Автоматизация процесса электроимпульсной обработки растительного сырья

Введение. В современных условиях повышенного интереса к внедрению в различные операции и технологии сельскохозяйственного производства систем автоматизации, реализации мероприятий по энергоэффективности, повышению спроса на продукцию с улучшенными и безопасными продовольственными качествами особую актуальность приобретает поиск новых решений – технологически эффективных, экологически безопасных, реализуемых с минимальными энергетическими затратами. Перспективным направлением в области переработки сельскохозяйственной продукции является применение различных воздействующих на первичное – исходное сырье – физических факторов для улучшения качества и увеличения количества получаемых из него продуктов, к которым можно отнести и электроимпульсную обработку сырья растительного происхождения. Такая обработка представляет собой способ электроконтактной обработки растительного сырья и материалов, когда в результате организуемого деструктивного электрического воздействия на растительное сырье наблюдается технологический эффект – увеличение выхода внутриклеточного раствора (сока) в межклеточное пространство. Последующее за этим воздействие на предварительно обработанное сырье, организуемое любыми традиционно используемыми способами, например, прессованием, позволяет получить повышенное количество сока, а также при других технологических задачах уменьшить время сушки, сохранить максимально возможное количество витаминов и полезных веществ и т.п. Сам реализуемый процесс сопровождается минимальными затратами электрической энергии и дополнительной возможностью стерилизации получаемой продукции без применения теплового воздействия или других методов инактивации или нейтрализации вредных микроорганизмов и вирусов [1–6].

Целью представляемых в статье результатов исследований является поиск оптимальных параметров, характеризующих максимальное деструктивное воздействие высоковольтных импульсов на растительный материал, и разработка алгоритма работы автоматической системы контроля за процессом обработки растительного сырья в электротехнологической установке (электроплазмолизаторе).

Материалы и методы исследований. Для проведения исследований по изучению влияния электроимпульсной обработки на электрофизические свойства растительного материала была собрана специальная лабораторная экспериментальная установка (рисунок 1) [7, 8].

Рисунок 1 – Экспериментальная установка для электроимпульсного воздействия на растительное сырье

Figure 1 – Experimental setup for electropulse effects on plant materials

Принципиально установка включает в себя следующее оборудование: лабораторный автотрансформатор, повышающий трансформатор, высоковольтный делитель напряжения, цифровой мультиметр, высоковольтный конденсатор, камеру обработки, блок коммутации, блок управления коммутатором, цифровой измерительный LCR.

В рабочей камере, предназначенной для обработки растительного сырья, расположены два плоских круглых электрода, один из которых жестко прикреплен к основанию, а другой, подвижный, регулируется по высоте.

Растительное сырье размещается между двумя электродами, причем верхний электрод создает необходимое усилие прижима обрабатываемого объема материала. К контактным зажимам электродов подключается LCR-метр для измерения начальных параметров обрабатываемого сырьевого материала, который после измерения отключается, после чего на электроды подается импульсное высоковольтное воздействие. Разработанный блок управления коммутатором позволял задавать необходимую частоту повторения импульсов и их количество. Значение напряжения заряда конденсатора устанавливалось с помощью лабораторного автотрансформатора по показаниям цифрового мультиметра, который подключался к резистивному высоковольтному делителю напряжения. После завершения процесса обработки рабочая камера отключается от высоковольтной цепи и подключается к LCR-метру для измерения изменившихся параметров.

Предварительная подготовка обрабатываемого материала для исследований заключалась в вырезании цилиндрических заготовок одинакового диаметра с помощью специально разработанного для этих целей приспособления. После этого цилиндрическая заготовка разрезалась на образцы высотой 8 мм. При отсутствии отклонений от допустимых значений образец считается годным для проведения эксперимента. Во всех экспериментах установка была настроена на частоту следования импульсов 15 Гц, количество импульсов задавалось счетчиком, форма высоковольтных импульсов – крутой фронт с экспоненциальным спадом, напряжение заряда конденсатора составляло 8,5 кВ, энергия одного импульса 0,47 Дж. В качестве растительного материала в исследовании использовались образцы из яблок сорта «Голден» и моркови сорта «Фея».

Результаты исследований и их обсуждение. Для наблюдения за состоянием растительного сырья было принято решение об измерении его двух электрофизических параметров – полного сопротивления растительной ткани Z и фазового сдвига φ между активной и реактивной составляющей полного сопротивления. Измеряя перечисленные величины, можно с высокой точностью судить об изменениях, произошедших в растительном сырье. Связь данных параметров с состоянием объекта обработки опирается на известную теоретическую модель – схему замещения растительного сырья, которая, с точки зрения теории электропроводности, представляет собой сложное соединение, состоящее из последовательно и параллельно включенных резисторных элементов и конденсаторов [9, 10]. Во время электроимпульсного воздействия на клетку, в клеточной стенке и мембране клетки образуются многочисленные поры критического радиуса, в результате чего цитоплазма и другие внутриклеточные компоненты вытекают в межклеточное пространство и смешиваются с межклеточным раствором, в результате чего полное сопротивление растительного сырья уменьшается из-за увеличения свободной жидкости в сырье, кроме этого высвободившаяся внутриклеточная жидкость влияет на уменьшение емкости «конденсаторов», и, как следствие, это приводит к увеличению угла сдвига фазы из-за уменьшения емкостной составляющей.

Для наблюдения изменений перечисленных ранее контролируемых параметров растительного сырья в широком диапазоне, было принято осуществлять обработку, воздействуя на растительное сырье максимальным количеством электрических импульсов высокого напряжения, равного 3000. Графические зависимости, отражающие результаты проведенных исследований, представлены на рисунках 2 и 3.

По результатам полученных измерений можно выделить две области на графиках, в зависимости от поведения, которые определяют «воздействие–ответ». В первой области, при воздействии небольшого количества высоковольтных импульсов, видно влияние на изменение полного сопротивления и фазового сдвига:

для образцов из моркови сорта «Фея» данная область находится в диапазоне 0–20 импульсов, где изменение полного сопротивления составило 95,3%, при изменении фазового сдвига –77,3%; для образцов из яблок сорта «Голден» данная область находится в диапазоне 0–100 импульсов, где изменение полного сопротивления составило 98,3%, при изменении фазового сдвига – 68%.

Количество воздействующих импульсов, n Number of influencing pulses, n

Рисунок 2 – Зависимости полного сопротивления и фазового сдвига от количества воздействующих высоковольтных импульсов для моркови сорта «Фея»

Figure 2 – Dependences of the impedance and phase shift on the number of acting high-voltage pulses for the carrot variety "Fairy"

Количество воздействующих импульсов, n Number of influencing pulses, n

Рисунок 3 – Зависимости полного сопротивления и фазового сдвига от количества воздействующих высоковольтных импульсов для яблока сорта «Голден»

Figure 3 – Dependences of impedance and phase shift on the number of acting high-voltage pulses for an apple variety "Golden"

Во второй области, со значительно большим количеством воздействующих импульсов, наблюдается меньшее или соизмеримое влияние на изменение контролируемых параметров: для образцов из моркови сорта «Фея» данная область находится в диапазоне 20–3000 импульсов, где изменение полного сопротивления составило 38%, при изменении фазового сдвига – 58,5%; для образцов из яблок сорта «Голден» данная область находится в диапазоне 100–3000 импульсов, где изменение полного сопротивления составило 61,8%, при изменении фазового сдвига – 70,6%. Как видно из полученных графиков (рисунки 2 и 3), для разных образцов растительного сырья потребовалось разное количество воздействующих импульсов для перехода во вторую область графиков. Таким образом можно сделать вывод, что к разным видам растительного сырья необходимо подводить конкретное, определенное количество энергии, и кроме этого можно отметить, что их количество также будет зависеть не только от вида сырья, но еще и от его спелости, срока хранения и т.д. Можно говорить, что оптимальным будет определение показателя повреждения растительного сырья в процессе его обработки с пропорциональной этому изменению корректировкой интенсивности воздействия (не следует воздействовать на все виды растительного сырья с одинаковой дозой).

Из полученных экспериментальных данных можно сделать вывод, что достоверно отслеживать повреждение клеток растительного сырья можно проводя оценку изменения как полного сопротивления, так и фазового сдвига. Оценка жизнеспособности или повреждения растительного сырья на основе измерения полного сопротивления не нова и встречается в разных вариациях, таких как коэффициент поляризации, предложенный

Б.Н. Тарусовым, и степень повреждения, предложенная А.А. Климовым, В.И. Баевым и В.Н. Савчуком [11, 12]. Данные методы оценки повреждения растительной ткани проверены и являются эффективным показателем оценки глубины повреждения, но из-за низкой скорости измерения полного сопротивления данные методы не подходят для поточного производства. Оценка повреждения растительного сырья с помощью определения изменения фазового сдвига может происходить с большой скоростью и достаточной для поставленных целей точностью. Преимущество в скорости измерения заключается в отсутствии необходимости аналого-цифровых преобразований и сложных математических операций над оцифрованными данными. При измерении фазового сдвига используется аналоговое устройство, преобразующее значение фазового сдвига во временной интервал, длительность которого пропорциональна значению измеряемой величины, которую фиксирует микроконтроллер. Подобная организация измерений позволяет постоянно получать актуальную информацию о состоянии сырья обработки без задержек и при минимальном использовании ресурсов микроконтроллера.

Для технической реализации системы автоматического контроля за параметрами процесса электроимпульсной обработки предполагается установка измерительных датчиков на входе и выходе электротехнологической установки для измерения начального и изменившегося угла сдвига фазы. Такой подход позволит быстро оценивать степень дезинтеграции

(разрушения внутренней структуры) растительного сырья и, оперативно реагируя на изменения в фазовом сдвиге, осуществлять изменение частоты следования воздействующих высоковольтных импульсов с целью достижения максимальной эффективности обработки – максимальной дезинтеграции (разрушения) внутренней структуры растительного сырья. На рисунках 4 и 5 схематически показаны структура электротехнологической установки обработки растительного сырья с автоматическим контролем за его состоянием в процессе и упрощенный алгоритм её работы.

Представленный алгоритм автоматической работы (рисунок 5) заключается в поиске и поддержании оптимальной степени дезинтеграции растительного сырья. Для удобства обработки данные измерений фазового сдвига приводятся к диапазону, степени дезинтеграции, равному значениям от 0 до 1, где 0 – неповрежденное сырье, а 1 – полностью дезинтегрированное (разрушенное) сырье. При включении установки задается максимальная частота следования импульсов, происходит обработка сырья, после чего вычисляется максимальное значение степени дезинтеграции. По результатам экспериментальных данных видно, что в зависимости от объекта обработки в первой области графика изменения составляют не менее 50%, но не более 80%, поэтому исходя из этого примем 60% за эффективную степень дезинтеграции. Далее по заложенной в устройстве программе определяется эффективная степень дезинтеграции и принимается запороговое значение, которое необходимо достигнуть и поддерживать. Программа входит в цикл и изменением частоты воздействующих импульсов поддерживает определенное значение степени дезинтеграции. Повторное определение максимальной степени дезинтеграции может быть запущено по истечении определённого времени обработки.

Растительное сырье Plant raw materials

Микроконтроллер Microcontroller

Генератор высокого напряжения High voltage generator

Генератор высоковольтных импульсов High voltage pulse generator

Рисунок 4 – Структурная схема автоматической системы обработки растительного сырья

Figure 4 – Structural diagram of an automatic system for processing plant materials

Рисунок 5 – Упрощенный алгоритм функционирования автоматической системы обработки растительного сырья

Figure 5 – Simplified algorithm for the functioning of an automatic system for processing plant materials

Выводы. По результатам проведённых экспериментальных исследований видно, что изменение фазового сдвига в процессе электроимпульсной обработки подобно поведению изменения полного сопротивления растительной ткани сырья, что указывает на возможность использования фазового сдвига для определения степени дезинтеграции обрабатываемого растительного сырья. Предложен алгоритм функционирования установки электроимпульсной обработки растительного сырья с автоматической системой контроля и управления процессом, основанный на отслеживании фазового сдвига сырья до и после электроимпульсной обработки и автоматическом изменении параметров воздействующих импульсов для поддержания необходимого изменения фазового сдвига.