автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.02, диссертация на тему:Инфракрасный экспресс-анализ сельскохозяйственной продукции

г^ А. На правах рукописи

47-

^ МОРОЗОВА Марина Викторовна

ИНФРАКРАСНЫЙ ЭКСПРЕСС-АНАЛИЗ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ПРОДУКЦИИ

Специальности: 05.20.02 - электрификация

сельскохозяйственного производства и 05.13.07 - автоматизация технологических процессов и производств (сельское хозяйство)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва -1997

Работа выполнена во Всероссийском научно-исследовательском институте электрификации сельского хозяйства (ВИЭСХ).

Научный руководитель: академик Россельхозакадемии

доктор технических наук Кормановский Л.П.

Научный консультант : академик Россельхозакадемии доктор технических наук,

профессор Бородин И.Ф.

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук . , Старовойтов В.И.

Доктор технических наук,

старший научный сотрудник Лебедев Д. П.

Ведущая организация - Отраслевой научно-исследовательский инженерный центр сельскохозяйственных приборов НПО "Агроприбор".

Защита состоится '/¿>° 1997 г.

в "/¿?" часов на заседании диссертационного совета К.020.15.01 во Всероссийском научно-исследовательском институте электрификации сельского хозяйства по адресу: 109456, Москва, 1-й Вешняковский проезд, д.2, ВИЭСХ.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке ВИЭСХ.

Автофеферат разослан " •кол' 1997 г.

Ученый секретарь I диссертационного Совет кандидат технических наук старший научный сотрудн! Г

Н.Ф.Молоснов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Одной из важнейших проблем агропромышленных предприятий России по производству, переработке и хранению сельскохозяйственной продукции является своевременный контроль и анализ ее качества и состава.

В условиях современных технологий, внедряемых в сельскохозяйственную, отрасль, указанные характеристики выпускаемой или, перерабатываемой продукции должны быть определены за короткое время. -Такой экспресс-контроль проводится с минимальной по времени профподготовкой (длительностью не более 5-10.мин), .высокой скоростью анализа (порядка 1-2 минуты) и отличается универсальной применимостью для широкой номенклатуры продуктов, находящихся в твердом, жидком и пастообразном, ¡состояниях. Проблема количественного экспресс-анализа различных сельскохозяйственных продуктов особенно остро проявляется на международных рынках сбыта. В России в настоящее время не существует хорошо налаженной аналитической службы экспресс-анализа потребляемых продуктов питания (особенно закупаемых по импорту) на предмет загрязнения их вредными для человека соединениями (нитратами, нитритами, пестицидами, токсинами, бактериями и др.). Кроме того, экспресс-анализ биологически активных ^ компонентов, содержащихся в различных сельскохозяйственных продуктах, также необходим и для сбалансирования их по энергетическим характеристикам, питательной ценности и калорийности.

Существует множество методов контроля и анализа сельскохозяйственной продукции, которые можно разделить на химические и инструментальные.

Химический метод анализа отличает значительная продолжительность и малая производительность, а также существенные финансовые и трудовые затраты.

Одним из существующих инструментальных методов, отвечающих требованиям экспрессности, является метод инфракрасной спектроскопии в ближнем (коротковолновом) диапазоне спектра (0,75-1,0 мкм и 1,0-2.5 мкм), так называемый БИК-метод.

На базе БИК-метода созданы отечественные и зарубежные инфракрасные спектроанализаторы (в дальнейшем БИК-анализаторы) для экспресс-анализа различных видов продуктов, т.е. определения содержания в них жизненноважных органических, минеральных соединений и вредных для человека веществ.

Однако, известные отечественные и зарубежные конструкции

БИК-анализаторов не обладают достаточной точностью, не имеют системы термостабилизации и не обеспечивают воспроизводимости данных анализа при перенесении калибровочных шкал с одного анализатора на другой.

Современная проблема экспресс-контроля и анализа различных сельскохозяйственных продуктов требует разработки простого и сравнительно дешевого метода, обеспечивающего создание высокоточной установки, конкурентнослособной существующим отечественным и зарубежным аналогам.

Диссертационная работа выполнялась в соответствии с научно-технической программой фундаментальных исследований Россельхозакадемии "Техника, энергетика и ресурсоиспользование", проблема 12 "Разработать научные основы развития системы технолого-технического обеспечения сельскохозяйственного производства, создания машин и энергетики нового поколения, формирования эффективного инженерно-технического сервиса в условиях рыночной экономики", задание 04.04 на 1991-1996 гг., и договором № 34-51-1 от 05 мая 1993г. с Российским фондом технологического развития при Миннауки РФ "Разработка универсального инфракрасного экспресс-анализатора

сельскохозяйственных и пищевых продуктов и метрологического обеспечения к нему", заключенного с ВИЭСХ на конкурсной основе с проведением Государственной экспертизы.

Целью работы является разработка метода и установки универсального экспресс-анализа сельскохозяйственной продукции с использованием коротковолнового инфракрасного излучения в расширенном диапазоне спектра 0,75-2,5 мкм, обеспечивающих воспроизводимость спектральной характеристики продукта по фотометрической шкале и шкале длин волн.

В работе поставлены следующие задачи исследования:

- провести анализ и классификацию анализируемых компонентов сельскохозяйственных продуктов по их биохимическим и спектральным характеристикам, а также методам регистрации спектральной информации в зависимости от фазового и структурного состояния сельскохозяйственного продукта;

- разработать блок-схему установки для БИК-экспресс-анализа сельскохозяйственной продукции, обеспечивающую точность основных ее параметров при условии термостабилизации ее основных блоков;

- теоретически и экспериментально обосновать данные по точностным и эксплуатационным характеристикам установки для БИК-экспресс-анализа сельскохозяйственной продукции, ;•

Научная новизна работы заключается в том, что впервые:

- предложена математическая модель расчета световых потоков, регистрируемых методами диффузного. отражения, диффузного пропускания и трансфлекции в соответствующих поддиапазонах коротковолновой инфракрасной области спектра;

разработана и инструментально реализована блок-схема установки БИК-экспресс-анализа сельскохозяйственной продукции. Научно-техническая новизна блок-схемы установки подтверждена патентом России;

- теоретически обоснованы и экспериментально получены точностные параметры основных блоков установки БИК-экспресс-анализа сельскохозяйственной продукции; :

предложена и экспериментально опробована методика метрологической оценки оптико-механической части установок БИК-экспресс-анализа на воспроизводимость фотометрической шкалы и шкалы длин волн с использованием сертифицированных международных калибровочных стандартов диффузного отражения.

На защиту выносятся следующие научные положения: 1 .Анализ и классификация компонентов сельскохозяйственных продуктов по их биохимическим и спектральным характеристикам, а также методам анализа (диффузное отражение, диффузное пропускание, трансфлекция) в зависимости от фазового состояния сельскохозяйственного объекта.

2.Блок-схема установки БИК-экспресс-анализа сельскохозяйственной продукции с улучшенными точйостиыми параметрами основных ее блоков и термостабильностью, обеспечивающей воспроизводимость спектральных характеристик анализируемых продуктов по фотометрической шкале и шкале длин волн.

3.Методики и результаты экспериментальной поверки точностных параметров основных блоков установки БИК-экспресс-анализа сельскохозяйственной продукции.

Практическая ценность выполненной работы заключается в разработке и обосновании блок-схемы установки БИК-экспресс-анализа, стабильно работающей в коротковолновом инфракрасном диапазоне и обеспечивающей повышенную точность и воспроизводимость спектральной характеристики, а также в 10 раз увеличивающей скорость анализа. Универсальность установки БИК-экспресс-анализа обеспечивается за счет расширения спектрального диапазона от 750 до 2500 нм, позволяющего увеличить номенклатуру анализируемых сельскохозяйственных продуктов, находящихся в твердом, жидком и пастообразном видах.

Обоснованные методы повышения фотометрической и спектральной точности установки БИК-экспресс-анализа

значительно снижают среднеквадратическую ошибку анализа и позволяют создавать анализаторы нового поколения, не имеющие аналогов.

При применении установки БИК-экспресс-анализа сельхозпродуктов стоимость одного анализа уменьшается а 4,6 раза по сравнению с химическим методом, а годовой экономический эффект от использования одной установки (в ценах 1997 года) составит 789,2 млн. рублей.

Методика исследований включала аналитические и экспериментальные методы.

Аналитические методы исследований базировались на использовании математической модели взаимодействия коротковолнового инфракрасного излучения с веществом, проведении числовых оценок для падающего, отраженного и проходящего (поглощенного) световых потоков, методах математической статистики, аналитической и пространственной геометрии, теории фотометрии.

Экспериментальные исследования проводились на базе Производственного объединения "Азовский оптико-механический завод", в Научно-производственном объединении "ОРИОН" и в лаборатории автоматизации и электрификации защищенного грунта ВИЭСХ и подтверждены результатами лабораторных исследований и актами приемочных испытаний.

Реализация результатов работы.

Внедрение установки БИК-экспресс-анализа сельскохозяйственной продукции в аналитические службы различных продовольственных регионов России умеьшит невыгодный для страны импорт дорогостоящих и нестабильных зарубежных анализаторов (стоимость разрабатываемой установки БИК-экспресс-анализа в 1,5-2 раза меньше стоимости зарубежных БИК-анализаторов фирмы "Вгаш+ЬиЬЬе", Германия и "ЫИ^^етг", США), значительно снизит затраты химических лабораторий, обеспечит экспрессность анализа, по сравнению с химическим методом более, чем в 10 раз, улучшит качество сельскохозяйственного продовольствия, поставляемого на отечественный рынок. Комплекс исследований разрабатываемой установки БИК-экспресс-анализа проводился на Производственном объединении "Азовский оптико-механический завод".

Автор выражает искреннюю благодарность за оказанные консультации и помощь в работе над установкой БИК-экспресс-анализа сельскохозяйственной продукции ст.научн.сотр. Д.В. Матюнину (ВИЭСХ), заслуж. деятелю науки РФ, доктору физ,-мат.наук, проф.кафедры оптики В.А. Кизелю (МФТИ

г.Долгопрудный), член-корр. РАН Л.Н.Курбатову (НПО "ОРИОН", г.Москва), ведущим конструкторам В.Ф.Коваленко и К.Х Ожеву (ПО "Азовский оптико-механический завод", г.Азов), инженеру по электронике Ю.А.Лаирову ТОО "Слад"(г.Долгопрудный).

Апробация работы.

Содержание диссертационной работы и основные результаты теоретических и экспериментальных исследований докладывались и получили одобрение на следующих научных конференциях и семинарах: Международной научно-технической конференции "Нетрадиционные электротехнологии в сельскохозяйственном производстве и быту села" (г.Ялта, Кацивели-Крым, ноябрь 1991г.); Международном семинаре "Применение Фурье-спектроскопии в пищевой промышленности" (Институт спектроскопии АН РФ, г.Троицк, декабрь 1994 г.); Международной научно-технической конференции "Автоматизация производственных процессов в сельском хозяйстве" (г.Углич, 13-15 марТа 1995г.), 10-й Всемирной конференции по Фурье-спектроскопии, (Венгрия, г.Будапешт, 27 августа-1 сентября 1995 г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 7 печатных работ, в том числе 2 за рубежом, получено положительное решение о выдаче патента по заявке № 96111606/25 (017556) от 27 мая 1997 г.(приоритет от 07.06.96г.) на изобретение "Инфракрасный экспресс-анализатор".

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, включающего общую характеристику работы, пяти глав, выводов, списка использованной литературы из 154 наименований и 17 приложений. Работа содержит 130 страниц основного текста, 57 рисунков и 32 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении диссертации обоснованы её актуальность, изложена общая ситуация, связанная с решением проблемы экспресс-анализа качества и состава сельскохозяйственной продукции. Сформулированы цель работы, задачи исследований и научные положения, выносимые на защиту.

Первая глава диссертации посвящена обзору и классификации методов оценки качественного и количественного анализа сельскохозяйственной продукции. В соответствии с проведенной классификацией они подразделяются на химические и инструментальные.

Химические методы анализа, применяемые как базовые, требуют значительного времени, трудоёмки, малопроизводительны,

неэкологичны (из-за использования химических реактивов и необходимости разрушения образца после анализа).

Среди инструментальных методов наиболее предпочтительным для количественного экспресс-анализа сельскохозяйственных продуктов является метод, использующий коротковолновое инфракрасное излучение в диапазонах: 0,75-1,0 и 1,0-2,5 мкм (БИК-метод). Указанный ИК-диапазон практически не имеет полос поглощения воды ( присутствуют так называемые "окна прозрачности"), что позволяет проводить анализ продуктов без предварительной разрушительной пробоподготовки. БИК-метод экономичен и зарекомендовал себя как малоинерционный и экологически чистый. Рассмотрены технорабочие схемы и принципы работы устройств и технических средств, называемых БИК-анализаторами, в основу которых положен БИК-метод. Известные отечественные и зарубежные БИК-анализаторы имеют ограниченный спектральный диапазон (0,8-1,1 мкм, либо 1,0-2,5 мкм) и достаточно низкое спектральное разрешение (2-ИО нм), не обеспечивают универсальность анализа и имеют низкие точностные характеристики. В этих БИК-анализаторах отсутствует необходимая система термостабилизации основных рабочих блоков, что существенно влияет на воспроизводимость и стабильность спектральной характеристики анализируемого сельскохозяйственного продукта.

Используя зарубежный опыт создания БИК-анализаторов, и учитывая их принципиальные недостатки, сформулированы следующие основные требования с целью разработки установки для универсального экспресс-анализа сельскохозяйственной продукции:

- спектральный диапазон (исходя из фазового и структурного состояния с/х объектов) - 750 - 2500 нм;

- спектральное разрешение 0,5 нм;

- стабилизация источника излучения по световой энергии (или мощности излучения), с точностью до ±0,1%;

- фотометрический диапазон (порядков оптической плотности O.D.= log 1/R, либо log 1/Т) - от 4.0 До 6.0;

- среднеквадратичный уровень шумов фотоприемников (оптические плотности в виде log 1/R, либо log 1/Т) - 10"4...10"s;

-точность задания длины волны - 0,1 нм;

- воспроизводимость длины волны - 0,01 4- 0,05 нм.

Система термостабилизации установки для БИК-экспресс-анализа сельскохозяйственной продукции должна включать автономное термостатирование ее блоков ( интерферометра, интегрирующей сферы, фотоприемников, блока электроники), а также обеспечиваться комплексным подбором конструктивных

материалов и покрытий, имеющих соответствующие теплофизические и оптические характеристики.

Во второй главе диссертации рассмотрен механизм взаимодействия молекул вещества с коротковолновым инфракрасным излучением. Отмечена возможность измерения данного излучения при использовании методов диффузного отражения, диффузного пропускания и их комбинацию (трансфлекция) с учетом фазового состояния и структуры анализируемого образца.

Исходя из состава анализируемого продукта, проведена классификация компонентов сельскохозяйственных продуктов по их биохимическим и спектральным характеристикам в коротковолновом инфракрасном диапазоне. Компоненты, подлежащие экспресс-анализу методом БИК-спектроскопии делятся на следующие группы: 1 - группа органических веществ, включающая в себя жиры, белки, углеводы и продукты их расщепления (сахара, крахмал, клейковина, клетчатка, аминокислоты, жирные низкомолекулярные кислоты и др.), влажность, а также низкомолекулярные органические соединения разнообразного химического строения - витамины (АДС,0,Е и др.); 2 -группа минеральных веществ, включающая в себя молекулярные соединения К, Мд.Ма.Р.Са.Ре.гп.СиД зола и другие; 3 - группа нитратов, нитритов, микотоксинов, пестицидов, грибов, дрожжей и др.

Для указанных групп установлена интенсивность поглощения излучения при соответствующей длине волны.

С учетом проведенной классификации предложена математическая модель расчета световых потоков в случае разных режимов регистрации спектральной характеристики сельскохозяйственных образцов в коротковолновой инфракрасной области. В режиме трансфлекции:

9* - (1)

В режиме диффузного пропускания:

= (2)

В режиме диффузного отражения:

ср^ ~~ (-/-х<) Ф0д;/Ь-гф) (3)

Зависимости (1-3) дали возможность определить значения мощности световых потоков применительно к анализу объектов

сельскохозяйственной продукции и подобрать чувствительность фотоприемников. Для поддиапазона 1,0 -2,5 мкм (режим диффузного отражения) чувствительность должна быть не менее ,4 порядков регистрируемого сигнала, а для поддиапазона 0,75-1,1 мкм она возрастает еще на 1-2 порядка. Требования к уровню шумов также возрастают: величина собственного шума фотоприемника для подиапазона 1,0-2,5 мкм составляет 10"4 log 1/R и для поддиапазона 0,75-1,1 мкм -10"6 1од1/Т (или log 1/R).

Определены контролируемые параметры, влияющие на стабильность и воспроизводимость спектральной характеристики анализируемого сельскохозяйственного продукта. Определены предельно допустимые среднеквадратические фотометрическая

(сгдг) и .спектральная (едя) погрешности, обеспечивающие стабильность и воспроизводимость спектра в области 0,75-2,5 мкм (рис.1.). Фотометрическая погрешность определяется как:

Од! = Сди + Сд,2 + Сд|3 ' (4)

где: Стди - среднеквадратическая ошибка, вносимая рассеянным

излучением; Од|2 - среднеквадратическая ошибка, вносимая нестабильностью светового потока источника излучения по

мощности; Сд|з - среднеквадратичный уровень шумов фотоприемников.

Оптическая плотность (log 1/R или logl/T)

Длина волны,(А.)

Рис. 1. Фотометрическая (сгд|) и спектральная {аАХ) погрешности измерений. 1 - истинный спектр; 2- искаженный спектр.

Спектральная погрешность (Од>_) определяется выражением: <3дх =аДх1 +Сдх2 (5)

где: адзи-среднеквадратическая погрешность, обусловленная стабильностью шкалы длин волн (точностью задания длины волны и ее воспроизводимости); "Ху^ - среднеквадратическая погрешность,обусловленная стабильностью скорости сканирования.

В третьей главе диссертации обоснованы технические требования к установке БИК-экспресс-анализа сельскохозяйственной продукции. В качестве оценки оптимальности разработанных схем монохроматоров установки БИК-экспресс-анализа использовались: производительность (Z), число спектральных интервалов (z), светосила, отношение сигнала к шуму (S/N), спектральное разрешение.

Показано, что по указанным характеристикам можно отдать предпочтение использованию в качестве монохроматора для установки БИК-экспресс-анализа классическому интерферометру Майкельсона. Предложена методика определения технических параметров основных блоков для установки БИК-экспресс-анализа, исходя из предельно допустимых фотометрической (<тД|) и спектральной (стдя) погрешностей.

Предложена и обоснована принципиально новая, защищенная патентом РФ блок-схема (рис.2.) и оптическая схема (рис.3.) установки БИК-экспресс-анализа сельскохозяйственной продукции на базе высокостабильного Фурье-спектрометра, выполненного по классической схеме интерферометра Майкельсона, охватывающая весь коротковолновый инфракрасный спектральный диапазон спектра от 0,75 до 2,5 мкм.

Разработана методика определения технических параметров, выбраны и разработаны основные блоки установки БИК-экспресс-анализа (источник излучения, интерферометр, фотоприемники).

В соответствии с расчетными значениями светового потока ( §2.3 диссертации) в качестве высокоинтенсивного источника излучения выбрана кварцевая галогенная лампа типа КГМ-12-100. При изменении ее мощности на 0,1% происходило смещение максимума длины волны всего на 0,1 нм, что совпадало с техническими требованиями к установке. Стабилизация светового потока по мощности излучения обеспечивалась разработанным специализированным блоком питания галогенной лампы.

Интерферометр установки БИК-экспресс-анализа был выполнен по классической схеме Майкельсона. В конструкции интерферометра обоснован метод сканирования оптической разности хода подвижного зеркала при регистрации интерферограммы. В отличие от дифракционных и фильтровых

анализаторов спектральное разрешение (5А.) и томность задания длины волны (Я.) интерферометра не связаны -с~ размерами оптических' элементов (числом штрихов в дифракционной решетке или шириной пропускания интерференционного ^.¡фильтра), а определяются максимальным смещением (разностью хода) подвижного зеркала интерферометра.

Рис.2. Блок-схема установки БИК-экспресс-анализа сельскохозяйственной продукции.

1 - источник излучения; 2 - стабилизированный блок питания источника излучения; 3 - 90°-ное внеосевое параболическое зеркало; 4 - оптический узел интерферометр Майкельсона; 5 - He-Ne лазер референтного канала интерферометра; 6 - светоделитель референтного канала интерферометра; 7 - узел сканирования подвижного зеркала интерферометра; 8 - интерференционные полосовые фильтры на рабочие поддиапазоны спектра; 9 -фокусирующая оптика; 10 - узел переключения каналов измерения; 11 - интегрирующая сфера; 12 - кювета с анализируемым образцом; 13 - фотоприемники с предусилителем; 14 - термоэлектрические охладители; 15 - АЦП 18-ти разрядный; 16 - персональный компьютер IBM PC/AT 486/33; 17 - система термостабилизации.

Рис.3. Принципиальная оптическая схема установки

БИК-зкспресс-анализа сельскохозяйственной продукции. 1- источник излучения; 2 - блок стабилизации источника излучения; 3 - коллиматор; 4 - параболическое зеркало; 5 - Не-Ме лазер; 6 -светоделитель лазерного канала; 7 - зеркало лазерного канала; 8 -светоделитель интерферометра; 9 - неподвижное зеркало интерферометра; 10 - подвижное зеркало интерферометра; 11 - узел сканирования подвижным зеркалом интерферометра; 12 фотоприемники лазерного канала; 13 - фокусирующая линза; 14 -система поворотных зеркал; 15 - узел переключения режимов измерения; 16 - интегрирующая сфера; 17 - фотоприемники на основе РЬЭ; 17а - ТЭО; 176 - фотоприемники на основе Эк 18 -образец; 19 - предусилитель; 20 - АЦП; 21 - компьютер.

Разработанный интерферометр Майкельсона с быстрым сканированием обеспечивал спектральное разрешение от 0,5 до 10 нм при скорости сканирования 0,1-f- 5 мм/сек и переменной разности хода подвижного зеркала 30мм. Нестабильность скорости сканирования подвижного зеркала интерферометра составила 0,8% при заклоне зеркала 0,25" (угловых секунды).

Обоснованы технические параметры фотоприемников для установки БИК-экспресс-анализа сельскохозяйственной продукции. Совместно с НПО "Орион" сконструирован и испытан блок из двух фотоприемников с предусилителями (на основе сернистого свинца и кремния), характеристики которых приведены таблицах 1 и 2.

Таблица 1,

Параметр фотоприемника на основе PbS Размерность Норма ТТ Значение для ФР Значение на выходе усилителя

1 2 3 4 5

Максимум спектральной характеристики мкм 2,0-2,2 2,2 -

D'xmax Вт"1- см-Гц14 5-Ю10 7,2-Ю10 6,8.10"

Symax В-Вт' 15000 18500 18500

R» МОм >0,5 1,56 -

X МКС <300 240 -

Таблица 2.

Параметр фотоприемника на основе Si Размерность Норма ТТ Значение для ФД Значение на выходе усилителя

1 2 3 4 5

Максимум спектральной характеристики мкм 0,8-0,9 0,88 -

Ф, лм- Гц"2 2,5-10'9 2,0-10® 2,0-Ю"3

S, А- лм'1 1,3-Ю-4 1,8-104 -

Разработана методика определения параметров интегрирующей сферы - одного из основных инструментов сбора диффузно-отраженного излучения от поверхности исследуемых образцов. Главной особенностью конструкции сферы является ее

эффективность, т.е. соотношение размеров всех отверстий в сфере

к внутренней поверхности сферы:

-

L <Ро ()

Получены оптимальные параметры эффективности интегрирующей сферы (диаметр сферы 80 мм, диаметр входного окна 23 мм, диаметр выходного окна 30 мм). Площадь поверхности фоточувствительного слоя приемников для разработанной интегрирующей сферы специальной геометрии находилась:

С - W^b-PH-M3)]

ЯуЯ-1-9 (7)

При р0бр = 0,02 и 0,99 величина S®n соответственно равнялась 5,089 мм и 211,02 мм2. Для определения местоположения фотоприемников а интегрирующей сфере проведены экспериментальные исследования индикатриссы диффузного отражения для образцов с заданными коэффициентами отражения в БИК-диапазоне и определен угол падения светового потока на поверхность анализируемого образца и эталона. Исходя из геометрии сферы, найден предельный угол падения:

Получено, что угол е-[ находится в пределах от 0°до 2° 20'

В четвертой главе проведена оценка точности химических методов анализа как базовых, влияющих на калибровку установки БИК-экспресс-анализатора. Выполненные исследования по оценке точности химических методов рассмотрены на примере анализа протеина, жира, углеводов, клетчатки, золы, Р,К,Са в образцах разнотравного сена и зеленой массы. При содержании протеина менее 5% ошибка химического анализа составляла 15%, а при содержании золы, жира, углеводов клетчатки менее 2%, ошибка химического анализа составляла от 10 до 40%.

На примере БИК-анализа протеина в сене и зеленой массе была проведена оценка точности измерений (в зависимости от количества образцов, участвующих в калибровке) зарубежного БИК-анализатора модели 4250 фирмы "Pacific Scientific" (США). Установлено, что точность анализа повышается не только от количества образцов в калибровке, но и от наиболее удачного их набора.

Разработана методика поверки оптической системы установки БИК-экспресс-анализа по воспроизводимости фотометрической

шкалы и шкалы длин волн. Она опробована на американском анализаторе с низкими точностными параметрами модели 4250 фирмы "Pacific Scientific" с помощью международных сертифицированных стандартов, разработанных Национальным институтом стандартов и технологий (США). Воспроизводимость фотометрической шкалы включает в себя измерение отклонений оптических плотностей (log 1/R) на каждой длине волны при заданном числе сканирований (обычно 10) керамического стандарта и калибровочных стандартов SRS-50 и SRS-99. Проверка воспроизводимости спектральных характеристик по шкале длин волн осуществлялась с помощью калибровочного эталона-стандарта WSC-DO (типа "Disprosium Oxide"). По фотометрической шкале стандартное отклонение принимало значение от 0,009 до 0,0098, что превышало паспортное значение 0,005. Сдвиг по шкале длин волн составил 9,55 нм, чем значительно превышал паспортное значение 0,5 нм. . .

Проведены экспериментальные исследования и приемочные испытания основных блоков установки бИК-экспресс-анализа (источника излучения со стабилизированным блоком питания, узла сканирования интерферометра и фотоприемников). Испытания подтвердили полное соответствие блоков исходным техническим требованиям. Изучен вопрос термостабилизации установки БИК-экспресс-анализа. Показано, что для разрабатываемой установки может быть использована модернизированная система термостатирования спектрофотометра ИКС-22. Система обеспечивает стабильность заданной температуры ±1°С с точностью ±0,1 °С.

В пятой главе диссертации приведены результаты сравнения точностных характеристик зарубежных БИК-анализаторов и разработанной установки БИК-экспресс-анализа. Исследовано их влияние на информативность спектральных характеристик, полученных для конкретных сельхозпродуктов. Показано, что на результат анализа протеина оказывают влияние фотометрическая и спектральная точности БИК-анализаторов. На рис. 4 и 5 представлены графические зависимости стандартной ошибки определения протеина от величины среднеквадратического фотометрического шума и точности задания длины волны. Улучшение точностных параметров разработанной установки БИК-экспресс-анализа (величины среднеквадратического фотометрического шума до 10'6 log 1/R и точности задания длины волны до ±0,1 нм) снизило стандартную ошибку определения протеина по сравнению с зарубежными и отечественными аналогами с 0,98 до 0,15.

Содержание протеина, С

1,0

0,5

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0

Точность задания длины волны, ДЛ (нм)

Рис. 4. График зависимости среднеквадратического

отклонения содержания протеина (а) в кормовых культурах от спектральной точности БИК-анализаторов.

Содержание протеина, С

1,0

0,5

Ю1 ю* 10*10*

Фотометрический среднеквадратичный уровень шумов, ДI (1од1 /Я)

Рис. 5. График зависимости среднеквадратического

отклонения содержания протеина (ст) в кормовых культурах от фотометрической точности БИК-анализаторов.

Определена технико-экономическая эффективность установки БИК-экспресс-анализа сельскохозяйственной продукции по сравнению с зарубежным аналогом и базовым (химическим) методом. Установлено, что ожидаемый годовой экономический эффект на одну установку составит 789,2 млн. рублей по сравнению с химическим методом и 349,8 млн.рублей в сравнении с зарубежным аналогом ( в ценах 1997 года).

ОБЩИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1.Проведенные анализ и классификация химических и инструментальных методов и установок массового качественного и количественного анализа сельскохозяйственной продукции позволили установить, что наиболее экономичным, малоинерционным и экологически чистым для количественного анализа сельскохозяйственных продуктов является метод, использующий коротковолновое инфракрасное излучение в диапазоне 0,75-2,5 мкм (БИК-метод). Выполненная оценка точности БИК-метода не может быть выше химического при увеличении скорости анализа в 10 раз.

2.Проведенные анализ и классификация компонентов сельскохозяйственных продуктов по их биохимическим и спектральным характеристикам показала возможность регистрации спектральных характеристик методом диффузного отражения в поддиапазоне 1,0-2,5 мкм, методами диффузного пропускания и трансфлекции в поддиапазоне 0,75-1,1 мкм с учетом фазового или структурного состояния сельскохозяйственного продукта.

3.Теоретически обоснованная и предложенная математическая модель расчета световых потоков для режимов диффузного отражения, диффузного пропускания и трансфлекции позволила на примере конкретных видов сельхозпродуктов найти необходимые уровни интенсивностей регистрируемого излучения (10"2..104Вт) с целью определения чувствительности фотоприемников.

4.Предложенная методика определения точностных параметров установки БИК-экспресс-анализа сельскохозяйственной продукции позволила определить минимально допустимые среднеквадратические инструментальные погрешности (фотометрическую и спектральную, соответственно равные 0,25-10*6 и 0,1), повышающие воспроизводимость спектральной характеристики, а также разработать:

-блок-схему установки БИК-экспресс-анализа сельскохозяйственной продукции, защищенную патентом России;

-методику испытаний установки БИК-экспресс-анализа;

-методику метрологической поверки установки БИК-экспресс-анализа и способы улучшения ее точностных характеристик по сравнению с зарубежными аналогами.

5. Расчет технико-экономической эффективности при условии применения разработанной установки БИК-экспресс-анализа сельскохозяйственной продукции показал, что стоимость одного анализа уменьшается в 4,6 раза по сравнению с химическим методом и на 10,7% по сравнению с зарубежным аналогом. Годовой экономический эффект составляет 789,2 млн.рублей в сравнении с химическим методом и 349,8 млн. рублей по сравнению с зарубежным аналогом.

Основные обозначения Ф0 - общий поток излучения, входящий в интегрирующую сферу,Вт; ФВЫх - общий поток излучения, выходящий из сферы, Вт; Ф.г - поток излучения, регистрируемый в режиме трансфлекции, Вт; Ф( - поток излучения, регистрируемый в режиме пропускания, Вт; Фг. - поток, регистрируемый в режиме диффузного отражения, Вт;

- коэфф. отражения граничной поверхности образца,отн.ед; а - коэфф. внутреннего отражения граничной поверхности образца,отн.ед;

д, - коэффициент ослабления потока за счет рассеяния,отн.ед; а - коэффициент поглощения излучения в веществе,отн.ед; с! - глубина проникновения БИК-излучения в образец

при диффузном пропускании и трансфлекции; Р* - радиус интегрирующей сферы, мм; Т - коэффициент пропускания,%; х - эффективность интегрирующей сферы, отн.ед; х - постоянная времени фотоприемника, мксек; ^ - отношение суммы всех площадей отверстий сферы к площади

внутренней поверхности сферы, отн.ед; ^ - отношение площади выходного отверстия к площади

внутренней поверхности сферы, отн.ед; р - коэфф. отражения внутренней поверхности сферы (0<р <1); робр - коэффициент отражения анализируемого образца, отн.ед;

- общая площадь поверхности фоточувствительного слоя фотоприемников, мм ;

- угол падения светового потока на образец, град;

£2 - телесный угол, внутри которого заключен поток, диффузно

рассеиваемый элементарной площадкой ДЭ образца; Б' - площадь действующей внутренней поверхности интегрирующей сферы (за вычетом площадей отверстий в сфере), мм ;

S - площадь внутренней поверхности интегрирующей сферы, мм2; di - внутренний диаметр интегрирующей сферы, мм; d2 - диаметр входного отверстия интегрирующей сферы, мм; d3 - диаметр выходного отверстия интегрирующей сферы,.мм; Ь " - высота сегмента, образованного диаметром входного отверстия

в сфере и поверхностью верхней полусферы, мм; Ь' - высота сегмента, образованного диаметром выходного

отверстия сферы и поверхностью нижней полусферы, мм.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1.Морозова М.В., Ежков А.Н. Применение ИК-приборов для экспресс-анализа кормов. /Комплексная электромеханизация и система машин в животноводстве. Сб.научн.тр.,том77, М.: ВИЭСХ, 1991. с.60-66.

2.Морозова М.В., Ежков А.Н. ■ Точность измерений при определении химического ' состава кормов./Нетрадиционные электротехнологии в сельскохозяйственном производстве и быту села. Тез.докл.Всесоюзн.научн.-технич. семинара (ноябрь 1991г. Кацивели-Крым). М,: ВИЭСХ, 1991, с.35-36. '

3.Матюнин Д.В. , Морозова М.В: Выбор оптической схемы инфракрасного экспресс-анализатора.'1 //Техника в сельском хозяйстве, 1994, №4, с.21-23. ''^У..

4.Матюнин Д.В., Морозова М.В. Некоторые аспекты метрологических испытаний БИК-анализаторов сельскохозяйственных продуктов./Автоматизация производственных процессов в сельском хозяйстве. Тез. докл. междунар. научн.-техн. конференции (13-15 марта 1995 г., г.Углич), М.: 1995., с.133-135.

5.D.V. Matyunin and M.V. Morozova. Universal NIR-express-analyzer on the basis of high-stable FT-IR Spectrometer for wavelength range 750-2500 nm. /10 ffi International conference on Fourier Transform Spectroscopy (August 27 -Sept.1, Budapest . Convention Center), Hungary, 1995, B8.9.

6.Положительное решение о выдаче патента по заявке № 96111606/25 (017556) на изобретение "Инфракрасный экспресс-анализатор" с приоритетом от 07. 06.96г.

7.D.V.Matyunin and M.V. Morozova Universal Near IR Rapid-Analyzer Based on a High-Stability FT-IR Spectrometer for the Wavelength Range 750-2500 nm. // Progress in Fourier transform spectroscopy: proceedings of the 10-th International conference.August 27- September 1, 1995, Budapest, Hungary/ ed. by J.Mink..-Wien; -New York: Springer, 1997,p.773-775.