Chương 1 CÁC CƠ SỞ NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN
2.2. Phát triển phần cứng đo trở kháng phức khảo sát thịt lợn trước và sau
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 - mơ, khi có dịng điện xoay chiều chạy qua. Khi đó, hai mơ hình cải tiến sẽ có cấu trúc như trên Hình 2.13 [79].
a) Mơ hình Fricke sửa đổi
b) Mơ hình Cole-Cole sửa đổi Hình 2.13. Các mơ hình cải tiến
2.3.2. Phần cứng thu thập dữ liệu và đánh giá dữ liệu thu được trên cơ sởmơ hình đề xuất mơ hình đề xuất
Trong mục 2.2, luận án đã trình bày phần cứng đo trở kháng phức khảo sát thịt lợn có và khơng có KNO3. Mạch đo có thiết kế khá đơn giản, các cơng đoạn lấy dữ liệu hồn tồn là thủ cơng. Đo đó trong phần này, luận án phát triển phần cứng với mục tiêu là tự động thu dữ liệu, đánh giá dữ liệu thu được từ thịt lợn trước thời điểm rửa KNO3, so sánh với giá trị lý thuyết của mơ hình cải tiến.
2.3.2.1. Hệ thống tự động đo, thu thập dữ liệu trở kháng phức
Sơ đồ khối của hệ thống [79] được chỉ ra trong Hình 2.14. Ban đầu, máy tính gửi lệnh cho vi điều khiển thơng qua giao tiếp Serial Port. Sau khi nhận lệnh, vi điều khiển điều khiển khối tạo dao động sử dụng AD9850 phát sóng sin với tần số đã được lập trình. Khối tạo dao động tạo tín hiệu xoay chiều đi
qua một bộ lọc thơng thấp giúp tín hiệu đi ra ổn định, loại bỏ các tín hiệu tần số cao. Tín hiệu sine được đưa tới khối khuếch đại. Khối này gồm có một mạch khuếch đại đệm và một mạch khuếch đại đảo. Mạch khuếch đại đệm có tác dụng đảm bảo biên độ tín hiệu ra bằng biên độ tín hiệu vào, giảm suy hao biên độ so với tín hiệu gốc, cách ly đầu vào đầu ra. Mạch khuếch đại đảo bao gồm một điện trở vào và một điện trở hồi tiếp - mẫu thịt, tín hiệu đầu ra đảo pha so với tín hiệu vào và được đo bởi Oscilloscope. Tại mỗi tần số, Oscilloscope có nhiệm vụ đo biên độ và pha của tín hiệu vào và tín hiệu ra đồng thời gửi dữ liệu lên máy tính.
Bộ phát sóng sin sử dụng module AD9850. Đây là một module tạo dao động với dải tần số từ 0-40MHz. Module này gồm có một IC AD9850 và một bộ lọc thông thấp. IC AD9850 sử dụng cho công nghệ DDS tốc độ nhanh, bộ chuyển đổi D/A hiệu suất cao và bộ so sánh để tạo thành bộ tổng hợp tần số. Khi được tham chiếu tới một nguồn xung chính xác, AD9850 tạo ra một sóng sin ở đầu ra có tần số và pha thay đổi theo yêu cầu lập trình.
Hình 2.14. Sơ đồ khối hệ thống của hệ thống phân tích phổ trở kháng điện [79]
Hệ thống mạch đo thực tế (Hình 2.15) thực hiện chức năng thu thập các thông số biên độ trở kháng và pha trở kháng của mẫu thịt, sau khi phát tín hiệu hình sin với các tần số trong dải từ 50Hz đến 1MHz tại 24 thời điểm được thiết lập tự động. Dữ liệu sau đó lưu lại trên máy tính và được sử dụng để đánh giá mơ hình Fricke và Cole-Cole cải tiến. Hình 2.16 là đồ thị dữ liệu thu được từ các mẫu thịt thí nghiệm.
Hình 2.15. Hệ thống mạch đo thực tế
b) Mẫu 9
c) Mẫu 10 d) Mẫu 12
Hình 2.16. Phổ trở kháng của một số mẫu thịt đặc trưng trong dải tần số 50Hz - 1MHz
2.3.2.2. Đánh giá mơ hình cải tiến
Nhằm đánh giá tính phù hợp của mơ hình cải tiến với đối tượng và điều kiện đo, luận án thực hiện khớp dữ liệu thực nghiệm và lý thuyết. Cơ sở thuật tốn khớp dữ liệu đã được trình bày trong chương 1.
Q trình khớp mơ hình được thực hiện bằng phần mềm EIS Spectrum Analyser, Hình 2.17 mơ tả giao diện của phần mềm.
Hình 2.17. Giao diện phần mềm EIS Spectrum Analyser
Việc khớp dữ liệu được thực hiện tại từng thời điểm (trong tổng cộng 24 thời điểm). Sau mỗi quá trình khớp dữ liệu, phần mềm sẽ cung cấp các giá trị “sai số chuẩn hóa” (r2), đồ thị phần dư, tổng các phần dư và các tham số của mơ hình, cùng với đó là giá trị sai số tương đối của các tham số tìm được. Tại mỗi điểm thực nghiệm, sai lệch giữa giá trị thực nghiệm và tính tốn, được định nghĩa như sau:
Giá trị thực nghiệm − giá trị tính tốn ∆=
Giá trị thực nghiệm
Trên cơ sở đó, luận án lần lượt đánh giá hai mơ hình cải tiến được đề xuất. Trong phần trình bày dưới đây, các dữ liệu và q trình khớp dữ liệu chỉ mơ tả tại một thời điểm - thời điểm đầu tiên. Các thời điểm khác cũng được tiến hành tương tự.
a) Đánh giá mơ hình cải tiến Fricke
(a) Phổ trở kháng (b) Đồ thị phần dư của phần thực và phần ảo Hình 2.18. 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
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
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 mơ 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) công 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 dựatrên mạch đo hai kênh trên 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