Zárójelentés a “Módszer kidolgozása kertészeti termények felületi és belső keménység-jellemzőinek meghatározására” c. kutatómunkáról (OTKA T046756 AG4) A kutatás első évében (2004) elvégzett részfeladatok: Kialakítottuk a precíziós dinamikus állományvizsgálatok eszköz-hátterét: -
a metodikai vizsgálatokban elemzett paraméterek reprodukálható beállítását lehetővé tévő hardver eszközöket és laboratóriumi környezetet,
-
az akusztikus rendszert és az ütésvizsgálatokat hasonló rendszerben támogató, felhasználóbarát szoftvert
Metodikai vizsgálatokat végeztünk a vizsgálat reprodukálhatósága és roncsolás-mentessége tekintetében. Magával a precíziós rendszerrel tudtuk vizsgálni az ismételt vizsgálatok hatását a termény mechanikai jellemzőire. A rendszerben lehetővé tettük a különböző alakú és anyagú ütőfejek (1. ábra) alkalmazását és vizsgálatát a mérés reprodukálhatósága és roncsolás-mentessége szempontjából.
1. ábra: Vizsgált ütőfej-alakok és anyagok
Különböző fajokra és fajtákra szabatos vizsgálati módszereket dolgoztunk ki, ezen belül definiáltuk a mérésekben alkalmazható maximális – még roncsolásmentes – mechanikai impulzus nagyságát. A vizsgálat alapja az azonos körülmények (mérési hely, impulzus stb.) között ismételt mérések összehasonlítása, korreláció-analízise (2. és 3. ábra).
Repeated impact test of apple sample
Repeated impact test of apple sample
1.8
1.2
-2
1.6 Impact firmness coefficient, ms
1.4
dT, ms
1.2 1 0.8
1st test 2nd test 3rd test
0.6 0.4
1
0.8
0.6
1st test 2nd test 3rd test
0.4
0.2 0.2 0
0 0
60
120
180
240
300
360
0
60
120
Measurement position, degree
180
240
300
360
Measurement position, degree
2. ábra: Almaminták kerületi keménységértékeinek ismetelhetősége (ütésvizsgálat)
Impact test of apple: reproducibility
Impact test of apple: reproducibility 2 3rd test: Impact firmness coefficient, ms-2
2nd test: Impact firmness coefficient, ms-2
2
1.6 y = 0.9807x 2 R = 0.9676 1.2
0.8
0.4
0
1.6 y = 0.9938x 2 R = 0.9931 1.2
0.8
0.4
0 0
0.4
0.8
1.2
1.6
1st test: Impact firmness coefficient, ms-2
Az első és második vizsgálat összehasonlítása
2
0
0.4
0.8
1.2
1.6
2nd test: Impact firmness coefficient, ms-2
A második és harmadik vizsgálat összehasonlítása
3. ábra: Az ütésvizsgálat mechanikai hatásának elemzése: változás az első vizsgálat után
4. ábra: Az ütésvizsgálat mechanikai hatása 1 hét tárolás után (fém impaktor, 0.02 kg*m/s ütési impulzus)
2
A legérzékenyebbnek a vizsgált termény-körből az alma- és körtefajták bizonyultak (0,0050,01 kg*m/s impulzus fölött bizonyítottuk a még láthatatlan, de már szignifikánsan mérhető maradandó hatást, 4. ábra), míg pl. paradicsom esetén egy nagyságrenddel nagyobb gerjesztési impulzus sem okoz maradandó mechanikai hatást. Ezen limitek tisztásása feltétlenül szükséges volt a tervezett in-vivo mérések korrekt lebonyolításához.
A kifejlesztett rendszert használva vizsgáltuk kis mechanikai sérülések hatását a termény mechanikai állapotára. A precíziós akusztikus rendszert kifejezetten alkalmasnak találtuk a globális állományban bekövetkező rendkívül kismértékű változás detektálására. A terhelés modellezésére a vizsgált terményeknél az ejtést alkalmaztuk. A rendszerrel olyan kismértékű hatásokat is szignifikánsan kimutattunk, amelyek semmilyen látható elváltozás nem okoztak és semmilyen más módszerrel sem mutathatóak ki (pl. paradicsom: ejtés 5 cm magasról, hagyma: ejtés 30 cm magasról). A módszerrel jól követhető volt a bekövetkezett mechanikai változás részleges relaxációja is (5. és 6. ábra).
ejtés 10 cm-ről
10 perc pihentetés
ejtés 10 cm-ről
10 perc pihentetés
10 perc pihentetés
650
10 perc pihentetés
ejtés 10 cm-ről
Paradicsom: ejtés hatásának vizsgálata akusztikus méréssel
Frekvencia, Hz
600 550 500 450 400 0
5
10
15
20 Mérés száma
25
30
35
5. ábra: Mechanikai terhelés (ejtés) hatása paradicsomra
40
Hagyma: ejtés hatásának vizsgálata akusztikus méréssel 778 776
Ejtés 40 cm-ről
Frekvencia, Hz
774 772 770 768 766 764 762 760 0
5
10
15
20
25
30
Mérési idő, perc
6. ábra: Mechanikai terhelés (ejtés) hatása hagymamintára
A felületi hatások, sérülések detektálására az ütésvizsgálati módszert találtuk alkalmasnak, de – a termények bizonyított igen nagy természetes felületi keménység-variabilitása miatt – kizárólag az azonos ponton megismétel vizsgálatokkal (különben a több 10%-os variabilitás elfedi a néhány százalékos keresett hatást). 95%-nál magasabb valószínűségi szinten szignifikáns összefüggést találtunk a felületi ütésvizsgálati eredmények és az alternatív roncsolásmentes módszerként alkalmazott optikai mérési módszer eredményei között.
Alma körbemérés (Jonathan)
Ütési keménységtényező, ms
-2
0.6 0.5 0.4 0.3 1. mérés 2. mérés 3. mérés
0.2 0.1 0 0
30
60
90
120
150
180
210
240
270
300
Mérési pozíció, fok
7. ábra: Mechanikai sérülés hatása, ütésvizsgálat
További lépésként kialakítottuk, illetve kifejlesztettük a terepi alkalmazáshoz szükséges további hardver-elemeket:
330
360
- alternatív akkumulátoros tápellátás a rendszer-elemekhez - jelkondicionáló interfész az érzékelők és a mérőbemenetek illesztéséhez - speciális külső (USB) audió-tartományú mérőinterfész Notebook-üzemhez - a mérés kiértékelése mellett vezérlési funkciókat is ellátó komplex mérőszoftver.
A következő kutatási szakaszban (2005) elvégzett feladatok: - Rendszerbe állítottuk a dinamikus állománymérési módszerek terepi alkalmazáshoz szükséges hardver- és szoftver-eszközöket. A Notebook-alapú akkumulátoros hordozható mérőrendszert alkalmassá tettük terepi rutinvizsgálatokra. - A hordozható mérőrendszerrel a laboratóriumi vizsgálatok mellett in-vivo vizsgálatokat végeztünk számos kertészeti terményen.
Az elvégzett vizsgálatok fajonként meglehetősen eltérő tapasztalatokat eredményeztek. Általában elmondható, hogy az ütésvizsgálati módszer eredményesen alkalmazható a száron szabadon függő termések in-vivo vizsgálatára alaktól és keménységtartománytól függetlenül, azzal a megszorítással, hogy – főleg a kis tömegű minták esetén - a stabil alátámasztás hiánya további bizonytalansági tényezőként rontja a módszer – egyébként sem kiemelkedően jó – reprodukálhatóságát. A probléma elkerüléséhez szükség lehet a mérési elrendezés kisebb módosítására.
Ezzel szemben az akusztikus hangválasz-módszer in-vivo alkalmazása lényegesen több problémát vetett fel. Az akusztikus gerjesztés limitált energiaszintje miatt (éppen az adott projekt előző szakaszában határoztuk meg az egyes terményekre roncsolás-mentesen alkalmazható ütési impulzusok nagyságát) a hangválasz energiaszintje éppen a környezeti zaj energiaszintjének nagyságrendjébe esik. Ezért az előzőekben kifejlesztett mérési technika lényeges részét képező nyitott hangterű detektálás igen problematikus. Logikusan a keményebb gyümölcsű fajokra (pl. alma) a módszer változtatás nélkül alkalmazható, közepes keménységű terményekre (pl. őszibarack) a módszer a reprodukálhatóság jelentős csökkenésével alkalmazható, míg pl. paradicsom in-vivo vizsgálatára az adott rendszert nem tudtuk eredményesen alkalmazni. Ezekben az esetekben lényegesen megváltoztatott mérési elrendezés és módszer kidolgozására van szükség a célok elérése érdekében. A mérési elrendezés és módszer változtatása érdekében elvégeztük, illetve folyamatosan végezzük a különböző felfüggesztési, gerjesztési, illetve detektálási pozíciók vizsgálatát végeselemes módszer alkalmazásával. Elvégeztük az alátámasztott és a száron függő termény
sajátrezgéseinek összehasonlító vizsgálatát, a kialakuló rezgési módusok sajátfrekvenciáinak összehasonlítását (8. ábra). A létrejövő rezgési módok közül a lélegző vagy gömb módot vizsgáltuk.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
8. ábra: A lélegző mód során bekövetkező deformáció gömb alakú modell esetében
A végeselemes modellezés segítségével elemeztük az in-vivo körülmények között is legegyszerűbben gerjeszthető és detektálható rezgésmódus rezonancia-frekvenciájának függését a modellparaméterektől, nevezetesen a mérettől (9. ábra), a sűrűségtől (10. ábra) és a Young-modulustól, mint keménységjellemzőtől (11. ábra). Az eredmények alapján gömbszerű termény in-vivo akusztikus vizsgálatára az S 2 f 2 m 2 / 3 és az S 3 f 2 d 2 akusztikus keménységtényezőket találtuk alkalmasnak.
Rezonancia frekvencia, Hz
3000 y = 49955x-1 R2 = 1
2500
y = 53230x-1 R2 = 1
2000 y = 36512x-1 R2 = 1
1500
7-11. módus 12-16. módus 17-19. módus 20. módus Hatvány (7-11. módus) Hatvány (12-16. módus) Hatvány (17-19. módus) Hatvány (20. módus)
1000 y = 34437x-1 R2 = 1
500 0 0
10
20
30
40
50
60
70
80
Gömbátmérő, mm
Rezonancia frekvencia, Hz
9. ábra: A gömb alakú test rezonancia frekvenciájának változása a szimulált növekedés során
660 640 620 600 580 560 540
12. módus
520 500 950
960
970
980
990
1000
1010
1020
Sűrűség, kg/m3 10. ábra: A rezonancia frekvencia változása a sűrűség függvényében
1030
900 800
y = 396,76x 2 R =1
700 0,5
y = 372,34x 2 R =1
7-11. módus 12-16. módus 17-19. módus 20. módus Hatvány (7-11. módus) Hatvány (12-16. módus) Hatvány (17-19. módus) Hatvány (20. módus)
5,0
4,5
y = 256,68x0,5 R2 = 1
4,0
500 400
y = 272,14x0,5 R2 = 1
3,5
3,0
600
300 200 100
Rezonancia frekvencia, Hz
1000 0,5
0 2,5
Young modulus, MPa 11. ábra: A rezonancia frekvencia változása a modell Young-modulusa függvényében
A munkát a továbbiakban – részben az új mérési elrendezések, módszerek bevezetésével – a munkaterv szerinti terepi in-vivo kísérletekkel folytattuk. Ezen belül a továbbiakban a paradicsom és az alma-körte vizsgálatok eredményeire térek ki.
Fóliasátorban termesztett paradicsomon (3 fajta: Preciza, Boderine és …..) vizsgáltuk az egyedi, azonosított bogyók akusztikus tulajdonságait a fejlődés, érés során (12. ábra). A vizsgálat során követtük néhány kiválasztott fürt valamennyi bogyójának méret- és rezonancia-frekvencia változását egy minimális méret elérésétől – a detektálhatóság, jel/zaj viszony alapján ez a vizsgált fajtákra kb. 20 mm – a szedési érettség eléréséig (esetenként a pultontartás során is). Az előkísérletek és modellezés eredményeként szerzett tapasztalatok alapján kiválasztott mérési elrendezést a 13. ábra mutatja (gerjesztés oldalirányból egy alkalmas pálcával, detektálás az átellenes ponton, a minta közelébe helyezett (de ahhoz hozzá nem érő), kismértékben irányított karakterisztikájú mikrofonnal. Az adott elrendezésben a hangválasz viszonylag zajmentes, a rezonancia-frekvencia jól detektálható (14. ábra).
12. ábra: Az in-vivo paradicsomvizsgálatok körülményei
Fapálca
Mikrofon 13. ábra: Mérési elrendezés a paradicsom növényen történő mérésére
14. ábra: A növényen vizsgált paradicsom akusztikus válasza
A mérést az érési időszakban (40-60 nap) 2-3 naponta végeztük azonos napszakban. A vizsgálat reprodukálhatóságát jól szemlélteti a 15. ábra, amely két egymást követő mérési alkalom eredményeit hasonlítja össze. A determinációs együttható (0,988) szerint a vizsgálati eredmények meghatározottsága igen magas, a véletlen hibák szerepe szinte kizárható, tehát a
A bogyók 12. napon mért rezonancia frekvencia értéke, Hz
módszer valóban jól alkalmazható a tényleges változások követésére. 3500 y = 0,894x + 28,11 R2 = 0,9883
3000 2500 2000 1500 1000 500 0 0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
A bogyók 9. napon mért rezonancia frekvencia értéke, Hz
15. ábra: A paradicsombogyók egymást követő mérési napok során kapott rezonancia frekvencia érékei közötti összefüggés
A mért rezonanciafrekvenciák változását szemlélteti a 16. ábra a Boderine fajta egy fürtjének bogyóira. A kiváló reprodukálhatóságnak köszönhetően jól követhetőek és modellezhetőek a fejlődés egyes szakaszai. A keménység a mért adatokból átmérőméréssel (S3), illetve a bogyó 3 nagytengelyének mérésével, ellipszoid alak és konstans sűrűség feltételezésével (S2) becsülhető. A keménységjellemzés gyenge pontja ebben az esetben sajátos módon a méretmeghatározás (mind az egyszeri mérés százalékos pontossága, mind a reprodukálhatóság messze elmarad a hangválasz frekvenciamérésének metrológiai jellemzőitől). Ennek ellenére a keménységtényezők is jól követik a bogyók fejlődési folyamatát (17. ábra). A 18. ábra ugyanezt a folyamatot szemlélteti az egyes bogyók színváltozási szakaszainak (zöld, narancs, piros) feltüntetésével. Jól megfigyelhető, hogy a puhulás során jelentkező hirtelen meredekség-növekedés minden egyednél a zöld/narancs átmenet időpontjához köthető. A 19. ábrán néhány bogyó teljes pre-harvest/post-harvest mechanikai változása követhető nyomon.
Az összes adat részletes értékelése után az eredményeket nemzetközi konferencián (GreenSys2007, Nápoly – kiküldött abstract) és referált folyóiratban készülünk publikálni.
A paradicsom rezonancia frekvenciája, Hz
2400 2000
p1 p2 p3 p4 p5 p6 p7
1600 1200 800 400 0 0
10
20
30
40
50
60
70
Mérési idő, nap
16. ábra: Egy fürtön lévő paradicsombogyók rezonancia frekvenciáinak változása az idő
2,5E+07 p421 p422 p423 p424 p425 p426 p427
2 2/3
2,0E+07 1,5E+07
Hz g
S2, Akusztikus keménységtényező,
függvényében (Boderine fajta)
1,0E+07 5,0E+06 0,0E+00 0
10
20
30
40
50
60
Idő, nap
17. ábra: A paradicsombogyó akusztikus keménységtényezőjének (S2) változása a fejlődési-érési folyamat során
70
2 2/3
2,0E+13
Hz g
S2, Akusztikus keménységtényező,
2,5E+13
1,5E+13 1,0E+13 5,0E+12 0,0E+00 0
10
20
30
40
50
60
70
Idő, nap
Akusztikus keménységtényező, Hz2g2/3
18. ábra: Egy fürtön lévő paradicsomok puhulása és színváltozása az idő előrehaladtával (S2)
3,E+07
Növényen
2,E+07
Szüret után 2,E+07 1,E+07 5,E+06 0,E+00 0
10
20
30
40
50
60
Idő, nap
19. ábra: Egy fürtön lévő paradicsombogyó keménységváltozása fejlődés, érés és pultontartás során
70
80
Szabadföldi körülmények között vizsgáltuk két körtefajta (Clapp kedveltje és Vilmos) és két almafajta (Starking és Idared) mechanikai jellemzőinek változását a fejlődési, érési folyamat során. A vizsgált gyümölcsök valamennyi, azonosított példányán (fajtánként 12-22 db) mértük az akusztikus hangválasz rezonancia-frekvenciáját, valamint a gyümölcs méreteit. Az akusztikus vizsgálatot 2006. augusztus 6-tól naponta (mindig azonos napszakban: este 6 és 7 óra között) végeztük a teljes érésig (24-30 nap), egyes esetekben a gyümölcs spontán leválásáig. Egy hétig (08/08/2006 – 16/08/2006) mind a reggeli (8 óra), mind az esti állapotot rögzítettük, illetve – csökkentett mintaszámmal – végeztünk vizsgálatokat egy-egy nap folyamán, kétóránkénti mérésekkel is a napi keménységváltozás követésére. A vizsgálat teljes időtartama alatt félóránként rögzítettük a környezeti hőmérséklet és a relatív páratartalom értékeit is a kísérlet helyszínén elhelyezett adatgyűjtővel.
20. ábra: Az in-vivo vizsgált fajták
A mérési elrendezés az előzetes kísérletek tapasztalatainak és a végeselemes modellezés eredményeinek alapján a 21. ábra szerinti (oldalirányú gerjesztés, átellenes ponton történő érzékelés).
Mint korábbi publikációnkban (Felföldi et. Al., 2004, Felföldi and Muha, 2005) is rámutattunk, ebben az elrendezésben az s = f2*d2,
m2/s2
paraméter a mechanikai hullámok terjedési sebességéhez, és így az állományhoz is leginkább köthető akusztikus keménységtényező.
Excitation Mic rophone
21. ábra: In-vivo alkalmazható akusztikus mérési elrendezés körtére
22. ábra: Jellemző körte hangválasz spektrum
Az elrendezés terepi körülmények között is jól detektálható hangválaszt eredményez, melyből a rezonancia-frekvencia a mérőprogramban alkalmazott Fast Fourier Transform eljárással egyértelműen meghatározza a vizsgált módushoz tartozó rezonancia-frekvenciát (22. ábra).
A módszer ismétlőképességét jól jellemzi az azonnal, illetve 1 nap után azonos terményeken megismételt mérések eredményeinek összehasonlítása (23. ábra).
Alma (Starking)
Körte (Clapp) 1800
1700 1650
1750
y = 0.9993x R2 = 0.9967
1550
Frekvencia, 2. mérés, Hz
Frekvencia, 2. mérés, Hz
1600
1500 1450 1400 1350
y = 0.9999x R2 = 0.9978
1700 1650 1600 1550 1500
1300 1450
1250 1200 1200
1250
1300
1350
1400
1450
1500
1550
1600
1650
1400 1400
1700
1450
1500
1550
1600
1650
1700
1750
1800
Frekvencia, 1. mérés, Hz
Frekvencia, 1. mérés, Hz
Körte (Clapp)
Alma (Starking) 1700
1700
1650
1600 1550 1500
Átlagfrekvencia, 2. nap, Hz
Átlagfrekvencia, 2. nap, Hz
1650
y = 0.9719x + 5.9992 R2 = 0.9911
1450 1400 1350 1300
1600
y = 1.0034x - 11.426 R2 = 0.9778
1550 1500 1450
1250 1200 1200
1250
1300
1350
1400
1450
1500
1550
1600
1650
1700
1400 1400
Átlagfrekvencia, 1. nap, Hz
1450
1500
1550
1600
1650
1700
Átlagfrekvencia, 1. nap, Hz
23. ábra: Az akusztikus mérés reprodukálhatósága: azonnal, illetve 1 nap után megismételt mérések eredményének összehasonlítása alma, illetve körtemintákon
A minták in-vivo vizsgálata alapján egyértelműen kimutatható azok napi keménységingadozása (24. ábra). A reggeli és esti keménység közötti különbség jól ismert jelenség, de ennek szignifikáns (95% valószínűségi szint) bizonyítása csak az itt alkalmazott, igen nagy reprodukálhatóságú és in-vivo alkalmazható módszerrel volt elérhető. Ez az ingadozás nyilván a napi hőmérséklet- és páratartalom-ingadozással hozható összefüggésbe, amint az a 25. ábrán is jól látható (a meleg, száraz nappali puhulást a viszonylag hűvös és nedves éjszaka során visszakeményedés, turgor-növekedés követi).
A minták keménységváltozása
2
Akusztikus keménységtényező, m /s
2
12000 10000 8000 6000 4000 2000 0 0
Idő, óra
24 p1-1 p2-1 a1-1 a2-1
p1-2 p2-2 a1-2 a2-2
p1-3 p2-3 a1-3 a2-3
p1-4 p2-4 a1-4 a2-4
48 p1-5 p2-5 a1-5 a2-5
p1-6 p2-6 a1-6 a2-6
72 p1-7 p2-7 a1-7 a2-7
p1-8 p2-8 a1-8 a2-8
24. ábra: Alma- és körteminták napi keménységingadozása
8000
80
7000
70
6000
60
5000
50
4000
40
3000
30
2000
20
1000
10
0 0
24
48
72
96
120
144
o
Temperature, C
2
Akusztikus keménységtényező, m /s
2
Alma (Starking)
f1 f2 f3 f4 f5 f6 f7 f8 f9 f10 f11 f12 Temp
0 168
Idő, óra (kezdeti időpont 2006. augusztus 8., 8a.m.)
25. ábra: A napi keménységingadozás és a napi hőmérsékletingadozás összehasonlítása
A módszert alkalmasnak találtuk az érésmenet követésére (26. ábra), a fajok és fajták közötti különbségek objektív jellemzésére, és – a regisztrált hőmérséklet és relatív páratartalom értékekkel együtt – egy olyan szakértői rendszer alapját képezheti, amely alkalmas a vizsgált fajták érésmenetének előrejelzésére, az optimális szedési időpont objektív meghatározására.
Relatív keménységváltozás a vizsgálati időszakban Százalékos akusztikus keménységtényező, %
120 100 80 Alma1 Alma2 Körte1 Körte2
60 40 20 0 0
5
10
15
20
25
30
Idő, nap (kezdeti időpont 2006. augusztus 8.)
26. ábra: A vizsgált gyümölcsök átlagkeménységének változása az érési olyamat során
Irodalom:
Felföldi J., V. Muha and G. Tóta (2004) Finite Element Method for Validation of Interpretation of Sample Vibrations – 6th International Conference on Food Physics and Dairy Sciences, Pécs, 2004: 27-28. Felföldi J. and V. Muha (2005) Finite Element Method for Interpretation of Sample Vibrations – ASAE Annual Meeting Paper, Tampa, No. 056174, pp. 1-11.
