Scientific journal
European Journal of Natural History
ISSN 2073-4972
ИФ РИНЦ = 0,301

METHOD AND PORTABLE COMPLEX FOR RAPID ANALYSIS OF BOTTLED WATER

Martynov V.V. 1 Belozerov V.V. 1
1 Don state technical University
1105 KB
The article presents an analysis of methods and tools for comparative analysis of liquids, showing their advantages and disadvantages. Due to the fact that the methods and controls must be used both at the enterprise (integrated into automated lines) and directly at sales points (have mobility), a model of a portable automated complex is proposed, which is based on the method of weight impedance Electrometry (VEM), which will make it possible to analyze the liquid without opening the container and sampling, comparing the «image» of the liquid under study with the reference «image». As our research has shown, liquid and non-ALCOHOLIC beverages (including bottled drinking water, vegetable oils, dairy products, etc.) are sold in various containers (glass, polymer, etc.), which are usually filled by automated lines and installations, and their compliance and quality, in addition to determining chemical properties, can be identified by a number of criteria.
comparative analysis
rapid identification
automated system
the parameters of the liquid
the image of the product

Актуальность предлагаемого подхода и его востребованность обоснована решением Госсовета от 28.08.2017 по вопросу «О национальной системе защиты прав потребителей» и «Стратегией повышения качества пищевой продукции в Российской Федерации до 2030 года», утвержденных Правительством РФ, из которых следует необходимость реализации следующих задач [1, 2]: совершенствование и развитие методологической базы для оценки соответствия показателей качества пищевой продукции; обеспечение мониторинга качества пищевой продукции; создание единой информационной системы отслеживания пищевой продукции; разработка и внедрение системы управления качеством пищевой продукции.

В данной статье речь пойдет о принципиально новом подходе в реализации указанных выше задач, применительно к жидким фасованным пищевым продуктам (ЖФПП) с помощью метода весовой импедансной электрометрии [3] и переносного автоматизированного комплекса (ПАК), его реализующего, защищенных патентом РФ [4], применение которых может полностью ликвидировать контрафакт ЖФПП, а также стать соответствующей подсистемой в «Национальной системе управления качеством пищевой продукции» [5].

Как показали наши исследования ЖФПП реализуются в различной таре, розлив в которую, как правило, осуществляют автоматизированные линии и установки, а их соответствие и качество, помимо определения химических свойств, можно идентифицировать по ряду физических параметров (плотности, кинематической и динамической вязкости, диэлектрической проницаемости, проводимости и критериям подобия) [6].

Методы и средства по контролю качества и безопасности алкогольной и безалкогольной продукции, в т.ч. питьевой бутилированной воды, изложенные в технических регламентах и стандартах, достаточно строгие, трудоемкие и затратные (оборудование, персонал), а также требуют периодического изъятия продукции из оборота для отбора проб [3, 5]. Очевидно поэтому, всю большую популярность приобретают готовые решения, основанные на компаративном анализе ЖФПП, т.е. использующие метод сравнения «образов» (акустических, электрических, механических и т.д.) эталона и произведенного продукта, или/и нахождения взаимосвязей между различными параметрами ЖФПП [4, 7].

Среди большого перечня средств измерений наиболее точным среди «дистанционных» методов, не требующих отбора проб, является ИК-спектрометрия [8].

В ИК-спектрометре с Фурье-преобразованием, при пропускании излучения через жидкость происходит возбуждение колебательных движений молекул (отдельных фрагментов молекул), а также ослабление интенсивности излучения при тех длинах волн, энергия которых соответствует энергиям возбуждения колебаний в излучаемых молекулах [8]. Эта особенность используется для качественной идентификации жидкости при помощи ИК-спектрометра, который позволяет снять ИК-спектр вещества, а, благодаря наличию большой базы спектров эталонов, становится возможным оценить степень соответствия эталону при помощи сравнительного корреляционного анализа или выполнить библиотечный поиск [8].

В ИК-спектрометрах блок прибора, ответственный за разложение спектра по частотам, называется анализатор частоты, который может выполнять физическое (дисперсионная ИК-спектроскопия) или математическое разложение длин волн (ИК-спектроскопия с Фурье-преобразованием). Однако, в связи с тем, что физическое разложение длин волн очень продолжительный процесс, ИК-спектроскопия с Фурье-преобразованием на данный момент вытиснила дисперсионную ИК-спектроскопию [8].

В схеме луч падает на светоделитель, из-за чего получается два луча примерно одинаковой интенсивности. Далее, каждый из этих лучей отражается от своего зеркала и возвращается на светоделитель, где лучи объединяются, создают интерференцию и попадают на детектор. Одно из зеркал в интерферометре является подвижным: его положение постоянно меняется, за счет чего возникает меняющаяся разность хода, что приводит к положительной или отрицательной интерференции [8].

missing image file

Рис. 1. Схема интерферометра

missing image file

Рис. 2. ИК-Фурье спектрометр (FT-IR)

missing image file

Рис. 3. Общий вид прибора с указанием основных конструктивных элементов

В настоящее время ИК-спектрометры широко используются в фармацевтической и пищевой промышленности, на предприятиях по производству полимеров и композитов, топлив и масел, однако метод не чувствителен к примесям, если они не превышают 1 %. Другое ограничение заключается в том, что многие жидкости и газы, вода и углекислый газ в частности, имеют в ИК-области очень сильное поглощение [8, 9].

Наиболее интересным, с точки зрения «бесконтактности и быстроты» идентификации, является «Ручной прибор для обнаружения огнеопасных жидкостей в закрытых сосудах (ППБ)», позволяющий оценивать пространственное распределение электрических свойств среды и определять характеристики жидкости независимо от размеров контейнера, толщины его стенок или наличия воздушных зазоров между прибором и сосудом. На измерительных электродах устройства наводятся потенциалы, величина которых зависит от источника напряжения, расстояния между активным электродом и измерительными электродами и комплексной диэлектрической проницаемости среды. В свою очередь, электрические свойства жидкости (диэлектрическая проницаемость и проводимость) позволяют однозначно оценить ее опасность. С другой стороны, прототип поставляется уже со стандартным программным обеспечением и не может быть перепрограммирован, так как не имеет разъема подключения [10].

Время обследования емкости с жидкостью составляет несколько секунд, а, благодаря малым габаритам, LQtest 2.8 имеет высокую мобильность.

Общим «недостатком» указанных средств является их высокая стоимость, а ИК Фурье-спектрометр требует ещё высококвалифицированного специалиста.

missing image file

Рис. 4. Полевая структура LQtest 2.8: 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

Именно поэтому, для обеспечения сплошного контроля наиболее «контрафактно-опасных» жидких фасованных пищевых продуктов, которыми оказались бутилированная вода и спиртоводочная продукция, был разработан и защищен патентом РФ на изобретение, метод весовой импедансной электрометрии и переносной комплекс, его реализующий [4].

Переносной автоматизированный комплекс

Метод весовой импедансной электрометрии (ВИЭМ) с емкостным датчиком-крышкой был опробован на различных фасованных жидких продуктах (масло, алкогольная и безалкогольная продукция) и показал достаточную точность их идентификации без вскрытия тары и отбора проб.

Сущность метода ВИЭМ заключается в том, что, из-за внедрения на этапе фасовки датчика-крышки, появляется возможность измерить указанные выше электрофизические параметры жидкости, без нарушения герметичности упаковки, т.е. определить «образ» исследуемой жидкости, сравнить его с «образом эталона» и вычислить критерии подобия (электродинамический, электромагнитный, диэлектрический, электроиндуктивный и электроемкостный) [3, 4].

Для реализации такого компаративного анализа ЖФПП был разработан переносной автоматизированный комплекс (ПАК).

missing image file

Рис. 5. Структурная схема ПАК

Установка для осуществления способа экспресс-анализа ЖФПП состоит из компьютера с подключением к нему через соответствующие интерфейсы электронных весов и измерителя иммитанса, который соединен с емкостным датчиком-крышкой, опускаемым в исследуемый жидкий продукт, через отверстие в таре, куда тот расфасован, а с помощью соответствующего программного обеспечения, управляемого компьютером, осуществляющая в течение десятка секунд идентификацию жидкого продукта и определение его качества путем сравнения измеренных и вычисленных параметров с введенными/хранящимися в памяти параметрами эталонов [5].

«Образы» эталонов, например, бутилированной питьевой воды, которые вводятся и хранятся в памяти компьютера, состоят из двух групп характеристик: первая – характеристики жидкого продукта, расфасованного в тару; вторая – характеристики тары, в которую расфасован жидкий продукт (тип и вес тары, тип и вес крышки тары, объем тары) [4, 5].

Измерение температуры окружающей среды и массы продукта является стартовым этапом идентификации. Компьютер, получив данные с электронных весов и датчика температуры, преступает к расчету плотности жидкого продукта по соответствующей формуле (требуются данные эталонных масс тары, объема тары, масс крышки), а также производит расчет плотностей при стандартных положительных и отрицательных температурах.

Далее, компьютер управляет измерителем иммитанса Е7-25, на предмет проведения измерений значений электропроводностей (G), сопротивлений (R), емкостей (C), тангенсов углов потерь (tgδ) и токов утечки (I), на фиксированных значений частот измерений из диапазона от 10 Гц до 1 МГц, которые записаны в управляющей программе компьютера. При этом, полученные данные образуют спектры значений, записываемые компьютером и используются для последующих вычислений относительной диэлектрической проницаемости (ε) воды, ее динамической вязкости (η0), для чего вычисляются макро- (τ) и микроскопические времена (τ0) релаксации [3, 4]. Кинематическая вязкость жидкости (ν), расфасованной в емкости, изменяется в зависимости от температуры: для идентификации жидких и вязких продуктов по температуре застывания используются формулы Вальтера, при значении кинематической вязкости 10000 мм2/с [3]. Соответственно, совокупность параметров идентифицируемого продукта, формирующая «образ» продукта приведена в таблице.

Номенклатура параметров «образа»

Наименование параметра

Обозначение

Размерность

Диапазон изменения

1

Масса продукта

m

кг

0,25 – 20

2

Объем продукта

V

м3

(0,25 – 20) ×10-3

3

Плотность продукта

ρ

кг/м3

990-1000

4

Электропроводность

G

См (1/Ом)

0,000001-0,2

5

Сопротивление

R

Ом

5 – 106

6

Ток утечки

I

A

10-6-0,2

7

Емкость (при емкостном датчике)

C

пФ

10-3 – 1012

8

Температура

Т

°С

1 – 50

9

Фактор потерь

tgδ

б/р

10-6-10-3

10

Удельная электропроводность

σ

мкСм/см

50-1500

11

Магнитная проницаемость

m

Гн/м

(8 – 9)×106

12

Модуль комплексного сопротивления

|Z|

Ом

900 – 9500

13

Угол сдвига ком-плексн.сопр.

φ

градус

минус 180 ° – плюс 180 °

14

Кинематическая вязкость

ν

м2/с

(0,3 – 1,8)×10-6

15

Динамическая вязкость

η

Н×с/м2

(0,3 – 1,8)×10-3

16

Частота

f

Гц

10 – 106

17

Диэлектрическая проницаемость

ε

Ф/м

60-90

Таким образом, совокупность измеренных и вычисленных параметров при помощи переносного автоматизированного комплекса формирует «образ» исследуемой жидкости.

Окончательная идентификация бутилированной воды, а также соответствие ее установленным параметрам качества и количества, осуществляется с учетом допустимых отклонений, установленными соответствующими стандартами и техническими условиями на расфасованные жидкие продукты и их тары.

Заключение

Переносной автоматизированный комплекс, базирующийся на методе весовой импедансной электрометрии, имеет большой потенциал в области экспресс-идентификации ЖФПП, и может быть задействован при реализации национальной системы защиты прав потребителей, а также в повышении качества пищевой продукции в Российской Федерации.