Регистрационный номер НТЦ «Информрегистр» 0420900012
Свидетельство о регистрации СМИ Эл № ФС77-32022
ISSN 1990-4665
  English
 Журнал
Главная
Свежий номер
Архив номеров
Разделы
О журнале
Этика научных публикаций
Статистика
География

 Авторам
Условия публикации
Порядок публикации
Образцы документов
Оформление статей
Оформление ссылок
Статус публикаций
Авторские права
Наши авторы

 Редакция
Редакционный совет
Редколлегия
Объявления
Ссылки
Контакты

 Документы
Оформление и публикация (в одном файле)





Кто здесь?


CC BY  «Attribution» («Атрибуция»)
 Версия для печати
 Файл в формате pdf


УДК 664:51-52(043.3)



АВТОМАТИЗАЦИЯ РАСПОЗНАВАНИЯ ГАЗИРОВАННЫХ И ИГРИСТЫХ ВИН

Посмитный Е.В. – ассистент

Кубанский государственный технологический университет


В статье рассмотрен вопрос определения типа вина на основе анализа динамики выделения  в процессе его кавитационной десорбции при открывании бутылки.


Производство шампанских вин является сложным процессом, результаты которого зависят как от качества поступающего сырья, так и от точности следования технологической инструкции. В случае изменения параметров технологического процесса может быть получена продукция, либо не соответствующая стандартам данной отрасли, либо удовлетворяющая существующим в настоящее время стандартам, но отличающаяся от достоверных образцов по каким-либо еще не зарегистрированным показателям.

В настоящее время не существует простых критериев, позволяющих на основе анализа образца вина определить, были ли выдержаны все технологические условия при производстве или нет. Используемые в настоящее время критерии основаны в большей части на органолептических оценках. Подобная оценка по определению является зависимой от состояния эксперта-дегустатора, что, в свою очередь, является неконтролируемым.

Одним из отличительных признаков шампанских вин является длительное выделение углекислоты ("игра вина") в процессе его кавитационной десорбции. Длительная "игра" вина говорит о том, что в нем имеются связанные молекулы углекислоты, получаемые в процессе шампанизации вина. Разработка метода оценки игристых свойств вина является в настоящее время актуальной задачей в связи с тем, что рынок наполнен фальсифицированной продукцией (газированные вина, выдаваемые за шампанские), отслеживание которой на текущий момент требует проведения ресурсо- и трудоемких анализов. Разработка простой методики осуществления экспресс-анализа какого-либо характерного параметра шампанского вина позволит увеличить количество и качество проверок, что снизит процент фальсифицированных шампанских вин на рынке.

В работе [1] было показано, что достаточно эффективным при определении типа вина является анализ динамики выделения углекислого газа в процессе кавитационной десорбции при открывании бутылки (снятии избыточного давления в газовой камере). Анализ существующих разработок в данной области показал, что в настоящее время не существует каких-либо методик, позволяющих проводить анализ игристых свойств вина в автоматизированном режиме. Имеющиеся системы требуют наличия дорогостоящей аппаратуры, высококвалифицированного персонала и значительных затрат времени для проведения исследования.

В результате математической обработки экспериментальных дан­ных, полученных при изучении кинетики выделения (кавитационной десорбции) углекислоты из игристых и шипучих вин [2], установлено, что скорость этого процесса подчиняется следую­щему уравнению:

,                                         (1)

где  – количество углекислого газа, выделяющегося из вина за время ;

–общее количество , способное выделиться в процессе "игры" вина;

с и  – коэффициенты пропорциональности.

Коэффициент с по своему физическому смыслу выражает спо­собность данного вина освобождать и проводить , которая зависит от содержания связанной углекислоты и других факторов, за­медляющих выделение газовых пузырьков.

Коэффициент с может быть использован для объективной оценки игристых свойств. Он достаточно полно характеризует скорость десорбции : чем меньше с, тем сильнее выражены факторы, тор­мозящие выделение углекислоты, медленнее понижается скорость газовыделения, "игра" становится более продолжительной и высоко­качественной в отношении интенсивности и равномерности выделения пузырьков на протяжении всего процесса.

Коэффициент с может быть определен графо-аналитическим методом по кривой выделения  в зависимости от времени.

Для максимально точного определения типа вина необходимо выделить те признаки, которые точно отображают состояние процесса кавитационной диссорбции  из вина при открывании бутылки. В течение этого процесса изменяются различные параметры, как выделяющегося газа, так и вина. Можно использовать для определения типа вина такие характеристики, как температура вина, температура , начальное давление газа в бутылке, динамика изменения расхода .

В ходе предварительных экспериментов [3] было установлено, что температура газа меняется незначительно, на 1..2 градуса. Изменения температуры вина необходимо избегать для устранения ее влияния на воспроизводимость экспериментов; бутылка вина термостатируется. Начальное давление в бутылке до ее открывания является одним из параметров, по которому стандартизируются шампанские вина. Этот параметр различен для шампанских и газированных вин.

В процессе экспериментов были получены данные по начальному давлению в бутылках для разных типов шампанских и газированных вин. Избыточное начальное давление не является характерным признаком и не позволяет с достаточной точностью оценить принадлежность вина к тому или иному типу.

Для шампанских и газированных вин вычислены среднее значение и среднеквадратичное отклонение (СКО) по формулам:

;                                               (2)

                               (3)

где      – среднее значение величины,

 – значение величины,

 – объем выборки,

 – среднеквадратичное отклонение.

Численные значения составили:

- для шампанских вин

 кПа,

 кПа;

- для газированных вин

 кПа,

 кПа.

СКО для шампанских и для газированных вин имеют слишком большие значения для того, чтобы начальное давление в бутылке могло служить критерием определения типа вина.

На рисунке 1 показаны кривые динамики расхода  из вин разных типов. Можно отметить, что кривые расхода  из шампанских вин проходят более полого на начальном участке по сравнению с газированными винами. Это объясняется выделением не только растворенного , но и , находящегося в вине в виде связанных форм.


Рисунок 1 – Кривые расхода  из бутылки для различных типов вин
1, 2 – Советское шампанское полусладкое (Московский комбинат шампанских вин)
3 – Газированное вино (сатурация при давлении 2,5 атм в течение 1 ч.)
4, 5 – Газированное вино (сатурация при давлении 1,5 атм в течение 1 ч.)

Изучение динамики выделения  после открывания бутылки позволило предположить, что возможно существование некоторого критерия, не зависящего от начального давления в бутылке (а соответственно и начального расхода ). Предложен критерий, оценивающий время снижения расхода  из бутылки в N раз по сравнению с первоначальным [4].

Данный критерий включает в себя вычисление относительного расстояния между областями вин по формуле:

,                              (4)

где      – относительное расстояние между областями при заданном параметре N (%);

 – наименьшее время снижения расхода в N раз для шампанских вин;

 – наибольшее время снижения расхода в N раз для газированных вин;

 – наибольшее время снижения расхода в N раз для всех вин;

 – наименьшее время снижения расхода в N раз для всех вин.

Для определения оптимального значения параметра N, соответствующего максимальному расстоянию между областями вин, при варьировании параметра N с шагом, равным 1, был получен набор данных, которые на плоскости "расстояние между областями" – "значение параметра N" представляют собой кривую с явно выраженным экстремумом при N = 17 (рис. 2).


Рисунок 2 – Графическое представление изменения расстояния между областями вин в зависимости от выбранного параметра N

Отрицательное значение критерия говорит о том, что области вин пересекаются.

Для определения оптимального значения параметра N была написана программа на языке Pascal [5], выполняющая анализ экспериментальных данных по разным типам вин.

Анализируя кривую, представленную на графике, можно отметить, что области вин не пересекаются в узком диапазоне параметра N, а максимум приходится на N = 17. На рисунке 3 показано расположение областей вин в координатах "начальное давление" – "время снижения расхода в N раз" при N = 17. Каждая точка соответствует одному эксперименту (одному образцу вина). При изменении параметра N происходит перераспределение точек в пространстве, следовательно, меняется форма и расположение областей, соответствующих разным типам вин.


Рисунок 3 – Распределение областей вин, пересыщенных диоксидом углерода при
 – Газированное вино (сатурация при давлении 1,5 атм в течение 1 ч.)
 – Газированное вино (сатурация при давлении 2,5 атм в течение 1 ч.)
 – Советское шампанское полусладкое (Московский комбинат шампанских вин)

В данной работе рассматривается разделение вин на два класса: газированные и шампанские. Эксперименты с разными типами вин позволили получить два "облака" точек на плоскости. Одно из них соответствует шампанским, другое – газированным винам. Задача распознавания вина заключается в получении на плоскости (координаты "время снижения расхода  в 17 раз" – "начальное давление в бутылке") точки, соответствующей данному экземпляру, и в отнесении данной точки к тому или иному "облаку"-классу. Понятно, что детерминированная оценка не будет в достаточной степени удовлетворять исследователя. Вино может не обладать ярко выраженными игристыми свойствами, но в то же время при его производстве выдерживались технологические нормы. Разбиения объектов на два детерминированных класса явно недостаточно там, где изначально использовалась оценка специалистов-дегустаторов. Наиболее близко по алгоритму к работе системы восприятия и оценки человека лежит работа нейронных сетей. Для обучения сети может быть использована оценка расположения точки на вышеуказанной плоскости, данная дегустатором или специалистом-виноделом. В дальнейшем при появлении дополнительных образцов с типичными для газированных или шампанских вин характеристиками можно проводить дообучение сети, что затруднительно при использовании методов распознавания, основанных на граничном разбиении областей на классы.

Разрабатываемую информационно-измерительную систему можно классифицировать как измерительную систему с элементами диагностики с последовательным опросом датчиков. По характеру взаимодействия с объектом данная система относится к активным. Воздействие на объект происходит по программе, учитывающей реакцию объекта. Структура измерительной системы показана на рисунке 4. Условно она может быть разделена на две части: программную и аппаратную. Программная часть отвечает за формирование алгоритма управления процессом измерения, хранение и визуализацию информации. Аппаратная часть служит для согласования уровней сигналов, получения первичной информации о состоянии объекта.

В формализованном виде объект может быть представлен своими переменными состояниями: давлением в трубопроводе и моментами прохождения капель через датчики. Управляемым является впускной клапан (газовый канал открыт/закрыт).

Датчики давления – пьезоэлектрические. Выходной сигнал токовый (0..5) мА. Для передачи сигналов от датчиков в АЦП требуется их преобразование в напряжение (0..5) В. Эту функцию выполняют преобразователи, выполненные на высокоточных резисторах.

Датчики капли совместно с преобразователями уровня служат для формирования импульса на дискретных входах платы в момент прохождения капли. Преобразователи уровня приводят сигнал от датчиков капли к стандарту ТТЛ сигналов.

Для управления впускным клапаном и системой формирования капли служат дискретные выходы платы.

Информация, собранная посредством платы Lcard-164 поступает в модуль обработки данных. Это программная структура, отвечающая за прием и распределение информации. Функции модуля написаны на языке Ассемблер, что способствует ускорению их выполнения и является необходимым для работы с платой Lcard-164.

После обработки данные поступают в модуль хранения данных и в модуль визуализации. Модуль хранения данных отвечает за формирование промежуточных массивов, запись информации в файл. Модуль визуализации выводит на экран текущие принятые данные в графическом формате (в реальном времени строит графики расхода , давления в трубопроводе, времени прохождения капли между сенсорами).


Рисунок 4 – Структура информационно-измерительной системы

Модуль формирования управляющих сигналов служит для управления подсистемами платы Lcard-164. В его задачу входит формирование временных интервалов между измерениями давления, управление формированием и отслеживанием капель. Функции модуля также написаны на языке Ассемблер.

Так как система практически полностью автоматизирована, то функции оператора сводятся к подготовке и запуску эксперимента, а также контролю внештатных ситуаций.

Для проверки правильности теоретических изложений предлагаемая структура измерительной системы реализована в виде экспериментальной установки, предназначенной для снятия характеристики расхода диоксида углерода из бутылки с вином при ее открывании. Схематическое представление составляющих компонентов установки показано на рисунке 5.


Рисунок 5 – Схема экспериментальной установки для регистрации
расхода
 при открывании бутылки

Рассмотрим подробнее назначение составляющих установки.

Основой установки служит плата аналогового ввода-вывода Lcard-164, предназначенная для ввода информации от датчиков давления по каналам 1 и 2, расхода (каналы 5 и 6) и вывода управляющих сигналов на клапаны 10 и 11. На начальном этапе снятия характеристики расхода избыточное давление в бутылке велико, и позволяет определять расход газа по перепаду давления на сужающем устройстве (дроссель 12). На этой стадии используются два датчика давления типа 408-ДИ с разными верхними пределами (600 кПа и 60 кПа).

Датчик давления 1 также служит для определения начального давления в бутылке. Он используется для определения расхода по перепаду давления на начальном этапе эксперимента при изменении избыточного давления от начального до 30 кПа. При достижении давления в 30 кПа вместо датчика давления 1 включается датчик давления 2. Этот датчик позволяет контролировать расход газа по перепаду давления вплоть до 1 мл/с. По датчикам давления расход определяется на основе формулы:

,                                 (5)

где      – барометрическое давление, Па;

 – избыточное (измеряемое) давление, Па;

 - плотность газа при барометрическом давлении и температуре 20о С;

β - коэффициент пропорциональности.

Определение коэффициента β проводилось с помощью выявления выделенного объема газа при вытеснении им жидкости из тарировочного сосуда при малом постоянном давлении столба жидкости.

При достижении расхода 1 мл/с датчики давления отключаются. Дальнейший замер расхода газа ведется с помощью оригинального датчика малых расходов. Он позволяет регистрировать расход от 1 мл/с до 0.001 мл/с. Работа датчика основана на подсчете времени прохождения некоторого объема газа между двумя датчиками. В качестве метки, вводимой в поток газа, выступает водяная капля. Датчики, регистрирующие прохождение капли, расположены на определенном расстоянии друг от друга вдоль трубки-газопровода. Введение капли в поток газа происходит следующим образом. С помощью клапана 10 поток газа перекрывается на 2 секунды. За это время дозирующее устройство вводит каплю воды в трубку. Затем клапан открывается, и капля начинает двигаться. Моменты прохождения капли через сенсоры S фиксируются. Зная время движения капли между двумя сенсорами и объем трубки между ними, можно определить текущий расход газа по формуле:

,                                                   (6)

где      – объем трубки между сенсорами, мл;

 – время движения капли между сенсорами, с.

Испытания экспериментальной установки проводились в испытательной лаборатории кафедры технологии и организации виноделия и пивоварения Кубанского государственного технологического университета.

Два образца вина, пересыщенного диоксидом углерода, термостатированы, определено начальное избыточное давление, которое в образце   № 1 составило 311 кПа, в образце № 2 – 315 кПа.

В образцы вводили искусственный центр кавитации с воздушно-сухой микрошероховатой поверхностью и регистрировали динамику газовыделения, дополнительно определяя текущий измеряемый расход. В качестве критерия распознавания использовалась детерминированная модель без использования нейронной сети. Определены две временные границы: 191 с – максимальное время снижения расхода в 17 раз для газированных вин, и 260 с – минимальное время снижения расхода в 17 раз для шампанских вин. Данные границы определены на основе анализа серии экспериментов с различными типами вин.

После снижения текущего измеряемого расхода в 17 раз от первоначального фиксировали время, которое для образца № 1 составило 155 с, а для образца № 2 – 293 с.

На основании полученных данных образец № 1 относится к винам газированным, а образец № 2 – к винам игристым. Распознавание образцов проходит в оптимальном режиме, т.к. оба образца равноудалены от границ распознавания по временному признаку.

Таким образом, для того чтобы распознать области шампанских и газированных вин, следует учитывать уровень начального давления и время, за которое текущий измеряемый расход диоксида углерода уменьшится в 15–20 раз по сравнению с первоначальным.

Распознавание принципиальных различий технологии игристых и газированных вин обнаруживается в виде множества повторностей исследуемых образцов, образующих области в системе координат "начальное давление" – "время снижения расхода от первоначального в N раз" и пространственно отстоящих друг от друга. При снижении расхода диоксида углерода в процессе газовыделения из напитка в 17 раз от первоначального распознавание образцов вин различных типов максимально.

Определение подлинности шампанских и газированных вин предложенным аналитическим способом обеспечивает высокую достоверность результатов при минимальных (15 мин.) временных затратах и может быть использовано как в практике контролирующих организаций, испытательных центров, так и в химико-технологическом контроле шампанского производства

Практическая ценность результатов

В процессе работы собран статистический материал по образцам шампанских вин различных производителей (динамика расхода углекислого газа при открывании бутылки), спроектирована и реализована экспериментальная установка, позволяющая в автоматическом режиме регистрировать динамику выделения углекислого газа в процессе его кавитационной десорбции из вина при открывании бутылки. Данная установка реализована в компактном варианте, допускающем ее транспортировку к месту проведения исследований.

Список литературы

1. Мишин, М.В. Идентификация шампанских и газированных вин / М.В. Мишин, Е.В. Посмитный // Виноделие и виноградарство. – 2003. –   № 6. – С. 24–25.

2. Мержаниан, А.А. Физико-химические основы технологии игристых вин : доклад … докт. техн. наук по совокупности опубл. работ /    А.А. Мержаниан. – М., 1962. – 75 с.

3. Посмитный, Е.В. Экспериментальная установка для определения типа вина, пересыщенного диоксидом углерода / Е.В. Посмитный,         Л.А. Посмитная // Труды КубГТУ : Научный журнал. – Краснодар : Изд-во КубГТУ, 2003. – Т. XVIII. Серия "Информатика и управление". – Вып. 2. – С. 172.

4. Пат. 2232984 РФ, МПК7 G 01 N 33/14 C 12 G 1/06. Способ определения типа вина, пересыщенного диоксидом углерода / Мишин М.В., Шахворостов Н.Н., Посмитный Е.В., Зотин В.С., Таланян О.Р. – Опубл. 20.07.2004. – 12 с.

5. Бахвалов, Н.С. Численные методы / Н.С. Бахвалов, Н.П. Жидков, Г.М. Кобельков. – М. : Лаборатория Базовых Знаний, 2001. – 632 с.


 
© Кубанский государственный аграрный университет, 2003-2015
Разработка и поддержка сайта: ЦИТ КубГАУ

Регистрационный номер НТЦ «Информрегистр» 0420900012
Свидетельство о регистрации СМИ Эл № ФС77-32022
ISSN 1990-4665