Diëlektrische technieken voor het on-line bepalen van het vochtgehalte in voedingsproducten

Printervriendelijke versieSend by email
Een nauwkeurige bepaling van het vochtgehalte vormt een belangrijke analyse in alle stadia van de productie van levensmiddelen gezien de implicaties op het gebied van verwerking, bewaring en kwaliteit van levensmiddelen. Technologieën, gebaseerd op diëlektrische meetsystemen zijn hiervoor uitermate geschikt, gezien hiermee een niet-destructieve on-line monitoring van het vochtgehalte mogelijk wordt.

Inleiding

Een belangrijke klasse van meetsystemen ter bepaling van het vochtgehalte zijn deze die gebaseerd zijn op de bepaling van de diëlektrische eigenschappen, aangezien deze eigenschappen beïnvloed worden door een aantal fysische en chemische parameters, waaronder het vochtgehalte. Daarom kan deze kwaliteitsparameter op een eenvoudige manier bepaald worden door het verschil in diëlektrische eigenschappen op te meten. Hier bespreken we eerst de verschillende diëlektrische eigenschappen van een (voedings)product en daarna vermelden we kort de verschillende meetsystemen.

Diëlektrische eigenschappen

In het algemeen kunnen de diëlektrische eigenschappen van een (voedings)product omschreven worden als het geheel van eigenschappen die de interacties beschrijven van dit product met elektromagnetische straling. Een van de belangrijkste eigenschappen is de permittiviteit (ε) die de ladingsdichtheid van een product aangeeft in aanwezigheid van een elektrisch veld. Als een gevolg van dit uitwendig elektrisch veld, ontstaat er een dipoolmoment in het product en is de permittiviteit een maat voor de polariseerbaarheid van een product. De permittiviteit wordt meestal aangeduid door middel van de relatieve permittiviteitswaarde (εr) en bestaat uit twee factoren, de relatieve echte permittiviteit (of diëlektrische constante, ε’) en de diëlektrische verliesfactor (ε’’) volgens de formule: ε=ε’-jε’’, met j de imaginaire eenheid.

De diëlektrische eigenschappen van voedingsproducten worden voornamelijk bepaald door fysische parameters zoals temperatuur, bulk dichtheid en homogeniteit van het product, en een aantal chemische parameters zoals zout-, vet- en watergehalte. Bovendien worden de diëlektrische eigenschappen ook nog eens beïnvloed door de frequentie, typisch  in het microgolf-gebied, waarop gemeten wordt. Van de hierboven vermelde parameters zijn temperatuur en vochtgehalte de belangrijkste parameters die de diëlektrische eigenschappen van een product bepalen. Deze parameters zijn dan ook uitermate geschikt om gemeten te worden via diëlektrische meetsystemen.

Eigenschappen van diëlektrische spectroscopie

Analysesystemen, gebaseerd op diëlektrische spectroscopie, zijn uitermate geschikt voor het opmeten van een continue stroom van een identiek product. Bij een andere productsamenstelling moet (veelal) een nieuwe calibratie uitgevoerd worden aangezien een andere chemische samenstelling aanleiding kan geven tot een ander sensorsignaal. Een andere bijkomende vereiste van deze technologie is het feit dat de analyse moet gebeuren op een homogeen product aangezien grote hoeveelheden lucht ook de meting kunnen verstoren. Daarom moet eerst, in sommige gevallen, een compactering van de productmassa bekomen worden.

De belangrijkste voordelen van deze technologie zijn het feit dat op een niet-destructieve manier een aantal fysische en chemische kwaliteitsparameters on-line opgevolgd kunnen worden. Bovendien zijn de commercieel beschikbare toestellen zeer robuust zodat ze ook succesvol  geïmplementeerd kunnen worden in uiteenlopende productieomstandigheden. Een overzicht van de verschillende toepassingen van diëlektrische spectroscopie kan teruggevonden worden bij Jha et al. (2011).

Systemen voor het online monitoren van het vochtgehalte

Afhankelijk van de specifieke applicatie zijn er verschillende meetsystemen, op basis van diëlektrische spectroscopie, beschikbaar. De finale systeemkeuze zal uiteindelijk afhangen van enerzijds het type, vorm en aggregatietoestand van het product,  en anderzijds het gewenste frequentiebereik en graad van nauwkeurigheid. Er zijn systemen beschikbaar die kunnen meten in reflectie of in transmissie, al dan niet gebruik makend van resonantie. Bovendien kan er ook een onderscheid gemaakt worden tussen open en gesloten systemen.  De belangrijkste meettechnieken (Tereshchenko et al., 2011) voor het opmeten van de diëlektrische eigenschappen zijn (i) de coaxiale kabel techniek, (ii) de transmissie lijn techniek, (iii) de vrije ruimte transmissie techniek, (iv) de parallelle plaat methode en (v) de resonante holte methode. Elk van deze technieken heeft zijn specifieke voor- en nadelen waardoor bij aankoop goed moet overwogen worden dewelke de meest ideale technologie is voor de beoogde applicatie.

Hieronder staan twee commercieel beschikbare systemen weergegeven, die gebruikt kunnen worden voor de bepaling van het vochtgehalte in voedingsproducten: het ‘digital moisture measurement system’ (Fig.1), verdeeld door Automation Components en de ‘microwave resonance moisture method’ (Fig.2), verdeeld door Tews-elektronik.  Beide systemen zijn gebaseerd op de coaxiale kabel techniek. Met het eerste systeem is het mogelijk om het vochtgehalte op te meten in de kern van het voedingsproduct en ook doorheen niet-conductieve materialen, zoals (plexi)glas of teflon. Dit is van groot belang in voedingstoepassingen waar contact tussen de sensor en het voedingsproduct moet vermeden worden.

 

Fig. 1.Afbeelding van de meetsonde van het ACO meetsysteem.

 

Fig. 2.Afbeelding van het TEWS meetsysteem.

 

Nuttige links

  • Op 28 november organiseert Sensors For Food in samenwerking met COHESI/IMEC het  technologie seminarie ‘Innovative Electronics for the Food Industry’. Tijdens dit seminarie wordt de technologie van Automation Components meer in detail besproken tijdens een presentatie. Voor meer informatie over dit seminarie, contacteer Jan Potemans (Jan.Potemans@imec.be).
  • Sensors For Food Dienstverlening:  bent u op zoek naar informatie over sensoren die toegepast worden in de voedingssector of heeft u een specifiek probleem dat aangepakt kan worden met sensoren? Laat het dan weten via het Sensors For Food aanspreekpunt of contacteer Steven Vermeir,steven.vermeir@biw.kuleuven.be

Bronnen

  • Jha, S.N., Narsaiah, K., Basediya, A.L., Sharma, R., Jaiswal, P., Kumar, R., Bhardwaj, R. (2011) Measurement techniques and application of electrical properties for nondestructive quality evaluation of foods-a review. Journal of Food Science and Technology, 48, 387-411.
  • Tereshchenko,  O.V., Buesink, F.J.K., Leferink, F.B.J. (2011) An overview of the techniques for measuring the dielectric properties of materials. 10.1109/URSIGASS.2011.6050287