基于介電常數(shù)溫變特性的食用油品質(zhì)機(jī)理研究*

李紅民,田兆鵬,郭立楊,牟學(xué)成,汪 明

(山東建筑大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院,濟(jì)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(jī)理研究*

李紅民*,田兆鵬,郭立楊,牟學(xué)成,汪 明

(山東建筑大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院,濟(jì)南 250101)

食用油在高溫煎炸過(guò)程中會(huì)生成有害物質(zhì),對(duì)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(duì)其介電常數(shù)的影響,設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)中,采用等位環(huán)和驅(qū)動(dòng)電纜技術(shù)來(lái)避免邊緣電場(chǎng)的影響和寄生電容的產(chǎn)生。文中對(duì)3種食用油在32 ℃～150 ℃下進(jìn)行加熱檢測(cè),并對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析,結(jié)果表明:3種被測(cè)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(píng)價(jià)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(wèn)題一直是人們關(guān)注的重點(diǎn),食用油品質(zhì)更是其中的關(guān)鍵。目前,我國(guó)食用油衛(wèi)生狀況不容樂(lè)觀(guān),主要體現(xiàn)在食用油過(guò)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(biāo)之一,其含量影響人們身體健康[1-2]。我國(guó)規(guī)定煎炸油極性組分含量不得超過(guò)27%,采用柱層析法作為極性組分的標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)方法,其根據(jù)樣品中各組分在固定相和流動(dòng)相中分配系數(shù)的不同,經(jīng)過(guò)多次反復(fù)洗脫將樣品中極性組分分離。該方法可以準(zhǔn)確測(cè)量極性組分的含量,并對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的科學(xué)分析。但存在檢測(cè)周期長(zhǎng),操作人員要求高,需現(xiàn)場(chǎng)取樣等不足。

極性組分快速檢測(cè)技術(shù)主要有電導(dǎo)率法、色譜法、介電常數(shù)法[3-4]。電導(dǎo)率法利用優(yōu)質(zhì)食用油電導(dǎo)率低這一特性,檢測(cè)食用油電導(dǎo)率辨別食用油優(yōu)劣,但劣質(zhì)食用油經(jīng)過(guò)深度精煉,油脂中水溶性物質(zhì)去除,降低油脂導(dǎo)電率,因此電導(dǎo)率法不適于深度精煉的劣質(zhì)食用油。色譜法檢測(cè)油脂中是否含有膽固醇,由于食用油基質(zhì)復(fù)雜,色譜法很難完全分離,從而造成靈敏度低,很難對(duì)劣質(zhì)食用油進(jìn)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(guò)檢測(cè)介電常數(shù)可以實(shí)現(xiàn)油脂品質(zhì)檢測(cè)。陳慰宗[5]、宋應(yīng)謙等研究了花生油、大豆油介電常數(shù)隨加熱時(shí)間和溫度的變化規(guī)律,驗(yàn)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(cè)定的游離脂肪酸含量相比較,驗(yàn)證了極性組分含量對(duì)食用油介電常數(shù)的影響。

本文采用介電常數(shù)法測(cè)量不同溫度下食用油極性組分含量,設(shè)計(jì)基于介電常數(shù)變溫測(cè)量的電容傳感器,實(shí)現(xiàn)食用油介電常數(shù)的準(zhǔn)確測(cè)量。同時(shí)考慮介電常數(shù)受溫度變化的影響,對(duì)加熱中的食用油進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè),測(cè)量數(shù)據(jù)建模分析,給出相應(yīng)結(jié)論。

1 系統(tǒng)組成與檢測(cè)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(cè)量方法,電容傳感器與被測(cè)油品完全沉浸接觸,在實(shí)際測(cè)量中,為防止食用油因加熱產(chǎn)生油滴飛濺,對(duì)測(cè)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(xué)穩(wěn)定性和耐高溫的特點(diǎn),能在250 ℃下長(zhǎng)期工作,滿(mǎn)足本系統(tǒng)對(duì)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(yīng)值,利用積分運(yùn)算測(cè)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(cè)量靈敏度,保證測(cè)量精度。經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路轉(zhuǎn)換后進(jìn)入微控單元中,完成測(cè)量數(shù)據(jù)的處理與顯示。

為有效測(cè)量食用油溫度對(duì)其極性組分的影響,在介電常數(shù)測(cè)量系統(tǒng)中加裝了油溫測(cè)控裝置,通過(guò)電加熱器對(duì)被測(cè)食用油進(jìn)行加熱,采用Pt100溫度變送器將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成4 mA～20 mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)輸出,通過(guò)微控單元轉(zhuǎn)換成被測(cè)油品溫度。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

圖1 測(cè)量系統(tǒng)框圖

1.1 檢測(cè)原理

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

(1)

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

電容傳感器有效測(cè)量電極與測(cè)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(cè)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(cè)量面積,mm2。測(cè)量原理圖如圖2所示。

圖2 測(cè)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(rèn)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(guò)式(2)轉(zhuǎn)換成電容的變化,再通過(guò)后續(xù)的信號(hào)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(guān)系式。

圖3 傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

2 傳感器設(shè)計(jì)及相關(guān)技術(shù)

平行板電容器具有靈敏度高,動(dòng)態(tài)響應(yīng)好等優(yōu)點(diǎn),但存在的問(wèn)題也比較明顯,主要體現(xiàn)在2個(gè)方面[7-8]:①邊緣效應(yīng):傳感器極板邊緣電場(chǎng)線(xiàn)彎曲,導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果的非線(xiàn)性誤差;②寄生電容大:傳感器初始電容較小,為pF級(jí)別,后續(xù)的信號(hào)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(cè)量信號(hào),降低測(cè)量精度。針對(duì)電容傳感器在實(shí)際測(cè)量中存在的問(wèn)題,對(duì)傳感器探頭進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)[9],電容傳感器結(jié)構(gòu)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(cè)量電極,其測(cè)量面積為s,測(cè)量電容值為式(2)中計(jì)算值CT。在有效測(cè)量極板的同一平面加一同心金屬圓環(huán)做等位環(huán),相當(dāng)?shù)诙姌O,從而將彎曲的電場(chǎng)線(xiàn)轉(zhuǎn)移到等位環(huán)上來(lái),保證有效測(cè)量極板電場(chǎng)線(xiàn)垂直。等位環(huán)與有效測(cè)量電極通過(guò)絕緣層隔離,不會(huì)將非線(xiàn)性電容信號(hào)引入后續(xù)轉(zhuǎn)換電路。外屏蔽層可以屏蔽外界電場(chǎng)對(duì)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(jí)別。傳感器信號(hào)在傳輸中極易產(chǎn)生寄生電容。針對(duì)以上問(wèn)題常采用驅(qū)動(dòng)電纜技術(shù)[10-11],在芯線(xiàn)和內(nèi)屏蔽層之間通過(guò)1∶1放大器,即高精度電壓跟隨器,實(shí)現(xiàn)內(nèi)屏蔽層電壓在相位和幅值上跟蹤芯線(xiàn)電壓,但該方案線(xiàn)路復(fù)雜,對(duì)1∶1放大器要求高,因而成本高且較難實(shí)現(xiàn)。考慮到本系統(tǒng)電纜長(zhǎng)度為2 m左右,故而采用不完全驅(qū)動(dòng)技術(shù),省去了成本較高的1∶1放大器,驅(qū)動(dòng)方案如圖4所示,驅(qū)動(dòng)電纜采用低噪聲、低電容內(nèi)外雙層屏蔽結(jié)構(gòu),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(lì)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(xiàn)(即N點(diǎn))對(duì)大地的電壓與內(nèi)屏蔽層對(duì)大地電壓相差UN,因此該驅(qū)動(dòng)為不完全驅(qū)動(dòng)。

圖4 驅(qū)動(dòng)方案原理圖

設(shè)芯線(xiàn)與內(nèi)屏蔽層對(duì)大地電位分別為U1、U2,放大器的開(kāi)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(dòng)電纜附加等效電容為:

(6)

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

由此可見(jiàn),當(dāng)運(yùn)算放大器開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)足夠大,同時(shí)系統(tǒng)電纜長(zhǎng)度較短時(shí),附加電容對(duì)系統(tǒng)影響很小,可以忽略不計(jì)[13-14]。

由積分比例運(yùn)算放大電路工作原理可知:電容傳感器作為反饋元件,通過(guò)芯線(xiàn)將被測(cè)總電容CT引入主放大電路,經(jīng)放大后閉環(huán)輸出U0。設(shè)交流激勵(lì)源US流經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)電容CS的電流為IS,反饋回路流經(jīng)CT的電流為IT,則標(biāo)準(zhǔn)電容CS和被測(cè)總電容CT的容抗值為:

(7)

(8)

運(yùn)算放大器理想情況下流經(jīng)被測(cè)總電容CT的電流IT和流經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)參考電容CS的電流IS大小相等,符號(hào)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(jìn)一步化簡(jiǎn)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(cè)量實(shí)物照片

3 數(shù)據(jù)分析

測(cè)量裝置與傳感器實(shí)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(cè)量樣品,150 mL燒杯為測(cè)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(cè)量極距d2為40 mm。記錄不同溫度下3種被測(cè)食用油的輸出電壓U0,并對(duì)測(cè)量值進(jìn)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(fù)相關(guān),U0包含溫度對(duì)被測(cè)食用油介電常數(shù)的影響,其可以通過(guò)函數(shù)關(guān)系式表示:

U0=f(t)

(12)

測(cè)量數(shù)據(jù)為表1所示,在實(shí)際測(cè)量中針對(duì)特定的溫度進(jìn)行測(cè)量,本次選擇的溫度間隔為10 ℃,初始室溫為32 ℃,測(cè)得不同溫度下傳感器輸出關(guān)系如圖6所示。

圖6 傳感器輸出與溫度關(guān)系曲線(xiàn)

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(gòu)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(duì)介電常數(shù)變化保持線(xiàn)性相關(guān),由于加熱溫度,電容傳感器等因素的不同,線(xiàn)性系數(shù)會(huì)發(fā)生變化,但高相關(guān)性保持不變。因此利用溫度變化特性可以實(shí)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(guò)擬合函數(shù)可知,三者導(dǎo)函數(shù)中溫度t的系數(shù)及常數(shù)項(xiàng)均為負(fù)數(shù),說(shuō)明溫度越高,曲線(xiàn)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(cè)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(xiàng)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(shuō)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(dǎo)數(shù)中溫度t的系數(shù)可得,相同溫度下,花生油曲線(xiàn)斜率最小,說(shuō)明介電常數(shù)變化率較小,導(dǎo)函數(shù)中溫度t系數(shù)絕對(duì)值最小為0.025 92,說(shuō)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(yǔ)

食用油品質(zhì)檢測(cè),對(duì)食品安全和消費(fèi)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(bǔ)了傳統(tǒng)柱層析法帶來(lái)的操作繁瑣,檢測(cè)周期長(zhǎng)等不足。本文采用了平行板電容傳感器檢測(cè)食用油的介電常數(shù),利用等位環(huán)和驅(qū)動(dòng)電纜技術(shù),有效克服平行板電容器在檢測(cè)中存在的問(wèn)題,提高了系統(tǒng)測(cè)量精度和穩(wěn)定性。通過(guò)不同油樣的實(shí)際檢測(cè)以及測(cè)量數(shù)據(jù)的分析,實(shí)現(xiàn)了食用油的品質(zhì)有效檢測(cè)與定量分析,達(dá)到了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo),為后續(xù)研究與實(shí)際應(yīng)用打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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

田兆鵬(1992-),男,山東建筑大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院碩士研究生,主要從事檢測(cè)技術(shù)與自動(dòng)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(xiàng)目來(lái)源:國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)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