Метод импедансной спектроскопии для тестирования увлажненных зерен пшеницы

Представлены результаты исследования электрических и диэлектрических характеристик увлажнённых зёрен пшеницы методом измерений их комплексного электрического сопротивления (импеданса Z) в широком диапазоне частот (от 1 Гц до 100 МГц). Результаты измерений электрического импеданса зерна с поверхностным или объёмным содержанием влаги в разных условиях эксперимента могут дать полезную информацию о свойствах биологических тканей зерновых культур и использоваться для разработки нового типа импедансных датчиков для тестирования качества зерна и его влажности. В качестве объекта исследований использовались хорошо высушенные зёрна пшеницы и зёрна, насыщенные влагой и солевым раствором. Серьёзной проблемой при измерениях импеданса зёрен является выбор подходящего материала электродов, накладываемых на торцевые поверхности образцов. Электроды должны обеспечивать надёжный контакт с зерном и обладать минимальным переходным сопротивлением. Для исключения поперечной деформации торцевые поверхности прессованных образцов укрепляли защитным диэлектрическим кольцом. Такие контакты обеспечивали переходное сопротивление в пределах 1–2 Ом. В области низких частот выявлены процессы накопления электрических зарядов вблизи поверхности металлических электродов и на внутренних структурах зерна, приводящие к увеличению диэлектрической проницаемости и тангенса угла потерь. В области более высоких частот поведение активной и реактивной компонент импеданса определяется процессами диэлектрической релаксации. Полученные спектры импеданса сопоставлялись со спектрами наиболее подходящих эквивалентных электрических схем, радиотехнические компоненты которых позволяют понять основные механизмы прохождения переменного электрического тока через сложную неоднородную структуру зерна. Установлено, что увлажнение зерна подсоленной водой усиливает процесс накопления электрических зарядов и влияет на дисперсию действительной и мнимой компонент импеданса.

1. Манасян С.К. Принципы конвективной сушки зерна // Вестник КрасГАУ. – 2008. – № 6. – С. 145–150.

2. Цугленок Н.В., Манасян С.К., Демский Н.В. Зерносушилки сельскохозяйственного назначения // Международный журнал экспериментального образования. – 2012. – № 11. – С. 47.

3. Булгаков Р.А., Барышева Н.Н. Обзор электрофизических свойств семян пшеницы и их применение в методах контроля // Ползуновский альманах. – 2018. – № 4. – С. 205–207.

4. Будников Д.А. Результаты экспериментальных исследований фактора диэлектрических потерь зерновоздушной смеси // Вестник аграрной науки Дона. – 2018. – № 3(43). – С. 16–21.

5. Бузунова М.Ю. Анализ электрофизических характеристик зерновых культур // Материалы Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Проблемы и перспективы устойчивого развития агропромышленного комплекса», посвященной памяти А.А. Ежевского (15-16 ноября 2018 г.). – Иркутск: Изд-во Иркут. ГАУ, 2018. – С. 166–173.

6. Belyaev B.A., Drokin N.A. Impedance spectroscopy investigation of electrophysical characteristics of the electrode-liquid crystal interface // Physics of the Solid State. – 2015. – Т. 57, N 1. – P. 181–187.

7. Markevich I.A., Selyutin G.E., Drokin N.A. Impedance Spectroscopy Study of a Polymer Composite with Carbon Nanotubes in Contact with an Electrolyte // Technical Physics. – 2019. – Vol. 64, N 9. – P. 1324–1329.

8. Гираев М.А. Частотный спектр импеданса биотканей растительного происхождения // Вестник Дагестанского государственного университета. Серия 1: Естественные науки. – 2015. – Т. 30, №6. – С. 50–55.

9. Эквивалентные электрические модели биологических объектов / А.Л. Зуев, В.Ю. Мишланов, А.И. Судаков [и др.] // Российский журнал биомеханики. – 2012. – Т. 16, № 1. – С. 110–120.

10. Electrical impedance spectroscopy stady of biological tissues / D.A. Deana, T. Ramanathand, D. Machadoa [et al.] // Journal of Electrostatics. – 2008. – Vol. 66. – P. 165–177.

11. Lvovich Vadim F. Impedance Spectroscopy: Applications to Electrochemical and Dielectric Phenomena. – New Jersy: Wiley&Sons, 2012. – 368 p.

12. Букун Н.Г., Укше А.Е. Импеданс твердоэлектролитных систем // Электрохимия. – 2009. – Т 45, № 1. – С. 13–27.

13. Impedance of constant phase element (CPE)-blocked diffusion in film electrodes / J. Bisquert, G. Garcia-Belmonte, P. Bueno [et al.] // Journal of Electroanalytical Chemistry. – 1998. – Vol. 452(2). – P. 229–234.

14. Графов Б.М., Укше Е.А. Электрохимические процессы в переменном токе // Успехи химии. – 1975. – Т. 44, № 11. – С. 1979–1986.

15. Электрохимический импеданс: монография / З.Б. Стойнов [и др.]; АН ССР, Ин-т электрохимии им. А.Н. Фрумкина. – М.: Наука, 1991. – 335 с.

16. Будников Д.А., Цымбал А.А. Диэлектрические свойства сельскохозяйственных материалов // Инновации в сельском хозяйстве. – 2016. – № 3(18). – С. 154–159.