное отклонение скорости распространения ультразвука для каждой зависимости; – измеренная скорость распространения ультразвука

Далее, два наименьших отклонения определят близлежащие зависимости и из семейства предварительно установленных зависимостей, а пересчет скорости распространения ультразвука в плотность жидкости производят по теоретически установленной зависимости [8]:

где – постоянные коэффициенты перерасчета для двух близлежайщих зависимостей и ; – абсолютные значения отклонений скоростей, рассчитанных по предварительно установленным зависимостям и

Рисунок 2 – Ультразвуковой плотномер УЛИКОР Клевер-2М

Не исключено, что УЛИКОР может быть доработан для бесконтактного способа (без отбора пробы) и указанные методы и средства компаративного анализа способны за несколько секунд определить тип и плотность расфасованной жидкости, без вскрытия тары. Существенным при этом является тот факт, что они обладают высокой мобильностью, точностью измерений, не требуют высококвалифицированного персонала, и, благодаря наличию интерфейсов связи, могут обмениваться данными с компьютером.

Однако, для создания национальной системы обеспечения качества ЖФПП, определения только типа и плотности – недостаточно. Необходимо сформировать систему сплошного выходного контроля на предприятии-производителе и входного контроля в местах реализации продукта, которая будет способна определять качественные параметры ЖФПП. Именно поэтому, был разработан и защищен патентом РФ на изобретение метод весовой импедансной электрометрии (ВИЭМ) [3, 4].

Результаты исследования и их обсуждение. Сущность метода ВИЭМ заключается в том, что, с помощью внедрения на этапе фасовки датчика-крышки, появляется возможность измерить электрофизические параметры жидкости (плотность, проводимость, диэлектрическую проницаемость, характеристическую частоту и др.) без нарушения герметичности упаковки, т.е. определить «образ» исследуемой жидкости, сравнить его с «образом эталона» и вычислить критерии подобия (электродинамический, электромагнитный, диэлектрический, электроиндуктивный и электроемкостный) [3, 4].

Для реализации такого компаративного анализа ЖФПП был разработан переносной автоматизированный комплекс (ПАК), структурная схема которого представлена на рисунке 3.

Рисунок 3 – Структурная схема ПАК

Установка для осуществления способа экспресс-анализа состоит из ноутбука с подключением к нему через соответствующие интерфейсы электронных весов и измерителя иммитанса Е7-25(диапазон частот от 1 Гц до 1 МГц) [9], который соединен с контактной платформой, для соединения с датчиком-крышкой, закупоривающим тару ПЭТ, куда расфасована вода, и с помощью соответствующего программного обеспечения, управляемого ноутбуком, осуществляющая в течение десятка секунд идентификацию жидкости и определение ее качества, путем сравнения измеренных и вычисленных параметров с введенными/хранящимися в памяти параметрами эталонов. При этом, стационарный автоматизированный комплекс сплошного контроля у производителя воды имеет такую же структуру, за исключением применения измерителя иммитанса Е7-29, который имеет диапазон от 50 кГц до 15 МГц [10], что позволяет определить характеристическую частоту исследуемой жидкости [11], по измерениям электропроводности жидкости для двух разных температур в интервале от точки кипения до точки замерзания (рис.4), благодаря конструкции датчика-крышки (рис. 5), позволяющей осуществить нагрев исследуемой жидкости внутри герметичной упаковки.

Рисунок 4 - Проводимости водопроводной воды от частоты электромагнитных колебаний

Далее, под управлением компьютера измеритель иммитанса, подсоединенный к датчику-крышке, производит измерение сначала параметров газовой среды внутри тары, а после переворота бутылки – параметров жидкости: емкостей (Cp), сопротивлений (Rp), электропроводностей (Gp), тангенсов углов потерь (tgδ) и токов утечки (I) на фиксированных частотах [10].

Рисунок 5 – 3D-модель индуктивного датчика-крышки

При этом полученные данные образуют спектры значений, которые используются для последующего вычисления относительной диэлектрической проницаемости ( по формуле (1), макроскопического времени релаксации ( ) по формуле (2), молекулярного времени релаксации ( ) по формуле (3), динамической вязкости ( ) по формуле (4) [3, 4]:

	(1)
	(2)
	(3)
	(4)

где – емкость датчика в газовой среде, пФ; – емкость датчика в жидкости, пФ; – частота, Гц; и – табличные данные газовой среды, загруженные в компьютер.

А, благодаря данным от датчика температуры и электронных весов, производится расчет плотности ( ) и кинематической вязкости ( ) бутилированной воды по следующим формулам [3, 4]:

,	(5)
	(6)

где – плотность жидкости при , кг/м³; – температурная поправка к плотности на один градус; – текущая температура, .

Кинематическая вязкость питьевой воды (ν), расфасованной в емкости, изменяется в зависимости от температуры, и ее также вычисляют по формулам Вальтера [3, 4]:

	(7)
	(8)
	(9)

где aиb - эмпирические коэффициенты; и – стандартная температура жидких и вязких сред.

Для идентификации жидких и вязких продуктов по температуре застывания используются формулы Вальтера, при значении кинематической вязкости 10000 мм²/с [3, 4]:

(10)

Соответственно, с целью верификации показаний стационарного автоматизированного комплекса (САК) в настоящем исследовании будут задействованы портативный прибор безопасности «LQtest 3.0» и ультразвуковой измеритель плотности УЛИКОР «Клевер-2М». Сводная таблица измеряемых параметров приведена в таблице 2.

Таблица 2. Измеряемые параметры

№	Параметр	Прибор
		LQtest 3.0	Клевер-2М	САК
1	Плотность	-	+	+
2	Проводимость	+	-	+
3	Диэлектрическая проницаемость	+	-	+
4	Характеристическая частота	-	-	+

Определение характеристической частоты в ПАК будет осуществляться вычислением по аппроксимирующим формулам для частоты 1 МГц в том случае, если остальные параметры «образа» будут иметь значительную дисперсию. Сводная таблица «образа» воды приведена в таблице 3.

Таблица 3. «Образ» воды

№	Наименование параметра	Обозначение	Размерность	Диапазон изменения
1	Масса продукта	m	кг	0,25 - 20
2	Объем продукта	V	м3	(0,25 – 20) 10-3
3	Плотность продукта	ρ	кг/м3	990-1000
4	Электропроводность	G	См (1/Ом)	0,000001-0,2
5	Сопротивление	R	Ом	5 - 106
6	Ток утечки	I	A	10-6-0,2
7	Емкость (при емкостном датчике)	C	пФ	10-3 - 1012
8	Температура	Т		1 - 50
9	Фактор потерь	tgδ	б/р	10-6-5-3
10	Удельная электропроводность		мкСм/см	50-1500
11	Магнитная проницаемость		Гн/м	(8 – 9)106
12	Модуль комплексного сопротивления	|Z|	Ом	900 - 9500
13	Угол сдвига комплексного сопр.	φ	градус	минус 180°- плюс 180°
14	Кинематическая вязкость	ν	м2/с	(0,3 – 1,8)10-6
15	Динамическая вязкость	η	Нс/м2	(0,3 – 1,8)10-3
16	Частота	f	Гц	10 - 106
17	Диэлектрическая проницаемость	ε	Ф/м	60-90
18	Характеристическая частота		кГц	2500-5450

Выводы.Наличие контрафакта на рынке ЖФПП обусловлено, отчасти, малой эффективностью используемых методов и средств контроля параметров качества и безопасности. Разработка и внедрение экспресс-методов компаративного анализа и автоматизированных систем сплошного выходного и входного контроля потенциально способно полностью ликвидировать фальсификат ЖФПП, бутилированных вод в частности, и, таким образом, стать соответствующей подсистемой в «Национальной системе управления качеством пищевой продукции».

Для осуществления экспресс-диагностики ЖФПП, без вскрытия тары и отбора пробы, необходимо, во-первых, внедрение датчиков-крышек на этапе фасовки, во-вторых, формирование единой базы «образов» эталонов при помощи данных производителей, в-третьих, организация соответствующих подсистем (производителей, предприятий торговли и органов государственного надзора).

Список литературы

1. Решение Государственной комиссии по противодействию незаконному обороту промышленной продукции от 18.12.2019 №17 [Электронный ресурс]. URL: http://government.ru/docs/ (дата обращения: 23.12.2021).

2. Роскачество: Вода питьевая (в т. ч. минеральная) [Электронный ресурс] URL: https://rskrf.ru/ratings/napitki/bezalkogolnye/drinking-water/ (дата обращения: 23.12.2021).

3. Мартынов В.В., Белозеров В.В. Метод и переносной автоматизированный комплекс экспресс-анализа бутилированной воды//European journal of Natural History. 2021. №1. С. 66-71.

4. Способ экспресс-анализа жидких фасованных продуктов и установка для его осуществления / В.В. Белозеров, А.Д. Лукьянов, П.С. Обухов, Д.В. Абросимов, А.Ю. Любавский, Вл. В. Белозеров //Патент на изобретение RU 2696810, опубл. 06.08.2019, Бюл. № 22.

5. Ергалиев, Д.С. Сравнительный анализ методов распознавания образов // Труды Международного симпозиума «Надежность и качество». – 2011. - №1. – С 1-5.

6. Прибор для обнаружения пожароопасных и взрывоопасных жидкостей в закрытых емкостях (Портативный прибор безопасности ППБ 3.0) «LQtest 3.0». Руководство по эксплуатации [Электронный ресурс]. URL: http://avklab.ru/docs/lqtest-30-rukovodstvo.pdf (дата обращения: 23.12.2021).

7. Анализатор жидкости ультразвуковой «УЛИКОР». Руководство пользователя [Электронный ресурс]. URL: https://biomer.ru/data/upload/production/ulikor-klever-2m/ru_klever-2m.pdf (дата обращения: 23.12.2021).

8. Ультразвуковой способ определения плотности жидкости / А. И. Черпасов, Н. В. Шаверин // Патент на изобретение RU 2221234, опубл. 10.01.2004 Бюл. №1.

9. Измеритель иммитанса Е7-25. Руководство по эксплуатации [Электронный ресурс]. URL: http://vebion.ru/upload/iblock/118/1184385a718cf2daeac745c66fffb1d7.pdf (дата обращения: 23.12.2021).

10. Измеритель иммитанса Е7-29. Руководство по эксплуатации [Электронный ресурс]. URL: https://all-pribors.ru/docs/73523-18.pdf (дата обращения: 23.12.2021).

11. Способ определения рода жидкости / С. В. Усиков, Н. В. Астратьева, Л. К. Васильева, Ю. И. Карташов, А. С. Усиков, В. В. Фоменко // Патент на изобретение RU 2383010, опубл. 27.02.2010 Бюл. № 6.

Код для цитирования: Скопировать