- подана  заявка на получение патента  на полезную модель «Устройство для бесконтактного анализа продуктов в СВЧ диапазоне» 

    

• Реализация  результатов. Основные результаты исследования, полученные Никоновым Ф.Б. в ходе работы (разработанный способ экспресс анализа), могут быть успешно применены в процессе контроля ингредиентов, используемых при создании пищевых продуктов, в частности, при изготовлении сосисок и колбас, при изготовлении которых используется соя, как основа, сульфат в качестве стабилизатора и белок животного или растительного происхождения в качестве добавки;
• разработанный способ и предлагаемое устройство реализации могут быть использованы в дальнейшем в повседневном применении в случае их эргономичного изготовления, к примеру, при проведении указанного экспресс теста непосредственно во время приобретения товара конечным потребителем.

    Научная обоснованность и достоверность положений, выводов и рекомендаций диссертации подтверждаются корректностью применения метода СВЧ фазометрии и измерения изменения мощности, КСВН, при определении отклонения сигнала от заданного, что может свидетельствовать, в частности,       о принадлежности образца сои к ГМП. Все данные, полученные автором экспериментальным путём, согласуются с проведенными теоретическими расчетами в пределах ошибок экспериментов.

    Основные  результаты исследования реализованы в действующем макете, находящемся в Радиотехническом институте им. Минца. Указанный макет успешно справляется с задачей определения принадлежности объекта к классу генетически модифицированных продуктов.

        Апробация работы.        В рамках данной диссертационной работы  в ОАО «Радиотехнический институт им. Минца» (РТИ) была создана экспериментальная установка, на которой были проведены исследования продуктов, в том числе генетически модифицированных.

         Результаты диссертации докладывались на семинарах посвящённых конструированию и применению СВЧ техники в ОАО «Радиотехнический институт им. Минца» в сентябре – октябре 2007г., и получили положительные отзывы. При этом были высказаны пожелания дальнейшего проведения работ в данном направлении.

       Практические результаты работы отражены в ряде НИР, выполненных МГУТУ по заданию Министерства Образовании Российской Федерации: «Разработка принципов построения интеллектуальных экспертных систем реального времени для контроля состояний многопараметрических объектов и процессов», Рег. № НИР №1.1.06

 

        Публикации. Результаты по теме диссертации опубликованы в 6 научных работах, которые включают в себя 2 статьи в журналах, рекомендованных ВАК, 1 тезисы, доклада, в трудах сборника научной конференции, 1 монографию.

      Структура и объем диссертации.     Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников и приложения.

      Во введении обосновывается актуальность темы, формулируются цели и задачи работы.

      В первой главе анализируется суть проблемы, обосновывается  теоретические возможности использования СВЧ техники для проведения анализа продукции, рассматриваются научно-технические задачи.

     Во второй главе производится  расчёт излучающих элементов: рупорной антенны (раскрытый конец волновода), микрополосковой антенной решётки с секторной диаграммой направленности и других элементов экспериментальной установки.

     В третьей главе подробно изложены  результаты исследования, показаны зависимости результатов от различных параметров антенны и образцов.

     Четвертая глава посвящена анализу  полученных результатов, их объяснению, выдвижению и перспективам   развития СВЧ приборостроения  для решения указанной задачи. 
 
 

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

 

      Во введении изложена история названия генетически модифицированных (ГМ)  продуктов, способов их контроля. Рассмотрено негативное воздействие ГМ продуктов на живые организмы и окружающую среду, оценены возможности определения качества продуктов. Обоснованы и сформулированы цели и задачи работы, актуальность темы. 

         В первой главе произведён анализ проблем связанных с исследованиями в  СВЧ диапазоне объектов при различной  влажности и при различных температурах. Наибольшую сложность представляет проведение экспериментов в среде с высоким процентным содержанием влаги. Для решения этой проблемы предложен и  проведен эксперимент по измерению влажности в массе сырого мяса методом затухания с использованием прецизионного  аттенюатора. 

      Во второй главе представлен материал и подробный анализ результатов эксперимента по исследованию влажности сырого мяса.

       На рисунке 1 на графиках приведена типичная калибровочная связь зависимости затухания мощности СВЧ излучения от влажности мяса, имеющая два участка. Один участок с высокой точностью является линейным, второй – нелинейным.

        Линейность этой зависимости определяется влиянием на суммарную поляризацию СВЧ излучения форм и видов связи воды с сухим материалом. Чем сильнее связь, тем меньше подвижность диполя воды, и тем меньше суммарная поляризация влажного материала отличается от поляризации сухого, а чем слабее связь, тем меньше суммарная поляризация отличается от поляризации воды. В соответствии с этим при сильной связи вносимые потери (затухание) будут в основном определяться потерями в сухом материале, а при слабой связи или отсутствии таковой - потерями в воде.

 

     Рис. 1. График зависимости затухания мощности СВЧ от влажности (N - затухание, дб; W - влажность,%)

 
        В результате, график зависимости затухания от влажности должен иметь участки с различной крутизной, соответствующей различным формам и видам связи. В общем случае, материал может одновременно содержать воду, связанную с сухим веществом различными видами и формами связи. Поэтому переход от одного участка к другому будет сглажен в результате, как влияния видов связи, так и объемных долей воды связанных с сухим веществом, соответствующим видом связи.

       Основная погрешность при измерении затухания вызвана неоднородностью плотности укладки мяса в измерительную камеру. Это особенно заметно при влажности более 20%. Если при измерении не принимаются меры для улучшения воспроизводимости плотности укладки, то утроенная величина среднеквадратичного отклонения затухания от среднего значения достигает величины 0.6 дб (0.3%) при измерении влажности мяса до 20% и 1.6 дб (0.8%) при измерении влажности свыше 20%.

       Влияние температуры мяса на изменение влажности показано на рисунке 2 на графиках. Видно что, с ростом температуры мяса при постоянной влажности затухание в нем мощности СВЧ увеличивается, что связано с изменением диэлектрических свойств воды от температуры и обусловлено особенностями атомно-молекулярного строения воды, в первую очередь, наличием дипольной релаксации в диапазоне сверхвысоких частот. 
 

 

     Рис.2. График зависимости затухания мощности СВЧ от влажности при различной температуре мяса (N1 - затухание при 5 градусах, N2 - затухание при 20 градусах, N3 - затухание при 40 градусах) 

      Таким образом, если температура мяса, при которой производится калибровка прибора, выше или ниже 20 градусов, то измеренная величина влажности будет соответственно выше или ниже истинного значения.

      Получаемая при изменении температуры на 1 градус систематическая ошибка составляет 0.1-0.15%, которую  необходимо учитывать при измерении влажности, контролируя температуру мяса.

      Мясо характеризуется различной натурой при постоянной влажности. Различные типы и сорта мяса одинаковой влажности имеют различную натуру. Конкретной натуре при постоянной влажности соответствует определенный вес сухого компонента. Мясо с большей натурой внесет  большее затухание, что и показывает зависимость, приведенная на рисунке 3.

     Таким образом, при измерении влажности по затуханию необходимо учитывать как влияние температуры образца на результаты измерений (приведенные величины систематических погрешностей равны 0.016 и 0.065% на градус Цельсия) так и натуру мяса, если она отличается от натуры, по которой проведена калибровка, на 6-15 г/л.  

     

 
 

     Рис. 3. График зависимости затухания мощности СВЧ от влажности мяса различной натуры (N1 - затухание при натурной массе 705 г/л, N2 - затухание при натурной массе 765 г/л, N3 - затухание при натурной массе 795 г/л)  

В результате экспериментов получены следующие результаты:

      -зависимость затухания от влажности в рабочем диапазоне носит линейный характер в широком интервале влажностей;

      -погрешность измерения влажности на линейном участке - не превышает 0.5% абсолютного значения влажности;

      - погрешность измерения содержания сильно связанной воды может быть доведена до величины не более 0.5% простым удлинением бункера в направлении распространения электромагнитной волны;

      - результаты измерения влажности зависят от температуры и натуры мяса; погрешности, обусловленные их изменением, являются систематическими и их можно исключить из результатов измерений, вводя поправки на изменение этих параметров. Влияние на результаты измерений легко исключить, вводя корректирующие поправки. 

    Третья глава содержит расчёт стенда, на котором производились измерения и расчёт излучающего элемента - антенны.

        Структура стенда представлена на рисунке 4 и содержит:

         -генератор сигнала,

         -генератор опорного сигнала,

         -излучающее устройство - антенну на основе микрополосковой печатной платы с секторной диаграммой направленности,

         -камеру с приспособлением для закрепления образца,

         -измеритель мощности,

         -фазометр,

         -измеритель КСВн антенны. 

           

 

Рис. 4. Структурная схема измерительного стенда

       Существенное влияние на результаты оказывает излучающий элемент, поэтому в третьей главе представлено обоснование его выбора и расчет.

      Излучатель самой антенны представляется в виде системы  вибраторов по принципу директорной антенны.

      Поскольку протекание токов в экране происходит в основном в кромке, ближайшей к излучателю, для простоты модель представлена на рисунке 5. в виде директорной антенны. 
 

                               0

                                        I1        φ     I2               I3

                                              d               H

 
 
 

                                       D 

     Рис. 5. Модель проектируемого излучателя 

 где  I2 – ток в активном вибраторе, а I1 и I3 – токи в кромке экрана и директоре соответственно, D – расстояние от директора до экрана, d – расстояние от активного вибратора до экрана, H – расстояние от активного вибратора до директора. 

Диаграмма направленности такого излучателя в  плоскости Н имеет вид: 

.         

    Также в главе представлены результаты компьютерного моделирования в программе Microwave Studio. Оптимальные результаты в программе моделирования были достигнуты при использовании следующих размеров: