李紅民,田兆鵬,郭立楊,牟學成,汪 明

(山東建筑大學信息與電氣工程學院,濟南 250101)

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基于介電常數(shù)溫變特性的食用油品質(zhì)機理研究*

李紅民*,田兆鵬,郭立楊,牟學成,汪 明

(山東建筑大學信息與電氣工程學院,濟南 250101)

食用油在高溫煎炸過程中會生成有害物質(zhì),對身體健康及食品安全產(chǎn)生影響。根據(jù)食用油溫度變化對其介電常數(shù)的影響,設計基于介電常數(shù)溫變特性的食用油品質(zhì)分析系統(tǒng)。在電容傳感器探頭設計中,采用等位環(huán)和驅(qū)動電纜技術來避免邊緣電場的影響和寄生電容的產(chǎn)生。文中對3種食用油在32 ℃～150 ℃下進行加熱檢測,并對測量數(shù)據(jù)進行擬合分析,結(jié)果表明:3種被測食用油在不同溫度下呈現(xiàn)不同介電特性,可用于分析和評價食用油的質(zhì)量。

食用油品質(zhì);溫變特性;介電常數(shù);電容傳感器

食品安全問題一直是人們關注的重點,食用油品質(zhì)更是其中的關鍵。目前,我國食用油衛(wèi)生狀況不容樂觀,主要體現(xiàn)在食用油過度使用和地溝油濫用。極性組分是衡量食用油品質(zhì)的重要指標之一,其含量影響人們身體健康[1-2]。我國規(guī)定煎炸油極性組分含量不得超過27%,采用柱層析法作為極性組分的標準檢測方法,其根據(jù)樣品中各組分在固定相和流動相中分配系數(shù)的不同,經(jīng)過多次反復洗脫將樣品中極性組分分離。該方法可以準確測量極性組分的含量,并對其進行相應的科學分析。但存在檢測周期長,操作人員要求高,需現(xiàn)場取樣等不足。

極性組分快速檢測技術主要有電導率法、色譜法、介電常數(shù)法[3-4]。電導率法利用優(yōu)質(zhì)食用油電導率低這一特性,檢測食用油電導率辨別食用油優(yōu)劣,但劣質(zhì)食用油經(jīng)過深度精煉,油脂中水溶性物質(zhì)去除,降低油脂導電率,因此電導率法不適于深度精煉的劣質(zhì)食用油。色譜法檢測油脂中是否含有膽固醇,由于食用油基質(zhì)復雜,色譜法很難完全分離,從而造成靈敏度低,很難對劣質(zhì)食用油進行定性定量分析。食用油極性組分含量越高,油脂介電常數(shù)越大,因此通過檢測介電常數(shù)可以實現(xiàn)油脂品質(zhì)檢測。陳慰宗[5]、宋應謙等研究了花生油、大豆油介電常數(shù)隨加熱時間和溫度的變化規(guī)律,驗證了介電常數(shù)法的可行性。樊之雄[6]、范柳萍將棕櫚油介電常數(shù)和氣相色譜法測定的游離脂肪酸含量相比較,驗證了極性組分含量對食用油介電常數(shù)的影響。

本文采用介電常數(shù)法測量不同溫度下食用油極性組分含量,設計基于介電常數(shù)變溫測量的電容傳感器,實現(xiàn)食用油介電常數(shù)的準確測量。同時考慮介電常數(shù)受溫度變化的影響,對加熱中的食用油進行實時檢測,測量數(shù)據(jù)建模分析,給出相應結(jié)論。

1 系統(tǒng)組成與檢測原理

介電常數(shù)法食用油品質(zhì)分析系統(tǒng),采用傳感器探頭接觸式測量方法,電容傳感器與被測油品完全沉浸接觸,在實際測量中,為防止食用油因加熱產(chǎn)生油滴飛濺,對測量精度產(chǎn)生影響,在探頭表面增加一層聚四氟乙烯介質(zhì)涂層,其具優(yōu)良的化學穩(wěn)定性和耐高溫的特點,能在250 ℃下長期工作,滿足本系統(tǒng)對食用油加熱的要求。油品介電常數(shù)隨溫度變化引起微弱的傳感器電容響應值,利用積分運算測量轉(zhuǎn)換電路調(diào)理放大,該方法可有效地提高電容傳感器的測量靈敏度,保證測量精度。經(jīng)過信號調(diào)理電路轉(zhuǎn)換后進入微控單元中,完成測量數(shù)據(jù)的處理與顯示。

為有效測量食用油溫度對其極性組分的影響,在介電常數(shù)測量系統(tǒng)中加裝了油溫測控裝置,通過電加熱器對被測食用油進行加熱,采用Pt100溫度變送器將溫度信號轉(zhuǎn)換成4 mA～20 mA標準電流信號輸出,通過微控單元轉(zhuǎn)換成被測油品溫度。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

圖1 測量系統(tǒng)框圖

1.1 檢測原理

為實現(xiàn)食用油介電常數(shù)的準確測量,需要分析電容傳感器的工作原理。采用平行板電容器測量,其檢測原理為:

(1)

式中:ε0為真空中相對介電常數(shù);εr為被測物質(zhì)相對介電常數(shù);s為有效測量面積,mm2;d為極板間距,mm。

電容傳感器有效測量電極與測量極板之間存在3種介電常數(shù)不同的介質(zhì),三者電容值為:聚四氟乙烯介質(zhì)涂層為C1,被測食用油為C2,容器杯壁為C3,則極板間總電容CT為三者串聯(lián)得:

(2)

式中:d1、d2和d3為極距,mm;s為有效測量面積,mm2。測量原理圖如圖2所示。

圖2 測量原理圖

式(2)中介質(zhì)涂層極距d1為3 mm,食用油脂極距d2為40 mm、容器杯壁極距d3為1 mm左右,三者均為定值。聚四氟乙烯介質(zhì)涂層具有良好的耐熱性,其介電常數(shù)為2.00,容器杯壁材質(zhì)為石英玻璃,其介電常數(shù)在3.80～3.83之間,可認為容器杯壁的介電常數(shù)為3.80,極板間電容CT與食用油介電常數(shù)ε3之間為單值函數(shù)。食用油介電常數(shù)變化即可通過式(2)轉(zhuǎn)換成電容的變化,再通過后續(xù)的信號轉(zhuǎn)換電路,將電容值CT轉(zhuǎn)換成輸出電壓V0,即得到輸出電壓與介電常數(shù)的函數(shù)關系式。

圖3 傳感器結(jié)構示意圖

2 傳感器設計及相關技術

平行板電容器具有靈敏度高,動態(tài)響應好等優(yōu)點,但存在的問題也比較明顯,主要體現(xiàn)在2個方面[7-8]:①邊緣效應:傳感器極板邊緣電場線彎曲,導致測量結(jié)果的非線性誤差;②寄生電容大:傳感器初始電容較小,為pF級別,后續(xù)的信號傳輸電纜及轉(zhuǎn)換電路中很容易產(chǎn)生寄生電容,從而引入虛假測量信號,降低測量精度。針對電容傳感器在實際測量中存在的問題,對傳感器探頭進行相應的設計[9],電容傳感器結(jié)構如圖3所示。

從圖3可以看出傳感器探頭為圓形平行板電容器,探頭外包裹聚四氟乙烯介質(zhì)涂層,中心部分為有效測量電極,其測量面積為s,測量電容值為式(2)中計算值CT。在有效測量極板的同一平面加一同心金屬圓環(huán)做等位環(huán),相當?shù)诙姌O,從而將彎曲的電場線轉(zhuǎn)移到等位環(huán)上來,保證有效測量極板電場線垂直。等位環(huán)與有效測量電極通過絕緣層隔離,不會將非線性電容信號引入后續(xù)轉(zhuǎn)換電路。外屏蔽層可以屏蔽外界電場對傳感器的影響。

傳感器的初始電容及輸出值較小,一般為pF級別。傳感器信號在傳輸中極易產(chǎn)生寄生電容。針對以上問題常采用驅(qū)動電纜技術[10-11],在芯線和內(nèi)屏蔽層之間通過1∶1放大器,即高精度電壓跟隨器,實現(xiàn)內(nèi)屏蔽層電壓在相位和幅值上跟蹤芯線電壓,但該方案線路復雜,對1∶1放大器要求高,因而成本高且較難實現(xiàn)?？紤]到本系統(tǒng)電纜長度為2 m左右,故而采用不完全驅(qū)動技術,省去了成本較高的1∶1放大器,驅(qū)動方案如圖4所示,驅(qū)動電纜采用低噪聲、低電容內(nèi)外雙層屏蔽結(jié)構,內(nèi)屏蔽一端接探頭等位環(huán),另一端接轉(zhuǎn)換電路屏蔽地(即交流激勵源US地)。外屏蔽層一端接探頭外屏蔽層,另一端與大地相連[12]。由圖中可以看出,芯線(即N點)對大地的電壓與內(nèi)屏蔽層對大地電壓相差UN,因此該驅(qū)動為不完全驅(qū)動。

圖4 驅(qū)動方案原理圖

設芯線與內(nèi)屏蔽層對大地電位分別為U1、U2,放大器的開環(huán)放大倍數(shù)為AV則:

U2=-U0=UNAV

(3)

U1=UN(1+AV)

(4)

故:

ΔU=U1-U2=UN

(5)

則驅(qū)動電纜附加等效電容為:

(6)

式中:C12為內(nèi)屏蔽層對芯線的寄生電容。若C12=200 pF,AV=10 000時,附加等效電容為0.02 pF。

由此可見,當運算放大器開環(huán)放大倍數(shù)足夠大,同時系統(tǒng)電纜長度較短時,附加電容對系統(tǒng)影響很小,可以忽略不計[13-14]。

由積分比例運算放大電路工作原理可知:電容傳感器作為反饋元件,通過芯線將被測總電容CT引入主放大電路,經(jīng)放大后閉環(huán)輸出U0。設交流激勵源US流經(jīng)標準電容CS的電流為IS,反饋回路流經(jīng)CT的電流為IT,則標準電容CS和被測總電容CT的容抗值為:

(7)

(8)

運算放大器理想情況下流經(jīng)被測總電容CT的電流IT和流經(jīng)標準參考電容CS的電流IS大小相等,符號相反,聯(lián)立式(7)和式(8),則反饋放大輸出U0為:

(9)

將式(2)中CT代入式(9)得:

(10)

進一步化簡式(10)得:

(11)

可知輸出U0為食用油介電常數(shù)的單值函數(shù)。

圖5 測量實物照片

3 數(shù)據(jù)分析

測量裝置與傳感器實物如圖5所示,選擇花生油、大豆油和玉米胚芽油3種食用油為測量樣品,150 mL燒杯為測量器皿,傳感器探頭上加裝的固定裝置將傳感器探頭固定于燒杯口,保證電容傳感器測量極距d2為40 mm。記錄不同溫度下3種被測食用油的輸出電壓U0,并對測量值進行數(shù)據(jù)分析。

由式(11)可知輸出U0為食用油介電常數(shù)的單值函數(shù),食用油介電常數(shù)ε2與傳感器輸出U0呈負相關,U0包含溫度對被測食用油介電常數(shù)的影響,其可以通過函數(shù)關系式表示:

U0=f(t)

(12)

測量數(shù)據(jù)為表1所示,在實際測量中針對特定的溫度進行測量,本次選擇的溫度間隔為10 ℃,初始室溫為32 ℃,測得不同溫度下傳感器輸出關系如圖6所示。

圖6 傳感器輸出與溫度關系曲線

溫度/℃花生油/mV大豆油/mV玉米油/mV花生油/mV大豆油/mV玉米油/mV32165016381678162616091630401635161816501610159016005016151590161515841558156460158915571575155015231525701554152215341514148514808015171485148914761450143390147814451449143614101384100143814001390139513651333110139613531339134913181285120135313031280130512731230130130712501217126012231175140126011951150121311701116150121011451079116011201145

第1次加熱擬合函數(shù):

f1(t)=-0.012 96t2-1.446t+1 715

(13)

f2(t)=-0.014 1t2-1.662t+1 707

(14)

f3(t)=-0.016 72t2-1.989t+1 756

(15)

第2次加熱擬合函數(shù)為:

f1(t)=-0.010 82t2-2.04t+1 708

(16)

f2(t)=-0.011 91t2-2.137t+1 695

(17)

f2(t)=-0.013 07t2-2.719t+1 724

(18)

式中:f1(t)為花生油函數(shù),f2(t)為大豆油函數(shù),f3(t)為玉米油函數(shù)。

植物油是結(jié)構不同的脂肪酸甘油酯混合物,高溫加熱后,脂肪酸組分變化,不飽和程度增加,極性組分含量上升。經(jīng)李徐[15]等人的研究表明:極性組分含量與相對介電常數(shù)變化保持線性相關,由于加熱溫度,電容傳感器等因素的不同,線性系數(shù)會發(fā)生變化,但高相關性保持不變。因此利用溫度變化特性可以實現(xiàn)食用油品質(zhì)分析。

分析圖6及擬合函數(shù),3種食用油共性:

(1)3種食用油介電常數(shù)隨溫度升高而增大,極性組分含量上升。

(2)3種食用油介電常數(shù)變化率隨溫度升高而增大,極性組分含量增加越快。通過擬合函數(shù)可知,三者導函數(shù)中溫度t的系數(shù)及常數(shù)項均為負數(shù),說明溫度越高,曲線斜率變化越大,介電常數(shù)升高的速率越大。

(3)3種食用油第2次加熱中,相同溫度下介電常數(shù)均增大,表現(xiàn)為相同溫度下傳感器輸出值U0減小。

3種被測食用油差異主要體現(xiàn)在:

①常溫下,3種食用油介電常數(shù)不同,由圖6(a)及函數(shù)常數(shù)項可得,玉米油介電常數(shù)最小U0為1 756 mV,大豆油最大U0為1 707 mV。說明常溫下玉米油品質(zhì)最好,極性組分含量最少。

②加熱中,3種食用油耐熱性不同,由擬合函數(shù)斜率及其導數(shù)中溫度t的系數(shù)可得,相同溫度下,花生油曲線斜率最小,說明介電常數(shù)變化率較小,導函數(shù)中溫度t系數(shù)絕對值最小為0.025 92,說明其介電常數(shù)受溫度影響程度低。

綜上所述3種油品品質(zhì)分析如下:

常溫下,玉米胚芽油介電常數(shù)最小,傳感器輸出U0最大為1 756 mV,極性組分含量低,油品品質(zhì)最高;花生油次之,U0為1 715 mV;大豆油最差,U0為1 707 mV。

高溫加熱下,花生油介電常數(shù)受溫度影響最小,變化率最低,耐熱性最好;花生油次之;玉米胚芽油耐熱性最差,不適宜高溫加熱使用。

4 結(jié)束語

食用油品質(zhì)檢測,對食品安全和消費者身體健康具有重要意義?；诮殡姵?shù)溫變特性的食用油品質(zhì)分析,有效彌補了傳統(tǒng)柱層析法帶來的操作繁瑣,檢測周期長等不足。本文采用了平行板電容傳感器檢測食用油的介電常數(shù),利用等位環(huán)和驅(qū)動電纜技術,有效克服平行板電容器在檢測中存在的問題,提高了系統(tǒng)測量精度和穩(wěn)定性。通過不同油樣的實際檢測以及測量數(shù)據(jù)的分析,實現(xiàn)了食用油的品質(zhì)有效檢測與定量分析,達到了系統(tǒng)的設計目標,為后續(xù)研究與實際應用打下了堅實的基礎。

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李紅民(1964-),男,山東建筑大學信息與電氣工程學院副教授,主要從事檢測技術與自動化裝置方面的研究,13806416807@126.com;

田兆鵬(1992-),男,山東建筑大學信息與電氣工程學院碩士研究生,主要從事檢測技術與自動化裝置方面的研究,18765863428@163.com。

Mechanism of Edible Oil Quality Based on Dielectric Constant Temperature Change Characteristics*

LI Hongmin*,TIAN Zhaopeng,GUO Liyang,MU Xuecheng,WANG Ming

(School of Message and Electricity Automation,Shandong Architecture University,Jinan 250101,China)

Edible oil generates many harmful substances in the high-temperature frying process,which affects human health and food safety. According to edible oil temperature change on the influence of the dielectric constant,a capacitive measurement system was designed based on the dielectric constant temperature change characteristics for oil quality testing. In the design of capacitive sensor probe,the equipotential ring technology and driven-cable technology were used to avoid the effect of the fringe field and the generation of parasitic capacitance. In this paper,three kinds of edible oil with different temperature characteristics were tested while they were heated from 32 ℃ to 150 ℃,and the measured data were fitted and analyzed. The results showed that three kinds of edible oils displayed different dielectric properties at different temperatures,which can be utilized to analyze and evaluate the quality of edible oils.

quality of edible oil;characteristics of temperature change;dielectric constant;capacitive sensor

項目來源:國家自然科學基金項目(61273326,61573226)

2016-11-14 修改日期:2017-03-08

TP212.1

A

1004-1699(2017)07-1006-05

C:7230;7310K

10.3969/j.issn.1004-1699.2017.07.006