автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.12, диссертация на тему:Разработка процессов и аппаратов для контроля качества продуктов в СВЧ диапазоне

На правах рукописи

НИКОНОВ ФЁДОР БОРИСОВИЧ

003459692

РАЗРАБОТКА ПРОЦЕССОВ И АППАРАТОВ ДЛЯ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ПРОДУКТОВ В СВЧ ДИАПАЗОНЕ

Специальность 05.18.12 - Процессы и аппараты пищевых производств

(технические науки)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

С'ЗГЗ

1; и ->

Москва- 2008

003459692

Работа выполнена на кафедре «Информационные технологии» ГОУ ВПО «Московский государственный университет технологий и управления».

Научный руководитель

Официальные оппоненты:

кандидат технических наук, доцент Красников Степан Альбертович.

доктор технических наук, профессор Красуля Ольга Николаевна;

кандидат технических наук, старший научный сотрудник Вагин Василий Алексеевич.

Ведущая организация

Физический Институт им. П. Н. Лебедева Российской Академии Наук (ФИАН) г. Москва.

Защита диссертации состоится 26 января 2009 года в 12 часов на заседании диссертационного совета Д 212.122.05 при Московском государственном университете технологий и управления по адресу: 109316, г. Москва, ул. Талалихина, д. 31, ауд. 41.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГУТУ по адресу: 109004, г. Москва, ул. Земляной Вал, д.73.

Автореферат разослан « ¿3 _» декабря 2008 года.

Учёный секретарь диссертационного совета к.т.н., доцент ( Николаева С.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Основное направление и актуальность исследований.

Данная работа направлена на разработку методов экспресс диагностики и анализа пищевой продукции на наличие генетической модификации или существенного отклонения от нормы. В работе представлены результаты исследований и оценки перспектив применения сверхвысокочастотной (СВЧ) техники для анализа продукции.

Любое растение или животное имеет тысячи различных признаков. Например, у растений: цвет листьев, величина семян, наличие в плодах определённого витамина и тому подобное.

За наличие каждого конкретного признака отвечает определённый ген. Ген - от греческого genos, и переводится как "род", "происхождение". Ген представляет собой небольшой фрагмент молекулы ДНК генерирующий определённый признак растения или животного. Устранения гена, отвечающего за наличие определённого признака, вызывает исчезновение этого признака, и наоборот, добавление нового гена приводит к появлению нового признака. Изменённое таким образом растение или животное становится мутантом (с латинского -изменённый).

На сегодняшний день существует несколько сотен искусственно генетически изменённых продуктов. На протяжении нескольких лет некоторых из них употребляют в пищу миллионы людей во многих странах мира. Такие крупные концерны, как Unilever, Nestle, Danon и другие используют в производстве продукции генномодифицированные компоненты и экспортируют их во многие страны мира. Лишь в некоторых странах такие продукты обязательно должны содержать на упаковке надпись "Сделано из генетически модифицированного продукта".

Самые распространенные ГМП - соя, кукуруза, масличный рапс и хлопок. В некоторых странах для выращивания одобрены трансгенные помидоры, рис, кабачки, картофель. Эксперименты проводятся на подсолнечнике, сахарной свекле, табаке, винограде, плодовых деревьях и т. д. В ряде стран, где пока нет разрешения на выращивание трансгенов, проводятся полевые испытания.

Распространено мнение, что, внося изменения в генный код растения или животного, учёные делают то же самое, что происходит в природе, полагая, что живые организмы от бактерии до человека - это результат мутаций и естественного отбора. Но есть и противоположное мнение.

Уже доказано, что многие ГМ растения, такие, как табак или технический рис, применяемый для производства пластика и лекарственных веществ, смертельно опасны для живущих на поле или рядом с ним грызунов. Пока эти растения произрастают лишь на опытных полях, а что произойдет после полного вымирания грызунов в районах их массовых засевов - не берется предсказать никто.

На сегодняшний день одной из самых актуальных задач является обеспечение экспресс анализа продукта на наличие в нём геномодифицированных компонентов или наиболее распространённых пищевых добавок. К сожалению, в условиях современной жёсткой экономики наличие маркировки не упаковке продукта не может полностью гарантировать соответствие содержимого указанной информации.

Основной задачей данной работы является получение результатов, подтверждающих принципиальную возможность проведения экспресс анализа методом зондирования исследуемого объекта направленным электромагнитным сверхвысокочастотным излучением. В ходе работы были выявлены зависимости изменения электромагнитных характеристик исследуемых объектов от основных воздействующих факторов, таких как температура, влажность, расположение относительно апертуры излучающего элемента и др. Была создана действующая установка по анализу продуктов в диапазоне 2 ГГц-8 ГГц.

Цель и задачи исследования. Целью настоящей работы является разработка доступного метода для проведения экспресс анализа продуктов питания с помощью СВЧ техники.

Достижение поставленной цели потребовало решения следующих основных задач:

1. Расчёт и создание экспериментального стенда для проведения исследований.

2. Получение зависимостей результатов анализа продуктов при их различной влажности и температуре с помощью измерения амплитудных и фазовых характеристик проходящего через объект излучения.

3. Получение экспериментальных зависимостей результатов при изменении диэлектрических свойств продукта (для сухих продуктов).

4. Получение зависимостей при изменении процентного содержания белка в продукте.

5. Выявление возможности надёжного распознавания наличия примесей генетически модифицированных компонентов (в первую очередь сои).

6. Реализация возможности тестирования для определения типа продукта и его состава (продукты на основе сои и мяса) СВЧ методом.

7. Определение оптимальной полосы частот, (с точки зрения эксплуатационных параметров) для работы с продукцией имеющей различное процентное содержание влаги (до 70 - 80%).

8. Получение экспериментальных данных для разработки автоматизированной системы экспресс анализа на соответствие продукта требуемым нормам (ГОСТ, условия контракта и т. д.), в лабораторных и полевых условиях, в том числе при большом товаропотоке (например, таможенный терминал проверки грузов).

Объектом исследования являются наиболее распространённые компоненты, используемые в пищевой промышленности:

- соевая мука, содержащая 50% белка

- соевый концентрат, содержащий 70% белка

- соевый изолят, содержащий 90% белка

- соя генетически модифицированная

- соя натуральная, без генетической модификации

- животный белок, полученный из свиной шкурки

- животный белок, полученный из говяжьей шкурки

- растительный белок, полученный из банановых культур.

Метод исследования - регистрация параметров электромагнитного излучения в процессе его прохождения сквозь исследуемый продукт.

Научная новизна работы.

В диссертационной работе впервые получены следующие научные результаты:

• создана автоматизированная система на основе волновод-ного (рупорного) и микрополоскового излучателей в качестве антенн СВЧ с секторной диаграммой направленности для исследования продуктов на основе изменения таких характеристик электромагнитного излучения как мощность, смещение фазы и изменение КСВн антенны.

• показано, что любой продукт имеет отличные от другого тонкие характеристики, которые непосредственно влияют на прохождение сквозь него СВЧ излучения, изменяя при этом его фазу и мощность. Изменение фазы сигнала свидетельствует об изменении скорости распространения электромагнитного поля, мощности, затухания, вызванного структурой исследуемого продукта.

• показана принципиальная возможность определения различия между продуктами СВЧ методом и создания автоматизированной системы для контроля качества и соответствия установленным нормам различных пищевых добавок. Зарегистрированы отличия образцов на генетическом уровне, при их прочих равных физических свойствах.

• экспериментально показано, что лучшие результаты получены на верхних частотах диапазона ~ 8 ГГц, что предполагает дальнейшее развитие работы в области СВЧ от 8 ГГц и выше.

• выявлено влияние на результаты таких характеристик продукта как его объём, температура, влажность, диэлектрическая проницаемость.

Обоснована целесообразность:

• использования разработанных установок на предприятиях использующих для приготовления продукции различные соевые и белковые компоненты и в местах проведения экспресс оценки качества и состава продукции, например на таможенных терминалах службы санитарно-эпидемиологического контроля.

Практическая значимость работы. Предложено решение однозначно острой проблемы в области производства продуктов питания, связанной с употребления генетически модифицированных компонентов (ГМК) в качестве ингредиентов при приготовлении пищи. Недостаточность методов и соответствующих технических решений для быстрого надёжного экспресс анализа пищевых продуктов на наличие в них ГМК, а также анализа ряда других широко распространённых пищевых добавок и консервантов делают конечного потребителя крайне незащищённым.

Одним из вариантов решения указанной задачи является разработанный автором метод быстрого бесконтактного экспресс анализа продукции на наличие ГМП, и других добавок на примере таких элементов как сульфат, широко используемый как стабилизатор при изготовлении полуфабрикатов, некоторые разновидности которого могут оказать негативное влияние на здоровье. Предлагаемое устройство реализации способа бесконтактного анализа продукции, основанное на радиочастотном сканировании в СВЧ диапазоне, может с надёжно различать ГМК - соевый экстракт от натуральных сортов, а также сортировать различные продукты, к примеру, по содержанию бежа.

В ходе выполнения работы:

- обосновано, что задачу определения качества пищи и проведения экспресс анализа на наличие ГМП можно решить путём сканирования исследуемого объекта в диапазоне частот от 2ГГц до 7 ГГц. В частности, для определения принадлежности определённого сорта сои к классу ГМП оптимальной оказалась частота в 5,4 ГТц;

- на основании экспериментальных результатов определены зависимости изменения проходящих электромагнитных сигналов сквозь образцы при различных условиях, таких как температура образца, его объём, влажность, положение относительно апертуры излучающего устройства;

- предложена гипотеза о принципиальной возможности использования излучения с частотой 30 ГГц, для определения параметров объекта;

- поданы заявки на получение патентов на изобретение «Способ бесконтактного анализа продуктов в СВЧ диапазоне» и на

полезную модель «Устройство для бесконтактного анализа продуктов в СВЧ диапазоне»

• Реализация результатов. Основные результаты исследования, полученные Никоновым Ф.Б. в ходе работы (разработанный способ экспресс анализа), могут быть успешно применены в процессе контроля ингредиентов, используемых при производстве пищевых продуктов, в частности, при изготовлении сосисок и колбас, содержащие сою, как основу, сульфат в качестве стабилизатора и белок животного или растительного происхождения в качестве добавки;

• разработанный способ и реализующее его устройство могут быть использованы в дальнейшем в повседневном применении в случае их эргономичного изготовления, к примеру, при проведении указанного экспресс теста непосредственно во время приобретения товара конечным потребителем.

Научная обоснованность и достоверность положений, выводов и рекомендаций диссертации подтверждаются корректностью применения метода СВЧ фазометрии и измерения мощности, КСВН, при определении отклонения сигнала от заданного, что может свидетельствовать, в частности, о

принадлежности образца сои к ГМП. Все данные, полученные автором экспериментальным путём, согласуются с проведенными теоретическими расчетами в пределах ошибок экспериментов.

Основные результаты исследования реализованы на действующем макете, находящемся в Радиотехническом институте им. Минца. Установка успешно справляется с задачей определения принадлежности объекта к классу генетически модифицированных продуктов.

Апробация работы. В рамках данной диссертационной работы в ОАО «Радиотехнический институт им. Минца» (РТИ) была создана экспериментальная установка, на которой были проведены исследования продуктов, в том числе генетически модифицированных.

Результаты диссертации докладывались на семинарах посвящённых конструированию и применению СВЧ техники в ОАО «Радиотехнический институт им. Минца» в сентябре -

октябре 2007г., и получили положительные отзывы, при этом были высказаны пожелания дальнейшего проведения работ в данном направлении.

Практические результаты работы реализованы в ряде НИР, выполненных МГУТУ по заданию Министерства Образовании Российской Федерации: «Разработка принципов построения интеллектуальных экспертных систем реального времени для контроля состояний многопараметрических объектов и процессов», Per. № НИР №1.1.06

Публикации. Результаты по теме диссертации опубликованы в 6 научных статьях, которые включают в себя 2 статьи в журналах, рекомендованных ВАК, 1 тезисы доклада в трудах сборника научной конференции, 1 монографию а также 2 статьи в Интернет изданиях.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников и приложения.

Во введении обосновывается актуальность темы, формулируются цели и задачи работы.

В первой главе анализируется суть проблемы, обосновывается теоретические возможности использования СВЧ техники для проведения анализа продукции, рассматриваются научно-технические задачи.

Во второй главе производится расчёт излучающих элементов: рупорной антенны (раскрытый конец волновода), микрополосковой антенной решётки с секторной диаграммой направленности и других элементов экспериментальной установки.

В третьей главе подробно изложены результаты исследования, показаны зависимости результатов от параметров антенны и образцов.

Четвертая глава посвящена анализу полученных результатов, их объяснению, перспективам развития СВЧ приборостроения для решения подобных задач.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Во введении изложена история развития производства генетически модифицированных (ГМ) продуктов, способов их контроля. Рассмотрено негативное воздействие ГМ продуктов на живые организмы и окружающую среду, оценены возможности определения качества продуктов. Обоснованы актуальность темы и сформулированы цели и задачи работы.

В первой главе произведён анализ проблем связанных с исследованиями в СВЧ диапазоне объектов при различной влажности и при различных температурах. Наибольшую сложность представляет проведение измерений в среде с высоким процентным содержанием влаги. Для решения этой проблемы предложен и проведен эксперимент по измерению влажности в массе сырого мяса методом затухания с использованием прецизионного аттенюатора.

Во второй главе представлены результаты экспериментов по исследованию влажности сырого мяса и проведён их подробный анализ.

На графике рисунка 1 приведена типичная калибровочная кривая зависимости затухания мощности СВЧ излучения от влажности мяса, имеющая два участка. Один участок с высокой точностью является линейным, второй - нелинейным.

Линейность этой зависимости определяется влиянием на суммарную поляризацию СВЧ излучения форм и видов связи воды с сухим материалом. Чем сильнее связь, тем меньше подвижность диполя воды, и тем меньше суммарная поляризация влажного материала отличается от поляризации сухого, а чем слабее связь, тем меньше суммарная поляризация отличается от поляризации воды. В соответствии с этим при сильной связи вносимые потери (затухание) будут в основном определяться потерями в сухом материале, а при слабой связи или отсутствии таковой - потерями в воде.

«о

30 40

N 30 10 10 о

о з ю и ао аз зо

V

Рис. 1. График зависимости затухания мощности СВЧ от влажности (И - затухание, дб; \У - влажность,%)

В результате, график зависимости затухания от влажности должен иметь участки с различной крутизной, соответствующей различным формам и видам связи. В общем случае, материал может одновременно содержать воду, связанную с сухим веществом различными видами и формами связи. Поэтому переход от одного участка к другому будет сглажен в результате, как влияния видов связи, так и объемных долей воды связанных с сухим веществом, соответствующим видом связи.

Основная погрешность при измерении затухания вызвана неоднородностью плотности укладки мяса в измерительную камеру. Это особенно заметно при влажности более 20%. Если при измерении не принимаются меры для улучшения воспроизводимости плотности укладки, то утроенная величина среднеквадратичного отклонения затухания от среднего значения достигает величины 0.6 дб (0.3%) при измерении влажности мяса до 20% и 1.6 дб (0.8%) при измерении влажности свыше 20%.

Влияние температуры мяса на изменение влажности показано на рисунке 2 на графиках. Видно что, с ростом температуры мяса при постоянной влажности затухание в нем мощности СВЧ увеличивается, что связано с изменением диэлектрических свойств воды от температуры и обусловлено особенностями атомно-мйлекулярного строения воды, в первую очередь,

и

наличием дипольной релаксации в диапазоне сверхвысоких частот.

У

У У /У / уу * ж у у'У 'у

УУ / '''.У X /

10 13 20 23 30

V

Рис.2. График зависимости затухания мощности СВЧ от влажности при различной температуре мяса (N1 - затухание при 5 градусах, N2 - затухание при 20 градусах, N3 - затухание при 40 градусах)

Таким образом, если температура мяса, при которой производится калибровка прибора, выше или ниже 20 градусов, то измеренная величина влажности будет соответственно выше или ниже истинного значения.

Получаемая при изменении температуры на 1 градус систематическая ошибка составляет 0.1-0.15%, которую необходимо учитывать при измерении влажности, контролируя температуру мяса.

Мясо характеризуется различной натурой при постоянной влажности. Различные типы и сорта мяса одинаковой влажности имеют различную натуру. Конкретной натуре при постоянной влажности соответствует определенный вес сухого компонента. Мясо с большей натурой внесет большее затухание, что и показывает зависимость, приведенная на рисунке 3.

Таким образом, при измерении влажности по затуханию необходимо учитывать как влияние температуры образца на результаты измерений (приведенные величины систематических

погрешностей равны 0.016 и 0.065% на градус Цельсия) так и натуру мяса, если она отличается от натуры, по которой проведена калибровка, на 6-15 г/л.

Рис. 3. График зависимости затухания мощности СВЧ от влажности мяса различной натуры (N1 - затухание при натурной массе 705 г/л, N2 - затухание при натурной массе 765 г/л, N3 -затухание при натурной массе 795 г/л)

В результате экспериментов получены следующие результаты:

-зависимость затухания от влажности в рабочем диапазоне носит линейный характер в широком интервале влажностей;

-погрешность измерения влажности на линейном участке - не превышает 0.5% абсолютного значения влажности;

- погрешность измерения содержания сильно связанной воды может быть доведена до величины не более 0.5% простым удлинением бункера в направлении распространения электромагнитной волны;

- результаты измерения влажности зависят от температуры и натуры мяса; погрешности, обусловленные их изменением, являются систематическими и их можно исключить из результатов измерений, вводя поправки на изменение этих параметров. Влияние на результаты измерений легко исключить, вводя корректирующие поправки.

Третья глава содержит расчёт стенда, на котором производились измерения и расчёт излучающего элемента -антенны.

Структура стенда включает в себя: -генератор сигнала, -генератор опорного сигнала,

-излучающее устройство, антенну на основе микрополоско-вой печатной платы с секторной диаграммой направленности, -камеру с приспособлением для закрепления образца, -измеритель мощности, -фазометр,

-измеритель КСВн антенны. Структура излучающего СВЧ блока представлена на рисунке 4.

Рис. 4. Структурная схема измерительного СВЧ блока

Существенное влияние на результаты оказывает излучающий элемент, поэтому в третьей главе представлено обоснование его выбора и расчет.

Излучатель самой антенны представляется в виде системы вибраторов по принципу директорией антенны.

Поскольку протекание токов в экране происходит в основном в кромке, ближайшей к излучателю, для простоты модель представлена на рисунке 5. в виде директорной антенны.

Рис. 5. Модель проектируемого излучателя

где 12 - ток в активном вибраторе, а II и 13 - токи в кромке экрана и директоре соответственно, Б - расстояние от директора до экрана, (1 - расстояние от активного вибратора до экрана, Н -расстояние от активного вибратора до директора.

Диаграмма направленности такого излучателя в плоскости Н имеет вид (6):

Также в главе представлены результаты компьютерного моделирования в программе Microwave Studio. Оптимальные результаты в программе моделирования были достигнуты при использовании следующих размеров:

h = 0,015X(h = 2 мм) - высота вибратора над экраном (толщина диэлектрика);

lv = 0.25Х (1 = 14 мм) - длина плеча вибратора; Ld = 0.45Х - длина директора;

D

Fu (♦) := I, + 12-е

j-k-d-sin<j) т j-k-D-sincj)

(6)

(1 = 0.95Х (Н=54мм) - расстояние от плеч активного вибратора до кромки экрана;

Н = 0.09А. - расстояние от активного вибратора до директора; Е = 2.3 - диэлектрическая проницаемость подложки; Ьэ -0.9 "к- длина кромки экрана.

Результаты расчета по программе приведены на рисунках 7 и 8.

Для согласования антенны был дополнительно рассмотрен вариант использования бортов, установленных на печатной плате.

Расстояние от излучателя до бортов, а также высота бортов были подобраны экспериментально на изготовленной плате в антенной лаборатории РТИ им. Минца.

Рис. 7. Диаграмма направленности (ДН) проектируемого излучателя в Н плоскости

1шШ (Г-5.3) [1] ИММУЛ) ь Ли

N

/ \

Рис. 8. Диаграмма направленности (ДН) излучателя в Е плоскости с учётом влияния экрана и директора

Общее выражение для множителя решётки имеет вид

п — 1

_Ки-1)м-!т(е) 16

где N =8 - число излучателей, 1п - комплексная амплитуда тока в п-ом вибраторе,

где |ln| - модуль амплитуды п - го тока, v|/n - фаза п - го тока.

Введя обобщённую угловую переменную у, представим множитель решётки в следующем виде при |ln| = 1, v|/n = 0 (п=8)

где dn) ■ sin(6) - угловая переменная, dn - шаг между

излучателями в решётке (в долях длины волны)

В ходе реализации антенны в рамках диссертации для моделирования антенны на ПК (расчета формы и ширины диаграммы направленности и других характеристик) использовалась программа Microwave Studio v.5. Этот программный пакет имеет следующие основные возможности: создание трёхмерного макета проектируемой антенны, его анализ, расчет системы возбуждения, диаграммы направленности и других основных характеристик проектируемой антенны, например УБЛ, КСВн, КНД и др.

С помощью программы были рассчитаны следующие модели:

- единичный излучатель с экраном, подложкой и директором,

- линейка из 8 излучателей,

- шлейф - вибратор с экраном и подложкой,

- шлейф - вибратор с экраном, подложкой и директором,

- зависимости ДН единичного излучателя от параметров

ПОДЛОЖКИ;

С помощью программы был произведён теоретический расчёт параметров сигнала при прохождении сквозь объект с характеристиками, идентичными исследуемым образцам.

В результате подобного сравнения была выявлена возможность использования данных программы как достоверных и близких к экспериментальным данным.

Результаты расчёта и моделирования в программе Microwave Studio диаграммы направленности антенной линейки в Е -плоскости полностью согласуются с экспериментальными (рисунок 9а) в пределах ошибок экспериментов и показывают, что ширина главного лепестка по уровню половинной мощности составляет 6.9 градусов, а уровень боковых лепестков составляет -13.2 дБ.

В данной конфигурации использовались типоразмеры антенны аналогичные размерам смоделированного излучателя, а расстояние между ними бралось из расчёта 0.9 X. Расстояние между излучателями помимо теоретического расчета было получено из расчетов по программе. Здесь, и далее, величина диэлектрической проницаемости бралась из расчета е = 2.3

FarHeH (ArrayJ WW (№)[!] DMMyJbs h <B

-------------

V

О 60 120 180 МО 300 360

FnquBcyat3 Thêta/Dey»

Рис. 9 а ДН изготовленной антенной линейки: в H плоскости

Г ЛИ (Ату) ГаВеЙ (N53) [1] ПгкблуЛя г <В

Рис. 9 б. ДН изготовленной антенной линейки: в Е плоскости:

Также в третьей главе представлен аппарат для сушки и автоматического определения белка, влажности, температуры и определения принадлежности к ГМ продукции, который был собран и успешно испытан в процессе выполнения работы.

м

щтшшш

Рис. 10. Схема аппарата для сушки и автоматического определения бежа, влажности, температуры и определения принадлежности к ГМ продукции.

Промежуточными выводами третьей главы можно считать возможность успешного использования профессионального ПО

для прогнозирования результатов экспериментов. Эти предположения основаны на том, что в пределах ошибок экспериментов данные расчёта параметров сигнала при сканировании объектов совпали с полученными экспериментальным данными.

В четвертой главе приводятся основные экспериментальные данные и проводится их анализ.

В таблице 1 приведены экспериментальные результаты, полученные при регистрации проходящего сквозь образцы излучения на частотах 5,4 ГГц и 7,8 ГТц. В экспериментах регистрировалось уменьшение мощности и изменение фазы.

№ п/п Характеристика объекта Падение мощности % Изменение фазы градусах

Частота излучения ГГц 5,4 7,8 5.4 7.8

1. Соевая мука, содержащая 50% белка 35 50 90 120

2. Соевый концентрат, содержащий 70% белка 37 68 130 160

3. Соевый изолят, содержащий 90% белка 47 80 210 245

4. Соя генетически модифицированная 20 11 60 115

5. Соя натуральная без генетической модификации 12 7 14 25

6. Животный белок, полученный из свиной шкурки 70 85 140 190

7. Животный белок, полученный из говяжьей шкурки 65 70 175 110

8. Растительный белок, полученный из банановой культуры 35 45 30 90

Помимо частоты 5.4 ГГц, которая оказалась оптимальной, результаты также были получены на смежных частотах в 5.0, 5.2, 5.6, 5.8 ГГц. Также были получены промежуточные результаты на частотах в 1.0,2.0,2.4, 3.0,4.0, ГГц.

Данные при работе на частоте 7.8 ГГц позволяют сделать вывод о принципиальной возможности улучшения результатов с увеличением частоты сигнала.

Анализ полученных результатов подтверждает возможность надёжного определения типа продукта, его характеристик, соответствие норме.

В приложении рассмотрены варианты реализации устройства.

ВЫВОДЫ

1. Спроектирован и реализован на практике экспериментальный стенд для проведения испытаний, содержащий приёмо-передающий сверхвысокочастотный блок, контейнеры и приспособления для измерения параметров сигнала при его прохождении сквозь исследуемый образец, фазометр, измеритель коэффициента стоячей волны нагруженной антенны, транспортёр для передвижения исследуемого образца в апертуре антенны и области измерения и высушивания образца, измельчитель для обеспечения нужного размера образца.

2. Получены экспериментальные данные зависимости результатов анализа от диэлектрических свойств, влажности и температуры продукта путем измерения и фиксации изменений амплитудных и фазовых характеристик сигнала, проходящего через объект. Доказана принципиальная возможность использования СВЧ техники для анализа влажных продуктов, в случае совместного использования установки с измерителем

влажности и температуры. Доказана возможность улучшения результатов измерения путём высушивания продукта во время исследования.

3. Получены зависимости изменения сигнала относительно процентного содержания и консистенции белка в объекте. На основании данных выявлены зависимости изменения сигнала от консистенции белковой массы. Также доказана возможность безусловного распознавания наличия примесей генетически модифицированных продуктов (в первую очередь сои). На частоте 5.4 ГГц были получены результаты, с высокой вероятностью указывающие на наличие в общем объёме сои 15% примеси ГМ сои.

4. Получены экспериментальные данные для разработки полностью автоматизированной системы экспресс анализа соответствия продукта требуемым нормам (ГОСТ, условия контракта и т. д.), в условиях единичного теста и большого товаропотока (например, таможенный терминал проверки грузов).

5. Разработанный аппарат может быть успешно использован в области контроля качества продуктов и контроля процесса их изготовления, как контролирующими органами, так и потребителем. Одним из вариантов реализации может быть полностью автономная система для контроля процесса изготовления продукции, фиксирующая добавления различных ингредиентов в процессе приготовления конечного продукта.

6. Для усиления контроля со стороны государственных служб, например СЭС России, результаты анализа может быть доступны только сотрудникам контролирующего органа, или в случае отрицательного результата анализа продукта (ингредиента), устройство может автоматически подавать сигнал к прекращению процесса производства.

7. Результаты, полученные в работе, также могут быть использованы в научных и производственных организациях, занимающихся разработкой электронных приборов и устройств СВЧ, а также антенных систем, в которых используются излучатели с секторными ДН.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Никонов Ф.Б. Определение качества пищевых продуктов питания с помощью СВЧ методов. // Пищевая промышленность № 5 2008. С. 27-34.

2. Никонов Ф.Б., Черноглазое Ю.И. Перспективы автоматизации процессов сушки и контроля параметров продукции в СВЧ диапазоне // Электронный журнал Труды МАИ. № 4.2008. - 14 с.

3. Никонов Ф. Б., Красников С. А. Разработка процессов и аппаратов для контроля качества продуктов в СВЧ диапазоне // Сборник докладов МГУТУ, октябрь 2008. - 3 с.

4. Никонов Ф.Б., Терёхин О. В. Генетически модифицированные продукты. // Электронный журнал Исследовано в России, май 2008. - 7 с.

5. Никонов Ф. Б. Монография. Процессы и . аппараты для контроля качества продуктов в СВЧ диапазоне. 2008 - 110 с.

6. Никонов Ф.Б., Красников С. А. Предпосылки разработки электронного устройства для контроля качества мяса. // Естественные и технические науки. № 5.2008. С. 125 - 130.

Отпечатано в типографии ООО "Франтера" ОГР № 1067746281514 от 15.02.2006г. Москва, Талалихина, 33

Подписано к печати 22.12.2008г. Формат 60x84/16. Бумага "Офсетная №1" 80г/м2. Печать трафаретная. Усл.печ.л. 1,44. Тираж 100. Заказ 267.

WWW.FRANTERA.RU

Введение

1. Глава 1. Обзор Информационных источников б

1.1 Генетически модифицированная продукция (ГМП). Проблемы и перспективы 6 использования.

1.2 Новые характеристики, чаще всего «прививаемые» растениям посредством 7 генной инженерии

1.3 Наиболее впечатляющие достижения

1.4 Преимущества генной инженерии

1.5 Проблемы и перспективы

1.6 Экологические риски

1.7 Медицинские риски

1.8 Социально-экономические риски

1.9 Перспективы генной инженерии

2. Глава 2 Теоретическая часть

2.1 Описание устройства для контроля

2.2 Описание планируемых экспериментов

3. Глава 3 Практическая часть

3.1 Метод микроволновой томографии

3.2 Измерение влажности

3.3 Выбор и проведение эксперимента по измерению влажности

3.3.1 Метод высушивания

3.3.2 Дистилляционный метод

3.3.3 Экстракционные методы

3.3.4 Химический метод

3.3.5 Метод СВЧ влагометрии

3.3.6 Нейтронный метод

3.3.7 Инфракрасные влагомеры

3.3.8 Кондуктометрические датчики

3.4 Выбор и обоснование метода на основе экспериментальных данных

3.4.1 Влагомер для порошковых материалов

3.4.2 Датчик влажности для формовочной смеси

3.4.3 Датчик влажности для зерна

3.4.4 Автоматическая влагоизмерительная установка дискретного действия АДВ

3.4.5 Обоснование возможности измерения влажности

3.4.6 Данные результатов измерения влажности мяса

3.5 Измерение параметров объекта в волноводе 47 3.5.1 Измерение фазы в прямоугольном волноводе

3.6 Измерение параметров объекта с помощью антенной решётки

3.6.1 Выбор излучающего элемента

3.6.2 Выбор элементной базы системы возбуждения

3.6.3 Расчёт параметров антенной линейки

3.6.4 Расчёт системы возбуждения

3.6.5 Метод измерения диаграммы направленности антенны

3.6.6 Стенд для измерения диаграммы направленности

3.6.7 Стенд измерения КСВ входа антенны

3.6.8 Схема лабораторного аппарата для контроля качества продуктов в СВЧ 75 диапазоне

4. Глава 4 Результаты измерений

4.1 Результаты анализа продуктов при различной влажности продукта с помощью 77 измерения амплитудных и фазовых характеристик сигнала, проходящего через объект

4.2 Результаты анализа продуктов при различной температуре продукта с 88 помощью измерения амплитудных и фазовых характеристик сигнала, проходящего через объект

4.3 Данные о влиянии различных образцов на коэффициент стоячей волны (КСВ) антенны

5. Выводы 101 Источники информации 103 Приложение

Диссертационная работа направлена на разработку аппаратных решений для экспресс -диагностики качества пищевых продуктов, в том числе генетически изменённых, с применением СВЧ техники.

К сожалению, в условиях современной жёсткой экономики наличие маркировки на упаковке продукта не может полностью гарантировать соответствие содержимого указанной информации. Доступные методы анализа продукции, например биохимические или молекулярные, не могут быть проведены без нарушения целостности продукта (взятие пробы) и, кроме того, они достаточно трудоёмки и длительны, что существенно усложняет и замедляет процесс квалиметрии [1-9, 11-14].

Любое растение или животное имеет тысячи различных признаков. Например, у растений: цвет листьев, величина семян, наличие в плодах определённого витамина и тому подобное. За наличие каждого конкретного признака отвечает определённый ген. Ген - от греческого genos, и переводится как "род", "происхождение". Ген представляет собой маленький отрезо-чек молекулы ДНК и генерирует или порождает определённый признак растения или животного. Если убрать ген, отвечающий за появление определённого признака, то исчезнет и сам признак, и наоборот, если добавить, например, растению новый ген, то у растения появится и новый признак. Изменённое же растение может теперь именоваться мутантом (с лат. - изменённый) [10, 13]. Основополагающей идеей данного исследования является предположение о возможности влияния генетической структуры исследуемого образца на характеристики СВЧ поля, проходящего через него.

Целью настоящей работы является разработка аппаратного устройства для проведения экспресс анализа продуктов питания с помощью СВЧ техники методом сканирования исследуемого объекта направленным электромагнитным сверхвысокочастотным излучением.

Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих основных задач:

1. Расчёт и создание экспериментального стенда для проведения исследований.

2. Выявление возможности распознавания наличия примесей генетически модифицированных компонентов (в первую очередь, сои) с помощью СВЧ излучения.

3. Методом измерения амплитудных и фазовых характеристик, проходящего через объект излучения, проанализировать качество продуктов при их различной влажности, температуре, диэлектрических свойствах и содержании белка в продукте.

4. Установить возможность тестирования с помощью СВЧ метода, для определения типа продукта и его состава (продукты на основе соевых и мясных компонентов).

5. Определить оптимальный частотный диапазон, (с точки зрения эксплуатационных параметров) для работы с продукцией имеющей различное содержание влаги (от 5% до 80%).

Объектом исследования выбраны наиболее распространенные ингредиенты, используемые в пищевой промышленности:

- Соевая мука с долей белка 50%;

- Концентрированный соевый белок с массовой долей белка 70%;

- Изолированный соевый белок с массовой долей белка 90%;

- Соя генетически модифицированная;

- Соя натуральная, без генетической модификации;

- Животный белок, полученный из свиной шкурки;

- Животный белок, полученный из говяжьих компонентов;

- Растительный белок, полученный из банановых культур