Chương 1 CÁC CƠ SỞ NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN
1.4. Kết luận chương 1
Có nhiều phương pháp, thiết bị đánh giá chất lượng thực phẩm, chất lượng thịt. Các phương pháp cơ học, quang học, phép đo sử dụng tia X có cấu trúc thiết bị phức tạp, giá thành đắt, đòi hỏi điều kiện môi trường thực nghiệm khắt khe. Phương pháp EIS cho kết quả nhanh, thiết bị đơn giản, giá rẻ khả thi đối với người sử dụng mà khơng địi hỏi có chun mơn, phù hợp nhu cầu thực tiễn. Sau khi đánh giá các ưu điểm, hạn chế của từng phương pháp, luận án sẽ tập trung nghiên cứu ứng dụng phương pháp EIS để đánh giá tình trạng của thịt lợn. Phân tích phổ trở kháng điện của mơ sinh học dựa trên mơ hình tương đương của Fricke; lý thuyết Schwan; lý thuyết Cole-Cole cho thấy khả năng đánh giá được chất lượng thực phẩm nói chung và thịt lợn nói riêng.
Chương 2.
CẢI TIẾN MƠ HÌNH TƯƠNG ĐƯƠNG CỦA MƠ SINH HỌC NHẰM NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC PHÉP ĐO PHỔ TRỞ KHÁNG ĐIỆN
CHO THỊT LỢN
Việc sử dụng công nghệ EIS trong phân tích và đánh giá chất lượng thực phẩm đã chứng minh rằng, bằng cách sử dụng các mạch hoặc hàm tương đương bắt nguồn từ cơ chế đã biết, có thể suy ra được các phản ứng cơ bản và trích xuất được các thơng số động học đặc trưng cho các phản ứng của một hệ thống điện hóa. Tuy nhiên, đối với các mơ sinh học, mặc dù mơ hình Fricke và phương trình Cole-Cole đã có một số đóng góp trong việc phân tích lý thuyết nhưng vẫn cịn rất nhiều phản ứng và biến đổi phức tạp chưa được biết đến trong hệ sinh học cần được khám phá và tìm hiểu. Do đó, mơ hình mạch tương đương đóng một vai trị quan trọng trong phân tích EIS, những mơ hình mạch hiệu quả hơn vẫn cần 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.
Hình 2.1. Mơ hình tương đương khảo sát trạng thái thịt gà và bò trong vòng 14 ngày [21]
Trên thực tế, các mơ hình mạch tương đương cũng đã được phát triển để phù hợp với các đối tượng nghiên cứu cũng như phù hợp với dữ liệu thực tế đo đạc. Nghiên cứu của Guermazi [21] đã điều chỉnh lại mơ hình mạch tương đương như trong Hình 2.1 để khảo sát trạng thái của thịt gà và thịt bò
trong vịng 14 ngày. Trong đó: CPE là thành phần tụ điện tương đương với màng tế bào, Ri là thành phần trở kháng nội bào, Re là thành phần trở kháng ngoại bào, Ka là hệ số khớp dữ liệu được điều chỉnh dựa vào dữ liệu đo thực tế, α là độ phân tán.
Mơ hình Fricke và mơ hình Fricke sửa đổi là những mơ hình mạch tương đương cổ điển nhất cho mô sinh học và vẫn được sử dụng trong nghiên cứu gần đây về mô động vật hoặc thực vật, chẳng hạn như ước tính độ tươi của cá chép [24], phân tích sơ bộ để dự đoán ung thư vú [72], phát hiện mức dinh dưỡng phốt pho đối với Solanum lycopersicum [14] và những thay đổi của các mơ khoai tây trong q trình sấy [73].
Thơng qua q trình thực nghiệm, nghiên cứu sinh nhận thấy đối với thịt lợn thăn và điện cực sử dụng là điện cực kim y tế thì cần có sự điều chỉnh mơ hình tương đương để phù hợp với thực tế phép đo. Cụ thể, do lớp màng tế bào hoạt động không giống như một tụ điện lý tưởng, nghiên cứu sinh đề xuất Cm được thay thế bởi CPEP1, n1 trong mơ hình Fricke. Đồng thời, bổ sung CPEP2, n2 cho cả hai mơ hình Fricke và Cole-Cole do sự hình thành của một lớp màng mỏng phân cách điện cực với mơ thịt, hay cịn gọi là “mặt giao tiếp” điện cực - mơ, khi có dịng điện xoay chiều chạy qua. Để chứng minh tính đúng đắn của đề xuất, luận án đi theo một logic như sau:
- Bước 1: coi mẫu thịt là một mạch điện tử biết trước theo mơ hình Fricke và Cole-Cole, từ đó mơ phỏng các mạch đo trở kháng phức nhằm khẳng định tính khả thi của mạch đo được đề xuất.
- Bước 2: hiện thực hóa mạch đo xác định sự thay đổi phổ trở kháng thịt lợn, mạch đo này vẫn sử dụng cả hai mơ hình kinh điển nhằm khẳng định về mặt định tính có hay khơng có KNO3 trong thịt.
- Bước 3: phát triển hệ thống đo trở kháng phức có khả năng xác định sự thay đổi về pha và biên độ theo tần số, quá trình so sánh và điều chỉnh khớp dữ liệu dựa trên mơ hình mạch tương đương cải tiến.
2.1. Mơ phỏng mạch đo trở kháng phức dựa trên nguyên lý phát hiện điện áp đỉnh
Để phân tích phổ trở kháng phức của một đối tượng trở kháng Z, trở kháng Z được lắp với một điện trởR dưới dạng mạch phân áp. Thơng qua q trình tách đỉnh sóng của các tín hiệu xoay chiều đưa vào Vs sau mạch phân áp sẽ là cơ sở để xác định được phổ pha tín hiệu và phổ biên độ điện áp. Sơ đồ khối của hệ thống thiết kế được chỉ ra trong Hình 2.2 [77].
Hình 2.2. Sơ đồ khối của mạch đo dựa trên nguyên lí phát hiện điện áp đỉnh [70]
Trong Hình 2.2, Z là trở kháng phức của thịt, mục tiêu của mạch là xác định hai thành phần là biên độ và pha của trở kháng này. Giả sử điện áp trên trở kháng Z là:
𝑣(𝑡) = 𝑉𝑍. sin(𝜔𝑡+𝜑𝜑) (2.1) 𝜑𝜑là độ lệch pha giữa điện áp và dòng điện chạy qua Z, khi đó dịng điện có dạng:
𝑖(𝑡) = 𝐼. sin(𝜔𝑡) (2.2) Trong đó 𝜑𝜑 là độ lệch pha giữa dòng điện và điện áp trên tổng trở Z, cũng là giá trị pha cần tìm. Từ phương trình (2.1) và phương trình (2.2) ta có cơng thức tính tốn biên độ của trở kháng Z:
Biến đổi phương trình (2.3), ta có: 𝑍𝑥 =𝑅.𝑅.𝑉𝐼𝑍 =𝑅.𝑉𝑉𝑍
𝑟 (2.4)
Giá trị điện áp Vz và Vr được xác định bởi mạch phát hiện đỉnh sóng [74-76], mạch dị đỉnh sóng như mơ tả trên Hình 2.33.
Hình 2.3. Mạch dị đỉnh sóng
Mạch dị đỉnh sóng sử dụng hai bộ khuếch đại, sự khác biệt giữa điện áp đỉnh và điện áp đầu vào ràng buộc bởi điện trở R1. Nguyên lý hoạt động của mạch như sau: trong trường hợp điện áp tăng, bộ khuếch đại thứ nhất bù sự sụt giảm qua điốt D2, làm cho điện áp ởđầu vào không đảo của bộ khuếch đại thứ hai bằng điện áp đầu vào Vin. Điốt D1 khoá, điện áp rơi trên điện trở R1 bằng không. Tụđiện C1 tăng tốc vịng lặp bằng cách phóng điện tích đã nạp của điện dung đầu vào của bộ khuếch đại đầu tiên, giúp duy trì mức giảm điện áp tối thiểu qua điện trở R1 ở chế độ lấy mẫu. Tín hiệu khi điện áp âm dẫn đến điốt D2 khố và điốt D1 thơng (hay nói một cách đơn giản là tháo điốt D2 ra khỏi mạch và nối tắt điốt D1). Điều này làm cho đầu ra của khối khuếch đại 1 sẽ được nối với cụm C1, R1. Lúc này mạch giữ và lấy mẫu chủ yếu là ở khối khuếch đại đệm thứ 2. Khi bộtách sóng đỉnh được yêu cầu giữ giá trị của đỉnh trong một thời gian dài, tụ điện C2 sẽ phóng nạp theo trạng thái tín hiệu đưa vào đảm bảo thời gian giữ để lấy mẫu tín hiệu được chuẩn. Đểđảm bảo tín hiệu
khơng bị suy hao thì khuếch đại thuật tốn U2 cần phải có trở kháng đầu vào cao và dịng vào thấp. Ta có độ lệch pha 𝜑𝜑 cũng là độ lệch pha giữa hiệu điện thế v(t) và điện áp trên điện trở R là vr(t). Để chuyển hai tín hiệu điện áp ở trên thành hai tín hiệu xung vng, bộ so sánh được sử dụng như trong Hình 2.4. Khi hai tín hiệu này được đưa vào đầu vào của cổng EXOR, đầu ra của mạch sẽ cho tín hiệu Vφ, được gọi là pha điện áp, tỷ lệ thuận với pha cần đo.
Hình 2.4. Quá trình thu nhận giá trị điện áp Vφ
Tín hiệu Vφ được đưa qua bộ lọc thông thấp bậc hai, thể hiện trên Hình 2.5, điện áp ra là giá trị trung bình của điện áp tỷ lệ với giá trị của pha cần tính. Mạch lọc thơng thấp bậc hai này có hai mạng RC, R1 - C1 và R2 - C2 cung cấp cho bộ lọc các đặc tính đáp ứng tần số của nó. Thiết kế bộ lọc dựa trên cấu hình op-amp khơng đảo và độ lợi của bộ lọc bằng 1. Giá trị của điện trở và tụđiện xác định tần số cắt của bộ lọc thông thấp.
Tần số cắt của bộ lọc được tính theo cơng thức: 𝑓𝑓𝑐 = 1
2π√𝑅1.𝑅2.𝐶1.𝐶2 (2.5)
Trong mạch, chọn R1 = R2 = 10 (kΩ); C1 = C2 = 47 (𝜇𝜇𝐹𝐹) tần số cắt khi đó sẽ là fc=0,33Hz.
Giá trị pha từ mạch thiết kế được tính:
ϕ= 𝑉𝑜𝑢𝑡𝑉𝑑𝑑 ×π (𝑟𝑎𝑑) (2.6)
Đầu ra bộ so sánh
Đầu ra bộ so sánh Đầu ra XOR
Hình 2.5. Mạch lọc thơng thấp bậc hai
Trong đó, Vout là điện áp trung bình tại đầu ra của mạch lọc thơng thấp (ký hiệu Vx trong hình 2.6) cịn Vdd là điện áp sau mạch so sánh thứ hai tại cổng XOR (yt trong hình 2.6).
Hình 2.6. Sơ đồ mạch chi tiết mô phỏng trên proteus để xác định trở kháng phức
Từ các tính tốn trên, mạch tổng thể của toàn bộ hệ thống đo trở kháng phức được chỉ ra trong Hình 2.6. Mạch được sử dụng để khảo sát trở kháng phức của Z của hai mơ hình Fricke và Cole-Cole.