pełny artykuł (full article) - plik PDF

Marek Horyński∗
WYKORZYSTANIE WŁAŚCIWOŚCI ELEKTRYCZNYCH
DO WERYFIKACJI
STOPNIA PRZEMIAŁU ZIARNA ZBÓś
Streszczenie. W artykule przedstawiono stanowisko badawcze, metodykę pomiaru przenikalności
elektrycznej oraz wyniki pomiarów charakterystyk częstotliwościowych składowych zespolonej
przenikalności elektrycznej frakcji otrzymanych w procesie technologicznego przemiału ziarniaków pszenicy w młynie. Wyniki pomiarów sugerują potencjalną moŜliwość wykorzystania właściwości elektrycznych pyłów do oceny jakości przemiału ziarna oraz występowania zanieczyszczeń w materiale poddawanym przemiałowi.
Słowa kluczowe: właściwości elektryczne, przemiał ziarna, jakość mąki, pomiary, częstotliwość
WSTĘP
W zaleŜności od sposobu przemiału rozróŜnia się [Jurga 2003]: przemiał razowy,
podczas którego do mąki przechodzą wszystkie składniki ziarna i przemiał gatunkowy,
polegający na oddzieleniu od bielma cząsteczek łuski i zarodka. Proces ten przeprowadza się w urządzeniach zwanych mlewnikami walcowymi.
Podstawowe grupy zboŜowe róŜniące się między sobą stopniem rozdrobnienia
w trakcie procesu przemiału to:
– mąki, czyli wyrób gotowy procesu przemiału,
– międzyprodukty, np. śruty, mączki i miały,
– produkty uboczne, np. zarodki i otręby.
Mieszanina wszystkich rozdrobnionych cząstek ziarna bez oddzielania części pochodzącej od łuski lub zarodków ziarna nazywana jest mlewem i w zaleŜności od poziomu rozdrobnienia klasyfikowana jako śruty grube i drobne. Produkty te wykorzystywane są do produkcji pieczywa razowego. W przemiale pszenicy w wyniku frakcjonowania mlewa występuje szereg produktów: mąka, miały mączne, miały do wymielania,
miały do czyszczenia, śruciny oraz kaszki drobne, średnie, grube i otrębiaste.
∗ Dr inŜ. Marek Horyński, Katedra InŜynierii Komputerowej i Elektrycznej Politechniki Lubelskiej
WYKORZYSTANIE WŁAŚCIWOŚCI ELEKTRYCZNYCH DO WERYFIKACJI...
93
Miały uzyskiwane są w wyniku sortowania i wyodrębnienia kaszek. Są to produkty
zbliŜone konsystencją do gruboziarnistych mąk. Wykorzystuje się je do produkcji Ŝywności jako mąkę krupczatkę.
Otręby są produktami pochodzącymi z procesu odłuszczania ziarna zbóŜ i otrzymywane są na drodze wymielania produktów przejściowych z mlewa. Są one surowcem
dodatkowym uŜywanym do produkcji pieczywa dietetycznego.
Mąka to końcowy produkt przemiału ziarna. W zaleŜności od uŜytego surowca wyróŜnia się mąkę pszenną, Ŝytnią, jęczmienną, kukurydzianą i inne. W zaleŜności od
udziału w mące otrąb wyróŜnia się wiele typów mąki. Jakość mąki uzaleŜniona jest w
duŜej mierze od zawartości zarodków, które wpływają na obniŜenie jej trwałości.
Właściwa i pełna ocena jakościowa mąki jest zadaniem bardzo trudnym i złoŜonym, wymagającym zarówno wysokich kwalifikacji, jak i odpowiednio urządzonego
laboratorium.
Metody oceny jakości mąki moŜna podzielić na dwie podstawowe grupy [Jurga
2003]: laboratoryjne, organoleptyczne. W ramach oceny organoleptycznej przeprowadza
się próby mające na celu zbadanie następujących cech mąki: wyglądu, barwy, smaku,
zapachu, wilgotności, granulacji oraz obecności szkodników w mące.
Poznanie właściwości elektrycznych podstawowych grup zboŜowych pozwoli na
wykorzystanie metod elektrycznych do oceny ich jakości.
W niniejszej pracy przedstawiono pomiary właściwości elektrycznych produktów
przemiału ziarna, które mogą być wykorzystane do weryfikacji stopnia przemiału.
METODYKA POMIARU
Przedmiotem badań były pyły dielektryczne powstałe z przemiału ziarna pszenicy.
Były one podzielone na frakcje i klasy wymiarowe. Pomiary zostały przeprowadzone
według metodyki przedstawionej na diagramie.
94
Marek Horyński
Pomiary przeprowadzono na stanowisku badawczym przedstawionym na rys. 1.
Wykonywano je w 5 seriach pomiarowych dla kaŜdej frakcji.
Składową rzeczywistą zespolonej przenikalności elektrycznej pyłu dielektrycznego
wyznaczono metodą pośrednią z zaleŜności:
ε, =
Cr
,
C0
(1)
gdzie:
Cr – pojemność kondensatora wypełnionego pyłem, F,
C0 – pojemność kondensatora pustego ( powietrznego ), F.
ε " = ε 'tanδ ,
(2)
gdzie:
δ – kąt strat dielektrycznych,
tan δ = 1/Q – tangens kąta strat dielektrycznych,
Q – dobroć kondensatora z pyłem dielektrycznym.
Rys. 1. Stanowisko badawcze: 1 – analizator impedancji, 2 – komputer, 3 – kabel łączący RS –
232, 4 – komora klimatyzacyjna, 5 – kondensator pomiarowy wypełniony badanymi frakcjami
pszenicy, 6 – drukarka
Fig. 1. Test stand: 1 – impedance analyzer, 2 – computer, 3 – connecting cable RS – 232, 4 –
climatic chamber, 5 – measuring cylindrical capacitor filled in by wheat fractions, 6 – printer
REZULTATY BADAŃ
Na podstawie uzyskanych wyników pomiarów pojemności kondensatora wypełnionego badanym pyłem dielektrycznym wykreślono charakterystyki częstotliwościowe
składowej rzeczywistej przenikalności elektrycznej (rys. 2).
WYKORZYSTANIE WŁAŚCIWOŚCI ELEKTRYCZNYCH DO WERYFIKACJI...
95
ε'
4,00
363
ε '= 9E-20f 4 - 2E-14f 3 + 2E-09f 2 - 6E-05f + 3,4306
3,50
2
657
R = 0,9919
mąka
3,00
2,50
2,00
1,50
ε ' = 2E-19f 4 - 4E-14f 3 + 3E-09f 2 - 0,0001f + 2,7957
1,00
R2 = 0,9636
ε '= 7E-20f 4 - 2E-14f 3 + 1E-09f 2 - 4E-05f + 2,604
R2 = 0,976
0,50
f , Hz
0,00
0
10000
20000
30000
40000
50000
60000
70000
80000
90000
100000
Rys. 2. Wykres składowej rzeczywistej przenikalności elektrycznej frakcji wybranych kaszki oraz
mąki w zakresie częstotliwości 1–1000 kHz
Fig. 2. The real component graph for electric permittivity of flour fractions within the frequency
range 1–1000 kHz
ZaleŜności pomiędzy częstotliwością i granulacją a przenikalnością elektryczną badanych frakcji przemiałowych zbadano stosując funkcję korelacja programu Microsoft
Excel 2000. UmoŜliwia ona stwierdzenie, czy istnieje zaleŜność między zmianami przenikalności elektrycznej wywołanymi zmianą częstotliwości napięcia pomiędzy frakcjami
róŜniącymi się granulacją.
Równanie współczynnika korelacji ρx,y jest następujące:
ρx , y =
Cov ( X ,Y )
σx σ y
,
(3)
gdzie:
− 1 ≤ ρ x,y ≤ 1
(4)
1 n
∑ ( x j − µ x )( y j − µ y )
n j =1
(5)
i:
Cov ( X , Y ) =
gdzie: Cov( X,Y) − kowariancja (tzn. średnia z iloczynów odchyłek kaŜdej pary punktów
danych); umoŜliwia ona określenie zaleŜności pomiędzy dwoma
zbiorami danych,
xj, yj − j-ty element odpowiednio porównywanych zbiorów danych X i Y,
µx, µy − odpowiednio średnie danych zbioru X i Y.
96
Marek Horyński
Korelację moŜna wykorzystać do określenia, czy dwa zbiory danych przesuwają się
razem, to znaczy, czy duŜe wartości jednego zbioru są związane z duŜymi wartościami
drugiego (korelacja dodatnia), czy małe wartości jednego zbioru są związane z duŜymi
wartościami drugiego (korelacja ujemna), czy teŜ wartości w obydwu zbiorach są niezwiązane (korelacja bliska zeru).
WNIOSKI
1.
2.
3.
Analiza wyników pomiarów i obliczeń pozwala stwierdzić, Ŝe:
Przenikalność elektryczna zmienia się wraz z częstotliwością napięcia.
Badane frakcje przemiałowe ziarna pszenicy róŜnią się charakterystykami częstotliwościowymi rzeczywistej przenikalności elektrycznej.
Występowanie róŜnych maksymalnych wartości składowej rzeczywistej przenikalności elektrycznej pyłu (uzaleŜnionej m.in. od frakcji pyłu, częstotliwości) sugeruje
moŜliwość wykorzystania jej do selekcji frakcji przemiałowych mąki oraz kaszy.
PIŚMIENNICTWO
1.
2.
3.
Horyński M. 2001: Wpływ pola elektrostatycznego na właściwości elektryczne ziarna zbóŜ.
Acta Agrophysica 40, 147.
Horyński M., Pietrzyk W., Sumorek A., Ścibisz M., Walusiak S., Grundas S., 2001:
Uzwojenia bifilarne do odpylania w przemyśle rolno spoŜywczym. Acta Agrophysica 43, 90.
Jurga R., 2003: Technika i technologia produkcji mąki pszennej. Wydaw. Czasopism
i KsiąŜek Technicznych SIGMA-NOT.
ELECTRIC PROPERTIES IN MILLING QUALITY VERIFICATION FOR CROP GRAIN
Summary. The paper presents a test stand, measurement procedures for electric permittivity and
test results of frequency characteristics for grain fractions obtained from milling processes in a
wheat mill. Grain fractions of different granulation occur in the result of industrial milling processes. Grain electric properties such as: resistivity and electric permittivity are extremely important
to dust removal efficiency by electrostatic filters. Test results suggest possibility to apply dust
electric properties to evaluate grain milling quality and to detect impurities either in the material
subjected to milling or in the product.
Key words: electric properties, grain milling, flour quality, measuring, frequency
Recenzent: prof. dr hab. Leszek Mościcki