食用油與地溝油鑒別系統(tǒng)的設計

1、鄭州大學課程設計（報告）題 目： 食用油與地溝油鑒別系統(tǒng)的設計 課 程： 傳 感 器 與 檢 測 技 術 任課教師： 劉 玉 懷 職稱：教授學生姓名： 蔡迎飛 學號： 20122420101年級、專業(yè)、班級： 2012級 通信1班 院（系）： 信 息 工 程 學 院 完成時間： 2015年10月31日 食用油與地溝油鑒別系統(tǒng)的設計摘要:食用油在加工過程中一般不會混有金屬離子，可通過電導率實現(xiàn)對食用油摻雜地溝油進行檢測。在此基礎上，設計了一種食用油摻雜地溝油快速檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)以ARM為核心，利用數(shù)據采集技術，完成了食用油摻雜地溝油檢測系統(tǒng)的軟硬件設計。系統(tǒng)測試實驗證明，該系統(tǒng)能夠準確測定食用油

2、的電導率信息，從而獲知食用油中是否摻雜地溝油，以及分析食用油中摻雜地溝油含量的信息。該檢測系統(tǒng)具有檢測速度快、功耗低、價格低廉和便攜的優(yōu)點。關鍵詞:地溝油;食品安全; ARM; 食用油; 數(shù)據采集Design of a rapid detection system of edible oil adulterated with swill cooked dirty oil Abstract: Edible oil cann't be mixed with metal ions during processing，so the detection of edible oil adulter

3、ated with swill cooked dirty oil can be realized by conductivity measurement On this basis，a rapid detection system of edible oil adulterated with swill cooked dirty oil was designedARM was adopted as the core chip，and the data acquisition technology was used to complete the software and hardware de

4、sign in the detection system The test results of the system showed that the conductivity message of edible oil could be detected accurately by the system，thereby whether edible oil adulterated with swill cooked dirty oil or not was learned and the content of swill cooked dirty oil in the edible oil

5、was analyzed The detection system had advantages of high detection speed，low power consumption，low cost and portabilityKey words: swill cooked dirty oil; detection; food safety; ARM; edible oil; data acquisition目錄1.需求分析42.檢測原理綜述52.系統(tǒng)的軟硬件設計52.1硬件設計52.1.1電導率傳感器的選擇52.1.2信號調理電路設計62.1.3數(shù)據采集電路62.2 軟件設計63.

6、系統(tǒng)測試73.1溶解試劑電導率測試83.2食用油摻雜地溝油電導率測試84.摻偽油種類識別方法研究95.總結和未來展望116.參考文獻117.致謝111.需求分析隨著生活水平的提高，我國居民人均食用油消費量不斷增長，尤其以餐飲行業(yè)食用油消費量增加極為迅速。餐飲行業(yè)產生了大量的餐飲廢棄油脂，這些廢棄油脂被一些不法商販收集，經過堿煉、脫水、脫色后，制成地溝油獲取利益。隨著各種地溝油事件的曝光，地溝油引起的食品安全問題成為輿論關注的焦點對地溝油進行快速、準確地檢測也成迫切需求。隨著社會經濟的發(fā)展和人們物質生活水平的提高，健康衛(wèi)生合格的食品成為人們飯桌上常常談論的一個話題，也是食品監(jiān)督部門的一個硬性標準

7、。地溝油的概念很廣泛，可分為類：）從賓館、酒樓的剩飯、剩菜（通稱泔水）或下水道的油膩懸浮物經過簡單加工，提煉出來的地溝油；）劣質豬肉、豬內臟、豬皮加工以及提煉后產出的油；）在高溫下反復用于油炸食品，發(fā)生氧化聚合等裂變，不可再食用的油。目前，絕大部分無良商家用地溝油來充當人們餐桌上的食用油，來獲取更大的利潤，消費者的健康得不到保障。當前地溝油檢測方法雖然有很多，包括對油中酸價、極性組分、羥基價等指標的含量進行檢測，這都是利用化學儀器檢測，檢測周期長；還有一些是不使用化學試劑進行檢測，但它們檢測成本高、儀器昂貴。目前，對于食用油摻雜地溝油的檢測研究相對較少。發(fā)達國家建立了完善的地溝油回收制度，雖然

8、這些國家對地溝油的檢測并未上升到專項研究的層次，但是大多數(shù)發(fā)達國家都對食用油監(jiān)測建立了油質數(shù)據庫，要檢測油質需要相應的檢測機關進行專門的檢測。對于我國來說，如何監(jiān)測社會上流通的食用油油質，除了需要加強立法和相應規(guī)章制度建立地溝油的良性利用環(huán)境之外，實際有效的檢測手段也是必不可少的。目前已出現(xiàn)了多種食用油質量檢測的方法，如物理化學評價法、化學感官系統(tǒng)法、柱層析法、感官評價法、紅外檢測法以及核磁共振光譜法等，但其都不適用于現(xiàn)場檢測。油脂屬于非導電物質，電導率很低，而油脂作為一種溶劑，在食品加工過程中，會溶入金屬離子、微生物和雜質，可以通過檢測電導率實現(xiàn)食用油摻雜地溝油檢測。本設計的目的是研制一套食

9、用油摻雜地溝油快速檢測系統(tǒng)，通過此系統(tǒng)實現(xiàn)油品的電導率檢測，掌握食用油中摻雜的地溝油含量信息，從而了解和分析食用油的質量。2.檢測原理綜述電導率在地溝油的檢測中被證明是一種可靠快速的方法。在實際的檢測過程中，由于食用油的種類繁多，檢測中有大量的數(shù)據需要記錄、處理并進行最后的研究。所以本研究設計了一個電導率檢測的系統(tǒng)。另外，本研究還提出了相關系數(shù)法作為地溝油摻假種類識別的核心算法。食用油摻雜地溝油快速檢測系統(tǒng)可以看作是一便攜式智能化儀器。該系統(tǒng)可以完成油品電導率參數(shù)的檢測、信號調理、數(shù)據采集、數(shù)據處理、數(shù)據分析和顯示功能。食用油摻雜地溝油快速檢測系統(tǒng)整體設計方案如圖 1 所示。為了保證系統(tǒng)測量的

10、精度，設計了溫度采集電路，實現(xiàn)對測量得到的電導率數(shù)據進行溫度修正。電導是指電解質溶液中離子在電場的影響下產生移動并傳遞電子。溶液導電能力的強弱即電導率。餐廚廢油脂會混人大量的水溶性物質， 如食鹽等調味品和洗滌劑等。這類物質會大幅度升高水的電導率，而正常的食用油脂中，水溶性物質含量極低。根據實驗研究，在溫度 22 28范圍內得到表 1數(shù)據。表 1 餐飲業(yè)廢油和食用油樣品的電導率樣品 地溝油 泔水油 煎炸老油 菜籽油 大豆油 花生油 調和油電導率/s/cm 108.5 53.3 36.6 8.5 8.7 13.3 14.8電導率法通過直接檢測樣品電導率的方法來鑒別地溝油和合格食用油，操作簡單，對儀

11、器與設備要求低，是一種快速檢測地溝油方法。 圖 1系統(tǒng)框圖核心模塊各部分的作用和功能:電導率傳感器，實現(xiàn)電導率信號的檢測;信號調理電路，對電導率傳感器輸出的信號進行放大和濾波等調理工作;AM 電路，通過 AM 實現(xiàn)電導率數(shù)據采集和數(shù)據處理功能;數(shù)據存儲電路，實現(xiàn)采集的電導率數(shù)據的存儲;系統(tǒng)電源，為系統(tǒng)電路和傳感器提供電源，供電電壓 3 V;PC 機，將系統(tǒng)的數(shù)據導入計算機進行處理和相關的分析。2.系統(tǒng)的軟硬件設計2.1硬件設計2.1.1電導率傳感器的選擇要完成電導率的測定，電導率傳感器選型是關鍵，本設計中使用的電導率傳感器需要考慮傳感器體積、功耗、傳感器的線性范圍、頻率響應特性、電導率測量范圍

12、、信號輸出方式、靈敏度和精度等因素。由于電導率傳感器工作在液體環(huán)境中，因此對選用的傳感器還需要有很好的穩(wěn)定性和耐腐蝕性等功能。目前，市面上的電導率傳感器根據測定原理與方法的不同可分為電極型、電感型和超聲波型?？紤]到電極型電導率傳感器具有測定精度高和使用方便的優(yōu)點，本系統(tǒng)選用不銹鋼電鍍鉑黑電極作為電導率傳感器，該傳感器測定范圍為 0 50 S /cm，工作溫度 0 50 ，承壓為 0 0 5 MPa。使用過程中，應避免電導池間因有氣泡或靜水而造成數(shù)據失準。2.1.2信號調理電路設計電導率電極內置的兩塊電極片的位置和距離固定，當電極插入到某種液體或導電性的流體中，電流流經其中的一塊極片時，另一塊極

13、片上將會接收到部分電流。為實現(xiàn)電導率的測定，通過在電極間加上恒定的電壓源，電極上會流過一定的電流，電流的大小取決于溶液中所含離子的數(shù)量，被測介質的電導率與運算放大器輸出電壓成正比，該方法在量程范圍內線性度較好，輸出信號的幅值與被測電導成正比。設計的信號調理電路如圖 2 所示，圖中 X 為兩塊極片之間的液體電阻。 圖 2信號調理電路2.1.3數(shù)據采集電路設計采用的 AM 為 LPC2131，該芯片擁有 1 個 8 路 10 位的 A/D 轉換器，其參考電壓由 Vref 引腳提供。由于本系統(tǒng)只需要 2 個采集通道，一路用于采集電導率信號，另一路用于采集溫度信號。只需將信號調理電路中的每路單端輸出連

14、接到 LPC2131 的不同模擬輸入引腳即可。采集數(shù)據時，通過寫 A/D控制寄存器切換通道，大大簡化數(shù)據采集部分的硬件。2.2 軟件設計ARM (Advanced RISC Machines，高級RISC微處理器)地溝油檢測鑒別系統(tǒng)分為硬件,軟件兩部分，由硬件設計搭建出地溝油檢測鑒別平臺； 軟件設計部分完成地溝油鑒別算法的運算、 系統(tǒng)的控制及對其它模塊進行控制和監(jiān)測。食用油摻雜地溝油快速檢測系統(tǒng)軟件包含單片機部分軟件和計算機部分軟件，單片機部分軟件使用 C 語言進行編寫，主要實現(xiàn)電導率數(shù)據采集和數(shù)據分析處理和傳輸功能;計算機端軟件選用虛擬儀器開發(fā)工具VB語言進行編寫，實現(xiàn)實時曲線顯示、數(shù)據處理

15、和分析、溫度補償?shù)裙δ?。由于食用油的種類繁多，各個廠家品牌生產的產品在摻偽后電導率也會有可能不同，所以對檢測的試驗數(shù)據量來說也必定是大量的。建立一個數(shù)據庫來對檢查的數(shù)據進行存儲和管理是十分必要的，同時對于歷史數(shù)據的查詢來進行分析，進一步分析了解食用油的慘偽情況是很關鍵的。圖1 窗體的設計效果圖2 主窗口界面設計圖3 摻偽油種類識別界面設計本系統(tǒng)采用VB語言進行開發(fā)，VB是一種面向對象的，可視化的且采用事件驅動方式的結構化高級程序設計語言，用于對Windows環(huán)境下的多種程序開發(fā)。其具有功能強，效率高，圖形界面豐富。3.系統(tǒng)測試為了驗證設計的食用油摻雜地溝油快速檢測系統(tǒng)的實用性和正確性，在對測試

16、系統(tǒng)進行標定和溫度補償設計后，對壓榨菜籽油、大豆油和地溝油( 取自鄭州某高校附近火鍋店) 進行了食用油摻雜地溝油模擬測試。測試通過采用去離子水萃取油脂( 用石油醚溶解) 中的雜質離子，通過測定水相電導率實現(xiàn)各種油脂電導率的測定。3.1溶解試劑電導率測試分別量取 10 mL 石油醚及去離子水置于 30 mL 燒杯中，放入 25 恒溫水槽中測定其電導率，測定兩次，測試結果如表 1 所示。表 1溶解試劑電導率S/cm試劑電導率12平均值石油醚0 010 010 010去離子水0 660 650 655由表 1 可知，石油醚和去離子水的電導率很低，對結果影響不大。3.2食用油摻雜地溝油電導率測試用量筒

17、分別量取 5、10、15、20 mL 地溝油，分別加入壓榨菜籽油和大豆油直至 25 mL，配制成地溝油體積分數(shù)為 20% 、40% 、60% 、80% 的混合油樣，倒入燒杯中。用 10 mL 石油醚溶解混合油樣，然后加入 30 mL 去離子水，振蕩 1 min，靜置分層后，在 25 恒溫水槽中測定水相電導率，測定兩次，摻雜不同體積分數(shù)地溝油的壓榨菜籽油、大豆油的水相電導率如表 2、表 3 所示。表 2摻雜不同體積分數(shù)地溝油的壓榨菜籽油水相電導率12平均值01 691 811 75202 762 982 87404 454 794 62606 867 016 948010 3410 5010 4

18、210011 5613 6012 58水相電導率/( S/cm) 地溝油體積分數(shù)/%表 3摻雜不同體積分數(shù)地溝油的大豆油水相電導率12平均值02 182 342 21203 543 803 67405 886 166 02609 019 239 128010 6710 9210 8010011 5613 6012 58水相電導率/( S/cm) 地溝油體積分數(shù)/%由表 2、表 3 可知，壓榨菜籽油、大豆油的水相電導率比較低，而地溝油的水相電導率則比較高;隨著壓榨菜籽油、大豆油摻雜地溝油量的增加，測得的水相電導率逐漸增大。通過對實驗數(shù)據進行分析發(fā)現(xiàn)，食用油中摻雜地溝油的體積分數(shù)與測得的電導率之間

19、具有一定的線性關系，合格的食用油的水相電導率總是小于摻雜地溝油的電導率。因此，通過建立各種食用油電導率數(shù)據庫，可實現(xiàn)食用油中是否摻雜地溝油的快速鑒別，以及分析食用油中摻雜地溝油含量的信息。4.摻偽油種類識別方法研究用分析天平稱取菜籽油、大豆色拉油、芝麻油、地溝油各50 g，分別置于50 mL燒杯中，然后在250 mL燒杯中加入去離子水100 mL與所取油樣混合攪拌，最后在250 mL分液漏斗靜置分層，取水相測定電導率。對地溝油先將其加熱融化，同時將去離子水加熱至合適溫度，提取后的水相冷卻至室溫測定電導率。重復上述步驟，將地溝油摻入到食用油中進行電導率的測定。為了能夠對種類進行識別，所以選取合適

20、的模式相似性測度，來對模式間進行描述顯得十分關鍵。模式相似性測度一般分為相似測度、匹配測度和距離測度三種。相似測度的原理是以兩矢量的方向是否相近，作為模式識別的基礎，矢量的長度并不重要；匹配測度常用在醫(yī)學和生物的分類中，當特征只有兩個狀態(tài)的時候，對象或具有此特征或不具有此特征，若對象具有此特征，則相應分量定義為1，反之則定義為0，這就是所謂的二值特征；距離測試原理是以兩個矢量段距離作為考慮的基礎，所以距離測度值是兩矢量各相分量之差的函數(shù)。兩模式越相似，其距離測度越小。根據本系統(tǒng)的種類識別的特點，我們選用相似度中的相關系數(shù)法作為種類識別的核心算法。相關系數(shù)法實際上是數(shù)據中心化后的矢量夾角余弦。（

21、1）由相關系數(shù)法的核心思想，對于某一末知油樣的為何種油樣及是否摻偽地溝油，摻入了多少地溝油，只需要對末知油樣按照前述方法測得其電導率及求出其摸擬摻偽后的回歸直線方程。計算該回歸直線與已知合格食用油進行摻偽后的回歸直線的斜率比，即相關系數(shù)，斜率比值越接近1，則可以認為是該種油的油樣。油樣的電導率值代入已知的合格食用油的回歸直線方程，可以求得摻偽地溝油的質量分數(shù)，但是需要提出的是對于求摻偽地溝油的質量分數(shù)是在試驗室條件下?lián)絺瘟?，可能所求結果會有誤差。對于實際中具體的摻偽量大小，還需要對地溝油的電導率進行更進一步的研究，在試驗室條件下和實際測量中進行誤差補償。菜籽油摻地溝油的質量分數(shù)與平均電導率一元

22、線性回歸方程為：Y=83.067X+16.2 R2=0.986 （2）大豆油摻地溝油的質量分數(shù)與平均電導率一元線性回歸方程為：Y=81.073X+11.39 R2=0.975 （3）芝麻油摻地溝油的質量分數(shù)與平均電導率一元線性回歸方程為：Y=82.139X+8.87 R2=0.972 （4）油樣1曲線與大豆油摻偽曲線相似度：81.073÷ 84.685=0.957 3油樣1曲線與菜籽油摻偽曲線相似度：83.067÷ 84.685=0.980 9油樣1曲線與芝麻油摻偽曲線相似度：82.139÷ 84.685=0.969 9可以識別出油樣1為菜籽油。油樣2曲線與大豆油

23、摻偽曲線相似度：81.073÷ 81.958=0.989 2油樣2曲線與菜籽油摻偽曲線相似度：81.958÷ 83.067=0.980 9油樣2曲線與芝麻油摻偽曲線相似度：81.958÷ 82.139=0.997 8可以識別出油樣2為芝麻油。油樣3曲線與大豆油摻偽曲線相似度：80.958÷ 81.073=0.998 6油樣3曲線與菜籽油摻偽曲線相似度：80.958÷ 83.067=0.974 6油樣3曲線與芝麻油摻偽曲線相似度：80.958÷ 82.139=0.985 6可以識別出油樣3為大豆油。從相似度可以識別出，該油樣1為菜籽油、

24、油樣2 為芝麻油、油樣3為大豆油。如果在實際中進行檢測，由于食用油種類很多，品牌很多，需要對各種食用油的摻偽曲線進行求解，這樣才能使結果具有說服性。本試驗只是對該算法進行了驗證，來說明其具有可行性。油樣未摻偽地溝油的電導率與試驗所用合格食用油電導率相差不大，所以對其是否摻有地溝油暫時還無法辨別，如果相差很大，則可以認為其中摻有地溝油，至于對摻入地溝油量的定量分析，可以代入菜籽油摻偽曲線求得，但所得結果只是在該試驗條件下的值。要想對食用油摻偽（地溝油）進行定量的分析，不僅要對地溝油的標準有一界定，還需要對各種油的摻偽曲線進行建立。這些都有待于進一步的工作研究。5.總結和未來展望(1)提出了一種食

25、用油摻雜地溝油快速檢測系統(tǒng)的設計方案，從系統(tǒng)的硬件設計和軟件設計詳細地闡述了該檢測系統(tǒng)的設計過程。(2)通過食用油摻雜地溝油快速檢測系統(tǒng)，檢測人員可以掌握油品的電導率信息，從而獲知食用油中是否摻雜地溝油，以及分析食用油中摻雜地溝油含量的信息。(3)設計的食用油摻雜地溝油快速檢測系統(tǒng)具有體積小、功耗低、溫度補償、量程自動轉換和重復性好等優(yōu)點，可用于現(xiàn)場檢測。(4)由于目前我國食用油種類繁多，各食用油廠家生產的食用油在摻雜地溝油后電導率會有所不同，建立一個食用油電導率數(shù)據庫和專家管理系統(tǒng)對于實現(xiàn)食用油中摻雜地溝油含量的準確測量十分關鍵。地溝油檢測是一個比較復雜的、系統(tǒng)的工作。(5)研究著重從電導率

26、這個因素對摻假展開了研究。在實驗室條件下進行的檢測系統(tǒng)設計，可能在精度上有所欠缺。對食用油摻偽地溝油的種類識別方法提出，只能對摻偽油的種類進行定性的分析，也還需要大量的試驗來進行驗證。在今后的研究工作中要將重點放在摻偽量定量分析的研究上。這方面的研究工作找到一個電導率的當量，能夠比較準確的衡量地溝油摻入到食用油中的電導率值。最后，還需要對檢測系統(tǒng)進行完善，要想比較全面的、綜合的對地溝油進行檢測分析，還要將食用油的其他因素考慮其中，比如酸價、過氧化值、碘值等等?？傊?，對于食用油摻偽地溝油檢測，需要在今后的研究中不斷努力，克服方方面面的不足。這樣檢測工作才能更為系統(tǒng)、全面。6.參考文獻1.張蕊，祖

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