СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СТЕПЕНИ ПОВРЕЖДЕНИЯ ТКАНЕЙ СВЕЖЕУБРАННЫХ РАСТИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ ПОДГОТОВКЕ ИХ К ОБЕЗВОЖИВАНИЮ Российский патент 2007 года по МПК G01N27/00 A01G7/00 A23L2/04 

Изобретение относится к способам оперативной оценки степени повреждения тканей свежеубранных растительных материалов при подготовке их к обезвоживанию и может применяться на сокоперерабатывающих, фармацевтических предприятиях, предприятиях кормопроизводства, в пищевой и сахарной промышленности.

Подготовка свежеубранных растительных материалов к обезвоживанию проводится с целью интенсификации последующего процесса обезвоживания обрабатываемого сырья и заключается в максимально возможном повреждении влагонесущих клеток растительных материалов разрушающими технологическими факторами.

На данный момент известны следующие методы оценки жизнеспособности растительных тканей: метод коэффициента поляризации и метод оценки жизнеспособности растительной ткани по величине степени ее повреждения.

Основа методов заключается в определении электрических характеристик растительных тканей в зависимости от их жизнеспособности. С уменьшением жизнеспособности растительных клеток изменяются их активные и емкостные составляющие электропроводности. Это обусловлено тем, что нарушаются полупроницаемые свойства клеточных мембран и происходит вытекание внутриклеточного сока в межклеточное пространство, то есть наблюдается частичное или полное нарушение жизненных функций клеток. Следовательно, электрические характеристики растительных тканей могут быть использованы для оценки степени их жизнедеятельности, повреждения или порчи как живого биологического объекта.

Известен способ определения жизнеспособности растительных тканей методом электропроводности, заключающийся во введении в растение электродов, подачу на них электрического сигнала и измерении изменения электропроводности тканей (Авторское свидетельство СССР №893179, кл. А01G 7/00, 1981).

Недостатками способа являются:

- зависимость электропроводности растительных материалов от погодных условий, поверхностной влаги и фазы вегетации растений;

- показатель не приведен к максимально возможному значению обработки, что осложняет определение степени повреждения тканей растительных материалов.

Известен способ обнаружения порчи плодов, заключающийся во введении в растение электродов, подачу на них электрического сигнала и измерении длительности заднего фронта выходного сигнала (Авторское свидетельство СССР №1130255, кл. А01G 7/00, 1984).

Недостатками способа являются:

- зависимость показателя от формы заднего фронта импульса, глубины погружения электродов, амплитуды импульса;

- показатель не приведен к максимально возможному значению обработки, что осложняет определение степени повреждения тканей растительных материалов.

Также известен способ определения жизнеспособности растительных клеток методом оценки степени повреждения растительных тканей (Стативкин Е.В. Интенсификация процесса сушки винограда предварительной электроимпульсной обработкой - Дис... канд. тех. наук. - Ташкент, 1985. - 221 с. (см. стр.62-69)), заключающийся в измерении величин полных электрических сопротивлений Z₁ и Z₂ растительного объекта на одной и той же частоте до и после воздействия повреждающего фактора соответственно и в вычислении степени повреждения растительных тканей S как отношения этих измеренных величин

Недостатками способа являются:

- невысокая точность измерений за счет значительного влияния на результаты измерений внешних природных и технологических факторов, например поверхностной влаги;

- показатель не приведен к максимально возможному значению обработки, что осложняет определение степени повреждения тканей растительных материалов;

- невозможно предсказать максимально возможное значение степени повреждения растительных материалов.

Техническая задача изобретения - повышение оперативности и точности определения степени повреждения тканей растительных материалов при подготовке их к обезвоживанию, а также возможность реализации способа в промышленных технологических потоках.

Поставленная техническая задача достигается тем, что в способе предусматривается воздействие на растительный материал повреждающего фактора и определение параметров электрических сигналов в растительном материале, причем определяемыми параметрами являются значения сдвига фаз прямоугольных электрических сигналов типа меандр на электродах первичных измерительных преобразователей относительно сигналов на сравнительных резисторах до и после воздействия повреждающего фактора на растительный материал и последующее вычисление степени повреждения тканей свежеубранного растительного материала по формуле

где S_x - степень повреждения тканей свежеубранного растительного материала;

ϕ_x - сдвиг фазы прямоугольного электрического сигнала на электродах первичного измерительного преобразователя относительно сигнала на сравнительном резисторе после воздействия на материал повреждающего фактора;

ϕ₀ - сдвиг фазы прямоугольного электрического сигнала на электродах первичного измерительного преобразователя относительно сигнала на сравнительном резисторе до воздействия на материал повреждающего фактора;

ϕ_∞ - значение фазы прямоугольного электрического сигнала на электродах первичного измерительного преобразователя после максимально возможного воздействия на материал повреждающего фактора.

Сущность разработанного способа заключается в следующем. Степень повреждения тканей свежеубранных растительных материалов при подготовке их к обезвоживанию предлагается определять через величину отклонения значения фазы ϕ_x электрического сигнала U_ПИП2 на электродах первичного измерительного преобразователя, установленного на выходе из аппарата технологической подготовки материалов к обезвоживанию, от значения фазы ϕ₀ электрического сигнала U_ПИП1 на электродах первичного измерительного преобразователя, установленного на входе в тот же аппарат, приведенную к величине наибольшей возможной разности фаз ϕ₀-ϕ_∞ для данного конкретного растительного материала после максимально возможного воздействия на этот материал повреждающего технологического фактора по формуле (1).

Фаза является удобной для измерения электрической величиной. При измерении фазы сигнала учитывается изменение двух параметров: величины электрической емкости и величины электрического активного сопротивления тканей растительного материала. За величину целевого значения фазы принимаем ноль (ϕ_∞=0), так как «идеально подготовленные» растительные материалы - это материалы с полностью разрушенными биологическими влагоудерживающими свойствами протоплазмы после максимально возможного воздействия на материал повреждающего фактора. В рабочем диапазоне частот измерения «идеально подготовленные» растительные материалы характеризуются только величиной активного сопротивления электрическому току. Выражение для определения степени повреждения тканей свежеубранного растительного материала (1) с учетом рассмотренного эффекта принимает вид

Если растительный материал по каким-то причинам на стадии подготовки оказался необработанным, то ϕ_x=ϕ₀, и степень повреждения тканей свежеубранного растительного материала равна нулю

Если живой растительный материал в процессе подготовки полностью разрушен, то ϕ_x=ϕ_∞=0, и степень повреждения тканей свежеубранного растительного материала достигает максимального значения, равного единице

Таким образом, из формул (3) и (4) видно, что величина степени повреждения тканей свежеубранного растительного материала может принимать значения в интервале

Так как величина S_x безразмерна и является отношением фактического сдвига фазы для данного конкретного материала в момент его обработки к величине максимально возможного сдвига фаз этого же материала, то использование значений ϕ₀ и ϕ_∞ позволяет учесть влияние на измеряемую характеристику S_x погодных условий, вида растений и фазы вегетации растений и других исходных факторов, таким образом, в способе определения степени повреждения тканей свежеубранных растительных материалов при подготовке их к обезвоживанию реализуется задача минимизации чувствительности к изменениям неконтролируемых (мешающих) факторов.

Предлагаемый способ реализуется устройством, представленным на фиг.1. Устройство содержит генератор переменного электрического напряжения 1, контроллер 2, включающий в себя интерфейс вывода измерительной информации 3, дисплей 4 и интерфейс ввода измерительных сигналов 5; два первичных измерительных преобразователя 6 (ПИП1 и ПИП2), два сравнительных резистора 7 (R_1cp и R_2cp), два резистора-делителя 8 (R_1дел и R_2дел) и аппарат технологической подготовки растительного материала к обезвоживанию 9, через который проходит поток растительного материала 10.

Предлагаемый способ реализуется следующим образом. Генератор переменного электрического напряжения 1, вырабатывая электрические сигналы типа меандр, питает две параллельные замкнутые цепи и измерительные электроды двух первичных измерительных преобразователей 6. С целью повышения оперативности ведения процесса и возможности применения способа в промышленных технологических потоках первичные измерительные преобразователи 6 установлены по ходу непрерывного потока растительного материала 10 до и после аппарат технологической подготовки к обезвоживанию 9. Поток необработанного растительного материала проходит через первичный измерительный преобразователь ПИП1 на технологическую обработку в аппарат технологической подготовки растительного материала к обезвоживанию 9, а далее уже обработанный растительный материал из аппарата поступает на второй первичный измерительный преобразователь ПИП2. Измерительные сигналы снимаются: со сравнительного резистора R_1cp (сигнал U_R1cp), с первичного измерительного преобразователя ПИП1 (сигнал U_1ПИП), со второго сравнительного резистора R_2cp (сигнал U_R2cp), со второго первичного измерительного преобразователя ПИП2 (сигнал U_2ПИП) и подаются на интерфейс ввода измерительных сигналов 5 контроллера 2. Контроллер 2 определяет значение сдвига фаз ϕ₀ и ϕ_x и рассчитывает степень повреждения тканей свежеубранного растительного материала S_x по формуле (1).

Для наглядности на фиг.2, а) приведен вид сравнительного сигнала U_R1cp, снимаемого со сравнительного резистора R_1cp. Передний фронт электрического сигнала типа меандр, снимаемый со сравнительного резистора R_1cp, пересекает линию калиброванного опорного напряжения U_k под прямым углом, что позволяет более точно определить точку пересечения и момент времени t для этого пересечения.

Вид кривой напряжения электрического сигнала U_1ПИП с первичного измерительного преобразователя ПИП1 приведен на фиг.2, б).

Момент пересечения переднего фронта кривой U_1ПИП с линией калиброванного опорного напряжения U_k обозначен t₀ (фиг.2, в)).

На фиг.3, а) приведен вид сравнительного сигнала U_R2cp, снимаемого со сравнительного резистора R_2cp.

Вид кривой напряжения электрического сигнала U_2ПИП, снимаемого с ПИП2, приведен на фиг.3, б).

Момент пересечения переднего фронта кривой U_2ПИП с линией калиброванного опорного напряжения U_k обозначен t_x (фиг.3, в)).

При равенстве измеряемых напряжений U_Rlcp и U_1ПИП заданному уровню калиброванного опорного напряжения U_k (U_k=0) отсчитывается временной интервал t₀-t. Значение сдвига фазы ϕ₀ измерительного сигнала U_1ПИП с периодом Т связано с этим временным интервалом общеизвестной формулой

где ϕ₀ - начальное значение сдвига фазы электрического сигнала U_1ПИП на электродах ПИП1 относительно сигнала U_R1cp на сравнительном резисторе R_1cp; Т - период электрического сигнала; Δt₀ - временной интервал между передними положительными фронтами сигналов U_R1cp и U_1пип, К - константа при постоянной частоте измерения.

Аналогично на ПИП2. При равенстве измеряемых напряжений U_R2cp и U_2пип заданному уровню калиброванного напряжения U_k (U_k=0) отсчитывается временной интервал t_x-t. Значение сдвига фазы ϕ_x измерительного сигнала U_2ПИП с периодом Т связано с этим временным интервалом общеизвестной формулой

где ϕ_х - фактическое значение сдвига фазы электрического сигнала U_2ПИП на электродах ПИП2 относительно сигнала U_R2cp на сравнительном резисторе R_2ср; Т - период электрического сигнала; Δt_x - временной интервал между передними положительными фронтами сигналов U_R2cp. и U_2ПИП; К - константа при постоянной частоте измерения.

Повышение точности измерений достигается за счет питания схемы прямоугольными электрическими сигналами типа меандр с периодом Т. Такое питание по сравнению с синусоидальным напряжением уменьшает погрешность измерения моментов времени пересечения измерительных сигналов U_1ПИП и U_2ПИП с линией калиброванного опорного напряжения U_k, которые используются для определения сдвигов фаз на первичных измерительных преобразователях ПИП1 и ПИП2 относительно сравнительных сигналов U_R1cp и U_R2cp, поступающих со сравнительных резисторов R_1cp и R_2cp соответственно.

Основным преимуществом заявленного способа по сравнению с известными является повышение оперативности и точности определения степени повреждения тканей свежеубранных растительных материалов при подготовке их к обезвоживанию и возможность непосредственного применения данного способа в промышленных технологических потоках.

Экспериментальная проверка заявленного способа показала его работоспособность. Предварительная оценка величины погрешности степени повреждения тканей растительных материалов составила 3%. При этом частота электрических сигналов типа меандр изменялась в интервале от 1 до 10 кГц при градиентах напряжения в растительных материалах в диапазоне от 1 до 5 В/см и плотности растительных материалов в межэлектродном пространстве 1152 кг/м³ (люцерна, фаза вегетации - перед цветением, длина резки от 30 до 50 мм).

Изобретение относится к способам оперативной оценки степени повреждения тканей свежеубранных растительных материалов при подготовке их к обезвоживанию и может применяться на сокоперерабатывающих, фармацевтических предприятиях, предприятиях кормопроизводства, в пищевой и сахарной промышленности. Сущность разработанного способа заключается в следующем. Степень повреждения тканей свежеубранных растительных материалов S_x при подготовке их к обезвоживанию предлагается определять через величину отклонения значения фазы ϕ_х электрического сигнала на электродах первичного измерительного преобразователя, установленного на выходе из аппарата технологической подготовки материалов к обезвоживанию, от значения фазы ϕ₀ электрического сигнала на электродах первичного измерительного преобразователя, установленного на входе в тот же аппарат, приведенную к величине наибольшей возможной разности фаз ϕ₀-ϕ_∞ для данного конкретного растительного материала после максимально возможного воздействия на этот материал повреждающего технологического фактора по формуле

Способ позволяет повысить оперативность и точность определения степени повреждения тканей растительных материалов при подготовке их к обезвоживанию, а также дает возможность реализации его в промышленных технологических потоках. 3 ил.

Способ определения степени повреждения тканей свежеубранных растительных материалов при подготовке их к обезвоживанию, характеризующийся тем, что он предусматривает воздействие на растительный материал повреждающего фактора и определение параметров электрических сигналов в растительном материале, причем определяемыми параметрами являются значения сдвига фаз прямоугольных электрических сигналов типа меандр на электродах первичных измерительных преобразователей относительно сигналов на сравнительных резисторах до и после воздействия повреждающего фактора на растительный материал, и последующее вычисление степени повреждения тканей свежеубранного растительного материала по формуле

где S_x - степень повреждения тканей свежеубранного растительного материала;

ϕ_х - сдвиг фазы прямоугольного электрического сигнала на электродах первичного измерительного преобразователя относительно сигнала на сравнительном резисторе после воздействия на материал повреждающего фактора;

ϕ₀ - сдвиг фазы прямоугольного электрического сигнала на электродах первичного измерительного преобразователя относительно сигнала на сравнительном резисторе до воздействия на материал повреждающего фактора;

ϕ_∞ - значение фазы прямоугольного электрического сигнала на электродах первичного измерительного преобразователя после максимально возможного воздействия на материал повреждающего фактора.