Способ определения сроков снятия с хранения плодов и корнеплодов Советский патент 1991 года по МПК G01N33/02 A01G7/00 A01F25/00 

сл

с

Изобретение относится к растениеводству, в частности к хранению плодов, и может быть использовано для определения качества плодов в процессе хранения и определения сроков съема их с хранения. Цель изобретения - повышение точности. Измеряют инфранизкочастотные внутренние шумы на введенных в плод микроэлектродах. Подключают электроды к переменному резистору нагрузки, изменяют переменноесо- противление до тех пор, пока на нем не произойдет выделение максимального значения мощности шумов. По максимальному значению этой мощности судят о качестве плодов, устанавливая сроки съема с хранения, используя при этом градуировочный график время хранения - мощность инфра- низкочастотных шумов. 4 ил., 2 табл.

Изобретение относится к растениеводству, в частности к области хранения плодов, и может быть использовано для определения качества плодов в процессе хранения и определения времени съема плодов с хранения.

Цель изобретения - повышение точности.

При определении сроков снятия с хранения плодов и корнеплодов, основанном на измерении интегрального уровня внутренних инфранизкочастотных шумов образца, в плод вводят микроэлектроды, суждение о качестве плода ведут по величине из- меренной мощности шума, изменяют сопротивление резистора нагрузки до выделения на нем максимального значения мощности инфранизкочастотного шума, о качестве образца судят по величине максимального значения мощности инфранизкочастотного шума, по которой устанавливают сроки снятия с хранения.

Хранящийся плод можно рассматривать как электролит, содержащийся в замкнутом ограниченном объеме. При введении в плод микроэлектродов образуется своеобразная электрохимическая ячейка, которая состоит из электродной системы, находящейся в контакте с электролитом (в контакте с плодом). При этом в образующейся электрохимической ячейке границы электрод - электролит образуют электрохимическую систему, в которой локализуются происходящие процессы химического превращения вещества и обмен носителями электрического заряда.

Таким образом, при введении в плод электродов на них возникает электродвижущая сила (ЭДС) Или разность потенциалов, которая характеризуется вероятностными параметрами, т.е. является флуктуирующей (случайной) функцией времени, Флуктуации этой величины определяются физико-химическими процессами, происходящими в

Os Ю VI О

О

со

электрохимической системе. При этом направленный процесс деградации плодов при хранении вызывает дополнительный нестационарный низкочастотный шум, Если в плод ввести электроды и к ним подсоединить резистор нагрузки с сопротивлением RH, то в системе исследуемый образец - резистор нагрузки образуется цель (путь) протекания тока, величина которого определяется согласно закону Ома:

I Е / (RH + Rn),

(D

где Е - ЭДС плода;

Rn - внутреннее сопротивление плода;

RH - сопротивление резистора нагрузки.

Дисперсия тока с учетом флуктуации ЭДС плода равна

2 с 2 (д

УЕ

(2)

где г - дисперсия флуктуации тока; Е - дисперсия флуктуации ЭДС, На основании этого выражения имеем

12

( RH + Rn)

2

(3)

Тогда мощность шума, выделяющаяся на сопротивлении резистора нагрузки, равна

- i 2 о - ш - I н -

( RH + Rn )

2 RH. (4)

Исследование этой функции на экстремум путем взятия и приравнивания к нулю первой и второй производных по параметру дает RH Rn и отрицательный знак второй производной. Таким образом, при этих условиях на сопротивлении резистора нагрузки при RH Rn выделяется максимум мощности инфранизкочастотных шумов (флуктуации тока).

Очевидно, что точность измерений, а следовательно, и решения поставленной задачи существенно выше, так как на основании (4) имеем

д RUI ЕRn RH

3 RT RH+Rn)2Rn+RH

(5)

Полагая, что производная берется вблм- зи точки RH « Rn, переходя к конечным приращениям и учитывая равенства

EZ/(RH + Rn)2, имеем

ДРш(ДЮ:

ш

2Rn

Таким образом, относительная погрешность в измерении мощности шума растет с увеличением разницы в сопротивлениях плода и резистора нагрузки, что приводит к существенной погрешности в реализации способа, т.е. в определении качества плодов.

Регулировка сопротивления нагрузки при изменениях мощности шума обеспечивает повышенную точность в определении качества исследуемых плодов. Линии тока повторяют силовые линии

электрического поля, создаваемого двумя зарядами, размещенными в плоде на месте электродов, и охватывают весь плод. Такое подобие (модель) имеет место и вытекает из того, что потенциал в плоде удовлетворяет уравнению Лапласа. Действительно, плотность тока в плоде равна

-

,(6)

где а- удельная электропроводность плода;

Е - напряженность поля в рассматриваемой точке.

Представим (6) в виде

j ffgrad p ,

(7)

где р- потенциал электрического поля.

Так как электрический ток в плоде свободен от источников,то

-

div j 0(8)

или, учитывая (7), получим

div j -crdiv a Др 0. (9)

45

где

50

+ е+. „ад

6х2 ау2 дг2

Следовательно, электрический потенциал в электролите удовлетворяет уравнению Лапласа и линии тока имеют место во всем испытуемом образце,

В силу того, что ток имеет место во всем образце, дисперсия его флуктуации зависит от количества дефектов, вызывает сомнения экспертизы, и результаты контроля не зависят от вида электродов.

Математическое ожидание или среднее значение ЭДС, главным образом, определяется поляризационными эффектами. Но для контроля используют не среднее значение ЭДС, а дисперсию ее флуктуации, причем в тот момент, когда во внешнюю цепь выдэ- ляется максимальное значение мощности. Таким образом, флуктуации ЭДС в данном случае являются следствием не поляризационных эффектов, а флуктуации тока в образце.

Чем выше уровень шумов в данном режиме измерения, тем больше количество и объем неоднородностей удельного сопротивления в плоде и тем ниже его лежкоспо- собность. Физически усиление дисперсии флуктуации ЭДС объясняется увеличением количества дефектов внутри плода, Из этого следует, что чем выше уровень шума, тем меньше лежкоспособность плода, т.е. тем хуже его сохраняемость.

На фиг.1 показана схема реализации способа; на фиг.2-4 - графики, поясняющие способ. На фиг.1 обозначены исследуемый образец 1 (плод с введенным в него микроэлектродами), переменный резистор 2 нагрузки, малошумящий усилитель 3 с полосой пропускания 1,0-20 Гц, усилитель 4 с регулируемым коэффициентом усиления (регулируемый усилитель), квадратичный детектор 5 и индикатор 6.

Флуктуации ЭДС образца-плода 1 выделяются на сопротивлении RH резистора 2 и усиливаются усилителями 3 и 4. Регулировкой коэффициента усиления усилителя 4 обеспечивают нормальную работу квадратичного детектора 5 и индикатора 6, по показаниям которого фиксируют значение мощности флуктуации. Резистор RH является переменным и с его помощью обеспечивается достижение равенства RH Rn, a следовательно, максимального показания индикатора. Для уменьшения уровня собственных шумов измерителя и повышения точности реализации способа резистор RH добжен быть высокоточным и по возможности проволочным.

Материал электродов (катода и анода) выбирается исходя из минимума переходного сопротивления и уровня шумов.

В процессе испытаний устанавливается зависимость качества плода от уровня мощности шума на сопротивлении резистора нагрузки, равном внутреннему сопротивлению плода. Эта же зависимость может быть представлена как зависимость остаточного времени хранения от мощности шума при сохранении как условий (температура, влажность) хранения, так и режима измерения шума.

Нижняя граничная частота используемого диапазона определяется допустимой длительностью измерения, а верхняя - максимальным значением энергии шумов. В общем случае получают зависимость качества плода от мощности шумои для различных температур и различных сортов пподов. Операции способа сводятся к следующему: в образец вводят электроды и соединяют их

с резистором RH входом усилителя 3, производят изменение сопротивления RH до получения максимума показаний индикатора 6, производят отсчет величины мощности шумов, по градуировочной.кривой (фиг.2) устанавливают длительность хранения плодов,

их качество при указанной температуре и с

учетом результатов сравнения с эталонной

зависимостью сроки съема с хранения.

Таким образом, для конкретных сортов

и разновидностей плодов строят графики зависимости мощности инфранизкочастот- ных шумов от времени для необходимых температур. Устанавливают пороговое значение мощности шумов, при которой плод

должен быть снят с хранения и реалиэов н, а качество и время, оставшееся до конца хранения, устанавливают по градуировоч- ной кривой.

Пример такой зависимости для картофеля сорта Темп при хранении его при 5-10°С показан на фиг.2.

Из партии плодов, закладываемых на хранение, производят ограниченную выборку, например 100 плодов.

В соответствии с операциями способа производят определение максимального значения мощности шума каждого плода путем измерения ее на введенных в плод электродах.

Определяют (рассчитывают) среднее значение мощности шума для всей выборки. Закладывают партию плодов на хранение при определенной температуре, например 5°С. В общем случае эта температура

определяется техническими условиями на плод.

С периодичностью 10-15 сут хранения повторяют операции.

По результатам, измерений строят график зависимости мощности шума от времени. Пример такой зависимости для яблок сорта Антоновка, выращенных в Гомельской области, показан на фиг.З.

Согласно с периодом измерения мощности шума производят дегустацию плодов и определяют их качество методом экспертной оценки. При снижении качества плодов до порогового значения, при котором дальнейшее хранение плодов невозможно, определяют пороговое значение мощности шума Ршп и пороговое значение времени tn.

Перестраивают зависимость фиг.З в координатах tn -1 t (Рш), где tn -1 тх - время допустимого хранения плодов. Такая зависимость приведена на фиг.4. Для данного сорта плодов она является эталонной.

В общем случае эталонные зависимости строят для каждого сорта плодов в соответствии.

Из партии плодов, закладываемых на хранение, делают ограниченную выборку и определяют среднее значение мощности шума для выборки, повторяя измерения приведенной последовательности.

Используя эталонную зависимость по величине Рш в начале хранения, определяют срок сохранности плодов. Например, величине Рш 2 Вт соответствует срок хранения tx 47 сут.

Если мощность шума ниже имеющихся значений на графике (меньше 1 10 Вт), то измерения повторяют через ограниченный промежуток времени и срок хранения отсчитывают от момента повторного измерения. Величину дополнительного срока хранения устанавливают следующим образом.

Определяют скорость нарастания АРш/Лг ЭРщ/Эт в началехранения. Срок дополнительного хранения находят согласно формуле

Рш изм - Рщ min

гдАРш/At

где Рш min и Рщ изм минимальное значение шума в эталонной зависимости и измеренное значение шума мощности шума плода;

to, - длительность дополнительного срока хранения,после которого производят повторные измерения.

В ходе испытаний плодов и построения эталонной зависимости измерения производят при различных температурах и определяют ту из них, при которой длительность хранения наибольшая.

Величины начальных сопротивлений переменного резистора, соответствующие среднему сопротивлению плодов, приведены в табл.1.

Уровень наводок (внешних помех) может быть сведен к минимальному значению, поскольку плод с вводимыми электродами помещают в контейнер из нержавеющей стали толщиной 5 мм. Контейнер заземляют, подключение плода к измерительной схеме производят через клеммы, расположенные на стенке контейнера. Плод в контейнере располагают на диэлектрике, не

накапливающем заряда (лучше на керамической подложке, но не на фторопласте).

Общий уровень сетевых помех может быть понижен, кроме того, введением в

цепь вне контейнера (в одну из линий подключения) узкополосного активного РС- фильтра на двойном Т-образном месте с затуханием не ниже 40-50 дБ. Такой фильтр строится на типовой микросхеме и является

0 фильтром 6-го порядка. В результате таких мер уровень помех не превышает 20-30% от минимального уровня шума плода.

Для визуального контроля спектрального состава шумов использовали анализатор

5 спектра инфранизкочастотных шумов, Согласно фиг.1 его подключают после регулируемого усилителя 4 параллельно квадратичному детектору 5.

Цифровой универсальный вольтметр

0 используют для контрольных измерений сопротивления плодов и их ЭДС как в нагруженном режиме (при подключении Rn), так и в режиме холостого хода при отключенном Rn.

5 Перед измерениями производят юстировку (эталонирование) измерительной установки с помощью генератора с нижней граничной частотой 0,01 Гц и верхней 20 кГц.

0 Методика эксперимента.

Испытуемые образцы делят на 5 групп по 30 образцов в каждой. Четыре группы подвергают периодическому контролю с интервалом 12-15 сут, Пятую группу подверга5 ют испытаниям в начале эксперимента и в конце его, т.е. ее принимают в качестве эталонной.

Производит испытания всех контрольных образцов в момент закладки на хране0 ние, на основании которых устанавливают величину ЭДС образцов Е, значение внут-. раннего сопротивления образцов, усредненные значения ЭДС и внутреннего сопротивления по группам, мощность шу5 мов образцов, усредненные значения мощности шумов по партиям.

Параллельно операции измерения мощности шумов производят операции анализа спектра шумов с помощью анализатора.

0 Мощность шумов измеряют при условии Йи Rn, т.е. при достижении мощностью максимального значения,

Результаты испытаний приведены в табл.2.

5 Контрольные образцы (группы 1-4) подвергают проверке через 12-15 сут.

При этом внутреннее сопротивление, ЭДС и внутренние шумы плодов в процессе хранения изменяются и по состоянию на 10 ноября 1988 года они соответственно равны: Е 46,7 мВ; Ни 7,32 кОм, Рш 7,52 .

Таким образом, приращение мощности шумов за время t 52 сут хранения составляет 7,041 Вт. Очевидно, что скорость изменения мощности внутренних шумов плодов составляет 0,135- Вт/сут.

Измерения эталонных (контрольных) образцов (группа 5) дают примерно такие же результаты.

Таким образом,, устанавливая для данной партии плодов и условий хранения их пороговое значение мощности, например 25 Вт, можно совершенно однозначно определить время, оставшееся до момента их критического хранения, т.е. время до реализации в качественном (потребительском) виде:

tocT Ршт tn „ 133 сут

(4,43мес.) .

где Рш (1и) - среднее значение мощности шумов для партии плодов на время измерения tn (Ю-jf ноября, например);

а ДРш/At-скорость изменения средней мощности шумов;

А Рш, At приращения мощности шумов и времени соответственно.

Способ прост в реализации, экономичен (отсутствие систем нагрева, охлаждения и т.д.), обеспечивает высокую точность, которая для данной измерительной установки не превышает по погрешности 2-3%. Кроме того, зависимость информационного параметра (инфранизкочзетотного шума) от размеров плода относительно слаба, если они не отличаются примерно на порядок. Последнее еще больше характеризует точность способа, так как в известных способах охлаждение и нагрев различным образом влияют на процесс измерения.

На уровень (мощность) шумов существенно влияют загрязнения, влажность и т.д.

Поэтому процесс измерений (и хранения) необходимо организовывать при постоянной температуре при минимальном загрязнении и сухом плоде (его поверхности).

Ф о р мул а и зо б р ете н и я

Способ определения сроков снятия с хранения плодов и корнеплодов, предусматривающий введение в них электродов, измерение электрического показателя, коррелирующего с физиологическим состоянием исследуемых плодов и корнеплодов в процессе хранения, сравнение текущего значения измеренного показателя с эталонным и определение сроков снятия с хранения плодов и корнеплодов с учетом результатов сравнения, отличающи -, - с я тем, что, с целью повышения точности, измеряют величину сопротивления внешней нагрузки, при этом в качестве показателя, коррелирующего с физиологическим состоянием исследуемых плодов и корнеплодов, используют максимальное значение мощности инфранизкочастотных шумов, соответствующее уравновешивающей его измеренной величине сопротивления внешней нагрузки.

Т а б л и ц а 1

Таблица 2

-rfr

V

Малощ/мящии усшшт&гь

индикатор

Pui.J

2 « 6 8 Ю & & & Ј 20 22 24- ,8т

Риг.2.

fatQite

ит Ы

32

16 8

4

tOff

5 iQ 15 20 25 30 3$ 40 ft 50 55 60

ФигЗ

FksywpyeMbiu усилитель

дешвктср

t,cy/n

{Ј,&т

2 /ГПГ

Фиг. 4

рш -ю;тЈ&7