Київський державний університет

технологій та дизайну

Осадчий Василь Петрович

УДК 681.3.068

Діелектричні методи та засоби вимірювального контролю складу і якості молочних продуктів

05.11.13 – Прилади і методи контролю та визначення складу речовин

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2001

Дисертацією є рукопис

Робота виконана у Технологічному університеті Поділля (м. Хмельницький) та Київському державному університеті технологій та дизайну

Науковий керівник: | кандидат технічних наук, професор

Головко Дмитро Богданович, Київський національний університет технологій та дизайну, ректор, завідувач кафедри метрології, стандартизації та сертифікації

Офіційні опоненти: | доктор технічних наук, професор,

Петрук Василь Григорович Вінницький державний технічний університет, завідувач кафедри хімії та екологічної безпеки

доктор технічних наук, доцент,

Смирнов Вадим Семенович, Український державний університет харчових технологій професор кафедри електротехніки

Провідна установа: | Національний університет “Львівська політехніка”

Міністерства освіти і науки України, м. Львів

Захист відбудеться “05” жовтня 2001 р. о 12.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 26.102.01 у Київському національному університеті технологій та дизайну за адресою: 01011, м. Київ, вул. Н. Данченка, 2, конференцзал, корпус 1.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Київського державного університету технологій та дизайну за адресою: 01011, м. Київ, вул.. н. Данченка, 2, корпус 1.

Автореферат розісланий “22” 08 2001 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Г. І. Хімічева

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Ринкова економіка ставить перед усіма галузями народного господарства України проблеми переходу на інтенсивний шлях розвитку, підвищення якості продукції для завоювання ринків її збуту. Дана проблема може бути вирішена при широкому використанні досягнень науки і техніки у виробництві, впровадженню інтенсивних безвідхідних ресурсо- і енергозберігаючих технологій та сучасних методів і засобів електрометрії. Це повною мірою відноситься до харчової і зокрема, молочної промисловості.

Одним з найбільш ефективних і можливих виходів з існуючого становища є застосування електронних засобів у технологічному процесі виробництва молочних продуктів, що дозволяє впливати на якість молочних продуктів на окремих етапах технологічного процесу, а також суворо контролювати і дотримуватися технологічного процесу, що приведе до підвищення якості кінцевого продукту. Вирішенню вказаних вище задач присвячена значна кількість робіт відомих учених: В.А. Балюбаша, В.А. Вікторова, Є.С. Кричевського, В.Т. Маликова, І.А. Рогова, С.І. Пятіна, Ю.О. Скрипника, Р.А.Шкабадова та інших. Вагомий вклад в теорію електрометрії внесли роботи, виконані в Національному аграрному університеті (І. Мартиненко, Г. Іноземцев та ін.), Українському державному університеті харчових технологій (І. Романовський, В. Смірнов та ін.), Харківському державному технічному університеті сільського господарства ( В.Черенков, В.Жила та ін.).

Вдосконалення обладнання молочних виробництв, підвищення якості готової продукції значною мірою стримується відсутністю оперативної інформації про якісні характеристики сировини на стадіях її переробки. Відомі методи та засоби контролю складу молочних продуктів характеризуються невисокою точністю, низькою швидкодією і тому мають обмежене застосування та використовуються для окремих молочних виробів.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась згідно плану наукових досліджень, що проводяться кафедрою проектування та конструювання радіоелектронних засобів технологічного університету “Поділля” (м. Хмельницький), згідно: наказу Державного комітету України з питань науки і технологій від 03.08. 1993р., п.3.13 “Створення нових енерго - і ресурсо-зберігаючих технологій, переробки і збереження сільськогосподарської сировини”; “Програми соціально-економічного розвитку “Хмельницької області”; тематичного плану проведення НДДКР “Розробка автоматизованих вимірювально-обчислю-вальних комплексів для визначення параметрів технологічних процесів” та “Дослід-ження і розробка процесів та радіоелектронних апаратів для впливу мікрохвильової енергії і визначення параметрів в технологічних процесах виробництва сиру” (№ держ. реєстрації 01970017668); тематичного плану проведення НДДКР на госпдоговірних засадах з Волочиським та Теофіпольським сирзаводами (договір № 8 – 97 від 01.01.1997), які використані в “Програмі технічного та національно-культурного розвитку Хмельницької області”.

Мета і задачі досліджень. Мета роботи спрямована на розробку діелект-ричних методів та засобів вимірювального контролю молочних продуктів і методику їх електромагнітного оброблення, що дозволить підвищити їхню якість і оператив-ність контролю в технологічному потоці молочного виробництва.

Відповідно з поставленою метою досліджень були сформульовані такі задачі:

- дослідити діелектричні характеристики молочних продуктів та розробити їх математичні моделі для визначення інформативних параметрів;

- дослідити вплив складових частин молочних продуктів на їх діелектричні характеристики та розробити засоби вимірювального контролю з високочастотними і надвисокочастотними ємнісними сенсорами;

- розробити математичні моделі процесу дозрівання твердих сирів;

- розробити методику оброблення сирних блоків електромагнітним промінням надвисоких частот;

- оцінити метрологічні характеристики діелектричних засобів вимірювання та ви

значення достовірності контролю параметрів молочних продуктів.

Об’єкт дослідження – електронні методи і засоби вимірювального контролю та електромагнітного впливу на склад і якість молочних продуктів.

Предмет дослідження – інформативні електрофізичні параметри (діелект-рична проникність, тангенс кута витрат, частота електромагнітних коливань, температура) та фізико–математичні моделі взаємодії речовини молочних продуктів з електромагнітним полем.

Методи досліджень. У роботі використовуються методи електрофізичного моделювання, теорії вимірювань і теорії похибок, теорії гетерогенних багатофазних систем, диференційного і інтегрального обчислення, методи прогнозування.

Наукова новизна одержаних результатів полягає у наступному:

1. Експериментально виявлено та теоретично обґрунтовано вплив молочного жиру та вологи на діелектричну проникність молочних сумішей прямого та зворотного виду. На їх основі одержано математичні моделі визначення діелектричної проникності молочних сумішей, що дозволило розробити нові засоби автоматизованого контролю їх якості.

2. Встановлено закономірності проникнення електромагнітних коливань високих і надвисоких частот в молочні продукти в залежності від частоти і напруженості поля сенсора та кількісні оцінки енергетичного впливу на продукт і інформаційного відгуку про його склад. Експериментально доведено, що масовий склад продукту відображається закономірністю проникнення електромагнітних коливань високих і надвисоких частот в залежності від частоти і напруженості поля сенсора.

3. Розроблено метод надвисокочастотного вимірювального контролю жирності молока інваріантний до нестабільності генератора живлення та параметрів зондуючого сигналу, що дало можливість розробити нові засоби контролю вмісту жиру безконтактним способом в потоці об’єкту контролю.

4. Удосконалено метрологічну модель оцінки впливу температури, тиску, наявності емульгатора, вільного газу, осадження сторонніх домішок, що дозволило отримати аналітичні залежності для визначення статичних метрологічних характеристик.

5. На основі одержаних кількісних оцінок енергетичного впливу електромагнітної обробки сирних зразків визначено оптимальні параметри (частота електромагнітних коливань, часові цикли та їх потужність), які забезпечують рівномірність мікрохвильової обробки та покращення їх органолептичних показників.

Практичне значення одержаних результатів полягає в розробці і застосуванні електронних засобів для технологічних процесів виробництва молочних продуктів, а також дослідженні кількісних і якісних показників молока і молочних продуктів.

Одержані наукові результати роботи впроваджені на ВАТ “Хмельницьк-молпром”, Волочиському та Теофільскому сирзаводах, а також в ЗАТ “Катон-Ексім-К”. Впровадження підтверджені відповідними актами.

Використання результатів дозволило розробити і впровадити засіб контролю при виробництві конденсаторів для визначення кількості жиру у ваннах знежирювання фольги та концентрації електролітів, який забезпечує автоматизований вимірювальний контроль вмісту жиру у ваннах з заданою точністю, високою швидкодією. Розроблений метод обробки сирних блоків НВЧ-випромінюваням дозволив значно знизити патогенну мікрофлору, підвищити засвоєння білків і жирів, збільшити термін зберігання в процесі реалізації продукції. Це дало можливість визначити вологість сирної маси з відносною похибкою не більше 1,5%. Крім того, застосування установки з трьома магнетронами дозволило збільшити потужність мікрохвильової енергії в камерах технологічної обробки до 3-5 кВт зі зменшенням нерівномірності її впливу на сирні блоки.

Достовірність і обґрунтування наукових положень і висновків, що сформульовані у дисертації, зумовлюються експериментальним підтвердженням розроблених теоретичних положень та проведеними дослідженнями розроблених пристроїв із застосуванням електронних засобів для контролю складу і якості молочних продук-тів, а також адекватністю результатів експерименту з відповідними математичними моделями.

Реалізація і впровадження результатів роботи. Головний зміст дисертаційної роботи складають результати досліджень, що викону-валися на молочних заводах відкритого акціонерного товариства (ВАТ "Хмельницькмолпром"). Окремі дослідження проводилися на кафедрі конструювання радіоелектронних засобів Технологічного університе-ту Поділля (м. Хмельницький) в період з 1994 по 1999 роки. Пра-ктичні результати використовуються у виробництві молочних проду-ктів у ВАТ "Хмельницькмолпром" (м. Хмельницький). Результати дисертаційної роботи також впроваджені на Волочиському та Теофіпольському сирзаводах Хмельницької області.

Апробація роботи. Основні положення і результати проведених у дисертації досліджень доповідались і обговорювалися на IV, V, VI науково-технічних конференціях "Вимірювальна та обчислювальна те-хніка в технологічних процесах" (м. Хмельницький, 1995, 1997, 1999 р.), науково-технічній конференції "Сучасна контрольно-вимірювальна техніка", СКИТ-97. (м. Мукачеве, 1997 р.), III, V, VI Міжнаро-дних науково-практичних конференціях "Сучасні інформаційні та енергозберігаючі технології життєзабезпечення людини (м. Кам'янець-Подільський, 1998 р., м. Миколаїв, 1999 р. і м. Харків, 1999 р.).

Конкретна участь автора. Основні положення і результати ди-сертаційної роботи одержані автором самостійно. При цьому автор розробив методи і структури для вимірювального контролю складу і якості молокопродуктів [2,7], провів експериментальні дослідження [1,4-5], а також синтезував фізико-математичні моделі частотно-дисперсійного контролю в радіохвильовому діапазоні [6,10]. Крім того, запропонував декілька способів, засобів і пристроїв для вимірювань і контролю, зокрема, жирності молока [8,9,11] та ін.

Публікації. Основний зміст дисертації опубліковано в 21 друкованих роботах, з них – 7 робіт у видавництвах, включених у пе-релік ВАК України.

Структура та об’єм дисертації. Дисертація включає в себе вступ, чотири основні розділи, загальні висновки, літературу і додатки. Основний зміст роботи викладено на 130 сторінках машинописного тексту та 62 рисунках. Список літератури містить 120 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі відображено актуальність проблеми, обґрунтовано мету та основні задачі дослідження. Показано зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Сформульовано наукову новизну і положення, які виносяться на захист. Розглядаються практична цінність, реалізація і впровадження результатів роботи. Наводяться дані про особистий внесок здобувача, апробацію роботи і публікації.

У першому розділі показано, що молоко і молочні продукти складні за складом і мають велику кількість ознак (параметрів), частина з яких мають кількісну характеристику (вміст молочного жиру, білків, вуглеводнів, солей, різних речовин і т.п.), а частина має якісний характер і оцінюється органолептично (смак, запах, ступінь свіжості, наявність мікрофлори і т.п.). Для забезпечення найкращих харчових властивостей і смакової якості молокопродукти піддають відносно тривалій технологічній обробці. Найбільш перспективною є електро-технологічна обробка з застосуванням електронних засобів впливу і електронних засобів оперативного контролю складу і якості продуктів. Із засобів безпосереднього впливу на об'єкт електромагнітним полем найбільш перспективними є засоби, що здійснюють надвисокочастотну або мікрохвильову обробку, що може бути використане для пастеризації і стерилізації молока, а також поліпшення мікрофлори молочних продуктів. Проте потужність мікрохвильової енергії одного магнетрона (0,75 кВт ) недостатня для промислового використання даної обробки. Магнетрони більшої потужності практично недоступні для використання в харчовій промисловості, тому що є дорогими і застосовуються переважно в оборонній промисловості. Крім того, серійно магнетрони на Україні не випускаються, внаслідок того, що доступними є тільки магнетрон М – 105. Тому необхідно вирішити питання додавання потужностей кількох магнетронів без взаємного їхнього впливу один на одного з метою збільшення загальної потужності впливу мікрохвильової енергії на першому етапі хоча б до кількох (2 – 5) кВт.

Мікрохвильова обробка молочних продуктів, наприклад сиру, не вимагає великих потужностей, тому що нагрівання сиру понад 35–370C може привести до погіршення якості сиру через його оплавлення. Тобто навіть потужність одного магнетрону М – 105 є зайвою, проте для промислових цілей необхідно забезпечити одночасну обробку хоча б декількох десятків головок сиру при дотриманні рівномірності по потужності впливу мікрохвильової енергії. Показано, що просте збільшення кількості джерел мікрохвильової енергії не призводить до підвищення потужності опромінення продукту. Більше того, магнетрони, працюючи у неузгодженому режимі, руйнують один одного, не віддаючи потужності в корисне навантаження. В той же час, застосування імпульсивного режиму роботи енергетично придатне і сприяє збільшенню терміну служби магнетрона. До найбільш важливих параметрів молочних продуктів, які необхідно контролювати в технологічному процесі їх виробництва, можна віднести: вологість, концентрацію і рівень рідини. Перший із параметрів необхідно контролювати в процесі зневоднювання сирної маси, формуванні і пресуванні сиру, а також у технологічних процесах виробництва сухого і згущеного молока. Другий параметр характеризує вміст білків, жирів, цукру, солей і інших складових частин молока і визначає його придатність для виробництва тих або інших кінцевих продуктів. Засоби контролю рівня рідини повинні забезпечувати дистанційне контролювання рідини, причому незалежно від властивостей молокопродукту і параметрів навколишнього середовища.

Автором зроблений висновок, що найбільш поширеними вимірювачами параметрів різних технологічних процесів є вимірювачі з ємнісними первинними перетворювачами (сенсорами). Для контролю параметрів ємнісного сенсора в області частот 105–108 Гц найзручніше використати мостові та резонансні методи. Верхня межа частот контролю цими методами визначається частотними похибками і розмірами котушки змінної індуктивності, яка може бути виготовлена з достатньо високою добротністю. Нижня межа частот визначається відносно малою добротністю резонансного контуру на низьких частотах через високу наскрізну провідність молочних продуктів у ємнісному сенсорі, що приводить до зниження точності вимірювань. При цьому, за умов повного заповнення об'єму ємнісного сенсора – здійснюється вимірювання вологості і концентрації, а при частковому заповненні об'єму сенсора здійснюється вимірювання рівня дослідженого молочного продукту.

Другий розділ присвячено електрофізичному моделюванню молочних продуктів, які являють собою багатофазну гетерогенну систему з різним співвідношенням води і харчових речовин (молочний жир, білки, вуглеводні, солі і т.п.). Рідинні молокопродукти – це емульсія прямого типу Ж/В (жир у воді), в'язкопластичні продукти – емульсія зворотного типу В/Ж (вода у жирі). Тип емульсії залежить від властивостей компонентів і об'ємного вологовмісту. Електро-фізичну модель молокопродукту можна уявити у вигляді конденсатора, в полі якого розташована емульсія з заданим співвідношенням води і молочного жиру. Молочна емульсія в цілому може розглядатися як суміш двох емульсій – компонентів, одна з яких складається з флокулів (щільно упаковані дисперсні частки), а інша – дисперсійне середовище з одиночними дисперсними частками.

Діелектрична проникність (ДП) емульсії, що складається з одних флокул, і ДП емульсії з дисперсними частками визначаються за формулами бінарних систем, а загальна емульсія розглядається як суміш цих емульсій і її ДП може бути обчислена за формулою:

, (1)

де , .

З рідин на основі молока, які були досліджені, найбільший коефіцієнт флокуляції спостерігається у козячому молоці, його залежність від вологості добре апроксимується виразом:

. (2)

Заряди дисперсних часток визначають створення подвійного електричного шару, що приводить до інтенсивної поляризації молокопродукту в електричному полі і росту діелектричної проникності. Діелектричні втрати на низьких і високих частотах, в основному, визначаються наскрізною провідністю, а на надвисоких частотах – релаксаційними процесами. На основі розгляду механізмів поляризаційних процесів у молочних продуктах одержані вирази дійсної і уявної складових комплексної ДП:

; (3)

, (4)

де ; ; .

У продуктах з великим вмістом вологи (молоко, кисломолочні продукти) ДП різко знижується з ростом вмісту жиру і білків (табл. 1).

Таблиця 1

Діелектричні характеристики молока залежно від температури і жирності

Жирність % | Діелектричні характеристики | Температура, 0С

30 | 35 | 40

3,2’ | 65,3 | 64,6 | 63,9’’

14,8 | 14,4 | 14,1

6,4’ | 60,7 | 60,0 | 59,2’’

13,3 | 12,6 | 11,9

У продуктах з малим вмістом води (вершкове масло, тверді сири) діелектрична проникність і електропровідність на порядок нижча (табл.2)

Таблиця 2

Діелектричні характеристики вершкового масла ()

Характеристика | Температура, 0С

- 10 | 0 | 10 | 20 | 30 | 40’’’

3,94

0,36 | 4,04

0,39 | 4,07

0,40 | 4,09

0,41 | 4,13

0,43 | 4,41

0,48

З ростом частоти високочастотних (ВЧ) і надвисокочастотних (НВЧ) коливань діелектрична проникність знижується, а діелектричні втрати ростуть і мають явно виражений максимум на частоті релаксації.

Залежність комплексної ДП води від частоти має вигляд:

. (5)

В табл.3 приведені діелектричні характеристики знежиреного молока в залежності від вмісту сухих речовин на частоті 2450 Мгц.

В третьому розділі розв’язується задача визначення параметрів складу молочних продуктів з допомогою ємнісних сенсорів, які дозволяють судити про склад макронеоднорідностей дисперсної структури за даними вимірювань складових комплексної ДП. Знайшовши відповідність між властивостями продукту та його діелектричними параметрами, що вимірюються, можна за цими параметрами судити про споживчі показники якості продукту. Таким чином, показники якості набувають можливість їх визначення інструментальними методами, інакше надати якості чисельний вираз.

Таблиця 3

Діелектричні характеристики знежиреного молока при

Діелектричні

характристики | Вміст сухих речовин, %

9 | 11 | 13 | 15 | 17’

69,9 | 68,2 | 66,5 | 64,7 | 63,0’’

15,8 | 16,6 | 17,4 | 18,0 | 18,8

На цій же частоті (2450 Мгц) в табл.4 приведені діелектричні характеристики молочного порошку молочної сироватки при різних температурах.

Таблиця 4

Діелектричні характеристики молочного порошку (; кг/м3) і порошку молочної сироватки (;кг/м3)

Продукт |

Х-ка | Температура, 0С

- 10 | 0 | 10 | 20 | 30 | 40 | 50 | 60 | 70

Молоч-ний порошок’’’ |

2,24

0,044 | 2,26

0,046 | 2,27

0,047 | 2,28

0,047 | 2628

0,048 | 2,31

0,050 | 2,32

0,052 | 2,33

0,053 | 2,33

0,053

Порошок сироватки’’’ |

2,01

0,023 | 2,02

0,024 | 2,03

0,024 | 2,04

0,025 | 2,05

0,025 | 2,05

0,026 | 2,07

0,027 | 2,07

0,027 | 2,08

0,027

Показано, що ДП і також тангенс кута витрат визначаються не тільки масовою часткою вологи у в’язко-пластичному продукті, але і температурою, частотою електричного поля у сенсорі та залежить від попереднього стану (стиску чи розтягу). Значення діелектричних параметрів продукту, наприклад вершкового масла, визначається також параметрами вершків (жирністю, кислотністю), що поступають на переробку. З підвищенням температури ДП зростає, а значення діелектричних витрат зменшується. Такі залежності діелектричних параметрів молокопродуктів можна пояснити збільшенням рухливості молекул дисперсного середовища з підвищенням температури.

Для безперервного контролю та регулювання рівня рідини ємнісні сенсори можуть бути виконані у вигляді стрижнів, плоских пластин чи циліндрів. Другим електродом може бути металева стінка посудини з досліджуваною речовиною.

Для молока, яке має відносно високу електропро-відність розроблений ємнісний сенсор рівня рідини (рис. 1), виконаний у вигляді стрижня 1, покритого шаром ізоляції 2 і встановленого в металевий резервуар 3. Еквівалентна ємність такого сенсора дорівнюватиме

Секв = С0 + СІекв + СІекв (6)

де С0 – ємність, зумовлена з’єднувальними дротами від сенсора до вторинної апаратури; СІекв та С2екв - відповідно еквівалентні ємності між стрижнем 1 та металевим резервуаром 3 в повітрі та рідині.

Складові С1, С2, С3 та С4 еквівалентних ємностей СІекв та С2екв відповідно дорівнюють:

(7)

(8)

де – діелектрична проникність ізоляції; – її товщина; – відстань між ізольованим електродом та резервуаром; – радіус внутрішнього електрода, без ізоляції; – радіус внутрішнього електроду з ізоляцією.

Спрощений вираз для еквівалентної ємності сенсора, після відповідних перетворень набуде вигляду:

. (9)

В основу вимірювальних кіл ємнісних сенсорів покладені, звичайно, такі структури : подільники напруги, вимірювальні мости, ємнісно-діодні кола, резонансні контури (рис. 2).

На рис.2а показана схема вимірювального кола ємнісного сенсора, побудованого за принципом подільника напруги. У даному випадку Uвих = UвхС1/С2.

Диференціальні ємнісні сенсори вмикають, як правило в мостові вимірювальні кола, наприклад як на рис. 2 б. Вплив паразитних ємностей тут незначний, бо ємності С1 та С2 шунтують порівняно невеликі опори R 1 та R 2 , а ємність С3 – індикаторну діагональ.

На рис.2в наведена схема трансформаторного моста. Якщо напруга на кожній половині вторинної обмотки трансформатора становить U, то значення вихідної напруги дорівнюватиме Uвих = U(С1 – С2)/ (С1 + С2). Ємності Се1 та Се2 екранованих дротів, що з’єднують сенсор із трансформатором, увімкнені паралельно до обмоток трансформатора і на результат вимірювання не впливають. Для зменшення впливу ємності екранованого дроту, що з’єднує сенсор з підсилювачем, застосовується схема еквіпотенціального захисту.

Рис.2. Вимірювальні кола ємнісних сенсорів

Схема трансформаторного моста рис.2г використовується, коли ємність Сх менша від паразитних ємностей С1 та С2. Останні шунтують відносно малі опори плеч моста і їх вплив на результати вимірювань буде незначним.

У роботі також досліджені діелектричні властивості згущеного молока та м’якого сиру. Розроблені конструкції ємнісних сенсорів для молокопродуктів з термостатною оболонкою, а також триелектродного ємнісного сенсора для твердих та в’язко-пластичних молокопродуктів.

Похибки визначення вологості та вмісту жиру можна понизити, якщо стабілізувати тиск і температуру і забезпечити тим самим однакові умови при градуюванні і вимірюваннях. Для оцінки максимальної похибки в залежності від впливового фактору запропоновані формули для розрахунку похибок, що викликаються змінами температури і тиску, наявності емульгатора, виділення вільного газу, осадження сторонніх домішок і т.п. (табл. 5 ).

Проведено оцінку похибок першого і другого роду, побудовано графічні залежності сумісних законів розподілу похибок вимірювань і контрольованих параметрів.

У четвертому розділі наведена оцінка енергетичного впливу електромагнітного поля надвисоких частот (ЕМП НВЧ) на біологічну речовину, який проявляється в нагріванні і в структурно – біоологічних змінах мікроорганізмів, що створюють у продукті корисну і подавляють шкідливу мікрофлору. Інтенсивність нагрівання визначається діелектричною проникністю, тангенсом кута втрат і довжиною хвилі в продукті.

Із збільшенням частоти НВЧ коливань проникнення ЕМП в середину речовини зменшується, але питома поглинена потужність росте. Потужність, поглинута в одиниці об’єму гомогенної речовини, визначається за виразом:

, (10)

де – питома електропровідність речовини; – напруженість електромагнітного поля у речовині.

Таблиця 5

Формули для розрахунків максимальних похибок при визначенні малих та

великих вологостей

Причина похибки | Максимальна похибка | Умови градуювання | Максимальна похибка | Умови градуваюння

Зміна провідності дисперсної фази

Наявність емульгатора

Зміна тиску

Наявність вільного газу

Осадження домішок на електродах

Зміна температур емульсії

Зміна дисперсного середовища

Параметри і характеризують сукупність процесів, що приводять до втрат енергії в речовині, які зв’язані з коливаннями і обертаннями дипольних і рухом заряджених молекул у в’язкому середовищі чи продукту під дією ЕМП.

Якщо довжини хвиль менші за розміри об’єкта, поглинута потужність мало залежить від форми об’єкту і може бути розрахована за формулою

, (11)

де S – площа поперечного перерізу об’єкта; Р0 – щільність потоку енергії, що подає на об’єкт; Г – коефіцієнт відбиття.

Інформаційний відгук біооб’єкту на НВЧ опромінювання проявляється у виникненні відбитої і поглинутої хвиль, параметри яких визначаються складом і властивостями продукту, що обробляється. Внутрішнє розподілення поглинутої продуктом потужності відображається на конфігурації температурного поля, реєстрацію якої проводять з допомогою мініатюрних сенсорів, які б не розігрівалися НВЧ ЕМП. Спотворенню картини ЕМП провідними сенсорами можна запобігти, використовуючи оптичні сенсори на основі волоконної оптики. Неоднорідність біологічних властивостей об’єктів зумовлює появу “гарячих плям” у внутрішніх областях оброблюваного продукту, що може бути використано для його прогрівання без порушення цілісності поверхневих шарів.

Для вимірювання жирності молока автором запропонована схема пері-одичного порівняння (рис.3), в якій вихідну напругу НВЧ детектора 11 при відкритому НВЧ ключі можна представити у вигляді

, (12),

де Р0 – НВЧ потужність генератора 2; Г0 – коефіцієнт відбиття знежиреного молока; Г – зміна коефіцієнта відбиття, пропорційна кількості жиру в молоці. При закритому ключі 5 вихідна напруга НВЧ детектора 11 приймає значення:

. (13)

Рис.3. Одноканальний НВЧ вимірювач жирності

молока періодичного порівняння

При періодичному відкриванні і закриванні з низькою частотою ключа 5 на виході НВЧ детектора 11 формується послідовність відеоімпульсів, з яких фільтрами 14 і 18 виділяється постійна та змінна складові напруги:

, (14)

. (15)

Постійна складова (14) використовується для автоматичного регулювання коефіцієнта передачі НВЧ атенюатора 3, а змінна складова (15) застосовується як вихідна напруга . (16)

Напруга U5, що вимірюється (рис.4), не залежить від рівня НВЧ потужності Р0, чутливості НВЧ детектора S11 і параметрів вимірювальної схеми К3, К4, К7 і К9 .

У роботі запропоновані і досліджені автором методи підвищення потужності мікрохвильової енергії в камерах технологічної обробки. Вони основані на використанні вмикання магнетронів у різні проміжки часу в поєднанні з ортогональною поляризацією випромінювань окремих джерел. Це дозволяє збільшити потужність мікрохвильової енергії в камерах технологічної обробки до 3 – 5 кВт із зменшенням нерівномірності її впливу на сирні блоки. Для збільшення швидкості обробки сирної маси мікрохвильовою енергією розроблена конструкція піддона, що обертається, у вигляді круга, по краю якого розташовуються сирні блоки (рис. 5 і 6) .

Рис.5. Ескізна інтерпретація ав- Рис.6. Ескізна інтерпретація

томатичної установки для оброб- автоматичної установки для

лення 10 блоків сирної маси з обер- НВЧ обробки сирних блоків

товим піддоном у вигляді кола з використанням оновленої печі "Дніпрянка"

У загальних висновках сформульовані основні результати дисертаційних досліджень.

Додатки містять матеріали і документи стосовно впровадження у виробництво розроблених методів та засобів контролю.

ВИСНОВКИ

В дисертації проведено дослідження шляхів підвищення якості молочних продуктів, вирішена проблема визначення їхнього складу за допомогою електронних засобів, які застосовуються у технологічному процесі їх виробництва. При цьому показана можливість безпосереднього впливу електромагнітних коливань на молочні продукти на певних стадіях технологічного процесу, а також використання електронних засобів для одержання зондуючих сигналів, за допомогою яких визначається склад молочних продуктів і контролюються режими технологічних процесів їх виробництва.

Проведені дослідження дозволили зробити такі висновки, пов’язані з практичною реалізацією електронних засобів для визначення складу молочних продуктів і підвищення їх якості.

1. Встановлено, що серед відомих електронних засобів безпосереднього впливу для поліпшення складу і підвищення якості молочних продуктів перспек-тивними є мікрохвильові засоби, потужність яких при використанні розроблених у дисертації рекомендацій може бути отримана достатньою для вирішення конкретних задач обробки молочних продуктів при необхідній швидкості їх обробки.

2. Електрофізичні моделі молочних продуктів, поміщених у електричне поле сенсора, можна представити у вигляді бінарних дисперсних систем, що створюють емульсії прямого чи зворотного виду. Значення складових комплексної діелект-ричної проникності визначаються об’ємним співвідношенням молочного жиру у воді або води у жирі. Рекомендовані розрахункові формули визначення діелектрич-ної проникності емульсій залежно від вмісту води в продукті і ступеня її неодно-рідності.

3. Найбільш перспективним методом контролю складу і якості молочних продуктів є діелькометричний, який дозволяє за ємністю і електричним втратам в конденсаторному сенсорі оцінювати кількість вологи, що вміщується у продукті, а також концентрацію жиру, білка і інших харчових компонентів. Вибір сенсора і вимірювальної схеми визначається видом і формою контрольованого продукту. Показано, що електронні діелькометричні засоби визначення складу і рівня молочних продуктів при використанні рекомендацій, отриманих у дисертації, можуть бути розроблені з одержанням необхідної чутливості, а також незалежності вимірювання і контролю одних компонентів при зміні інших.

4. Основним джерелом похибок діелькометричних приладів є температура, яка створює різний приріст діелектричної проникності продукту залежно від його структури і фізико-хімічного складу. Для в’язко-пластичних молочних продуктів істотно впливають несталість тиску в процесі градуювання і вимірювань, тому що тиск істотно змінює дисперсність контрольованої речовини. Для зменшення похибки необхідно вибирати розміри і параметри сенсора з рекомендованих співвідношень, а вплив зовнішніх факторів компенсувати схемними рішеннями.

5. Через наскрізну електропровідність і релаксаційну поляризацію частотні характеристики молочних продуктів мають явно виражену нерівномірність і нестабільність в діапазоні частот від низьких до надвисоких. Частотні залежності можна визначити з допомогою мостових та диференційних схем на низьких і високих частотах. В області надвисоких частот найбільш прийняті рефлектометричні схеми, що вимірюють співвідношення падаючих і відбитих від продукту хвиль. Знання форми частотних характеристик молокопродуктів дозволяє вибрати оптимальні частоти джерел зондуючих сигналі в і алгоритми обробки вимірювальних сигналів.

6. Метод визначення кількості жиру в молоці з використанням надвисокочастотних приладів не дозволяє коригувати похибки, особливо при вимірюванні малої концентрації молочного жиру, в той час як використання методу періодичного порівняння дозволяє одержати незалежність результатів аналізу від адитивної і мультиплікативної похибок перетворення на інших впливових чинників і дозволяє розробити сучасний прилад експрес-аналізу кількості жиру і ступеня визрівання сиру з використання різноманітних модифікацій і з застосуванням сучасної елементної бази.

7. Запропоновані методи підвищення потужності мікрохвильової енергії в камерах технологічної обробки основані на використанні вмикання магнетронів у різні проміжки часу, особливо в поєднанні з ортогональною поляризацією випромінювань окремих джерел, дозволяє не тільки збільшити потужність мікрохвильової енергії до 3-5 кВт (при використанні магнетронів типу М-105), але і у 3-5 разів підвищити рівномірність її впливу на об’єкт обробки.

8. Показано, що використання зворотно-поступального руху об’єктів обробки не дозволяє досягти рівномірності обробки і прийнятих органолептичних показників, у той час як використання руху по траєкторії кола значно поліпшує зазначені показники.

9. Викладені в розділах дисертації результати практичної реалізації та експериментальних досліджень підтверджують отримані теоретичні висновки та рекомендації. Розроблений діелькометричний метод контролю складу і якості молочних продуктів можна використати для оцінки якості інших харчових продуктів при різних умовах їх виробництва та зберігання.

ПУБЛІКАЦІЇ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Осадчий В.П. Микроволновая обработка сырья при производстве сыра // Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах.– № 1.– 1997.- С.158 – 160.

2. Скрипник Ю.О., Горкун В.В., Осадчий В.П. Оптичні методи контролю жирності молока // Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах.– №1.– 1998.– С. 56 – 60.

3. Осадчий В.П., Пятін І.С. Застосування електронних засобів у технологічних процесах молочної промисловості // Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах.– № 4.–1998.– С. 22 – 28.

4. Осадчий В.П., Пятін І.С. До питання використання електронних засобів безпосередньої дії для підвищення якості молочних продуктів // Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах.– № 3.– 1998.– С. 149 – 152.

5. Скрипник Ю.О., Шевченко К.Л., Осадчий В.П. Вимірювання жирності молока на надвисоких частотах// Праці ІІІ – ої Міжнародної науково-практичної конференції “Сучасні інформаційні та енергозберігаючі технології життєзабезпечення людини”, вип.3.– Кам’янець – Подільський, 2 – 6 червня 1998 р.– С. 69 – 72.

6. Осадчий В.П., Пятин И.С. Пути построения многофункциональных измерителей параметров технологических процессов // Збірник наукових праць за результатами ІУ науково - технічної конференції “Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах” 3 – 5 червня 1997р., Хмельницький, 1997.– с.46.

7. Осадчий В.П., Дубровний В.О., Скрипник Ю.О. Радіохвильовий метод визначення вмісту жиру в молоці // Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах: збірник наукових праць, 1999.– Вип. № 6.– С. 679 – 683.

8. Осадчий В.П. Підвищення рівномірності впливу мікрохвильової енергії в об’ємі камери технологічного нагрівання // Збірник наукових праць за результатами УІ науково – технічної конференції “Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах” 27–29 травня 1999р.–вип.3.–Хмельницький, 1999.– С.208 – 210.

9. Осадчий В.П., Скрипник Ю.О., Маковська В.Ю. Безконтактний діелект-ричний контроль складу та якості сировини// Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах.– № 1.– 1999.– С. 67 – 71.

10. Скрипник Ю.О., Іващенко В.О., Осадчий В.П., Скрипник В.Й. Фізичні основи частотно-дисперсійного контролю в радіохвильовому діапазоні// Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах: збірник наукових праць “СІЕТ 7 –00”.– Вип 7.– 2000р.– С. 218 – 222.

11. Патент України № 31756. Надвисокочастотний вимірювач жирності молока/ Скрипник Ю.О., Шевченко К.Л., Осадчий В.П., - кл. G01 № 33/06, G01 №22/00; Заявл. 28.10.1998; опубл. № 7 – ІІ, 2000.

АНОТАЦІЇ

Осадчий Василь Петрович. Діелектричні методи та засоби вимірювального контролю складу і якості молочних продуктів. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.11.13 – прилади і методи контролю та визначення складу речовини. –Київський державний університет технологій та дизайну, Київ, 2001.

Дисертацію присвячено підвищенню точності вимірювань та достовірності контролю параметрів що характеризують склад і якість молочних продуктів, за рахунок застосування електронних засобів у технологічному процесі їхнього виробництва. Запропоновані електрофізичні моделі молочних продуктів, які представляють собою бінарні дисперсні системи, що створюють емульсії прямого чи зворотного виду. Рекомендовано розрахункові формули визначення діелектричної проникності емульсій залежно від вмісту води і молочного жиру. Розвинутий діелькометричний метод контролю складу і якості молокопродуктів, який дозволяє оцінювати в них кількість води, концентрацію жиру, білка і інших харчових компонентів. Розроблено нові напрямки побудови засобів вимірювання складу молокопродуктів у діапазоні високих і надвисоких частот. Використання методу періодичного порівняння дозволило одержати незалежність результатів аналізу від адитивної і мультиплікативної похибок перетворення та інших впливових чинників, що дозволило створити сучасні прилади експрес-аналізу з використанням різноманітних модифікацій і з застосуванням сучасної елементної бази.

Ключові слова: вимірювальний контроль, електрофізичне моделювання, склад молокопродуктів, вимірювальна схема, похибки, періодичне порівняння, зондуючі сигнали.

Осадчий Василий Петрович. Диэлектрические методы и средства измерительного контроля состава и качества молочных продуктов. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.11.13 – приборы и методы контроля и определения состава вещества. – Киевский государственный университет технологий и дизайна, Киев, 2001 .

Диссертация посвящена повышению точности измерения параметров, которые характеризуют состав и качество молочных продуктов, за счет использования электронных средств в технологическом процессе их производства. Показана возможность непосредственного влияния воздействия электромагнитных колебаний на структуру и качество на различных стадиях технологического процесса, а также возможность использования электронных средств для создания зондирующих сигналов, с помощью которых определяется состав молочных продуктов.

Предложены электрофизические модели молочных продуктов, которые представляют собой бинарные дисперсные системы, образующие эмульсии прямого и обратного вида. Значения составляющих комплексной диэлектрической проницаемости эмульсий определяется объемным соотношением молочного жира в воде или воды в жире. Рекомендованы расчетные формулы для определения диэлектрической проницаемости различных видов молокопродуктов.

Показано, что электронные диэлькометрические средства контроля молочных продуктов с учетом рекомендаций, полученных в диссертации, могут обладать высокой чувствительностью и быть независимыми от влияния неинформативных параметров.

Основным источником погрешностей диэлькометрических приборов для измерения влажности и концентрации жира в молокопродуктах является температура, а для вязкопластичных продуктов – еще и непостоянство давления при градуировке и измерениях. Для уменьшения этих погрешностей предложено выбирать размеры и параметры сенсоров, исходя из рекомендованных соотношений, а влияние внешних факторов компенсировать схемными решениями.

Разработаны новые направления в построении средств измерения состава молокопродуктов для зондирующих сигналов высоких и сверхвысоких частот.

Использование метода периодического сравнения сигналов позволяет строить приборы контроля состава молокопродуктов по одноканальной схеме, что позволяет получать результаты контроля независимо от аддитивной и мультипликативной составляющих погрешностей измерительного канала.

Предложены методы повышения мощности микроволновой энергии в камерах технологической обработки твердых сыров, которые основаны на включении магнетронов в разные промежутки времени в сочетании с ортогональной поляризацией отдельных источников. Показано, что микроволновая обработка головок сыра улучшает их вкусовые и органолептические качества. При этом может быть осуществлен бесконтактный экспресс - контроль по коэффициенту отражения от их поверхности.

Ключевые слова: измерительний контроль, электрофизическое моделирование, состав молокопродуктов, измерительная схема, погрешности, периодическое сравнение, зондирующие сигналы.

Osadchy P.Vasily. Dielectric methods and means of the measuring control of structure and quality of dairy products. - the Manuscript.

The dissertation on reception of a scientific degree of Cand.Tech.Sci. behind a speciality 05.11.13 - devices and a quality monitoring and definition of structure of substance. - the Kiev state university of technologies and design, Kiev, 2001.

The dissertation is devoted to increase of accuracy of measurements and reliability of the control of parameters that characterize structure and quality of dairy products, due to application of electronic means in technological process of their manufacture. Offered models of dairy products which represent binary disperse systems which create a direct or return kind. Settlement formulas of definition of dielectric permeability are recommended on contents of water and dairy fat. Advanced а quality monitoring of structure and quality of dairy products which allows to estimate in them quantity of water, concentration of fat, fiber and other food components. New directions of construction of means of measurement of structure of dairy products in a range of high and ultrahigh frequencies are developed. Use of a method of periodic comparison has allowed to receive independence of results of the analysis from additeishen and multiplicate errors of transformation and other influential factors that has allowed to create modern devices of the express train - analysis with use of various updatings and with application of modern element base.

Key words: the measuring control, elektrophysical modelling, structure of dairy products, the measuring circuit, errors, the periodic comparison, probing signals.