a) Sự thay đổi pha theo tần số b) Đồ thị phần dư của pha trở Hình 2.20. Đồ thị pha theo tần số và đồ thị phần dư tương ứng
Dữ liệu thực nghiệm (trên Hình 2.16a) được khớp vào mơ hình Fricke sửa đổi, Kết quả khi thực hiện khớp dữ liệu tại thời điểm bắt đầu đo được thể hiện trên các Hình 2.18, Hình 2.19 và Hình 2.20. Trong đó, điểm màu đỏ là các điểm thực nghiệm và đường màu xanh là đường khớp.
Sai số chuẩn hóa (r2) và tổng các phần dư được thể hiện trong Bảng 2.1. Sai số chuẩn hóa được định nghĩa như sau:
𝛼2 = 𝛼 − 𝛼 (2.11) Trong đó: - S là tổng các bình phương - M là tổng số điểm thực nghiệm (M=42) - N là số lượng các tham số (N=6)
Giá trị của các tham số trong mơ hình và sai số tương đối tương ứng được thể hiện trong Bảng 2.2.
Bảng 2.1. Thống kê của mơ hình cải tiến Fricke
Thống kê mơ hình Giá trị
Tổng phần dư
Phần thực 6,52%
Phần ảo 2,09%
Biên độ -2,32%
Pha 2,2%
Bảng 2.2. Các tham số của mơ hình cải tiến Fricke
Tham số Giá trị tính tốn Sai số tương đối (%)
Re 1371 1.1231 Ri 88.539 2.3974 P2 91.2E-06 5.1879 n2 0.48377 1.3287 P1 0.291E-06 1.7599 n1 0.71645 0.17677
Từ giá trị thu và đồ thị thu được có thể giá trị thực nghiệm bám sát với đồ thị lý thuyết, sai số được thể hiện trên đồ thị phần dư (hình 2.18b, 2.19b và 2.20b). Các phần dư (tính theo %) phân bố hội tụ xung quanh trục tần số, điều này phản ánh sự phù hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm.
b) Đánh giá mơ hình cải tiến Cole-Cole
a) Phổ trở kháng b) Đồ thị phần dư của phần thực và phần ảo
Hình 2.21. Phổ trở kháng và đồ thị phần dư của phần thực, phần ảo
a) Sự thay đổi biên độ theo tần số b) Đồ thị phần dư của biên độ trở kháng Hình 2.22. Biên độ trở kháng theo tần số và đồ thị phần dư tương ứng
a) Sự thay đổi pha theo tần số b) Đồ thị phần dư của pha trở kháng Hình 2.23. Đồ thị pha theo tần số và đồ thị phần dư tương ứng
Thực hiện tương tự đối với mơ hình Cole-Cole cải tiến. Kết quả thu được có trên các Hình 2.21, Hình 2.22, Hình 2.23 và các Bảng 2.3 và Bảng 2.4.
Bảng 2.3. Thống kê của mơ hình Cole-Cole
Thống kê mơ hình Giá trị
Tổng các phần dư Phần thực 6,43%
Phần ảo 2,03%
Biên độ -2,41%
Pha 2,23%
Sai số chuẩn hóa r2 0.00035582
Bảng 2.4. Các tham số của mơ hình Cole-Cole
Tham số Giá trị tính tốn Sai số tương đối (%)
Re 1287.7 1.2295 Ri 83.164 2.0576 P2 91.24E-06 5.1942 n2 0.48364 1.3316 P1 0.329E-06 1.7670 n1 0.71648 0.17738
Từ kết quả thực hiện khớp dữ liệu thực nghiệm vào hai mơ hình, có thể thấy sai số giữa hai mơ hình là khơng đáng kể hay nói cách khác hai mơ hình sau cải tiến là tương đương nhau khi thực hiện khớp dữ liệu trở kháng thịt lợn trong dải tần số 50Hz - 1MHz. Từ kết quả khi khớp dữ liệu vào mơ hình tương đương, ta có được sự biến đổi các tham số trong mô theo thời gian, đó chính là sự biến đổi của các thành phần đặc trưng của thịt theo thời gian.
Với giá trị trở kháng ngoại bào và trở kháng nội bào hồn tồn có thể xác định trực tiếp từ mơ hình nhưng giá trị điện dung màng tế bào phải xác định gián tiếp qua CPE. Bởi vì CPE khơng mang ý nghĩa vật lý cụ thể, tức là các tham số P hay n khơng có ý nghĩa vật lý, CPE khơng phải là điện trở và cũng không phải là tụ điện lý tưởng.
Như vậy, CPE khơng liên quan đến q trình biến đổi thịt theo thời gian sau giết mổ mà sẽ chuyển thành giá trị điện dung “thực” theo công thức:
= 𝛼.
(𝛼′′)𝛼−1 (2.12)
Trong đó, 𝛼′′ là tần số góc mà tại đó phần ảo của trở kháng đạt cực đại.
Đối với mơ hình Cole-Cole sửa đổi (Hình 2.13b) thì phương trình (2.12) trở thành: 1 − − − − − − − − − − − − − −− 1 1 = 𝛼 𝛼 𝛼1 . 𝛼1𝛼1 (2.13) Cịn đối với mơ hình Fricke sửa đổi (Hình 2.13a) cơng thức chuyển đổi từ CPE sang giá trị điện dung là:
1 −−−−−−−−−1−−−−−− 1 = 𝛼
1𝛼1 . (𝛼𝛼 + 𝛼) 𝛼1 (2.14) Công thức 2.12, 2.14 là cơ sở để thực hiện khớp dữ liệu trên các mẫu thịt lợn khác nhau nhằm đánh giá sự biến đổi của ba thành phần: trở kháng ngoại bào (Re), trở kháng nội bào (Ri) và điện dung màng tế bào (Cm) theo thời gian.
2.4. Kết luận chương 2
Mơ hình mạch tương đương đóng một vai trị quan trọng trong phân tích EIS, trên cơ sở hai mơ hình kinh điển là Fricke và Cole-Cole, nhiều mơ hình mạch hiệu quả hơn đã được nghiên cứu, phát triển để đánh giá chính xác các yếu tố thực tiễn nhằm đáp ứng yêu cầu cao hơn trong lĩnh vực giám sát chất lượng thực phẩm. Chương 2 của luận án đã thực hiện: Mô phỏng mạch đo trở kháng phức theo cả hai mơ hình Fricke và Cole-Cole [cơng bố số 1]; chế tạo mạch đo thủ công, đo đạc và ghi lại dữ liệu bằng tay để xác định sự thay đổi phổ trở kháng thịt lợn khi có và khơng có KNO3 trong thịt [cơng bố số 2]; trên cơ sở dữ liệu thực nghiệm, sử dụng kỹ thuật CNLS làm cơ sở để đề xuất cải tiến mạch điện tương đương của mơ hình Fricke và Cole-Cole [cơng bố số 3]. Các kết quả nghiên cứu cho thấy, mơ hình cải tiến Fricke và Cole- Cole phù hợp để nghiên cứu quá trình thay đổi trở kháng điện của thịt lợn thăn là đối tượng nghiên cứu trong luận án.
Chương 3
THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐO HAI KÊNH NHẰM TĂNG TỐC ĐỘ ĐO VÀ PHÂN TÍCH, XỬ LÝ DỮ LIỆU TRỞ KHÁNG PHỨC CỦA CÁC
MẪU THỊT
3.1. Xây dựng hệ thống đo, phân tích, xử lý dữ liệu trở kháng phức dựa trênmạch đo hai kênh mạch đo hai kênh
Chương 2 đã đề xuất hệ thống đo và phân tích phổ trở kháng [79], tuy nhiên đối với thiết kế này, tại một thời điểm chỉ cho phép thực hiện một phép đo duy nhất. Rõ ràng là với bài toán nghiên cứu dữ liệu thực tiễn như luận án, đây là một trở ngại không nhỏ khi số lượng mẫu thịt rất lớn được đo và theo dõi trong thời gian dài (24 tiếng). Hơn nữa sau khoảng thời gian 24 tiếng, thịt tiếp tục được ngâm rửa bằng KNO3 và quá trình đo lặp lại như pha đầu. Để tăng tốc độ thu thập và xử lý dữ liệu, luận án đề xuất một mơ hình mở có hai hoặc nhiều kênh cho phép đo cùng một lúc nhiều mẫu thịt giúp giảm đáng kể thời gian thực nghiệm, khảo sát. Các kết quả nghiên cứu làm nền tảng công nghệ tiến tới hồn thiện thiết bị xác định thịt bị ơi, thiu đã được xử lý qua KNO3. Sơ đồ khối của hệ thống được chỉ ra trong Hình 3.1 [80,81].
Về cơ bản, nguyên lý hoạt động của hệ thống tương tự như mơ hình một kênh đã trình bày ở chương trước, điểm khác biệt là mạch đo sẽ tích hợp hai bộ khuếch đại giống nhau. Để có thể đo được đồng thời hai mẫu thịt cùng một lúc, tín hiệu sẽ được điều phối tới hai bộ khuếch đại này thông qua bộ chuyển mạch kênh. Dữ liệu sau đó cũng được lưu trên máy tính. Mơ tả chi tiết hệ thống hai kênh đo trình bày trong [80, 81]. Mạch đo hồn thiện như trên Hình 3.2. Sử dụng hệ thống dựa trên mạch đo hai kênh ở trên đã giảm đáng kể thời gian khảo sát các mẫu thịt tại các thời điểm khác nhau.
Hình 3.2. Mạch đo phổ trở kháng điện hai kênh
3.2. Thực nghiệm đo và đánh giá kết quả
Sau khi hoàn thiện hệ thống đo 2 kênh, luận án tiếp tục khảo sát, lấy dữ liệu trở kháng thịt lợn thăn. Mục này sẽ mơ tả chi tiết q trình thực nghiệm, bàn luận và đánh giá dữ liệu trở kháng thịt theo thời gian cũng như đáng giá, so sánh dữ liệu trở kháng này trong trường hợp thịt nguyên trạng và thịt được xử lý qua KNO3.
- Thực nghiệm 1: Sử dụng hệ thống đo để xác định trở kháng phức của mẫu
thịt. Mục tiêu là đánh giá, quan sát quá trình thay đổi của trở kháng theo thời gian. Bản chất của thực nghiệm này giống như đã thực hiện với hệ thống đo một kênh ở chương 1.
- Thực nghiệm 2: Đo trở kháng của mẫu thịt trước và sau khi rửa bằng KNO3,
quy trình đo gồm các pha sau:
+ Pha thứ nhất: Đo trở kháng của mẫu thịt lần thứ nhất.
+ Pha thứ hai: Mẫu thịt được ngâm trong dung dịch KNO3 nồng độ 1,5ML trong thời gian 1 tiếng, sau đó được rửa sạch và thực hiện đo lần thứ 2. + Pha thứ ba: Mẫu thịt sau khi rửa sạch sẽ được tiếp tục đưa vào vị trí cũ để tiếp tục đo và lấy dữ liệu nhằm đánh giá trở kháng thịt sau khi rửa KNO3. Các mẫu đo trước và sau khi xử lí bằng KNO3 cũng được kiểm tra xem có gốc -NO3 khơng bằng dung dịch Diphenylamin trong H2SO4 đặc. Trong thực nghiệm 2 này, việc thực hiện đo sẽ thực hiện theo hai kịch bản. Một mẫu sẽ được đo với sự điều chỉnh tần số tăng từ 100Hz đến 1MHz và một mẫu sẽ được thực hiện đo với tần số điều chỉnh giảm từ 1MHz xuống 100Hz nhằm đánh giá sự tác động của việc đo tăng hay giảm của tần số tới dữ liệu đo.
- Thực nghiệm 3: Đo mẫu thịt liên tục trong 24 giờ sau đó ngâm mẫu thịt trong
dung dịch KNO3 1.5M trong thời gian 1 tiếng, rửa sạch mẫu thịt và tiếp tục đo với hệ thống trong 24 tiếng tiếp theo.
3.2.1. Thực nghiệm 1
Mục đích của thực nghiệm này là sử dụng hệ thống đo để ghi lại quá trình biến đổi biên độ và pha của trở kháng phức theo thời gian và tần số.
3.2.1.1. Quy trình thực nghiệm
Chuẩn bị mẫu đo: Mẫu thịt là thịt nạc thăn được cắt ra thành mẫu nhỏ
vừa được cắt có dạng hình hộp chữ nhật thì thớ dọc của thịt sẽ ở 2 mặt nhỏ (chiều rộng, chiều cao) của hình hộp chữ nhật. Điện cực được sử dụng trong quá trình đo được tạo từ một cặp kim y tế (Hình 3.3) bằng thép khơng gỉ loại 4B-3, kích thước 0.9x36 mm, chuẩn CSN 85 59 36. Hai điện cực đặt song song cách nhau 2cm được gắn vào một tấm mica trong làm đế với chiều dài kim cắm vào mẫu thịt là 2.3cm. Sau khi chuẩn bị xong, mẫu được đưa vào hộp có kích thước 50x30x25 mm3 (chiều dài x chiều rộng x chiều cao) như trên Hình 3.4.
Hình 3.3. Điện cực sử dụng trong quá trình đo
Hình 3.4. Mẫu thịt và cách bảo quản mẫu trong quá trình đo
Thời gian và thời điểm đo: Thời gian đo kéo dài 23 tiếng, mỗi lần đo
các nhau 1 tiếng.
Tần số (Hz)
3.2.1.2. Khởi động hệ thống đo
Khởi động hệ thống đo bằng cách chạy chương trình trên Matlab. Dữ liệu thơ thu được sau quá trình đo sẽ được xử lý thơng qua một chương trình phần mềm. Dữ liệu thơ sau q trình tính tốn thu được giá trị pha, tần số, trở kháng phức. Dựa vào đó, nghiên cứu sẽ đánh giá được phổ trở kháng và phổ pha đặc trưng của mẫu đo. Dữ liệu đồ thị dưới đây mô tả một số kết quả thực nghiệm điển hình. Số thứ tự mẫu đo chỉ mang tính biểu trưng.
a) Mẫu 1
Kết quả đo của lần thực nghiệm thứ nhất đo trong 23 giờ với mẫu đo 1 được mơ tả trong Hình 3.5 và 3.6. Sau khi để qua 24 giờ nhận thấy, mẫu thịt bốc mùi hôi, chảy nước, màu sắc bắt đầu nhạt hơn so với thời điểm ban đầu.
Hình 3.5. Đồ thị biên độ trở kháng theo tần số mẫu 1
Tr ở kh án g (O h
Tần số (Hz)
Tần số (Hz)
Hình 3.6. Đồ thị biên độ pha theo tần số mẫu 1b) Mẫu 2 b) Mẫu 2
Kết quả đo của lần thực nghiệm thứ nhất đo trong 23 giờ với mẫu đo 2 được mơ tả trong Hình 3.7 và 3.8. Sau khi để qua 24 giờ nhận thấy, mẫu thịt bốc mùi hơi do có sự phân hủy, mẫu thịt có chảy nước, màu sắc cũng bị nhạt hơn so với lúc đầu.
Hình 3.7. Đồ thị biên độ trở kháng theo tần số mẫu 2
Ph a (r ad ia Tr ở kh án g (O h
Tần số (Hz)
Tần số (Hz)
Hình 3.8. Đồ thị biên độ pha theo tần số mẫu 2c) Mẫu 3 c) Mẫu 3
Kết quả đo của lần thực nghiệm thứ nhất đo trong 23 giờ với mẫu đo 3 được mơ tả trong hình 3.9 và 3.10. Sau khi đo, mẫu thịt có dấu hiệu phân hủy, bốc mùi, hôi thối, chảy nước, màu thịt nhạt dần so với ban đầu.
Hình 3.9. Đồ thị biên độ trở kháng theo tần số mẫu 3
Ph a (R ad ia n) Tr ở kh án g (O h
Tần số (Hz)
Hình 3.10. Đồ thị biên độ pha theo tần số mẫu 3d) Phổ trở kháng d) Phổ trở kháng
Trên hình 3.11 là dạng phổ trở kháng (đồ thị phần thực, phần ảo) của các mẫu thịt lợn đặc trưng trong dải tần số 100Hz - 1MHz. Giống như kết quả đo trong chương 2, sự khác biệt lớn nhất trên các đồ thị là ở các thành phần tần số thấp tại các thời điểm khác nhau.
Từ kết quả khi “fit” dữ liệu vào mơ hình tương đương, có thể thấy sự biến đổi các tham số trong mơ theo thời gian chính là sự biến đổi của các thành phần đặc trưng của thịt như trở kháng ngoại bào, trở kháng nội bào và điện dung màng tế sinh chất ( màng tế bào) theo thời gian.
Ph a (R ad ia n)
Thời gian (h)
a) Mẫu 1 b) Mẫu 2
c) Mẫu 3
Hình 3.11. Dạng phổ trở kháng (đồ thị phần thực, phần ảo) của các mẫu thịt lợn e) Trở kháng ngoại bào (Re), trở kháng nội bào (Ri) và điện dung
màng sinh chất (Cm) theo thời gian
Dựa trên công thức 2.13 và mơ hình Cole-Cole cải tiến, luận án tính tốn các giá trị Ri (trở kháng nội bào), Re (trở kháng ngoại bào) và Cm (điện dung màng sinh chất) theo thời gian như biểu diễn trên hình từ 3.12 đến 3.20.
Hình 3.12. Giá trị trở kháng nội bào theo thời gian mẫu 1
Ri (O h m)
Thời gian (h)
Thời gian (h)
Thời gian (h)
Hình 3.13. Giá trị trở kháng ngoại bào theo thời gian mẫu 1
Hình 3.14. Giá trị điện dung màng sinh chất mẫu 1
Hình 3.15. Giá trị trở kháng nội bào theo thời gian mẫu 2
C m (F) Re (O h m) Ri (O h m)
Thời gian (h)
Thời gian (h)
Thời gian (h)
Hình 3.16. Giá trị trở kháng ngoại bào theo thời gian mẫu 2
Hình 3.17. Giá trị điện dung của màng sinh chất mẫu 2
Hình 3.18. Giá trị trở kháng nội bào theo thời gian mẫu 3
C m (F) Re (O h m Ri (O h m
Thời gian (h)
Thời gian (h)
Hình 3.19. Giá trị trở kháng ngoại bào theo thời gian mẫu 3
Hình 3.20. Giá trị điện dung của màng sinh chất mẫu 3
Nhận xét: Do sự chênh lệch giữa thời điểm bắt đầu đo thực nghiệm và bản chất của mỗi mẫu thịt lợn, dẫn đến sự chênh lệch giá trị trở kháng ở thời điểm ban đầu và hình dạng của đồ thị khác nhau. Ví dụ, mẫu 2 và mẫu 3 có trở kháng ngoại bào tại thời điểm ban đầu thấp hơn các mẫu 1. Tuy nhiên, về mặt tổng thể, trở kháng ngoại bào giảm theo thời gian; trở kháng nội bào có xu hướng khơng thay đổi hoặc tăng khơng đáng kể; giá trị điện dung màng sinh chất có xu hướng giảm trong khoảng 5 giờ đầu, trong các giờ tiếp theo giá trị điện dung khơng có xu hướng tăng.
C m (F) Re (O h m
3.2.1.3. Kết luận từ thực nghiệm
Các mẫu đo còn lại đều có kết quả tương tự như trong 3 mẫu đo trên. Trong đó, giá trị trở kháng đều có xu hướng giảm dần từ khoảng 1000 Ohm xuống còn khoảng 100 Ohm ứng với các giá trị tần số từ 1MHz xuống 50Hz.