Mikrodalga rezonatör tabanlı sensor kullanarak bitkisel yağların dielektrik katsayılarının ısı değişimine ve kullanım sıklığına göre karakterizasyonu

Abstract

Yağ günlük hayatımızda önemli bir yer eden akışkanlardan birisidir. Yağların, akışkanlık, baz sayısı, kırılma indisi, asit sayıları, yoğunluk, içerdiği su miktarı vb. gibi parametrelerini ölçmek için karmaşık laboratuar ekipmanları gerekmektedir. Bahsi geçen bu karmaşık laboratuar ekipmanları kullanılmadan dielektrik sabitinin reel ve sanal kısımları doğrudan ölçülebilmektedir. Ayrıca, mikrodalga ölçümleriyle de yağlar karakterize edilebilmektedirler ve bunun yanında mikrodalga ölçümleri kolaylığı ve net sonuçlar sunmasıyla yağ kalitesi belirlenmesinde tercih edilmektedir. Mikrodalga ölçümlerinde yansıma ve iletim parametreleri elde edilmekte, bu parametreler kullanılarak dielektrik sabitinin reel ve sanal kısımları hesaplanabilmektedir. Dielektrik sabitinin sanal ve reel kısımlarının oranı ise kayıp tanjantı tanδ olarak bilinmektedir. Kızartma yağı olarak kullanılan ayçiçeği yağının dielektrik sabiti kullanım süresi, kullanım sayısı, sıcaklığı ve içerisinde kızartılan malzemenin özelliğine göre değişim göstermektedir. Bu değişimin sebebi kızartılan maddenin içerdiği su ve diğer parçacıklar gibi kirletici maddelerin varlığı veya yağın kimyasındaki değişikliklerdir. Bu çalışmada, kızartma yağı olarak ayçiçek yağı kullanım miktarını belirlemek için iki farklı sensör yapısı önerilmiştir. İlk olarak, ısının yağın dielektrik parametresi üzerindeki etkilerini görmek için patates örnekleri kullanmadan saf ayçiçeği yağı 16 kez ısıtıldı ve her ısıtma işleminden sonra yeterli miktarda yağ örneği alındı. Sonra, saf ayçiçeği yağı aynı miktarda patates numuneleriyle 16 kez kızartıldı ve benzer şekilde her kızartma işleminden sonra dielektrik ölçümleri için yeterli miktarda yağ numunesi alındı. Daha sonra, ayçiçeği yağı numunelerinin dielektrik sabitinin reel ve sanal kısımları mikrodalga laboratuvarında ağ analizörü tarafından ölçülmüştür. Ayçiçeği yağı karakterizasyonunun bir sonucu olarak, dielektrik sabiti 4-8 GHz bandında, 2,9 dan 3,3’e kadar kullanım sayısına bağlı olarak doğrusal bir artış göstermiştir. Dielektrik sabitindeki bu değişime, kızartma işlemi sırasında patates numunelerinden yağa karışan su ve diğer partiküller neden olmaktadır. Ayrıca, ölçülen dielektrik sabit değerleri yağ kullanım ömrünü belirlemek üzere sensör yapılarını tasarlamak için sonlu entegrasyon tekniğine dayalı mikrodalga simülatörüne eklenmiştir. Bu çalışmada iki farklı iletim hattı sensörü tasarlanmış ve sunulmuştur. İlk iletim hattı sensörünün iki avantajı vardır; geri yansıma-S11 üzerinde yaklaşık 5,45GHz’de rezonans kayması ve iletim-S21’de 4,5GHz, 5,3GHz ve 7,5GHz değerlerinde rezonans kaymaları oluşmuştur. İkinci iletim hattı sensörü, S21’de yaklaşık 5,4 GHz’de rezonans kaymalarına sahiptir. Son olarak, tasarlanmış sensör yapıları üretilmiştir ve vektör ağ analizörü kullanılarak deneysel ölçümler yapılmıştır. Deneysel sonuçlara göre, tasarlanmış iki sensör yapısının kızartma yağı numunesinin parametrelerini belirlemek amacıyla kullanılabileceği görülmüştür.

To measure oil parameters such as oil usage, viscosity, base number, refractive index, acid numbers, density, water substances etc. complex laboratory equipments are required. Instead of these complex laboratory equipments, such oil properties can also be characterized by microwave measurements, and microwave measurements are preferred for oil quality determination due to ease and clear results. There are two main parameters in microwave measurements: dielectric constant value and loss tangent value tanδ. When the dielectric constant of the sunflower oil used as frying oil was measured, dielectric constant and loss tangent of used oil varied compared to unused pure sunflower oil. These differences were caused by the presence of pollutants, such as water and other particles, and by changes in the chemistry of the oil. In this study, two different sensor structures have been proposed to determine the amount of sunflower oil usage as frying oil. Firstly, to see the effects of heat on the dielectric parameter of the oil, pure sunflower oil was heated 16 times without using potato samples and a small amount of oil sample was taken after each heating process. Subsequently, pure sunflower oil was fried 16 times with the same amount of potato samples, and a small amount of oil sample was taken for each dielectric measurement. Then, the dielectric constant and loss tangents of the sunflower oil samples were measured by the vector network analyzer in the microwave laboratory. As a result of the characterization of sunflower oil, the dielectric constant has increased linearly from 2.9 to 3.3 between the 4 GHz and 8 GHz band, and this linear increase depends on the number of fries with the potato samples. This change in the dielectric constant is caused by water and other particles which are mixed with the oil from the potato samples during the frying process. In addition, the measured dielectric constant values were added to the microwave simulator which is based on the finite integration technique to design the sensor structures to determine the oil lifetime. In this paper, two different transmission line sensors are designed and presented. The first transmission line sensor has two advantages; resonance shift on S11 at about 5,45GHz and resonance shifts at 4,5GHz, 5,3GHz and 7,5GHz in transmission-S21. The second transmission line sensor has resonance shifts at about 5.4 GHz in S21. Finally, designed sensor structures were fabricated and experimental measurements were conducted by using the vector network analyzer. According to the experimental results, two sensor structures designed to determine the life of the frying oil sample are usable.