XV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2023

Введение. Рост потребления алкогольных напитков и усилившаяся конкуренция на этом рынке поспособствовали развитию и модернизации большинства современных водочных заводов.

В первую очередь, модернизация коснулась такого важного элемента алкогольного производства, как линии розлива [1]. В настоящее время руководители многих алкогольных предприятий осознали, что модернизация этого оборудования не только увеличит уровень производства, но и поспособствует внедрению новых упаковок и этикеток, которые, безусловно, имеют огромное влияние на потенциального клиента. Доказано, что продукция, имеющая замысловатую форму упаковки и яркую этикетку, будет пользоваться значительно большей популярностью.

Цель исследования. Очень важным является совершенствование методов и средств контроля качества и безопасности выпускаемых фасованных напитков. В связи с этим целью данного исследования, помимо анализа существующих линий розлива жидкой продукции, стал системный синтез модели стационарного автоматизированного комплекса контроля (САКК), позволяющего осуществить сплошной контроль качества фасованной алкогольной продукции у производителя, для того, чтобы на его основе разработать переносной автоматизированный комплекс экспресс-контроля (ПАКЭК), без вскрытия тары - для сетевых магазинов и органов надзора, чем на 100% защитить потребителя от некачественных и контрафактных алкогольных напитков.

Линия розлива — это комплекс автоматического или полуавтоматического оборудования (машин и устройств), связанного между собой конвейером и работающего в общем режиме. Полный цикл процессов линии розлива включает в себя ополаскивание тары, непосредственно розлив жидкостей, укупорку, этикетирование и групповую упаковку [2].

Главным элементом автоматизированной линии розлива являются так называемые «триблоки». Триблок розлива — это технологичная автоматизированная машина, которая объединяет в себе три функции: ополаскивание тары, наполнение (дозирование) и укупорка пробкой. Работа его компонентов более устойчива и экономически эффективнее [2].

Например, «Мастер» МЗ-400ЕД (рис. 1) представляет собой триблок розлива роторного типа для производства крупных партий продукции [3].

Рисунок 1 - Внешний вид триблока МЗ-400ЕД

Триблок для розлива водки «Мастер» разработан специалистами «Завод АВРОРА» специально для компаний, реализующих производство спиртосодержащих жидкостей, позволяя организовать полный цикл розлива ликеро-водочной продукции, реализуя все процессы оперативно и с высокой эффективностью. Производительность триблока – до 15000 бут/час (4 бутылки в секунду). Триблок состоит из 30 захватов ополаскивателя, 32 гравитационных наливателя и 4 укупорочных головок с инъекцией инертного газа и позволяет осуществлять производство крупных партий высококачественного продукта с минимальными отклонениями от стандартов [3].

Существующие методы анализа и экспертизы фасованных алкогольных напитков имеют существенные недостатки, основной из которых – отсутствие сплошного контроля содержимого каждой бутылки, а также необходимость изъятия товара из партии и отбор проб, включая трудоемкость анализа (соблюдение особых условий, применение специального оборудования и реагентов, и т.д.). Для выявления контрафактной продукции необходимо разработать модель автоматизированной системы сплошного экспресс-контроля алкогольных напитков, которая, например, должна состоять из крышки-датчика на тару и автоматизированного комплекса экспресс-контроля без вскрытия тары. При этом бракованная или/и контрафактная продукция может быть выявлена по отклонениям кинематических вязкостей и плотностей при стандартных температурах, недолива/перелива, индекса вязкости и по температурам застывания [4].

Данная система должна удовлетворять следующим требованиям:

- время, затрачиваемое на анализ образца, должно быть значительно меньше времени стандартных методов;

- точность диагностирования алкогольной продукции на предмет подделки не должна уступать стандартным методам;

- диагностирование образца должно происходить без вскрытия тары;

- возможность проведения сплошного контроля каждой единицы продукции.

Для оптимизации процесса контроля продукции и осуществления сплошного экспресс-контроля предложена адаптация метода весовой импедансной электрометрии (ВИЭМ), а также модели стационарного и переносного автоматизированных комплексов, для применения на производственных предприятиях, в торговых фирмах и в органах надзора [4,5].

Зная массу пустой бутылки, можно взвешиванием, не вскрывая пробки и без отбора пробы, определить плотность жидкости, pi, г/м³, в нем по формуле (1) [6]

(1)

где – измеренный вес i-го образца в фасованной таре, кг; – вес i-той эталонной тары, кг; – эталонный объем тары.

При этом значения плотностей при различных температурах вычисляются по формуле Д.И. Менделеева [6]:

(2)

где – температурная поправка плотности на один градус; – искомая температура, ; – плотность вина при текущей температуре и при .

Измерения с помощью сдвоенного коаксиального датчика двух емкостей (Сдн и Сдв) и двух тангенсов угла потерь (tgδ_дн, tgδ_дв), позволяют вычислить среднее значение относительной диэлектрической проницаемости (ε) алкогольного напитка, и при наличии данных эталона (τ_э,η_э), - определить динамическую вязкость образца (η_о), через вычисление его микроскопического (τ_о) и макроскопического времён релаксации (τ), а затем и кинематическую вязкость (ν) [6]:

(3)

(4)

(5)

(6)

где C₀ – емкость датчика в воздухе; С_изм – емкость крышки-датчика; η₀ – динамическая вязкость; τ и τ₀ – макроскопическое и микроскопическое время релаксации; ω – циклическая частота; η_э и τ_э – табличные данные воздуха, загруженные в компьютер.

. (7)

Зависимости кинематической вязкости от температуры можно вычислить по формуле Вальтера [6]:

(8)

где эмпирические коэффициенты a иb определяются по известным парам значений vиTпо формулам [6]:

(9)

При этом, для более точного определения качества и/или контрафакта алкогольной продукции,

во-первых, измеряются удельные активные электропроводности жидкости в диапазоне частот от 1 кГц до 15 МГц для двух разных температур в интервале от точки кипения до точки замерзания жидкости и по пересечению зависимостей удельных активных электропроводностей от частоты, находят характеристическую частоту исследуемой жидкости;

в-третьих, измерив емкости датчиков-крышек на частоте 1 кГц и на частоте 1 МГц (в воздухе - С_01кГц и С_01МГц), а затем (при переворачивании тары) в фасованном алкогольном продукте (С_Н1кГц и С_Н1МГц), по вычисляемым относительным разностям, характеризующим приращение диэлектрической проницаемости (Δε_t), определяется массовая доля воды в данной таре в процентах по следующим формулам [5]:

∆ε_t = С_Н1кГц/С_01кГц - С_Н1МГц/С_01МГц(10)

Х_Н2О = ∆ε_t/k_ε,t (11)

где k_ε,t = k_ε,20+m₂⋅(20-t) и k_ε,20 - концентрационные коэффициенты (при соответствующих температурах).

Принимая во внимание производительность линий розлива (1-4 бутылки в секунду), а также тот факт, что перед укупоркой «чеквейер» (модуль измерения количества продукта в таре) может передать в САКК объем жидкого продукта в каждой таре, производительность САКК можно резко увеличить, если установить на «чеквейере» прибор LQtest 3.0, который бесконтактно за 0,5 секунды измерит и передаст через Wi-Fi в САКК данные о диэлектрической проницаемости и электропроводности жидкого продукта в каждой таре. Это позволит «снять нагрузку» с Е7-29, оставив быстрые контрольные замеры на указанных выше опорных и характеристических частотах [7].

ПЭВМ должна быть промышленного исполнения с производительностью, достаточной, для обеспечения вычислений по указанным формулам (1-11) в течение 1 секунды и распечатки «образа»/сертификата каждого жидкого продукта в таре (таб.1)

Таблица 1 – «Образ продукта» - выходная форма сертификата

№	Наименование параметра	Обозначение	Размерность	Диапазон изменения
1	Масса	m	кг	0,25 - 20
2	Объем	V	м3	(0,25 – 20) *10-3
3	Плотность	ρ	кг/ м3	0,5 – 2,0
4	Проводимость	G	См (1/Ом)	0,2 – 0,000001
6	Емкость	C	пФ	1 - 10000
7	Диэлектрическая проницаемость	ε	Ф/м	1- 1200
8	Магнитная проницаемость		Гн/м	10-1 - 10-6
9	Кинематическая вязкость	ν	м2 /с	10-5- 10-3
10	Динамическая вязкость	η	Па∙с	10-5- 10-4
11	Характеристическая частота	f	Гц	2 кГц – 10 МГц
12	Влажность		%	1 - 60

Необходимость мгновенного нагрева на 5 и 10 градусов Цельсия проверяемого уже расфасованного напитка при измерениях и вычислениях на частотах 1кГц и 1 МГц по указанным выше формулам (10,11), а также для дальнейшего вычисления характеристической частоты предполагает следующие решения:

во-первых, можно оснастить САКК СВЧ-устройством (печью) соответствующих таре габаритов и мощности,

во-вторых, использовать индуктивный датчик-крышку, которая была разработана для прецизионных измерений с нагревом постоянным током части жидкого продукта (в крышке) во время измерений на переменном токе.

В этом случае, при решении уравнения импеданса, появляется возможность «задействовать» для идентификации все критерии подобия [6]:

Соотношения проводимости в жидкостях описываются законами Ома (Z, G, R, I) и определяются анализаторами импеданса и измерителями иммитанса. Кроме определения удельных параметров образцов и эталонов, может быть использовано основное уравнение характеристического импеданса [6]:

(12)

Решив уравнение импеданса (9), можно получить дополнительные параметры для идентификации образца, в частности, для определения магнитной проницаемости напитка по формуле [6]:

(13)

где – магнитная постоянная; S – площадь поверхности электрода, м²; – расстояние между измерительными электродами, а остальные обозначения такие же.

Циклическое измерение и вычисление, указанных выше параметров, дает возможность вычисления следующих критериев подобия, которые могут в дальнейшем характеризовать изменение параметров качества жидкого фасованного продукта при хранении [6]:

	(14)
	(15)
	(16)
	(17)
	(18)

где t – время, с; L – измеренное значение индуктивности, Гн.

Бесконтактный прибор «LQtest 3.0», 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 [11].

На измерительных электродах устройства наводятся потенциалы (рис.3), величина которых зависит, во-первых, от источника напряжения (V), во-вторых, от расстояния между активным электродом (3) и измерительными электродами (3-4), в-третьих, от комплексной диэлектрической проницаемости и электропроводности (таб. 2) жидкостей (1), общее количество в базе прибора составляет более 1000 [11].

а) б)

Рисунок 3 - Полевая структура LQtest 3.0 (а) и графики образцов

1 — проверяемая жидкость, 2 — стенка сосуда и воздушный зазор, 3 — активный электрод, 4 — измерительные электроды, 5 — металлический экран, 6 — вычислительное устройство, V — источник переменного напряжения, Dn — измерители.

Таблица 2 – Параметры жидких сред

№	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

Для осуществления сплошного выходного экспресс-контроля на производственных предприятиях необходимо оборудовать САКК роботом-манипулятором, который будет подбирать продукт после закупорки, переворачивать дном вверх и устанавливать его в комплекс, а после измерения - отправлять на линию упаковки.

Робот-манипулятор — это тип промышленных роботов. Такие роботы выполняют функции человеческой руки, допускают вращательные и поступательные движения, способны распознавать, понимать и менять окружающую среду. Их сфера деятельности каждый год расширяется, внедряются новые программы, роботы могут выполнять всё более точные действия.

Например, Робот Kuka KR-6 R900FIVVE (рис. 4 «а») – скоростная высокоточная миниатюрная модель, созданная для работы в ограниченном пространстве в течении длительного времени. Максимальный радиус 901 мм, вес груза до 6 кг, при собственном весе – 51 кг [9].

Отечественный коллаборативный робот Андроидная техника CR5 (рис. 4 «б») представляет собой промышленное устройство, предназначенное для автоматизации различных циклов и производственных процессов, с радиусом действия – 340°, максимальной нагрузкой – 5кг и массой – 28 кг [10].

а) б)

Рисунок 4 - Промышленные роботы

Для сетевых торговых фирм, реализующих алкогольную продукцию предложена модель переносного автоматизированного комплекса (ПАК), для сплошного входного контроля качества и идентификации жидких фасованных продуктов. Среди отличий от САКК: переносной комплекс более компактен в сравнении со стационарным, а для измерения параметров в комплексе использованы собственные электронные весы с измерителем температуры, измеритель иммитанса Е7-25 и ноутбук [12].

Для ПАКК будет разработан простой и доступный интерфейс, чтобы им могли пользоваться сотрудники сетевых магазинов и органов надзора.

Заключение. Представлен анализ актуальных систем розлива алкогольной продукции, в следствие чего сделан вывод, что стандартные методы и средства не могут обеспечить должный уровень контроля алкогольных фасованных продуктов. Предложена модель системы сплошного выходного контроля для производственных предприятий, основанная на инновационных нанотехнологиях идентификации (методе ВИЭМ и LQtest), позволяющая с большой скоростью проверять качество фасованной алкогольной продукции, без вскрытия тары. Предложено дополнить САКК роботом-манипулятором CR-5 и прибором LQTest 3.0. Описана переносная модификация комплекса для применения в торговых организациях и органах надзора.

Список литературы

1. Современные линии розлива водки: особенности и специфика процесса [Электронный ресурс]. URL: https://ntdtv.ru/biznes-vozmozhnosti/sovremennye-linii-rozliva-vodki-osobennosti-i-spetsifika-protsessa (дата обращения: 21.12.2022);

2. Сертификация продукции: Линии розлива [Электронный ресурс]. URL: https://artalix.ru/sertifikaciya-upakovochnogo-oborudovaniya/article_post/sertifikaciya-produkcii-linii-rozliva (дата обращения: 21.12.2022);

3.Триблок-мультиблок для розлива водки «Мастер» [Электронный ресурс]. URL: https://aurora-pack.ru/catalog/sku/triblok-multiblok-dlya-rozliva-vodki-master/ (дата обращения: 21.12.2022);

4. 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;

5. Белозеров В.В., Лукьянов А.Д., Обухов П.С., Абросимов Д.В., Любавский А.Ю., Белозеров В.В. СПОСОБ ЭКСПРЕСС-АНАЛИЗА ЖИДКИХ ФАСОВАННЫХ ПРОДУКТОВ И УСТАНОВКА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ //Патент на изобретение RU 2696810 C1, 06.08.2019. Заявка № 2018147515 от 29.12.2018;

6. Илихменов А.В., Белозеров В.В. О методах контроля параметров при розливе и реализации крепкой алкогольной продукции // Материалы XIV Международной студенческой научной конференции «Студенческий научный форум» [Электронный ресурс]. URL: https://scienceforum.ru/2022/article/2018029930 (дата обращения: 22.12.2022);

7. Измеритель иммитанса Е7-29. Руководство по эксплуатации [Электронный ресурс]. URL: https://all-pribors.ru/docs/73523-18.pdf (дата обращения: 22.12.2022);

8. 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;

9. Промышленный робот KUKA KR 6 KR R900 FIVVE [Электронный ресурс]. URL: https://vektorus.ru/constructors-robots/kuka-kr-6-r900-fivve-kr-agilus.html (дата обращения: 22.12.2022);

10. Робот Андроидная техника CR5 [Электронный ресурс]. URL: https://lider-3d.ru/catalog/robototekhnika/kollaborativnyy_robot_androidnaya_tekhnika_cr5/ (дата обращения: 22.12.2022);

11. 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: 22.12.2022);

12. Измеритель иммитанса Е7-25. Руководство по эксплуатации/ УШЯИ.411218.015// РЭ – Минск: ОАО «МНИПИ», 2004. -30с.

Код для цитирования: Скопировать