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, bazsayısı, kırılma indisi, asit sayıları, yoğunluk, içerdiği su miktarı vb. gibi parametrelerini ölçmekiçin karmaşık laboratuar ekipmanları gerekmektedir. Bahsi geçen bu karmaşık laboratuarekipmanları kullanılmadan dielektrik sabitinin reel ve sanal kısımları doğrudanölçülebilmektedir. Ayrıca, mikrodalga ölçümleriyle de yağlar karakterize edilebilmektedirlerve bunun yanında mikrodalga ölçümleri kolaylığı ve net sonuçlar sunmasıyla yağ kalitesibelirlenmesinde tercih edilmektedir. Mikrodalga ölçümlerinde yansıma ve iletim parametrelerielde edilmekte, bu parametreler kullanılarak dielektrik sabitinin reel ve sanal kısımlarıhesaplanabilmektedir. Dielektrik sabitinin sanal ve reel kısımlarının oranı ise kayıp tanjantıtanδ olarak bilinmektedir. Kızartma yağı olarak kullanılan ayçiçeği yağının dielektrik sabitikullanım süresi, kullanım sayısı, sıcaklığı ve içerisinde kızartılan malzemenin özelliğine göredeğişim göstermektedir. Bu değişimin sebebi kızartılan maddenin içerdiği su ve diğerparçacıklar gibi kirletici maddelerin varlığı veya yağın kimyasındaki değişikliklerdir. Buçalışmada, kızartma yağı olarak ayçiçek yağı kullanım miktarını belirlemek için iki farklısensör yapısı önerilmiştir. İlk olarak, ısının yağın dielektrik parametresi üzerindeki etkilerinigörmek için patates örnekleri kullanmadan saf ayçiçeği yağı 16 kez ısıtıldı ve her ısıtmaişleminden sonra yeterli miktarda yağ örneği alındı. Sonra, saf ayçiçeği yağı aynı miktardapatates numuneleriyle 16 kez kızartıldı ve benzer şekilde her kızartma işleminden sonradielektrik ölçümleri için yeterli miktarda yağ numunesi alındı. Daha sonra, ayçiçeği yağınumunelerinin dielektrik sabitinin reel ve sanal kısımları mikrodalga laboratuvarında ağanalizörü 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 doğrusalbir artış göstermiştir. Dielektrik sabitindeki bu değişime, kızartma işlemi sırasında patatesnumunelerinden yağa karışan su ve diğer partiküller neden olmaktadır. Ayrıca, ölçülendielektrik sabit değerleri yağ kullanım ömrünü belirlemek üzere sensör yapılarını tasarlamakiçin sonlu entegrasyon tekniğine dayalı mikrodalga simülatörüne eklenmiştir. Bu çalışmada ikifarklı iletim hattı sensörü tasarlanmış ve sunulmuştur. İlk iletim hattı sensörünün iki avantajıvardır; geri yansıma-S11 üzerinde yaklaşık 5,45GHz'de rezonans kayması ve iletim-S21'de4,5GHz, 5,3GHz ve 7,5GHz değerlerinde rezonans kaymaları oluşmuştur. İkinci iletim hattısensörü, S21'de yaklaşık 5,4 GHz'de rezonans kaymalarına sahiptir. Son olarak, tasarlanmışsensör yapıları üretilmiştir ve vektör ağ analizörü kullanılarak deneysel ölçümler yapılmıştır.Deneysel sonuçlara göre, tasarlanmış iki sensör yapısının kızartma yağı numunesininparametrelerini belirlemek amacıyla kullanılabileceği görülmüştür.

To measure oil parameters such as oil usage, viscosity, base number, refractive index, acidnumbers, density, water substances etc. complex laboratory equipments are required. Instead ofthese complex laboratory equipments, such oil properties can also be characterized bymicrowave measurements, and microwave measurements are preferred for oil qualitydetermination due to ease and clear results. There are two main parameters in microwavemeasurements: dielectric constant value e and loss tangent value tanδ. When the dielectricconstant of the sunflower oil used as frying oil was measured, dielectric constant and losstangent of used oil varied compared to unused pure sunflower oil. These differences werecaused by the presence of pollutants, such as water and other particles, and by changes in thechemistry of the oil. In this study, two different sensor structures have been proposed todetermine the amount of sunflower oil usage as frying oil. Firstly, to see the effects of heat onthe dielectric parameter of the oil, pure sunflower oil was heated 16 times without using potatosamples 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 smallamount of oil sample was taken for each dielectric measurement. Then, the dielectric constantand loss tangents of the sunflower oil samples were measured by the vector network analyzerin the microwave laboratory. As a result of the characterization of sunflower oil, the dielectricconstant has increased linearly from 2.9 to 3.3 between the 4 GHz and 8 GHz band, and thislinear increase depends on the number of fries with the potato samples. This change in thedielectric constant is caused by water and other particles which are mixed with the oil from thepotato samples during the frying process. In addition, the measured dielectric constant valueswere added to the microwave simulator which is based on the finite integration technique todesign the sensor structures to determine the oil lifetime. In this paper, two differenttransmission line sensors are designed and presented. The first transmission line sensor has twoadvantages; resonance shift on S11 at about 5,45GHz and resonance shifts at 4,5GHz, 5,3GHzand 7,5GHz in transmission-S21. The second transmission line sensor has resonance shifts atabout 5.4 GHz in S21. Finally, designed sensor structures were fabricated and experimentalmeasurements were conducted by using the vector network analyzer. According to theexperimental results, two sensor structures designed to determine the life of the frying oilsample are usable.