CC BY
30
УДК 621.47
ВИЗНАЧЕННЯ ФУНКЦЮНАЛЬНОГО СТАНУ ФРУКТОВИХ ПРО-ДУКТ1В ЗА ПАРАМЕТРАМИ IX ЕЛЕКТРИЧНОГО 1МПЕДАНСУ
Гусева О. В., к.т.н.,доц.; Мосшчук В. С., к.т.н., доц.; Тимошенко Г. В., астрант; Шарпан О .Б. д.т.н.,проф.
Нацгоналъний технгчний ушверситет Украгни «КиХвсъкий полгтехнгчний ¡нститут», КиХв, УкраХна
DEFINITION OF FUNCTIONAL CONDITION OF THE PRODUCT ACCORDING TO THE PARAMETERS OF THEIR COMPLEX IMPEDANCE
Guseva O. V., Mosiychuk V. S., Timoshenko G. V., Sharpan O. B.
National Technical University of Ukraine, Kyiv Politechnic Institute, Kiev, Ukraine
Вступ
Для визначення функцюнального стану (ФС) продуклв та оцшки фак-TopiB, що впливають на !х яюсть, часто використовують значення !х елект-ропровщносп. Зокрема, значення електропровщност (або електричного опору) визначають, оцiнюючi структуру та стан клiтин i мiжклiтинного простору. З функцiональним станом продуклв безпосередньо пов'язана гiдратацiя та змша структури, наприклад, внаслiдок значних деструктив-них процесiв, змiни у будовi клiтин та у хiмiчному складi клiткових рiдин i мембран. На параметри комплексного опору бюпродукпв (овочiв, фруктiв) також впливае !х структура (кора та м'якоть плоду, напрямок волокон), форма, а також пдратащя та температура [1].
Вiдомi застосування подiбних способiв оцiнки ФС для визначення зрь лостi плодiв шляхом занурення електродiв в плщ та вимiрювання його еле-ктропровщност в дiапазонi частот 400-500 Гц [2], або для визначення часу виходу плодiв картоплi з стану спокою для визначення умов початку ii проростання [3]. Проте в даних дослiдженнях не враховувалася реактивна складова електричного iмпедансу пiд час вимiрювань, оскiльки ii сприйма-ли як таку, що сприяе шдвищенню похибки [2]. Слщ зазначити, що здебь льшого оцiнювався лише модуль iмпедансу i додатково висувалися вимоги до товщини зразкiв. Наприклад в [4] встановлена мтмальна фiксована вь дстань мiж електродами 60 мм, оскшьки на тонкiших зразках отр визнача-еться нульовим. Також, для оцшювання неоднорiдностi структур бю-об'еклв необхiдно визначати параметри !х iмпедансу у розширенiй смузi частот [6].
Метою статт е визначення критерiiв оцiнки функцiонального стану продуктiв за всiма параметрами частотних характеристик i^ iмпедансу.
Методика досл1джень
Для дослiдження функцiонального стану фрукпв за всiма параметрами електричного iмпедансу були пiдготовленi групи плодiв яблук, груш та лимонiв. З плодiв виготовлялися зразки, котрi надалi використовувалися для вимiрювання модуля та фази i^ iмпедансу. Пiдготовленi таким чином
зразки плодiв шддавались деструктивним змшам в лабораторних умовах за юмнатно!' температури протягом одного тижня. Дослiджувaлaсь зaлежнiсть змши пaрaметрiв iмпедaнсу вiд дегiдрaтaцii та змши структури клiтин (гниття).
Для ощнки можливостей i перспектив розвитку дiaгностичних методик визначення функцiонaльного стану використовувались одночастотний [8] та тричастотний ТОР-М1 [7] вимiрювaчi пaрaметрiв б^мпедансу. Особ-ливiстю апарата ТОР-М1 е те, що вiн забезпечуе визначення усiх складо-вих (модуля Z, фази ф, aктивноi R та реaктивноi X) iмпедaнсу на частотах 20 кГц, 100 кГц та 500 кГц [7, 8]. За допомогою вимiрювaчa [6] параметри iмпедaнсу отримувались додатково на чaстотi 250 кГц. Вимiрювaння пов-ного iмпедaнсу фруктiв здiйснювaлось за чотирьохелектродною методикою з використанням електродiв, в яких вщстань мiж струмовим i потенщ-ометричним електродом в кожнш пaрi конструктивно фiксовaнa i дорiвнюе 10 мм. Площа кожного струмового електрода становить 1,76 см , а потен-цшного, що конструктивно розташовуеться навколо струмового -23,35 см2. Marian електродiв — нержавшча сталь. З метою усунення впливу розмiрiв та форми дослщжуваних об'ектiв для вимiрювaння тдго-товлювалися препарати рiзних фруктiв (груша, яблука, лимон) у виглядi поперечного та повздовжнього зрiзiв товщиною 35 мм. Контактна рщина не застосовувалась у зв'язку з особливостями дослщжуваного об'екту. Проводилися вимiри iмпедaнсу свiжого продукту, через три та через шють дiб. Протягом цього часу фрукти зазнавати змш функцiонaльного стану (псування продукту), що проявлялося процесами гниття та депдратацп. У цьому рaзi умови протягом перших трьох дшв сприяли процесам гниття, а протягом шших трьох — дегiдрaтaцii.
Результати досл1джень
Вплив змiн функцiонaльного стану рiзних продуктiв пiд час ix псування на параметри повного iмпедaнсу на частотах 20, 100 i 500 кГц приведенi у табл. 1 - 7. Значення, що приведет у таблицях, отримаш шляхом усеред-нення 256 послiдовниx ви-мiрювaнь, що забезпечуе зменшення впливу флукту-aцiй. Похибка вимiрювaнь не перевищувала 5 %.
В табл. 1 приведена ди-нaмiкa змiни значення модуля i фази iмпедaнсу поперечного зрiзу яблука товщиною 35 мм, в якому спостер^алася дiлянкa площi, врaженоi процесами гниття. При цьому на початковому етат площа цiеi дшянки складала 25% i збiльшилaсь через 3 дш до 45%, а через 6 дшв — до 90%. Значення модуля i фази iмпедaнсу зрiзу яблука товщиною 35 мм залежно вiд змiни його функщонального
Табл. 1 - Процес гниття яблука
стан Модуль (Ом) Фаза (град)
20kHz 100kHz 500kHz 20kHz 100kHz 500kHz
25% 716 542 375 -18,3 -16,6 -8,4
3 дш, 45% 645 306 229 -24,9 -20,7 -6,9
6 дшв, 90% 287 462 411 -63,7 -75,5 -46,0
стану показаш в табл. 2 для повздовжнього та в табл. 3 для поперечного зрiзу.
Табл. 2 - Поздовжнш зр1з яблука _Табл. 3 - Поперечний зр1з яблука
стан Модуль (Ом) Фаза (град)
20ит 100кНг 500кНг 20ит 100кНг 500Шг
св1жий 670 344 245 -43.3 -25.3 -10.8
3 дш 974 659 388 -43.1 -26.4 -16.5
6 дшв 6950 2240 758 -31.6 -38.4 -55.2
стан Модуль (Ом) Фаза (град)
20ит 100кНг 500кНг 20ит 100кНг 500кНг
св1жий 739 260 112 -48 -31.1 -7.1
3 дш 974 595 334 -47.2 -30.8 -12.6
6 дшв 5950 1955 731 -24.1 -20.5 -34.6
В табл. 4 i 5 наведенi значення модуля i фази iмпедансу повздовжнього (табл. 4) та поперечного (табл. 5) зрiзу грушi товщиною 35 мм залежно вщ змiни його функцiонального стану.
Табл. 4 - Поздовжнш зр1з групп
стан Модуль (Ом) Фаза (град)
20кН 100кН 500кН 20кН 100кт 500кН
св1жий 148 0 0 0 -20,4 -15,2
3 дт 403 50 0 -38,3 -30,4 -10,5
6 дтв 346 0 0 -27,6 -25 -4,5
Табл. 5 - Поперечний зрiз грушi
стан Модуль (Ом) Фаза (град)
20кНг 100кНг 500кНг 20кШ 100кНг 500кНг
св1жий 885 323 144 -47.5 -33,8 -10,8
3 дт 226 69 14 -43,6 -30,2 -5,3
6 дтв 1312 1072 516 -11,0 -35,9 -41,0
В табл. 6 i 7 наведенi значення модуля i фази iмпедансу повздовжнього (табл. 6) та поперечного (табл. 7) зрiзу лимона товщиною 35 мм залежно вщ змши його функщонального стану.
Табл. 6 - Поздовжнш зр1з лимону
стан Модуль (Ом) Фаза (град)
20иНг 100кНг 500кНг 20кНг 100кНг 500кНг
св1жий 503 3 0 -45,1 -32,6 -7,4
3 дш 553 68 0 -47,9 -43,1 -6,9
6 дшв 235 99 0 -9,0 -21,7 -19,8
Табл. 7 - Поперечний зрiз лимону
стан Модуль (Ом) Фаза (град)
20иНг 100кНг 500кНг 20кНг 100кНг 500кНг
св1жий 974 263 158 -37,4 -39,1 -24,5
3 дш 308 97 74 -35,5 -28,4 -7,4
6 дшв 68 63 0 -22,9 -15,6 -55,0
Обробка та аналiз результатiв
Для дослiдження ФС продуклв бажано на основi експериментальних даних вщтворити !х амплiтудно-частотнi i фазочастотш характеристики в дослiджуваному частотному дiапазонi [5]. Для цього об'ект дослщження доцiльно представити у виглядi двополюсника на основi просто!' схеми, що складаеться з зосереджених елементiв [9].
У разi моделювання двополюсника необхщно спочатку вiдтворити час-тотну узагальнену функцiю комплексного опору:
ж
^ (р) =
А + Л1р +... + Лыр
м
N < М,
(1)
1 + Б1р +... + ВмР
тобто вщтворити коефщенти Лп, п = 0...Ж, Вт, т = 0...М, що повинш за-довольняти умовi додатньо! визначеносп. Далi визначають параметри двополюсника за вщомою топологiею (наприклад, одше! з схем на рис. 1).
Вихщними даними для визначення функцп (1) можуть бути значення активноi та реактивноi складових iмпедансу або значення повного опору на декшькох частотах. В першому разi вираз (1) для схем на рис.1,а,б мож-на записати у виглядi
i
A + jA1<-А2ш { ч { ч 2 2 .-3 = R (<) + jX (ш).
1 + jB1< - B2<2 - jB3<3
(2)
Приводячи (2) до загального знаменника та враховуючi властивостi комплексних чисел, отримаемо на кожнш частотi два рiвняння:
A -Ш2A2 + <X (Ш) B1 + Ш2R (Ш) B2 -Ш3X (ш)B3 = R (Ш) <A1 -<R (ш) B1 +Ш2 X (Ш) B2 +Ш3 R (Ш) B3 = X (Ш) .
(3)
Z(©) =-^
v 7 1ч- /аи
Ro
+ jo)R\(\ 1 + jd>R2C2 1 + jd>R3C3
Z(co) =
Ri
Ro
l + yro^Q 1 + jd>R2C2
б
Z(co) =
j'®Q +
R1 +
j<C2 +
r2 +
1
j<C3 +
Z(co) =
j'®Q +
Ri +
1
j<C2 +
R
Рис. 1 — Моделювання двополюсниюв за частотною характеристикою
1мпеданс1в фрукпв
a
1
1
1
1
в
1
1
г
Дал1 в табл. 8 приведет результати моделювання для випадюв предста-влення об'екту дослщження р1зними тополопями (моделями) (рис.1). Таблиця 8 - Отримаш параметри двополюсниюв для р1зних фруклв
Об'ект зразок схема рис.1 С1, нФ Яь кОм С2, нФ Я2, кОм Сэ, нФ кОм
Яблуко товщиною 35 мм, по- вздовжнш зр1з (рис.2) свь жий (а) 0.00214 0.237 11.169 0.102 16.029 1.464
(в) 0.00214 0.237 6.584 0.283 11.145 1.282
3 дш (а) 0.01495 0.375 3.306 0.304 12.638 10.659
(в) 0.01498 0.379 2.629 0.479 10.186 10.479
6 дшв (а) 0.04076 0.285 0.526 1.980 3.436 4.113
(в) 0.03742 0.338 0.427 2.557 3.549 3.484
Яблуко товщиною 35 мм, по- перечний зр1з (рис.3) св1- жий (а) 0.00098 0.210 170.15 0.010 11.412 1.317
(в) 0.00098 0.210 12.231 2.644 0.618 1.338
3 дн1 (а) 0.0101 0.373 6.707 0.243 8.999 3.528
(в) 0.0101 0.375 3.844 0.711 6.166 3.057
6 дн1в (а) 0.00065 0.603 0.403 1.365 5.231 2.419
(в) 0.00065 0.605 0.374 1.576 5.344 2.206
Яблуко - площа, вражена процесами гниття (рис.4) 25% (а) 0.00234 0.374 6.634 0.195 29.751 0.439
(в) 0.00234 0.375 5.428 0.286 31.323 0.348
45% (а) 0.00974 0.266 25.373 0.0156 13.662 0.531
(в) 0.00973 0.266 8.916 0.116 6.456 0.430
90% (а) 1.591 0.247 2.150 0.255 23.991 0.647
(в) 4.880 0.0558 54.495 0.0050 76.729 0.588
Лимон товщиною 35 мм, по-перечний зр1з (рис.5) свь жий (б) 0.5478 0.1523 11.339 0.7676
(г) 0.5226 0.1676 11.038 0.7526
3 дш (б) 0.0279 0.0780 32.980 0.2849
(г) 0.0279 0.0782 32.968 0.2848
6 дн1в (б) 6.931 0.0636 341.02 4.140
(г) 6.793 0.0662 334.44 4.137
Груша товщиною 35 мм, по-перечний зр1з (рис.6) св1- жий (б) 0.0655 0.2395 9.373 1.5446
(г) 0.0651 0.2429 9.3283 1.5413
3 дн1 (б) 0.0536 0.0477 78.563 0.2139
(г) 0.0536 0.0478 78.533 0.2138
6 дн1в (б) 0.3166 0.4253 1.6725 1.2351
(г) 0.2662 0.5943 1.6492 1.0662
Частотш характеристики, що побудоваш на основ1 даних табл. 8, наведен на рис.2 - 6.
Рис. 5 — Поперечний зр1з лимона товщиною 35 мм
Рис. 6 — Поперечний зр1з груш1 товщиною 35 мм
У таблиц 8 наведет даш для р1зних моделей (рис.1), що описують АЧХ 1 ФЧХ (рис. 2 - 6) продуклв тд час змш !х функщонального стану та структури. Слщ зазначити, що у раз! значних змш функщонального стану та структури, доцшьно розглядати 1 змши у топологи модели
Обговорення результатiв та висновки
Св1ж1 та несв1ж1 фрукти, таю як яблука, можливо розр1зняти за значен-нями реактивно!' складово! комплексного опору на низьких та високих частотах, наприклад, 20 та 500 кГц. У св1жих фруктах значення р1знищ фаз м1ж струмом та напругою на низькш частот! бшьша шж у несв1жих продуклв майже у два рази, 1 навпаки, на високш частот! значення р!знищ фаз св!жих фруклв менше б!льш н!ж у два рази, чим у несв!жих.
Залежно в!д процес!в, що проходять в плодах тд час !х псування (дегь дратац!я чи гниття), характерно змшюються ! параметри електричного !м-педансу на р!зних частотах. У раз! депдратацп значення модуля !мпедансу
яблука на Bcix частотах збшьшуються, а тд час гниття зменшуються. У лимона модуль iмпедансу, навпаки, в процес дегiдратацii зменшуеться, а у грушi вiн в процесi старiння мае екстремум.
Фазова характеристика iмпедансу в ушх дослiдах в процесi старшня кардинально змiнюе свiй характер.
Процеси старшня та псування продуклв проявляються характерною змiною реактивноi складовоi на рiзних частотах. Рекомендуеться для д1аг-ностики свiжостi продуктiв застосовувати фазовi портрети. Фазовi портре-ти для окремих фруклв та овочiв слщ формувати емпiрично
Перел1к посилань
1. Голев И. М. Температурная зависимость электрического импеданса паренхим-ных тканей овощей / И. М. Голев, Е. Ю. Бобкина // Теоретические и практические аспекты естественных и математических науки : межд. заочн. научн.-практ. конф., 24 декабря 2012 г. : тез. докл. — г. Новосибирск, 2012. — Режим доступа http://sibac.info/index.php/2009-07-01-10-21-16/5819-2013-01-17-11-50-05.
2. Авторськое свидетельство №899005, СРСР, МКВ G01N29/04, Способ определения степени зрелости арбузов / В. В. Чаленко, Н. В. Руденко. — 2680160/30-15; заявка. 30.08.78 ; опубл. 23.01.82, Бюл.№ 3, 1982 г.
3. Пат. 55417U Украша, МПК9 G01N29/04. Споаб реестрацп виходу плод1в карто-пш з1 стану спокою / С. М. Осшов, В. Ф. Заворотний, М. В. Чапний, Т.М. Чапний ; На-цюнальний ушверситет бюресурав i природокористування Украши. — u201007709 ; заявка. 18.06.10 ; опубл. 10.12.10, Бюл.№ 23, 2010 р.
4. Чаленко В. В. Технологические основы ресурсосберегающей системы машин для производства арбуза : автореф. дис. на соискание ученой степени докт. сельскохозяйственных наук. — Астрахань, 2007. — 38с.
5. Шарпан О. Б., Безякша Д. В. Оцшка впливу неоднорщносп бютканини на чут-ливють частотного розподшу комплексного електричного iмпедансу // Науковi вiстi НТУУ «КП1». — 2005. - № 6. — С.14-18.
6. Дворский В. Я. Измеритель параметров электрического импеданса биологических тканей и органов / В. Я. Дворский, В. Э. Синанов, О. Б. Шарпан, В. Т. Ярошенко // Известия вузов. Радиоэлектроника. — 1998. — № 7. — С. 75—77.
7. Шарпан О., Зудов О., Магльована Н., Павлов О., Сшанов В. Мкропроцесорний моштор комплексного електричного б^мпедансу // Труди 5-i Мiжнар. НТК „Досвщ розробки i застосування САПР в мшроелектрошщ". — Львiв: — 1999. — С. 192-193.
8. Тимошенко Г. В. О возможности применения трехчастотной импедансометрии неоднородных биологических объектов / Г. В. Тимошенко // Вестник НТУУ «КПИ». Серия Радиотехника. Радиоаппаратостроение. — 2013. — № 54. — С. 144—150.
9. Toy S. M., Melbin J., Noordergraaf A. Reduced Models of Atrerial System // IEEE Trans. of Biomedical Engineering. — 1985. — Vol. BME-32. — No.2. — P. 174—176.
References
1. Golev I. M., Bobkina E. Yu. (2012) Temperaturnaya zavisimost' elektricheskogo impedansa parenkhimnykh tkanei ovoshchei [The temperature dependence of the electrical impedance of parenchymal tissue of vegetables]. Teoreticheskie i prakticheskie aspekty estestvennykh i matematicheskikh nauk [Proc. Conf. " Theoretical and practical aspects of the natural and mathematical sciences"]. Novosibirsk.
2. Chalenko V. V., Rudenko N. V. (1982) Sposob opredeleniya stepeni zrelosti arbuzov [A method for determining degree of ripeness of watermelons] Patent SU, no 2680160/30-15.
3. Osinov S.M. e.a. (2010) Sposib reiestratsii vykhodu plodiv kartopli zi stanu spokoiu [Registration method of awake fruit potatoes from rest state] Patent UA, no. 55417U.
4. Chalenko V. V. (2007) Tekhnologicheskie osnovy resursosberegayushchei sistemy mashin dlya proizvodstva arbuza. Diss. dokt. nauk [Technological bases of resource system of machines for the production of watermelon. Dr. Agricultural Sci. Diss.]. Astrakhan', 38 p.
5. Sharpan O. B., Bezyakina D. V. (2005) Estimation of the effect of biologic tissue heterogeneity on sensitivity of frequency distribution of a complex electric impedance. Naukovi Visty NTUUKPI, No. 6. pp. 14-18 (in Ukrainian)
6. Dvorskyi V. Ya., Synanov V. E., Sharpan O. B., Yaroshenko V.T. (1998) Izmeritel' parametrov elektricheskogo impedansa biologicheskikh tkanei i organov [Measuring instrument the electrical impedance parameters of biological tissues and organs]. Izvestiya Vuzov. Radioelektronika, vol. 53, no. 7, pp. 75-77.
7. Sharpan O., Zudov O., Magl'ovana N., Pavlov O., Sinanov V. (1999) Mikroprocesornij monitor kompleksnogo elektrichnogo bioimpedansu [Microprocessor monitor of complex electrical bioimpedance]. Dosvid rozrobki i zastosuvannja SAPR v mikroelektronici [Experience in the development and application of CAD systems in microelectronics].L'viv: pp. 192193.
8. Timoshenko G. V. (2013) Using the three-frequency bioimpedance measurement for inhomogeneous biological objects. Visn. NTUU KPI, Ser. Radioteh. radioaparatobuduv. no. 54, pp. 144-150. (in Russian)
9. Toy S.M., Melbin J., Noordergraaf A. (1985) Reduced Models of Atrerial System. // IEEE Trans. of Biomedical Engineering. Vol. BME-32, No. 2, pp. 174-176.
Гусева О. В., Мостчук В. С., Тимошенко Г. В., Шарпан О. Б. Визначення функщ-онального стану фруктових продуктов за параметрами гх електричного iMnedancy.
Розглянуто можлив^ть визначення функцюнального стану фруктiв за модулем i фазою гх iмпедансу, отриманих за вимiрюванням на трьох частотах 20, 100 та 500 кГц. Функцюнальний стан визначався за динамтою параметрiв електричного iмпедансу nid час деструктивних процеЫв, викликаних дегiдратацieю та гниття. На основi екс-периментально отриманих даних на трьох частотах змодельоваш змши амплтудно-та фазочастотног характеристик. Визначено характерш критери, за якими можливо виконувати ощнку функцюнального стану nродуктiв.
Ключовi слова: контроль якостi nродуктiв; функцюнальний стан; електричний iмnеданс; моделювання двополюснишв; фаза, модуль; АЧХ; ФЧХ.
Гусева Е. В., Мосийчук В. С., Тимошенко Г. В., Шарпан О. Б. Определение функционального состояния фруктовых продуктов по параметрам их электрического импеданса. Рассмотрена возможность определения функционального состояния фруктов по модулю и фазе их импеданса, измеренных на трех частотах 20, 100 и 500 кГц. Функциональное состояние определялось по динамике изменений параметров электрического импеданса вследствие деструктивных процессов, вызванных дегидратацией и гниения. На основе экспериментально полученных данных на трёх частотах смоделированы изменения амплитудно-частотной и фазочастотной характеристик. Определены характерные критерии, по которым можно проводить оценку функционального состояния свежих и несвежих продуктов.
Ключевые слова: контроль качества продуктов; функциональное состояние; электрический импеданс; моделирование двухполюсников; фаза; модуль; АЧХ; ФЧХ.
Guseva E. V., Mosiychuk V. S., Timoshenko G. V., Sharpan O. B.
Determination of the functional state of the fruits by parameters of the electric impedance.
Introduction. To assess the freshness of various products are often used measuring impedance module. But due to the structure of plant foods diagnostic value should have exactly a complex component of impedance. Article tasked with developing criteria for assessing the functional state of the products subject to a comprehensive component of the impedance. Research methodology. To determine the functional status of the fruit were measured module and phase of impedance at the three frequencies of 20, 100 and 500 kHz. Criteria for recognition of functional status determined by the dynamics of changes in the parameters of the complex impedance due to destructive processes caused by dehydration and putrefaction processes.
Data processing and analysis. On the basis of experimental data obtained at three frequencies modeled frequency and phase response and their changes during losing of freshness and appearance of destructive processes.
Discussion and conclusions. In fresh and stale fruit modulus and phase of the impedance at low and high frequencies have characteristic differences. But this is especially evident on the phase-frequency characteristic, which can be seen that the value of the phase with the loss of freshness at low frequency decreases and increases at high more than twice during one week. Therefore, to assess the functional state of fresh and stale products we suggest use phase portraits of phase response.
Keywords: food quality control; functional state; electric impedance; modeling; two-terminal; phase; module; frequency response; phase response.
