Согласно исследованию BusinesStat, с 2014 по 2018 год объём продаж минеральных и питьевых вод в России увеличился на 16,2 %: с 6,50 до 7,55 млрд. литров. Союз производителей бутилированных вод оценивает объем рынка в 190 млрд. рублей. Однако, исходя из доклада гендиректора «Ростеха» Сергея Чемезова, в среднем по России от 25 до 30 % питьевой воды – подделка, а в некоторых регионах доля фальсификата достигает 80 %.
Таким образом, задача адаптации эффективных и недорогих экспресс-методов в автоматизированные линии розлива бутилированной воды является актуальной.
Цель исследования заключается в разработке модели переносного автоматизированного комплекса, который позволит за короткий отрезок времени с высокой точностью определить качество и параметры бутилированной воды непосредственно в места сбыта.
Материалы и методы исследования
В Российской Федерации для контроля качества и безопасности бутилированной воды на предприятии функционирует система технических норм и правил, государственных отраслевых стандартов [1, 2], в которой описаны следующие методы [3–5]:
- методы санитарно-бактериологического анализа;
- методы определения концентрации металлов и содержания минеральных примесей;
- методы определения органолептических свойств.
Помимо стандартных методов для определения качества воды возможно использовать следующие методы [5, 6]:
- титриметрический анализ;
- спектрофотомерия;
- турбидиметрия и нефелометрия;
- атомно-абсорбционный спектральный анализ;
- пламенная фотометрия;
Методы по контролю качества и безопасности бутилированной воды, изложенные в государственных стандартах, а также методы и средства анализа воды, которые могут быть использованы для экспресс-анализа, содержат ряд критических недостатков:
- необходимы специализированное оборудование и высококвалифицированный персонал;
- требуются затраты денежных средств и времени на анализ;
- выборочный метод контроля порождает недостоверность оценки на всю партию;
- необходимо периодически изымать продукцию из оборота и вскрывать тару, что ведет к потере готового продукта для производителя и потребителя.
Именно поэтому, для кардинального решения перечисленных проблем была разработана модель переносного автоматизированного комплекса на основе адаптации метода весовой импедансной электрометрии (ВИЭМ).
Дело в том, стандарт на тару из полиэтилентерефталата для питьевой воды [7] определяет предельные отклонения от номинальных размеров и массы тары для определенных разновидностей продукции, которые никак не должны быть выше:
0,1 мм – для геометрических размеров;
0,1 мм – для толщины стенки;
10 % – для номинальной вместимости;
10 % – для массы тары.
Следовательно, зная массы пустых бутылок объемом 0.5 и 1.5 л, можно взвешиванием на электронных весах, не вскрывая пробки и без отбора пробы, определить плотность жидкости – ρi (кг/м3) в нем по формуле [8]:
(1)
где mi – измеренный вес i-го образца в фасованной таре, г;
m – эталонный вес тары, г;
V – эталонный объем тары, л.
При этом значения плотностей при различных температурах вычисляются по формуле [9]:
(2)
где ρT – плотность питьевой воды при текущей температуре;
ρ293 – плотность питьевой воды при 293 °K;
βρ – коэффициент объемного расширения;
T – текущая температура исследуемой воды.
Дальнейшим этапом идентификации параметров бутилированной воды является измерение емкостей воздуха и исследуемой воды и тангенсов угла потерь, что позволяет вычислить значение относительной диэлектрической проницаемости бутилированной воды по формуле (3), определить динамическую вязкость по формуле (4), для чего необходимо вычислить макроскопическое и микроскопическое время релаксации [8, 9]:
ε = Cизм/C0, (3)
(4)
(5)
(6)
где C0 – емкость датчика в воздухе;
Cизм – емкость датчика с бутилированной водой;
η0 – динамическая вязкость;
τ и τ0 – макроскопическое и микроскопическое время релаксации;’
ω – циклическая частота;
ηэ и τэ – табличные данные воздуха, загруженные в компьютер.
Измерители иммитанса Е7-25 (рис. 1) – прецизионные приборы класса точности 0,1, которые обладают высокой скоростью измерений, под управлением компьютера, что позволит измерить и вычислить не только относительную диэлектрическую проницаемость и тангенс угла потерь в диапазоне частот от 1 кГц до 1 МГц, но также [10]:
- индуктивность;
- емкость;
- активное сопротивление;
- реактивное сопротивление;
- активную проводимость;
- реактивную проводимость;
- добротность;
- ток утечки;
- модуль комплексного сопротивления;
- угол фазового сдвига комплексного сопротивления.
Рис. 1. Измеритель иммитанса Е7-25
Так как, измерения производятся на определенных частотах из всего диапазона работы Е7-25, а значение ε стремится к 1 при высоких температурах, то, заменив циклическую частоту ω на 2πf в формуле (6), а также подставив частоты измерений и измеренные значения тангенса угла потерь и относительной диэлектрической проницаемости бутилированной воды, выразим макроскопические времена релаксации продукта при температуре окружающей среды:
(7)
После этого по формуле (5) определяем микроскопическое время исследуемого продукта, а по формуле (4) – его динамическую вязкость.
Зависимость кинематической вязкости от температуры выражают формулы Вальтера:
(8)
(9)
(10)
где a и b – эмпирические коэффициенты;
T1 и T2 – стандартная температура жидких и вязких сред (15 °С, 40 °С).
Для идентификации жидких и вязких продуктов по температуре застывания используются формулы Вальтера, при значении кинематической вязкости 10000 мм2/с:
(11)
Результаты исследования и их обсуждение
Таким образом, если встроить емкостный датчик в крышку тары и вывести его обкладки наружу, то получив данные с измерителя иммитанса и вычислив физические параметры бутилированной воды, получим «образ продукта» (таблица), а отклонения параметров от «эталонного образа» будут свидетельствовать о не качественности или подделке продукта [8].
В итоге, модель автоматизированной системы экспресс-контроля параметров бутилированной воды будет состоять из разработанной крышки-датчика на тару и переносного автоматизированного комплекса экспресс-контроля (рис. 2).
Параметры, составляющие «образ эталона»
|
№ |
Наименование параметра |
Обозначение |
Размерность |
Диапазон измерения |
|
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) |
0,000001 – 0,2 |
|
5 |
Емкость |
C |
пФ |
1 – 10000 |
|
6 |
Диэлектрическая проницаемость |
ε |
Ф/м |
1 – 1200 |
|
7 |
Магнитная проницаемость |
μ |
Гн/м |
10-6 – 10-1 |
|
8 |
Кинематическая вязкость |
ν |
м2/с |
10-5 – 10-3 |
|
9 |
Динамическая вязкость |
η |
Па×с |
10-5 – 10-4 |
|
10 |
Частота измерения |
f |
Гц |
25 – 100000 |
Рис. 2. Модель системы экспресс-контроля
Рис. 3. Емкостный 3-х электродный коаксиальный датчик крышка
Заключение
Модель переносного автоматизированного комплекса (ПАК) базируется на методе весовой импедансной электрометрии, который был адаптирован под бутилированную воду. Предлагаемая модель системы позволит в течение десятка секунд и без вскрытия тары идентифицировать соответствие жидкости эталону, а также система мобильна и учитывает на условия, в которых производится анализ, вводит соответствующие поправки.
Ключевыми элементами ПАК являются: измеритель иммитанса Е7-25, электронные весы с датчиком температуры, датчик-крышка, ноутбук и специальное программное обеспечение (СПО), реализующее управляющие и вычислительные алгоритмы.