Введение к работе
Актуальность работы. Одной из важнейших проблем агропромышленных предприятий России по производству, переработке и хранению сельскохозяйственной продукции является своевременный контроль и анализ ее качества и состава.
В условиях современных технологий, внедряемых в сельскохозяйственную, отрасль, указанные характеристики выпускаемой или, перерабатываемой продукции должны быть определены за короткое время. -Такой экспресс-контроль проводится с минимальной , по времени пробоподготовкой (длительностью не более 5-1Q,мин), .высокой скоростью, анализа (порядка 1-2 минуты) и отличается универсальной применимостью для широкой номенклатуры продуктов, находящихся в твердом, жидком и пастообразном. .состояниях. Проблема количественного экспресс-анализа различных сельскохозяйственных продуктов особенно остро проявляется на международных рынках сбыта. В России в настоящее время не существует хорошо налаженной аналитической службы экспресс-анализа потребляемых продуктов питания (особенно закупаемых по импорту) на предмет загрязнения их вредными для человека соединениями (нитратами, нитритами, пестицидами, токсинами, бактериями и др.). Кроме того, экспресс-анализ биологически активных . компонентов, содержащихся в различных сельскохозяйственных продуктах, также необходим и для сбалансирования их по энергетическим характеристикам, питательной ценности и калорийности.
Существует множество методов контроля и анализа сельскохозяйственной продукции, которые можно разделить на химические и инструментальные.
Химический метод анализа отличает значительная продолжительность и малая производительность, а также существенные финансовые и трудовые затраты.
Одним из существующих инструментальных методов, отвечающих требованиям экспрессности, является метод инфракрасной спектроскопии в ближнем (коротковолновом) диапазоне спектра (0,75-1,0 мкм и 1,0-2.5 мкм), так называемый БИК-метод.
На базе БИК-метода созданы отечественные и зарубежные инфракрасные спектроанализаторы (в дальнейшем БИК-анализаторы) для экспресс-анализа различных видов продуктов, т.е. определения содержания в них жизненноважных органических, минеральных соединений и вредных для человека веществ.
Однако, известные отечественные и зарубежные конструкции
БИК-анализаторов не обладают достаточной точностью, не имеют системы термостабилизации и не обеспечивают воспроизводимости данных анализа при перенесении калибровочных шкал с одного анализатора на другой.
Современная проблема экспресс-контроля и анализа различных сельскохозяйственных продуктов требует разработки простого и сравнительно дешевого метода, обеспечивающего создание высокоточной установки, конкурентнослособной существующим отечественным и зарубежным аналогам.
Диссертационная работа выполнялась в соответствии с
научно-технической программой фундаментальных исследований
Россельхозакадемии "Техника, энергетика и ресурсоиспользование",
проблема 12 "Разработать научные основы развития системы
технолого-технического обеспечения сельскохозяйственного
производства, создания машин и энергетики нового поколения,
формирования эффективного инженерно-технического сервиса в
условиях рыночной экономики", задание 04.04 на 1991-1996 гг., и
договором № 34-51-1 от 05 мая 1993г. с Российским фондом
технологического развития при Миннауки РФ "Разработка
универсального инфракрасного экспресс-анализатора
сельскохозяйственных и пищевых продуктов и метрологического обеспечения к нему", заключенного с ВИЭСХ на конкурсной основе с проведением Государственной экспертизы.
Целью работы является разработка метода и установки универсального экспресс-анализа сельскохозяйственной продукции с использованием коротковолнового инфракрасного излучения в расширенном диапазоне спектра 0,75-2,5 мкм, обеспечивающих воспроизводимость спектральной характеристики продукта по фотометрической шкале и шкале длин волн.
В работе поставлены следующие задачи исследования:
- провести анализ и классификацию анализируемых компонентов
сельскохозяйственных продуктов по их биохимическим и
спектральным характеристикам, а также методам регистрации
спектральной информации в зависимости от фазового и
структурного состояния сельскохозяйственного продукта;
разработать блок-схему установки для БИК-экспресс-анализа сельскохозяйственной продукции, обеспечивающую точность основных ее параметров при условии термостабилизации ее основных блоков;
теоретически и экспериментально обосновать данные по трчностным и эксплуатационным характеристикам установки для БИ Кгэкспресс-анализа сельскохозяйственной продукции. ;
Научная новизна работы заключается в том, что впервые:
- предложена математическая модель расчета световых потоков,
регистрируемых методами диффузного..- отражения, диффузного
пропускания и трансфлекции в соответствующих поддиапазонах
коротковолновой инфракрасной области спектра;
разработана и инструментально реализована блок-схема установки БИК-экспресс-анализа сельскохозяйственной продукции. Научно-техническая новизна блок-схемы установки подтверждена патентом России;
- теоретически обоснованы и экспериментально получены
точностные параметры основных блоков установки БИК-экспресс-
анализа сельскохозяйственной продукции; :
предложена и экспериментально опробована методика метрологической оценки оптико-механической части установок БИК-экспресс-анализа на воспроизводимость фотометрической шкалы и шкалы длин волн с использованием сертифицированных международных калибровочных стандартов диффузного отражения.
На защиту выносятся следующие научные положения: 1 .Анализ и классификация компонентов сельскохозяйственных продуктов по их биохимическим и спектральным характеристикам, а также методам анализа (диффузное отражение, диффузное пропускание, трансфлекция) в зависимости от фазового состояния сельскохозяйственного объекта.
2.Блок-схема установки БИК-экспресс-анализа сельскохозяйственной продукции с улучшенными точностными параметрами основных ее блоков и термостабильностью, обеспечивающей воспроизводимость спектральных характеристик анализируемых продуктов по фотометрической шкале и шкале длин волн. З.Методики и результаты экспериментальной поверки точностных параметров основных блоков установки БИК-экспресс-анализа сельскохозяйственной продукции.
Практическая ценность выполненной работы заключается в разработке и обосновании блок-схемы установки БИК-экспресс-анализа, стабильно работающей в коротковолновом инфракрасном диапазоне и обеспечивающей повышенную точность и воспроизводимость спектральной характеристики, а также в 10 раз увеличивающей скорость анализа. Универсальность установки БИК-экспресс-анализа обеспечивается за счет расширения спектрального диапазона от 750 до 2500 нм, позволяющего увеличить номенклатуру анализируемых сельскохозяйственных продуктов, находящихся в твердом, жидком и пастообразном видах.
Обоснованные методы повышения фотометрической и спектральной точности установки БИК-экспресс-анализа
значительно снижают среднеквадратическую ошибку анализа и позволяют создавать анализаторы нового поколения, не имеющие аналогов.
При применении установки БИК-экспресс-анализа сельхозпродуктов стоимость одного анализа уменьшается в 4,6 раза по сравнению с химическим методом, а годовой экономический эффект от использования одной установки (в ценах 1997 года) составит 789,2 млн. рублей.
Методика исследований включала аналитические и экспериментальные методы.
Аналитические методы исследований базировались на
использовании математической модели взаимодействия
коротковолнового инфракрасного излучения с веществом, проведении числовых оценок для падающего, отраженного и проходящего (поглощенного) световых потоков, методах математической статистики, аналитической и пространственной геометрии, теории фотометрии.
Экспериментальные исследования проводились на базе Производственного объединения "Азовский оптико-механический завод", в Научно-производственном объединении "ОРИОН" и в лаборатории автоматизации и электрификации защищенного грунта ВИЭСХ и подтверждены результатами лабораторных исследований и актами приемочных испытаний.
Реализация результатов работы.
Внедрение установки БИК-экспресс-анализа сельскохозяйственной продукции в аналитические службы различных продовольственных регионов России умеьшит невыгодный для страны импорт дорогостоящих и нестабильных зарубежных анализаторов (стоимость разрабатываемой установки БИК-экспресс-анализа в 1,5-2 раза меньше стоимости зарубежных БИК-анализаторов фирмы "Вгаш+Lubbe", Германия и "NIRsystems", США), значительно снизит затраты химических лабораторий, обеспечит экспрессность анализа, по сравнению с химическим методом более, чем в 10 раз, улучшит качество сельскохозяйственного продовольствия, поставляемого на отечественный рынок. Комплекс исследований разрабатываемой установки БИК-экспресс-анализа проводился на Производственном объединении "Азовский оптико-механический завод".
Автор выражает искреннюю благодарность за оказанные консультации и помощь в работе над установкой БИК-экспресс-анализа сельскохозяйственной продукции ст.научн.сотр. Д.В. Матюнину (ВИЭСХ), заслуж. деятелю науки РФ, доктору физ.-мат.наук, проф.кафедры оптики В.А. Кизелю (МФТИ
г.Долгопрудный), член-корр. РАН Л.Н.Курбатову (НПО "ОРИОН", г.Москва), ведущим конструкторам В.Ф.Коваленко и К.Х Ожеву (ПО "Азовский оптико-механический завод", г.Азов), инженеру по электронике ЮАЛаирову ТОО "Слад"(г.Долгопрудный).
Апробация работы.
