CC BY
13
БЕЗОПАСНОСТЬ ПРОИЗВОДСТВА И ГОТОВОЙ ПРОДУКЦИИ
ТЕМА НОМЕРА
Электронное устройство
для контроля качества мяса
Ф.Б. Никонов
Московский государственный университет технологий и управления
Влажность, характеризующая содержание воды в материале, служит одним из основных факторов, определяющих возможность длительного хранения мяса без порчи и потери.
Технологическая гидрограмма мяса с зоной технологических оптимумов характеризуется узким участком влажности мяса (15-16 %), минимальной зольностью, минимальным удельным расходом энергии, высоким устойчивым извлечением.
Влажность мяса необходимо контролировать и при необходимости увеличивать (уменьшать). Для определения влажности можно использовать один из методов СВЧ-влагометрии, по-
у
/ /
/
/
/
Рис. 1. Зависимость затухания мощности СВЧ от влажности: N - затухание, дБ; - влажность, %
N1
те из
✓ У* ,
У /У *
/у
м
V?
Рис. 2. Зависимость затухания мощности СВЧ от влажности при различной температуре мяса: N1 - затухание при 5 °С; N2 - затухание при 20 °С; N3 - затухание при 40 °С
скольку характерная особенность этих методов - бесконтактность измерений, а также возможность интегральной оценки влажности в больших объемах (в реальных условиях всегда наблюдается неравномерное распределение влаги в объеме материала).
Физика диэлектриков объясняет зависимость электрических параметров (диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь) материала от их свойств и состояния с поляризацией частиц диэлектрика. Так как влажный материал представляет собой диэлектрик сложного состава, в котором перемешаны частицы сухого вещества и воды, то в элементарном объеме такого диэлектрика на границе раздела воды и сухого вещества накапливаются заряды. Кроме имеющейся внутрислойной поляризации в элементе воды и элементе сухого вещества, подобное накопление зарядов вызывает появление структурной поляризации. В зависимости от особенностей влажного материала различные виды поляризации внесут меньший или больший вклад в суммарную поляризацию. Так как вода относится к сильно полярным веществам, то ее наличие меняет свойства материала и оказывает большое влияние на суммарную поляризацию. Влияние влаги на суммарную поляризацию проявляется в функциональной связи между параметрами диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь материала и влажностью. Эта связь ярко выражена на сверхвысоких частотах в диапазоне сантиметровых волн, где диэлектрическая проницаемость воды проходит через область аномальной дисперсии, в которой диэлектрические потери имеют максимальное значение, намного большее, чем у значительной части сухих материалов. В диапазоне частот 1-30 ГГц тангенс угла диэлектрических потерь для воды составляет 0,15-1,2, а диэлектрическая проницаемость - 40-80, для большинства сухих материалов тангенс угла диэлектрических потерь равен 0,0010,05, диэлектрическая проницаемость - 1-5.
Вышеизложенное позволяет использовать для измерения влажности методы и технику, применяемые на сверхвысоких частотах для измерения свойств диэлектриков с преимуще-
ственным применением техники сантиметровых волн.
Из всего многообразия методов измерения диэлектрических свойств сыпучих материалов наибольшее практическое применение во влагометрии получил метод, основанный на измерении затухания мощности плоской электромагнитной волны при ее нормальном падении на исследуемый образец материала, расположенный в свободном пространстве на пути распространения электромагнитной волны (применяется в разрабатываемом устройстве).
Выраженная в децибелах величина затухания мощности СВЧ-излучения, прошедшей через образец, определяется выражением:
N = 101д(Рп/Рпр) = 8,686а6,
где Рп и Рпр - мощность, падающая на образец и прошедшая через него; а - постоянная затухания, 6- толщина образца.
Постоянная затухания а является функцией электрических параметров (диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь), которые, как отмечалось выше, функционально связаны с влажностью материала. Следовательно, величина затухания также зависит от влажности и может быть мерой влажности в исследуемом материале.
Измерение влажности осуществляется методом замещения затухания во влажной зерновой среде затуханием в прецизионном аттенюаторе.
На рис. 1 приведена типичная калибровочная связь затухания мощности СВЧ-излучения с влажностью для мяса.
Эта зависимость с точностью до погрешности измерений имеет линейный участок. Наличие нелинейного участка вызвано влиянием на суммарную поляризацию форм и видов связи воды с сухим материалом. Чем сильнее связь, тем меньше подвижность диполя воды и тем меньше суммарная поляризация влажного материала отличается от поляризации сухого, а чем слабее связь, тем меньше суммарная поляризация отличается от поляризации воды. В соответствии с этим при сильной связи вносимые потери (затухание) будут в основном определяться потерями в сухом материале, а при слабой связи или отсутствии таковой - потерями в воде.
Следовательно, график зависимости затухания от влажности должен иметь участки с различной крутизной, соответствующие различным формам и видам связи. В общем случае материал может иметь одновременно воду, связанную с сухим веществом различными видами и формами связи. Поэтому переход от одного участка теоретичес-
FOOD PRODUCTION SECURITY
ки ломаной кривой к другому будет сглажен в результате как влияния видов связи, так и объемных долей воды, связанных с сухим веществом соответствующим видом связи.
Основная погрешность при измерении затухания вызвана неодинаковостью плотности укладки мяса в бункер, что особенно проявляется при влажности более 20 %. Если при измерении не принимаются меры для улучшения воспроизводимости плотности укладки, то утроенная величина среднеквадратичного отклонения затухания от среднего значения достигает величины 0,6 дБ (0,3%) при измерении влажности мяса до 20 % и 1,6 дБ (0,8 %) - при измерении влажности свыше 20 %.
Влияние температуры мяса на измерение влажности показано на рис. 2.
Из рисунка видно, что с ростом температуры мяса постоянной влажности затухание в нем мощности СВЧ увеличивается (изменение диэлектрических свойств воды с температурой обусловлено особенностями атомно-молеку-лярного строения воды, в первую очередь наличием дипольной релаксации в диапазоне сверхвысоких частот).
Если температура мяса, при которой производится калибровка прибора, выше или ниже 20 °С, то измеренная
величина влажности будет, соответственно, выше или ниже истинного значения. При изменении температуры на 1 °С систематическая ошибка составляет 0,1-0,15 %, которую можно учесть, если при измерении влажности измерять и температуру мяса.
Различные типы и сорта мяса при постоянной влажности имеют различную натурную массу, которой соответствует различная масса сухого компонента и воды. Следовательно, мясо с большей массой внесет и большее затухание, что и отражает зависимость, приведенная на рис. 3.
При измерении влажности по затуханию необходимо учитывать влияние температуры на результаты измерений (приведенные величины систематических погрешностей равны 0,016 и 0,065 % и должны быть учтены, если натурная масса мяса отличается от массы, по которой проведена калибровка, на 6-15 г соответственно).
Таким образом, зависимость затухания от влажности носит линейный характер в широком интервале влажнос-тей; погрешность измерения влажности на линейном участке не превышает 0,5 % абсолютного значения влажности; погрешность измерения содержания сильно связанной воды может
Рис. 3. Зависимость затухания мощности СВЧ от влажности мяса различной натуры: N1 - затухание при натурной массе 705 г/л; N2 - затухание при натурной массе 765 г/л; N3 - затухание при натурной массе 795 г/л
быть доведена до величины не более 0,5 % простым удлинением бункера в направлении распространения электромагнитной волны; результаты измерения влажности зависят от температуры и натурной массы мяса, погрешности, обусловленные их изменением, являются систематическими и их можно исключить из результатов измерений, вводя поправки на изменение этих параметров.
