Разработка процессов и аппаратов для контроля качества продуктов в СВЧ диапазоне

• Автор: Никонов, Фёдор Борисович
• Шифр специальности: 05.18.12
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2008
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 109 с. : ил.

Оглавление
№
Введение

1. Глава 1. Обзор Информационных источников

1.1 Генетически модифицированная продукция (ГМП). Проблемы и перспективы использования
1.2 Новые характеристики, чаще всего «прививаемые» растениям посредством генной инженерии

1.3 Наиболее впечатляющие достижения

1.4 Преимущества генной инженерии

1.5 Проблемы и перспективы

1.6 Экологические риски

1.7 Медицинские риски

1.8 Социально- экономические риски
1.9 Перспективы генной инженерии
2. Глава 2 Теоретическая часть
2.1 Описание устройства для контроля
2.2 Описание планируемых экспериментов
3. Глава 3 Практическая часть
3.1 Метод микроволновой томографии
3.2 Измерение влажности
3.3 Выбор и проведение эксперимента по измерению влажности
3.3.1 Метод высушивания
3.3.2 Дистилляционный метод
3.3.3 Экстракционные методы
3.3.4 Химический метод
3.3.5 Метод СВЧ влагометрии
3.3.6 Нейтронный метод
3.3.7 Инфракрасные влагомеры
3.3.8 Кондуктометрические датчики
3.4 Выбор и обоснование метода на основе экспериментальных данных
3.4.1 Влагомер для порошковых материалов
3.4.2 Датчик влажности для формовочной смеси
3.4.3 Датчик влажности для зерна
3.4.4 Автоматическая влагоизмерительная установка дискретного действия АДВ
3.4.5 Обоснование возможности измерения влажности
3.4.6 Данные результатов измерения влажности мяса
3.5 Измерение параметров объекта в волноводе
3.5.1 Измерение фазы в прямоугольном волноводе
3.6 Измерение параметров объекта с помощью антенной решётки
3.6.1 Выбор излучающего элемента
3.6.2 Выбор элементной базы системы возбуждения
3.6.3 Расчёт параметров антенной линейки
3.6.4 Расчёт системы возбуждения
3.6.5 Метод измерения диаграммы направленности антенны
3.6.6 Стенд для измерения диаграммы направленности
3.6.7 Стенд измерения КСВ входа антенны
3.6.8 Схема лабораторного аппарата для контроля качества продуктов в СВЧ диапазоне 0
4. Глава 4 Результаты измерений
4.1 Результаты анализа продуктов при различной влажности продукта с помощью
измерения амплитудных и фазовых характеристик сигнала, проходящего через объект
4.2 Результаты анализа продуктов при различной температуре продукта с
помощью измерения амплитудных и фазовых характеристик сигнала, проходящего через объект
4.3 Данные о влиянии различных образцов на коэффициент стоячей волны (КСВ)
антенны
5. Выводы
Источники информации
Приложение

Введение
Диссертационная работа направлена на разработку аппаратных решений для экспресс -диагностики качества пищевых продуктов, в том числе генетически изменённых, с применением СВЧ техники.
К сожалению, в условиях современной жёсткой экономики наличие маркировки на упаковке продукта не может полностью гарантировать соответствие содержимого указанной информации. Доступные методы анализа продукции, например биохимические или молекулярные, не могут быть проведены без нарушения целостности продукта (взятие пробы) и, кроме того, они достаточно трудоёмки и длительны, что существенно усложняет и замедляет процесс квалиметрии [1-9, 11-14].
Любое растение или животное имеет тысячи различных признаков. Например, у растений: цвет листьев, величина семян, наличие в плодах определённого витамина и тому подобное. За наличие каждого конкретного признака отвечает определённый ген. Ген - от греческого genos, и переводится как "род", "происхождение". Ген представляет собой маленький отрезо-чек молекулы ДНК и генерирует или порождает определённый признак растения или животного. Если убрать ген, отвечающий за появление определённого признака, то исчезнет и сам признак, и наоборот, если добавить, например, растению новый ген, то у растения появится и новый признак. Изменённое же растение может теперь именоваться мутантом (с лат. - изменённый) [10, 13]. Основополагающей идеей данного исследования является предположение о возможности влияния генетической структуры исследуемого образца на характеристики СВЧ поля, проходящего через него.
Целью настоящей работы является разработка аппаратного устройства для проведения экспресс анализа продуктов питания с помощью СВЧ техники методом сканирования исследуемого объекта направленным электромагнитным сверхвысокочастотным излучением.
Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих основных задач:
1. Расчёт и создание экспериментального стенда для проведения исследований.
2. Выявление возможности распознавания наличия примесей генетически модифицированных компонентов (в первую очередь, сои) с помощью СВЧ излучения.
3. Методом измерения амплитудных и фазовых характеристик, проходящего через объект излучения, проанализировать качество продуктов при их различной влажности, температуре, диэлектрических свойствах и содержании белка в продукте.
4. Установить возможность тестирования с помощью СВЧ метода, для определения типа продукта и его состава (продукты на основе соевых и мясных компонентов).

ствами СВЧ-влагометрии являются: возможность бесконтактного измерения, относительная простота и дешевизна аппаратуры, а в ряде случаев и хорошие метрологические характеристики. Метод основан на измерении электрических параметров датчика с материалом или амплитуды или (и) фазы прошедшей или отраженной волны в диапазоне до 30 ГГц. Различие высокочастотных и СВЧ-методов вызвано как соизмеримостью длины волны с минимальными характеристическими размерами объекта, так и особенностью поведения связанной воды в гигагерцевом диапазоне.
Одно из уникальных свойств воды - аномально высокая диэлектрическая проницаемость, вызванная тем, что оси 0-Н в молекуле воды имеют угол, близкий к 105°. Эта особенность, обусловленная законами квантовой механики, приводит к тому, что даже в отсутствие внешнего электрического поля молекула воды обладает собственным дипольным моментом. Ориентация полярной молекулы во внешнем поле отлична от ориентации неполярной молекулы при электронной или ионной поляризации, когда деформируется только электронное облако. При дипольной поляризации молекула поворачивается как единое целое, поэтому на процесс поляризации влияют энергия связи воды со скелетом и температура. Вращение молекулы отстает от вращающего момента, вызванного переменным электромагнитным полем, за счет сил трения, уменьшающих также и амплитуду результирующей поляризации. Это отставание удобно характеризовать временем релаксации, которое для воды равно 0,6*10-" с (Т = 293 К) и для льда 10"5 с (Т< 273 К) [2.31. Полимеризация воды со скелетом вблизи поверхности твердой фазы приводит к увеличению времени релаксации до 10'9—10~7 с. При совпадении частоты внешнего поля с собственной частотой диполей (область дисперсии) возрастают потери и диэлектрическая проницаемость начинает зависеть от частоты.
3.3.6 Нейтронный метод
Нейтронный метод измерения влажности основан на замедлении быстрых нейтронов при упругом столкновении их с атомами вещества. Так как массы ядра и нейтрона соизмеримы, то при упругом столкновении происходит уменьшение энергии нейтрона, равное энергии отдачи ядра. При столкновении с легкими атомами, в частности с атомами водорода, потеря энергии может быть весьма значительной. Анизотропный поток быстрых нейтронов, сохраняющий при прохождении через вещество свое первоначальное направление, превращается в изотропный поток тепловых нейтронов, которые можно регистрировать детектором, расположенным в непосредственной близости от источника быстрых нейтронов или в точке, удаленной на некоторое фиксированное расстояние.
В реальных средах, содержащих не только легкие, но и средние (с зарядом Ъ > 35) ядра, быстрые нейтроны испытывают как упругие, так и неупругие столкновения, а затем, когда в