Об автоматизации идентификации жидких фасованных продуктов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Об автоматизации идентификации жидких фасованных продуктов

Белозеров Валерий Владимирович

Батшев Анатолий Сергеевич

Любавский Алексей Юрьевич

Аннотации

Предметом исследования явились процессы дозирования и контроля жидкой фасованной продукции, на предмет их идентификации, для выделения контрафакта. Установлено, что при наличии "образа тары" (объема, веса) и "образа эталонной жидкости" (плотности, динамической и кинематической вязкости, температуры замерзания и индекса вязкости), появляется возможность экспресс-анализа фасованной жидкой продукции в таре, без её вскрытия. Исследования проводились на разных сортах моторного масла, расфасованных в тары различной емкости (1 и 4 литра). Методология исследования базируется на применении весовой электрометрии расфасованного жидкого продукта, без вскрытия тары, в которую он расфасован. Новизна исследования заключается в разработке и применении "крышки-емкостного датчика", которой закрывается тара с жидкой фасованной продукцией. Такое решение позволяет, перевернув в верх дном тару с жидкой фасованной продукцией и поставив её на электронные весы, подключить, измерить и вычислить в течении нескольких секунд соответствие указанных "образов".

Ключевые слова: фасованная жидкость, вязкость, кондуктометрия, сравнительный анализ, емкостный датчик, измеритель иммитанса, плотность, объем, тара, вес продукция жидкий дозирование

The object of this research is the processes of dispensation and control of the liquid packaged products for the purposes of their identification in order to detect counterfeiting. It is established that with presence of the packaging sample (capacity, weight) and control sample of the liquid (density, dynamic and kinetic viscosity, freezing temperature, and viscosity index), the expert analysis can be conducted without the need to open the container. Experiments were conducted on various types of motor oil, packaged in various containers (1-4L). The methodology relies on application of weight electrometry of liquid packaged products, without opening the container. The novelty of this research consists in development and application a "capacitive sensor cap", which is used on liquid containers. Such solution would allow fast verification of the contents by turning the container upside down, connecting it, and placing it on an electronic scale.

Keywords:

immitance measuring instrument, capacitive sensor, comparative analysis, conductometry, viscosity, packaged liquids, density, volume, container, weight

Введение

Последние исследования жидких фасованных продуктов показали [1,2], что помимо стандартных методов, которые являются лабораторными, чрезвычайно трудоемкими и длительными [3-9], появились экспресс-методы [1,10], позволяющие в течение нескольких минут определить их основные параметры.

Основными параметрами промышленных жидких продуктов (топлив, масел, охлаждающих жидкостей и т.д.), и продуктово-бытовых жидкостей (бутилированной воды, алкогольных и безалкогольных напитков, растительных масел, моющих и косметических средств и т.д.), по которым они идентифицируются (помимо определения их химических составов), являются [3-9]: жидкий дозирование фасованный

- кинематическая и динамическая вязкость,

- плотность,

- температуры замерзания и вспышки/самовоспламенения,

- щелочные или кислотные числа и токсичность,

- цвет, прозрачность и помутнение и др.

И промышленные жидкие продукты (ПЖП), и продуктово-бытовые жидкости (ПБЖ) реализуются, в основном, в различной таре (стеклянной, полимерной и т.д.), розлив в которую, как правило, осуществляют автоматизированные линии и установки [11-15].

Большинство производителей, как ПЖП, так и ПБЖ практикуют защиту своей продукции от подделки применением фирменной тары (бутылок, канистр и т.д.), пломбированием её горлышек различными пробками. Пробки видоизменяют, вводят разрушаемые фиксаторы и голографические наклейки и т.д. Однако, несмотря на все ухищрения, объемы контрафактной продукции не уменьшаются. Так на сегодняшний день до 30% всех моторных масел, реализуемых в России, являются поддельными, подделок охлаждающих жидкостей реализуется до 40%, тормозных жидкостей - до 50%! Аналогичная картина и с ПБЖ [11,12].

Существенным при этом является тот факт, что сертификация и экспертиза ПЖП и ПБЖ (на соответствие действующим техническим регламентам и стандартам) являются длительными и трудоемкими процессами, и они невозможны без вскрытия тары [3-10].

Именно поэтому, с точки зрения кардинального решения "проблемы контрафакта", актуальным является разработка модели адаптации метода весовой импедансной электрометрии (ВИЭМ) к ПЖП и ПБЖ, применение которого позволяет реализовать "сплошной входной экспресс-контроль" любых фасованных жидких пищевых и бытовых продуктов без вскрытия тары, чем защитить продавца и потребителя от подделки [1,2].

Метод ВИЭМ является методом компаративного анализа и базируется на теории подобия, на измерительных методах определения физических свойств продукции (массы, диэлькометрии и др.) и на органолептических методах (визуальном, осязательном и т.д.). Он был испытан на моторном масле Castrol-Magnatec, расфасованным в 1-литровые и 4-литровых полимерные канистры, для чего все канистры с эталонами были взвешены, после чего вскрыты и измерены диэлектрические параметры масел, расфасованных в них [1], вычислены их плотности и параметры вязкости. Далее эталонные масла были перелиты в другую тару, а канистры из-под эталонов были вымыты, высушены и взвешены. Полученные значения составили базу данных ("образы ПЖП") для компаративного анализа.

1. Состояние проблемы

Как следует из метода весовой электрометрии, измерения с помощью "вставляемого" сдвоенного коаксиального датчика двух емкостей (Сдн и Сдв) и двух тангенсов угла потерь (tgд 1,2), позволяют вычислить среднее значение относительной диэлектрической проницаемости (е) образца масла, и при наличии данных эталона (фэ,зэ), - определить динамическую вязкость образца масла (зо), через вычисление его микроскопического (фо) и макроскопического времён релаксации (ф):

(1)

где С он - емкость наружного датчика в воздухе, пФ; С ов - емкость внутреннего датчика в воздухе, пФ.

Принимая во внимание, что измерения проводятся на фиксированных частотах (100 Гц, 1000 Гц и т.д. до 1 МГц), а значение е ? > 1 при высоких температурах (например, при парообразовании), получим:

(2)

Заменяя щ на 2рf и разделив каждый член уравнения на множитель при ф 2, получим:

 (3)

Подставляя частоты измерений и измеренные значения tgд и е, образцов, найдем макроскопические времена релаксации (ф) исследуемых образцов масла при температуре окружающей среды:

(4)

После этого по 3-му уравнению системы (1) определяется микроскопическое время (фо) образца, а по второму - его динамическая вязкость (з о).

Для сравнения полученных результатов, с эталонными значениями при трех стандартных температурах (15єС, 40єС, 100єС) и двух отрицательных - застывания и предельной температуры эксплуатации соответствующего типа масла, было использовано ограничение значения потерь в нефтепродуктах при 100єC (tgд <0,02) и следующие формулы температурной зависимости tgд и е [1]:

tgд (Т) = tgд 20 exp[k· (T - 20єC)] (5)

(6)

при этом изменение плотности от температуры вычисляется по формулам Менделеева:

(7)

где сТ и с293 - плотность нефтепродуктов соответственно при температурах Т и 293К; вр - коэффициент объёмного расширения; ?t = (18,310 - 13,233? с 20°C)?10-4 - температурная поправка к плотности на один градус; t - искомая температура, °C, а зависимости кинематической вязкости от температуры - по формуле Вальтера:

(8)

где эмпирические коэффициенты а и b определяются по известным парам значений н и Т, по следующим формулам:

(9)

Для идентификации образцов масла были использованы данные кинематической и динамической вязкости эталонов при 3-х значениях положительных температур (15°С, 40°С, 100°С) и 2-х отрицательных (застывания и эксплуатационной, зависящей от типа масла), которые были найдены по формулам Вальтера для эталонов [1]:

Аналогично, для идентификации образцов масла по температуре застывания, использованы формулы Вальтера, при значении кинематической вязкости 10000 мм 2/с [1]:

(10)

где 10000 - кинематическая вязкость i-го нефтепродукта при температуре застывания T i, °К; Аi и Вi - константы для i-того жидкого нефтепродукта.

Подставляя полученные значения кинематических вязкостей, с погрешностью менее 1% были найдены температуры застывания исследуемых образцов:

Как следует из результатов исследования [2], подделка достоверно "обнаруживается" по отклонениям: кинематических вязкостей и плотностей при стандартных температурах, недолива/перелива, индекса вязкости и температуры застывания.

Таким образом, для синтеза автоматизированной системы экспресс-контроля жидких фасованных продуктов необходимо и достаточно сконструировать датчик-крышку тары, в которую они расфасовывается. При этом наиболее оптимальным будет коаксиальный датчик (Рис.1).

(а) - трубчатый, (б) - стержневой, (1 - образец, 2 - изм. электрод, 3 - охранное кольцо)

Рисунок 1 - Система из 3-х электродов коаксиального или стержневого образца

Емкость СК трубчатого (коаксиального) датчика (в пФ) (рис.1) определяется по формуле:

(11)

В этом случае необходимо учитывать влияние охранных электродов, поэтому вместо длины измерительного электрода ?в расчет вводят сумму (?+ b), где b - зазор между измерительным и охранным электродами (м), и относительную диэлектрическую проницаемость рассчитывают по уравнению:

 (12)

где h =(D 2-D 1)/2 - толщина жидкости или стенки трубчатого образца (м); С к - емкость с жидкостью или образцом (пФ); D ж = (D 2+D 1)/2 - средний диаметр трубки (м).

В тех случаях, когда b "h, искажением поля у краев электрода можно пренебречь (В =1), в противном случае, для учета этого искажения в трех электродной системе вводят поправочный коэффициент (В), в связи с чем, указанные формулы (11,12) принимают вид соответственно:

На частотах 1000 Гц и выше охранные электроды уже не дают требуемого эффекта, и поэтому при испытаниях диэлектриков применяют датчики без охранных электродов, но в этом случае, при измерении емкости образцов, вводят поправку на краевую емкость, которая учитывается следующим образом:

СК = Сизм - Скр - Сэл (13)

где Сизм - измеренная емкость образца (пФ); Скр - краевая емкость (пФ); Сэл - емкость измерительного электрода относительно земли, (пФ).

Значение емкости Сэл по отношению к земле определяется путем непосредственных измерений или приближенно, для плоского круглого электрода диаметром (D), оно может быть рассчитано по формуле:

Сэл =17,7?10-12?D (14)

При этом, относительную диэлектрическую проницаемость материала определяют как отношение емкости Схконденсатора, в котором пространство между электродами заполнено испытуемым диэлектриком, к емкости С 0 при таким же образом расположенных электродах в вакууме (воздухе):

е = CK/C0 (15)

При достаточно малой толщине электродов (а) по сравнению с толщиной образца (h) краевая емкость в них рассчитывается по формуле:

CКР=2,9D·(-3-2lgh) (16)

При испытании жидкостей или образцов трубчатой формы (рис.9) толщина образца h должна быть меньше 0,1 D 1. В этом случае:

CКР= (D1+h)·(1,9е-5,8lgh-10,6) (17)

При испытании жидких диэлектриков краевую емкость можно учесть с помощью воздуха (е = 1,0) и калибровочной жидкости, для которой точно известна величина диэлектрической проницаемости, а величина tgд <0,01 (например, криоскопический бензол при Т =20°С имеет е = 2,29, а tgд = 0,005).

В этом случае вводится понятие "постоянной электродов", которую определяют по формуле:

C0=(CK+CB)/(еK-1) (18)

где Ск - емкость с калибровочной жидкостью; Св - емкость с воздухом; е - относительная диэлектрическая проницаемость калибровочной жидкости.

Величина С 0 учитывает дополнительную емкость за счет изменения распределения поля у краев электродов при замене воздушного диэлектрика жидким, в связи с чем имеем следующую уточненную формулу расчета диэлектрической проницаемости жидкости с учетом краевой емкости:

е=(CK-CB)/C0 +1 (19)

2. Коаксиальный 3-х электродный датчик-крышка

Для реализации системы сплошного контроля жидкой фасованной продукции был разработан и изготовлен 3-х электродный коаксиальный датчик-крышка (рис.2).

Рисунок 2 - Емкостный 3-х электродный коаксиальный датчик-крышка

Высота всех медных трубок и стержня датчика - 20 мм. Диаметр внешней трубки 20 мм, а внутренней - 13 мм. с толщиной стенок 0,5 мм., диаметр стержня - 6 мм. То есть зазор между внешней трубкой и внутренней (для измеряемой жидкости) - 6 мм. (рис.2), а зазор между внутренней трубкой и стержнем (также для измеряемой жидкости) - 6 мм.

Из формулы (1) следует, что емкость наружной секции датчика (на воздухе и без охранного кольца) должна составить:

С дн = 6,28?1,005?8,85?10-12 *0,02/ln(0,019/0,013) = 2,94374E-12 Ф или 2,94 пФ,

а емкость внутренней секции датчика (между внутренней трубкой и стержнем -

С дв = 6,28?1,005?8,85?10-12 *0,013/ln(0,012/0,006) = 1,04758E-12 Ф или 1,05пФ.

При параллельном соединении секций получается - 3,99 пФ, а при последовательном - 2,94?1,05/(2,94+1,05) = 0,77 пФ.

Измерениями на различных частотах зарегистрированы следующие значения:

1000 Гц - С дн = 2,71 и С дв = 1,07 пФ;

10000 Гц - С дн = 2,94 и С дв = 1,12 пФ;

100000 Гц - С дн = 2,99 и С дв = 1,17 пФ;

100000 Гц - С дн = 2,68 и С дв = 0,99 пФ;

При калибровке в криобензоле были получены следующие значения:

С дн = 8,82 пФ, а С дв = 3,15 пФ.

Тогда, применяя формулу (18) вычислим краевую емкость электродов:

С одн = (8,82 - 2,71)/(2,9 -1,0) = 3,22 пФ

С одв = (3,15 - 1,07)/(2,9 -1,0) = 1,09 пФ

Следовательно, результирующая формула расчета относительной диэлектрической проницаемости масла "внешним и внутренним" датчиками:

е = (С измдн - 2,71)/3,22 +1 (20)

е = (С измдв - 1,07)/1,09 +1 (21)

3. Модель автоматизированной системы сплошного контроля жидкой фасованной продукции

Принимая во внимание результаты НИР, модель системы сплошного контроля жидкой фасованной продукции можно представить (рис.3), как совокупность переносного автоматизированного комплекса (ПАК) и следующих подсистем[16,17]:

- подсистемы потребителя (реализатора) жидкой фасованной продукции (магазины, аптеки и т.д.), состоящей из ПАК с соответствующим программным обеспечением, включающего в себя: ноутбук, измеритель иммитанса и электронные весы с контактной площадкой под различные крышки тары (со встроенными коаксиальными датчиками с выводами наружу), в которые фасуется жидкая продукция;

- подсистемы производителя жидкой фасованной продукции, который для защиты своей продукции от подделки, разработал и применил крышку со встроенным в неё емкостным датчиком с выводами наружу, и, например, на своем сайте в Интернете размещает "электронные сертификаты" - "образы эталонов" выпускаемой жидкой фасованной продукции, которые "скачиваются" в ПАК;

- подсистемы муниципального надзора за качеством жидкой фасованной продукции, которая реализуется с помощью ПАК сотрудниками соответствующих государственных и общественных структур.

Рисунок 3 Блок-схемы модели системы и ПАК

Библиография

1. Белозеров В.В., Босый С.И., Прус Ю.В., Удовиченко Ю.И., Белозеров В.В. Разработка методики компаративного анализа вязких жидкостей (на примере моторного масла) // Отчет о НИР № 2015-ХД/1 от 30.01.2015 (ООО "НПТ Центр ОКТАЭДР") - URL: http://elibrary.ru/item.asp?id=24495039 (дата обращения 15.09.2016).

2. Белозеров В.В., Кудрявцев Ю.А., Плахотников Ю.Г. Исследование партии фасованного моторного масла CASTROL MAGNATEC на предмет определения контрафактной продукции // Отчет о НИР № 2015/12 от 23.03.2015 (ООО "ПОЛИЭКСПЕРТ")-http://elibrary.ru/item.asp?id=24555474 (дата обращения 15.09.2016).

3. ГОСТ 4.24-84 Масла смазочные. Номенклатура показателей /ИУС 4-94 - М.: Стандартинформ, 1994. 14 с.

4. ГОСТ 17479.1-85 Масла моторные. Классификация и обозначение. М.: Стандартинформ, 2006. 42 с.

5. ГОСТ 33-2000 (ИСО 3104-94) Нефтепродукты. Прозрачные и непрозрачные жидкости. Определение кинематической вязкости и расчет динамической вязкости. М.: Стандартинформ, 2000. 23 с.

6. ГОСТ Р 8.595-2004 Масса нефти и нефтепродуктов. Общие требования к методикам выполнения измерений. М.: ИПК Изд-во СТАНДАРТОВ, 2005. 14 с.

7. ГОСТ 3900-85 Нефть и нефтепродукты. Методы определения плотности. М.: ИПК Изд-во СТАНДАРТОВ, 2003. 140 с.

8. ГОСТ 25371-97 (ИСО 2909-81) Нефтепродукты. Расчет индекса вязкости по кинематической вязкости. Мн.: Межгосударственный совет по стандартизации, метрологии и сертификации, 1997. 9 с.

9. ГОСТ 11362-96 (ИСО 6619-88) Нефтепродукты и смазочные материалы. Число нейтрализации. Метод потенциометрического титрования. Мн.: Межгос. совет по стандартизации, метрологии и сертификации, 1996. 18 с.

10. Зрелов В.Н., Алаторцев Е.И., Шаталов К.В., Зрелова Л.В., Бордюговская Л.Н. Способ экспрессного определения кинематической вязкости авиационных керосинов и дизельных топлив - Патент РФ на изобретение № 2263301 от 27.10.2005.

11. Зарубежные масла, смазки, присадки, технические жидкости: ассортимент, свойства / Резников В.Д. и др. ISBN: 978-5-89551-016-2. М.: "Изд. центр "Техинформ" МАИ, 2005. 385 с.

12. Зыкова Т. Треть товаров на российском рынке - подделки // РГ № 4429, 02.08.2007.

13. Хлебушкин И.Н. Как делают масло Castrol //Авторевю № 13, 2014-http://www.autoreview.ru/_archive/section/?SECTION_ID=7837(дата обращения 15.09.2016).

14. Шадрин С.В. Эксплуатационные материалы: методические указания.- Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2014. 35 с.

15. Castrol-http://www.castrol.com/ru_ru/russia/products/cars/engine-oils/castrol-magnatec.html (дата обращения 15.09.2016).

16. Троицкий В.М., Белозеров В.В. Модель системы защиты от подделки жидких пищевых фасованных продуктов //Материалы VIII Международной студенческой электронной научной конференции "Студенческий научный форум" URL: http://www.scienceforum.ru/2016/1963/23412 (дата обращения: 21.09.2016).

17. Белозеров В.В., Троицкий В.М., Белозеров В.В О модели идентификации контрафакта жидких пищевых фасованных продуктов // Рациональное питание, пищевые добавки и биостимуляторы. 2016. № 1. С. 26-36; URL: http://www.journal-nutrition.ru/ru/article/view?id=35710 (дата обращения: 21.09.2016).

Размещено на Allbest.ru