XV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2023

Введение. Согласно исследованию, проведенного в работе научно-исследовательского финансового института Минфина, каждая вторая пачка масла, четвертая бутылка молока и каждое пятое мороженное являются контрафактными. В процентном соотношении доля незаконного оборота питьевого молока и сливок достигает 24,56%, сливочного и топленого масла, а также спредов — 44,13%, мороженого — 21,51%. Учитывая данную статистику, можно смело утверждать, что проблема контрафакта на прилавках магазинов являются актуальными. Следовательно, необходимо разработать новый метод контроля за качеством молочной продукции. [1]

Цель исследования. Целью данного изыскания является исследование молочной продукции методом весовой импедансной электрометрии емкостным датчиком, а также получение данных для их дальнейшего использования.

Материал и методы исследования. Для данного исследования были использованы сливки 10%, 20% и 33% жирности, емкостный и индуктивный датчики, весы с точность до одной сотой грамма, датчик температуры, а также измеритель иммитанса Е7 – 20. Все эксперименты проводились при температуре воздуха в 22 °C и температуры продукта в 21 °C. Объем исследуемого продукта равен 50 мл с погрешностью не более 0,1 мл.

Представленный измеритель иммитанса Е7-20 (рис.1) - прецизионный прибор класса точности 0,1 с широким диапазоном рабочих частот 25 Гц - 1 МГц и высокой скоростью измерений до 25 в секунду. Измеряемые параметры Е7-20: индуктивность, емкость, сопротивление, проводимость, фактор потерь, добротность, модуль комплексного сопротивления, реактивное сопротивление, угол фазового сдвига; ток утечки. различные физические величины [2].

Рисунок 1 - измеритель иммитанса Е7-20

Измерения с помощью «вставляемого» 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) молока, 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) [3-5]:

(1)

(2)

(3)

(4)

где C₀ – емкость датчика в воздухе; С_изм – емкость датчика в измеряемой среде; 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.

Ёмкостный датчик — преобразователь параметрического типа, в котором изменение измеряемой величины преобразуется в изменение ёмкости конденсатора. Основным элементом емкостных датчиков является конденсатор, который может быть выполнен в плоском или цилиндрическом виде. Когда подвижная пластина конденсатора начинает перемещаться, увеличивая расстояния до неподвижной пластины, происходит деформация диэлектрика, при этом изменяется его положение, ведущее к изменению диэлектрической проницаемости и еще многих параметров [6]. Емкость для плоского конденсатора вычисляется по следующей формуле:

(5)

где Ɛ – постоянное значение относительно диэлектрической проницаемости среды между пластинами; S – площадь пластин; d – расстояние между пластинами.

Плотность сливок зависит от двух факторов, это температура и процент жирности. Чем выше температура, тем меньше плотность. Для определения плотности используется формула:

(6)

Где m – масса продукта, V – объем.

По плотности в зависимости от массовой доли жира сливки должны соответствовать требованиям, изложенным в таблице 1.

Т аблица 1 – плотность в зависимости от массовой доли жира

В приведенной ниже таблице 2 представлены усредненные результаты измерений сливок 10% жирности на емкостном датчике для частот от 100 до 1000000 Гц.

Т аблица 2. Среднее значение параметров для сливок 10%.

Следуя данным, полученным из таблицы, были построен графики проводимости и комплексного сопротивления (рис. 2) в диапазоне измеряемых частот.

Рисунок 2 – Зависимости проводимости и модуля комплексного сопротивления сливок 10% от частоты

По вышеуказанной формуле (1) рассчитаем диэлектрическую проницаемость на исследуемых частотах и построим график диэлектрической проницаемости (рис.3).

Рисунок 3 – Зависимость диэлектрической проницаемости сливок 10% от частоты

Зная объем и массу, найдем плотность по формуле (6):

Полученный результат соответствует значению, указанному в таблице 1.

В таблице 3 показаны результаты измерений сливок 20% жирности на емкостном датчике для частот от 100 до 1000000 Гц.

Т аблица 3 – среднее значение параметров для сливок 20%

Также построим графики проводимости, диэлектрической проницаемости и комплексного сопротивления (рис. 4) в диапазоне измеряемых частот.

Рисунок 4 - Зависимости проводимости, диэлектрической проницаемости и комплексного сопротивления сливок 20% от частоты

Рассчитаем плотность:

На приведенной ниже таблице 4 представлены усредненные результаты измерений сливок 33% жирности на емкостном датчике для частот от 100 до 1000000 Гц.

Т аблица 4. Среднее значение параметров для сливок 33%.

Основываясь на данных из таблицы 4, построим графики проводимости, диэлектрической проницаемости и комплексного сопротивления (рис. 5) в диапазоне измеряемых частот.

Рисунок 5 - Зависимости проводимости, диэлектрической проницаемости и комплексного сопротивления сливок 33% от частоты

Рассчитаем плотность:

Результаты исследования и их обсуждение. Как можно заметить из вышеуказанных графиков, модуль комплексного сопротивления с повышением жирности имеет более низкий коэффициент на низких частотах. Но на высоких частотах коэффициент возрастает при повышении жирности продукта. Вне зависимости от содержания молочного жира в продукте, график не имеет всплесков и экспоненциально затухает.

Проводимость для сливок 10% и 20% равномерно возрастает при повышении частоты и достигает своего максимума примерно на 200000 Гц, но после этого наблюдается резкое понижение данной характеристики. Сливки жирностью 33% также достигают максимум при 200000 Гц, однако после этого следует незаначительное понижение и возрастание характеристики. Также можно заметить, что при повышении жирности продукта его проводимость понижается.

Диэлектрическая проницаемость для сливок 10% и 20% замедляет свой рост на частотах от 500 Гц до 1000 Гц, однако после этого следует резкое повышение до максимального значения на 2000 Гц. После этой частоты наблюдается экспоненциальное затухание. Для сливок жирностью в 33% значение экстремума наблюдается при 500 Гц, затем следует линейное понижение диэлектрической проницаемости, и после 2000 Гц наблюдается экспоненциальное затухание. Наблюдается также понижение максимальной диэлектрической проницаемости с повышением жирности продукта.

Показатели плотности соответствуют табличным значениям, что дает право считать данный продукт качественным.

Заключение. В ходе проведений серий экспериментов, были установлены зависимости проводимости, диэлектрической проницаемости и комплексного сопротивления при различных показателях жирности молочного продукта. Также установлена зависимость плотности продукта от содержания в нем молочного жира и было выполнено сравнение с эталонными значениями.

Список литературы

1. Контрафакт на рынке сливочного масла составляет 50% [Электронный ресурс] - URL:https://iz.ru/1125999/2021-02-17/eksperty-nazvali-doliu-kontrafakta-moloka-i-masla (дата обращения: 21.12.2022)

2. Измеритель иммитанса (RLC) Е7-20 [Электронный ресурс] - URL: https://www.priborelektro.ru/product/price/izmeriteli-immitansa-rlc-12/522.html (дата обращения: 21.12.2022)

3. 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.

4. Усиков С.В., Астратьева Н. В., Васильева Л. К., Карташов Ю. И., Усиков А. С., Фоменко В. В. Способ определения рода жидкости. //Патент на изобретение RU 2383010 C2, 27.02.2010. Заявка № 2008117920/28 от 04.05.2008.

5. Белозеров В.В., Царев А.М. Автоматизация идентификации алкогольной продукции //Студенческий научный форум 2020. [Электронный ресурс] - URL: https://scienceforum.ru/2020/article/2018022590 (дата обращения: 21.12.2022).

6. Емкостные датчики [Электронный ресурс] - URL: https://leuze.ru/emkostnye-datchiki (дата обращения: 22.12.2022)

Код для цитирования: Скопировать