Chương 1 CÁC CƠ SỞ NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN
2.3. Đề xuất cải tiến mơ hình Fricke và ColeCole
2.3.2. Phần cứng thu thập dữ liệu và đánh giá dữ liệu thu được trên cơ
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 công 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 vụđo 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
Hình 2.16. Phổ trở kháng của một số mẫu thịt đặc trưng trong dải tần số
a) Mẫu 1 b) Mẫu 9
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 toán khớp dữ liệu đã được trình bày trong chương 1.
Quá 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 sốtương đối của các tham sốtìm được.
Tại mỗi điểm thực nghiệm, sai lệch giữa giá trị thực nghiệm và tính tốn, được định nghĩa như sau:
∆=Giá trị thực nghiệmGiá trị thực nghiệm−giá trị tính tốn
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
Hình 2.18. Phổ trở kháng và đồ thị phần dư của phần thực, phần ảo
Hình 2.19. Biên độ trở kháng theo tần số và đồ thị phần dư tương ứng (a) Phổ trở kháng (b) Đồ thị phần dư của phần thực (a) Phổ trở kháng (b) Đồ thị phần dư của phần thực
và phần ảo
a) Sự thay đổi biên độ theo tần số b) Đồ thị phần dư của biên độ trở kháng
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:
𝑟2 =𝑀 − 𝑁𝑆 (2.11)
Trong đó: - S là tổng các bình phương
- M là tổng số điểm thực nghiệm (M=42) - N là sốlượng 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%
Sai số chuẩn hóa r2 0,00035579
Bảng 2.2. Các tham số của mơ hình cải tiến Fricke
Tham số Giá trị tính tốn Sai sốtương 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 sốđược 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
Hình 2.21. Phổ trở kháng và đồ thị phần dư của phần thực, phần ảo
Hình 2.22. Biên độ trở kháng theo tần số và đồ thị phần dư tương ứng
a) Phổ trở kháng b) Đồ thị phần dư của phần thực và
phần ảo
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 sốtương 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 không liên quan đến quá trình biến đổi thịt theo thời gian sau giết mổ mà sẽ chuyển thành giá trịđiện dung “thực” theo công thức:
𝐶 =𝑃. (𝜔′′)𝑛−1 (2.12)
Trong đó, 𝜔′′ là tần số góc mà tại đó phần ảo của trởkháng đạt cực đại.
Đối với mơ hình Cole-Cole sửa đổi (Hình 2.13b) thì phương trình (2.12) trở thành:
𝐶 =𝑅𝑒1−𝑛𝑛11.𝑃1𝑛11 (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:
𝐶 =𝑃1𝑛11. (𝑅𝑒 +𝑅𝑖)1−𝑛𝑛11 (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.