Mikrodalga rezonatör tabanlı sensor kullanarak bitkisel yağların dielektrik katsayılarının ısı değişimine ve kullanım sıklığına göre karakterizasyonu
Characterisation of dielectric coefficients of vegetable oils based on heat exchange and frequency of usage by using microwave rezonator based sensors
Yazar: MAİDE ERDOĞAN
Danışman: DOÇ. DR. EMİN ÜNAL
İskenderun Teknik Üniversitesi / Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
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.

Abstract:
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 e 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.