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 cơng 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 còn 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 đốn ung thư vú [72], phát hiện mức dinh dưỡng phốt pho đối với Solanum lycopersicum [14] và những thay đổi của các mô khoai tây trong quá 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 mô 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 mô 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. Mô 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 trở R 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:
𝛼(𝛼) = 𝛼𝛼. sin(𝛼 𝛼 + 𝛼𝛼 ) (2.1)
𝛼𝛼 là độ lệch pha giữa điện áp và dịng điện chạy qua Z, khi đó dịng điện có dạng:
𝛼(𝛼) = 𝛼. sin(𝛼𝛼) (2.2)
Trong đó 𝛼𝛼 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:
𝛼𝛼 𝛼𝛼 =
Biến đổi phương trình (2.3), ta có:
𝛼 . 𝛼� 𝛼. 𝛼𝛼
�𝛼 =
𝛼 . 𝛼 = 𝛼
𝛼 (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 ở đầu 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 khơng. Tụ điện 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 bộ tách 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. Để đảm 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 𝛼𝛼 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 tụ điện xác định tần số cắt của bộ lọc thông thấp.
Tần số cắt của bộ lọc được tính theo cơng thức:
1
𝛼𝛼𝛼 =2π√𝛼1. 𝛼2. 𝛼 1.𝛼2 (2.5)
Trong mạch, chọn R1 = R2 = 10 (kΩ); C1 = C2 = 47 (𝛼𝛼𝛼𝛼) tần số cắt khi đó sẽ là fc=0,33Hz.
Giá trị pha từ mạch thiết kế được tính:
ϕ = 𝛼𝛼𝛼𝛼 × π (𝛼𝛼𝛼)
𝛼𝛼𝛼 (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 mơ phỏng trên proteus để xác định trở kháng phức
Từ các tính tốn trên, mạch tổng thể của tồn 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.
2.1.1. Khảo sát trở kháng phức với mơ hình Fricke
Với mơ hình Fricke, giá trị của các thành phần được chọn là Re = 2000Ω, Ri = 1000Ω, Cm = 1nF. Tần số 𝛼𝛼 được thay đổi từ 10KHz đến 1MHz và biên độ của tín hiệu hình sin đưa vào mạch là 2V.
a) Phổ biên độ tần số
b) Phổ pha tần số
Hình 2.7. Kết quả mơ phỏng giá trị đo của mơ hình Fricke số
Trở kháng phức của mạch được tính theo cơng thức (2.7):
𝛼𝛼 × ( + 𝛼𝛼 ) 𝛼 = + + 𝛼𝛼 (2.7) Trong đó: 𝛼 1 𝛼 = 𝛼. 2π . 𝛼 𝛼 (2.8)
Cơng thức tính sai số hệ thống được chỉ ra trong công thức:
| − 𝛼 | 𝛼𝛼𝛼 𝛼ố =
𝛼 × 100% (2.9)
Kết quả thu được từ mô phỏng được so sánh với các giá trị lý thuyết, được thể hiện trong Hình 2.7a và Hình 2.7b. Hình 2.7a cho thấy các giá trị biên độ và Hình 2.7b cho thấy các giá trị pha của mơ hình Fricke. Đường màu xanh lam hiển thị giá trị lý thuyết và đường màu đỏ hiển thị giá trị mô phỏng. Đường màu xanh lá cây hiển thị sai số giữa giá trị lý thuyết và giá trị mơ phỏng. Từ kết quả có thể thấy rằng sự khác biệt giữa mô phỏng và lý thuyết là chấp nhận được với sai số giữa giá trị lý thuyết và mô phỏng nhỏ hơn 1,5%.
2.1.2. Khảo sát trở kháng phức với mơ hình Cole-Cole
a) Phổ biên độ tần số
b) Phổ pha tần số
Kết quả thu được từ mô phỏng được so sánh với các giá trị lý thuyết của mơ hình Cole-Cole, được thể hiện trong Hình 2.8. Hình 2.8a cho thấy các giá trị biên độ; Hình 2.8b cho thấy các giá trị pha. Sai số giữa giá trị lý thuyết và mô phỏng nhỏ hơn 1%.
Như vậy, một phương pháp đơn giản để xác định hai thành phần biên độ và pha trong trở kháng Z phức đã được đề xuất, trong đó giả thuyết rằng trở kháng Z tương đương với mô sinh học và tần số thay đổi từ 10KHz đến 1MHz. Kết quả mô phỏng thu được cho thấy triển vọng sử dụng mạch đo trở kháng phức ở trên vào thực tế.
2.2. Phát triển phần cứng đo trở kháng phức khảo sát thịt lợn trước vàsau khi xử lý bằng KNO3 sau khi xử lý bằng KNO3
Như tên của mạch đo, mục đích của mạch này là đo được trở kháng phức của đối tượng nghiên cứu. Mơ hình đo được mơ tả như sau: Mẫu thịt có trở kháng Zx được đặt ở nhánh hồi tiếp trong mạch khuếch đại. Tín hiệu vào là một nguồn phát sóng sin có biên độ cố định, tần số có thể thay đổi được, tín hiệu ra cũng có dạng hình sin đã bị đảo pha so với tín hiệu đầu vào. Với giá trị biên độ và pha ban đầu của tín hiệu vào và tín hiệu ra kết hợp với giá trị điện trở Rin thì trở kháng Zx được xác định theo công thức:
𝛼𝛼𝛼𝛼𝛼𝛼𝛼 𝛼𝛼 = −
𝛼𝛼𝛼 (2.10)
Trong đó:
- Rin: điện trở đầu vào của mạch khuếch đại. - Vin: điện áp đầu vào.
- Vout: điện áp đầu ra mạch khuếch đại. - Zx: trở kháng của mẫu thịt.
Hình 2.9. Sơ đồ mạch đo trở kháng phức sử dụng khuếch đại đảo [78]
Hai tín hiệu Vin và Vout có cùng tần số nhưng khác biên độ và lệch pha nhau. Sóng sin đầu vào được lấy từ bộ tạo xung. Q trình đo, tần số của tín hiệu đầu vào, giá trị tín hiệu đầu ra đều được thực hiện một cách thủ công. Các phép đo bao gồm hai pha đo:
- Pha đo thứ nhất. Sử dụng mẫu thịt thường, bảo quản ở môi trường tự nhiên (sau đây gọi là thịt sạch): Đo giá trị trở kháng với tần số đầu vào khác nhau tại các thời điểm khác nhau kéo dài trong 120 tiếng kể từ phép đo đầu tiên.
- Pha đo thứ 2. Sử dụng mẫu thịt ở trên sau 120 tiếng được rửa lại bằng KNO3 và tiến hành đo giống như pha đo thứ nhất.
Hình 2.10 cho thấy hình ảnh của mẫu thịt khi bắt đầu đo, sau 120 tiếng (đã bắt đầu mốc, bốc mùi, chảy nước) và sau khi rửa bằng KNO3.
Hình 2.10. Thịt tươi để sau 120 tiếng bị mốc trắng, bốc mùi và hình ảnh cuối cùng chỉ ra miếng thịt đã được rửa bằng KNO3.
Kết quả đo đạc giá trị trở kháng biểu diễn theo thời gian và tần số chỉ ra trong Hình 2.11 [78]. Trong đó đồ thị màu xanh chỉ ra sự biến đổi trở kháng theo tần số của thịt sạch và màu đỏ là thịt được bảo quản ở điều kiện tự nhiên sau 120 tiếng đã rửa KNO3.
Thời gian (giờ) Thời gian (h)
Thời gian (h)
Hình 2.11. Kết quả đo thực nghiệm với sự thay đổi biên độ theo các tần số khác nhau [78] Thời gian (h) T rở k há ng ( O hm ) T rở k há ng ( O hm ) Thời gian (h) T rở k há ng ( O hm ) T rở k há ng ( O hm ) T rở k há ng ( O hm ) T rở k há ng ( O hm )
Thời gian (h) Thời gian (h)
Thời gian (h) T rở k há ng ( O hm )
Hình 2.12. Kết quả khảo sát sự biến đổi trở kháng theo tần số [78]
Kết quả của nghiên cứu cho thấy trở kháng của thịt lợn, tại một tần số cố định sẽ giảm dần theo thời gian, đồng thời trở kháng này cũng giảm khi tần số tăng lên [78]. Điều này củng cố thêm rằng mơ hình Fricke hay Cole-Cole phù hợp sử dụng để làm mơ hình tương đương cho bài tốn khảo sát thịt lợn trong luận án. Kết quả này cũng cho thấy phương pháp sử dụng khuếch đại đảo với đối tượng đo được bố trí tại phần hồi tiếp là một phương án khả thi để phát triển các mạch đo một cách tự động.
2.3. Đề xuất cải tiến mơ hình Fricke và Cole Cole 2.3.1. Mơ hình cải tiến
Thơng qua quá 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, luận án đề xuất Cm
Trở kháng Trở kháng
Tần số (Hz) Tần số (Hz)
Trở kháng Trở kháng
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