بخشی از مقاله
چکیده:
بیشتر مواد غذایی از موادی که در برابر جریان الکتریکی عایق هستند، تشکیل شده اند . مواد غذایی نارسانا شامل موادی مانند: روغن ها، چربی ها، غلات خشک و برخی از محصولات مانند شکلات، کره و... هستند. کاربرد سنسورهای خازنی نظارت بر یکنواختی محصولات در حین انتقال به صورت آنلاین، اندازه گیری رطوبت محصولات، نظارت بر جریان دو فاز و محاسبه وزن با سرعت بالا و... است .
یکی از جذاب ترین تکنولوژی های اندازه گیری ظرفیت خازن، نمایش ظرفیت مخازن بسته است. این تکنیک با عنوان پرتونگاری خازن الکتریکی - - ECT شناخته می شود که برای اندازه گیری و نمایش شدت توزیع دو مایع مفید است.در این مقاله سعی شده است به مفاهیم اساسی خازن های الکتریکی، اندازه گیری دی الکتریکی, تکنیکهایی فاز تحقیقاتی و کاربرد این تکنیک ها برای آزمایش و نظارت بر مواد غذایی پرداخته شود.
مقدمه:
در طول چند سال گذشته آزمون های غیر مخرب برای کنترل کیفیت غذا در صنعت مواد غذایی و مؤسسات تحقیقاتی افزایش قابل توجهی داشته است. مزایای اصلی برنامه های آنلاین و آزمون های غیر مخرب، کاهش زمان آنالیز و کاهش هزینه های آنالیز است. تجهیزات آزمون های غیر مخرب در سراسر جهان استفاده می شود. در صنایع غذایی در حین کنترل مواد اولیه ورودی به کارخانه ، کنترل فرآیند برای نمونه برداری از محصول روی خط تولید، آنالیز سریع محصولات نهایی برای خروج از کارخانه، توسعه کیفیت محصول و... استفاده می شود.
خازن در ساده ترین شکل از دو سطح با بار مخالف تشکیل شده است که صفحات رسانا توسط عایق از هم جدا شده اند. در بین این دو صفحه میدان الکتریکی ایجاد می گردد. خازن دستگاهی است که می تواند بار الکتریکی را در خود ذخیره کند . ویژگی خازن این است که به هنگام عبور جریان ولتاژ را ثابت نگه می دارد که این ظرفیت خازن نامیده می شود. اگر ظرفیت خازن بیشتر باشد، جریان بیشتری در لحظه اول در مدار برقرار می شود و اگر در مدار خازن باشد نود درجه اختلاف فاز بین شکل موج ولتاژ وجود دارد. ظرفیت خازن به شکل هندسی الکترود بستگی داردکه با افزایش فاصله الکترودها از هم ظرفیت کم می شود و با افزایش سطح زیاد می گردد و همچنین به ماهیت ماده بین الکترود هم وابسته است.
ظرفیت خازن با استفاده از این رابطه تعریف می شود:
در بسیاری از برنامه های کاربردی در این مقاله ، خازن بین دو الکترود بسیار کوچک است و معمولا از fF استفاده می شود - . - 10-15 F =1fF مدارهای جدید الکترونیکی قادر به اندازه گیری تغییرات تا0.1 یا کمتر از این مقدار هستند و سرعت پردازش10000نمونه بر ثانیه را دارند. اگر به جای هوا ماده عایق - دی الکتریک - جایگزین شود جریان بین صفحات بیشتر می شود و ظرفیت خازن افزایش می یابد. ثابت دی الکتریک را با K نشان می دهد که بین رنج1تا10 است - آب خالص K=80است - .
ساده ترین شکل سنسورهای خازنی شامل 2 الکترود است که نمونه نزدیک آنها یا بین آنها قرار می گیرد. در اغلب موارد ظرفیت بین دو الکترود خازن در مقایسه با ظرفیت الکترود ها و زمین بسیار کوچک اند و اندازه گیری ظرفیت بین دو الکترود خازن را مشکل می کند. اگر ولتاژ و ظرفیت الکترود با زمین حذف شود به راحتی ظرفیت 2 الکترود با هم اندازه گیری می شود.
روش های متداول زیادی - اندازه گیری جریان سینوسی بین 2 الکترود - برای محاسبه ظرفیت بین جفت الکترود وجود دارد ولی اکنون از تحریک یک موج مربعی برای الکترودها استفاده می شود.
روش های اندازه گیری ظرفیت خازنی:
بسیاری از روش های مناسب موجود برای اندازه گیری خازن بین الکترودها وجود دارد و باکستر در سال 1997 خلاصه ای از روش های در دسترس را گزارش داد. در روش های سنتی یک ولتاژ سینوسی را بین الکترودها اعمال می کند و این جریان را اندازه گیری می کنند که روشی ساده و بسیار موفق است. با این حال در بسیاری از کارهای عملی از تحریک موج مربع الکترودها استفاده می شودکه به راحتی ظرفیت الکترود با زمین حذف می گردد ظرفیت جفت الکترود خازن قابل محاسبه است
کاربرد سنسور های خازنی:
از سنسور های خازنی برای نظارت بر یکنواختی محصولات در حین انتقال، اندازه گیری رطوبت محصولات، نظارت بر جریان دو فاز و چک کردن وزن با سرعت بالا استفاده می شود.این روش های اندازه گیری غیر مخرب هستند و با سرعت بالا انجام می شوند.
تشخیص بیسکویت های ناسالم:
یکی از کاربردهای مدارهای سنسورهای ظرفیت، آشکارسازی بیسکویت های معیوب است. این ویفرها توسط رسانایی و ظرفیت خازنی معلوم می شوند؛ به طوری که زمانی بیسکویت بین دو الکترود قرار می گیرد امپدانس آن مشخص می شود. تفاوت اصلی بین بیسکویت سالم و معیوب در میزان رسانایی آنها است که توسط امپدانس سنسور خازن مشخص می شود.
الکترود های خازن به روش های مختلفی مرتب می شوند برخی از این روش ها برای بیسکویت 2 تیکه در شکل 1 نشان داده شده است:
شکل:1چیدمان مختلف الکترودهای خازن
در شکل بالا S نمایانگر الکترود منبع - اصلی - ،Dنمایانگر الکترود آشکارساز - زمین مجازی - ، E نمایانگر صفحه زمین - پایه - است.
سومین چیدمان - ج - کاربرد بیشتری دارد؛ چون هیچ ارتباط فیزیکی بین اشیا و الکترودها وجود ندارد. در حالت ج الکترود S توسط سیگنال متناوب برانگیخته می شود و جریان ها به سمت الکترود آشکارساز شارش می کند . زمانی که که یک تیکه بیسکویت وارد سنسور می شود بعضی میدان ها الکتریکی بین الکترود s و آشکارساز قطع می شود و توسط تیکه بیسکویت به زمین متصل می شود همین امر دلیل تغییر امپدانس بین الکترود s و آشکارساز می شود. این تغییرات اجازه می دهد که آن بیسکویت استاندارد مشخص و بعد از نوار نقاله خارج شود.
اندازه گیری رطوبت:
در گذشته اندازهگیری رطوبت با روشهای مختلف انجام میشد. در سال 1965 انتشاری از خلاصه تحقیقات نشان داد که اندازه گیری رطوبت دانه با اندازه گیری خازنی به روش غیر مستقیم روشی معتبر و راحت است. این روش توسعه پیدا کرد و به صنعتی پرقدرت در پردازش دانه تبدیل شد
برای اندازه گیری رطوبت می توان از سنسورهای خازن که طیف وسیع از مواد پودری تا جامد را شامل می شود استفاده کرد . این نوع اندازه گیری غیر مخرب است که می توان نمونه کامل یا بسته ای از محصولات را اندازه گیری کرد. این روش سریع است و با هدایت نمونه از داخل سنسور خازن اندازه گیری می شود
برای اندازه گیری رطوبت از جریان متناوب متفاوت با دیگر جریان ها که فرکانس آن 60 سیکل در ثانیه است استفاده می شود - هر 1سیکل در ثانیه برابر است با یک هرتز - . فرکانس های مورد استفاده در اندازه گیری رطوبت دانه معمولا بین 1MHZ و 50MHZ است. معمولا تمام سنسورهای رطوبتی خازنی در بازار در محدوده 0.1MHZتا100MHZ کار می کنند.
تبدیل خازن به یک سنسور رطوبت دانه از لحاظ تئوری ساده است؛ در این روش با کمک یک جریان ساده الکتریکی و با عبور دادن آن از مقدار معینی از دانه غلات که این حجم دانه بین دو سنسور خاص قرار گرفته که فاصله دو سنسور طبق محاسبه انجام شده صورت میگیرد، جریان خروجی از سنسور وارد یک کیت الکترونیکی برای تولید اعداد در صفحه نمایش شده و برای کالیبره کردن اعداد خروجی از روش رطوبت سنجی با آون انجام میشود.
شکل هندسی الکترود، فرکانس منبع تغذیه و کالیبراسیون باید بدرستی کنترل شود. ثابت دی لکتریک در بسیاری از غلات به صورت تجربی مشخص شده که معمولا بین 2و3 است. ثابت دی الکتریک با افزایش رطوبت دانه ها افزایش می یابد؛ که ثابت دی الکتریک با توجه به شکل 2در اینجا مخلوطی از هوا و دانه است
شکل:2دانه غلات به عنوان دی الکتریک
با توجه به شکل3 این سنسور شامل 2 الکترود موازی و مجاور است که در شکل برخی از تنظیمات الکترود سنسور نشان داده شده است.
شکل:3اساس اندازه گیری ظرفیت سنسورهای رطوبت
این اندازه گیری در ابتدا احتیاج به کالیبره کردن با نمونه مرطوب دارد. شاخص های اندازه گیری شامل: ظرفیت خازنی - C - ، رسانایی - G - و نسبت G/C است که برای نمونه های ناشناخته از نمونه های مشابه استفاده کرد. یکسری آزمایشات روی بیسکویت گندمی با رطوبت کمتر از %20 انجام شد که باتوجه به نمودار شماره 1 نشان داد که نسبتG/C مستقل از اندازه نمونه است که پارامتر مهمی در تعیین میزان رطوبت ماده است.
در یک آزمایش دیگر رطوبت از دانه گندم سست اندازه گیری شد که باتوجه به نمودار شماره 2 نشان داد میزان رطوبت به اندازه دانه بستگی دارد
