Развитие методики для исследования объектов различной природы методом ГРВ-графии с помощью прибора «ГРВ КАМЕРА»

М.В. Борисова, Н.С. Прияткин
СПбГУ, borisovamv@mail.ru
к.т.н., ФГБНУ Агрофизический НИИ, prini@mail.ru

Прибор «ГРВ Камера» в комплекте с набором установок «ГРВ Минилаборатория» дает широкие возможности по разработке адаптивных методик исследования характеристик газоразрядного свечения различных объектов живой и неживой природы.

Для этой цели могут быть использованы следующие установки:

- Установка для исследования больших объектов (вегетативные части растений, мелкие цельные плоды овощей и фруктов, крупные семена древесных лесных пород (желуди), пищевые продукты, минералы и т.д.).

Применяется для исследования твердофазных объектов, имеющих линейные размеры больше размеров подкрышечного пространства над измерительным электродом. Фиксируют установку на приборе, так чтобы ее контактный электрод плотно касался поверхности исследуемого объекта, как показано на рисунке 1.

Рис. 1 - Съемка больших объектов

- Установка для исследования плоских объектов. Применяется для исследования объектов, имеющих плоскую форму, а также семян растений.

Заземляющим электродом служит металлическая пластина, которую закрепляют тест-объектом или специальным электродом с плоским держателем, как показано на рисунке 2.

Рис. 2 - Работа с плоскими объектами

- Установка для исследования небольших твердофазных объектов (вегетативные части растений, срезы фруктов и овощей, пищевые продукты, минералы). Применяется для исследования объектов, имеющих линейные размеры меньше размеров подкрышечного пространства.

В специальном заземляющем электроде в зависимости от размера объекта регулируется высота плоского держателя, как показано на рисунке 3.

Рис. 3. Работа с мелкими объектами

Все заземляющие устройства входят в стандартную комплектацию оборудования "ГРВ Минилаборатория".

Более подробно правила работы с большими и малыми объектами описаны в инструкции по эксплуатации «ГРВ МИНИЛАБОРАТОРИЯ» к прибору для регистрации газоразрядного свечения объектов «ГРВ Камера».

Также основные методики представлены в мультимедийном руководстве «ГРВ Минилаборатория».

Адаптивные методики исследования характеристик газоразрядного свечения различных объектов, требующие использования вышеперечисленных установок, включают в себя следующую последовательность операций:

1. Выбор и унификация пробоподготовки образца;

2. Выбор типа установки (заземляющего электрода);

3. Подбор режимов работы (время экспозиции, напряжение, тип съемки – статическая, динамическая, их сочетание и др.) прибора «ГРВ Камера»;

4. Алгоритм программой обработки цифровых газоразрядных изображений (установки фильтрации шумовой компоненты, выбор наиболее значимых параметров газоразрядных изображений и др.).

Для интерпретации полученных данных рекомендуется использовать набор верифицирующих методов, подбор которых осуществляется в зависимости от целей и задач исследований. Выборочно может быть использован контроль геометрических, весовых характеристик, влажности, скрытой дефектности образцов и др.

Одной из актуальных задач, для решения которой необходима разработка соответствующей адаптивной методики, является оценка состояния товарной продукции в процессе хранения.

Сложность решения данной задачи объясняется как многообразием видов товарной растительной продукции, существенно различающимся как по габаритным характеристикам, так и консистенции плодов.

Необходимо отметить, что деградация плодов в процессе хранения неодинакова в зависимости от вида товарной растительной продукции и имеет разную динамику во времени, а также специфику в отношении топологии плода. Эти аспекты необходимо учитывать при разработке адаптивной методики.

Для исследования газоразрядных характеристик образцов товарной растительной продукции, по своих габаритных размерам превышающим размер измерительного электрода прибора «ГРВ Камера» предлагается использовать отбор стандартного по геометрии образца из мякоти плода.

Данный подход был предложен словенскими исследователями в 2004 году [1].

На примере плодов огурца разработанная нами адаптивная методика выглядит следующим образом:

1. Выбор и унификация пробоподготовки образца:

Стандартный по геометрии образец представляет собой диск шириной 14 мм и толщиной 3 мм, вырезанный из части плода, ближайшей к плодоножке. Необходимая толщина диска обеспечивается устройством с двумя параллельными лезвиями, необходимый диаметр диска – металлическим пробойником. Пример газоразрядных изображений качественного и некачественного подготовленного образца (диска) представлен на рис. 4.

Рис. 4. Качественно приготовленный образец (слева) и некачественно приготовленный образец (неровный срез).

2. Выбор типа установки (заземляющего электрода):

Используется установка, представленная на рис. 3. Высота плоского держателя регулируется таким образом, чтобы обеспечить полный контакт с диском.

3. Подбор режимов работы (время экспозиции, напряжение, тип съемки – статическая, динамическая, их сочетание и др.) прибора «ГРВ Камера»:

Для исследования характеристик газоразрядного свечения дисков предлагается использовать подход динамической ГРВ-графии. Выбор данного подхода основан на гипотезе возможности выявления изменений структуры и свойств тканей растительного объекта, происходящих в процессе деградации плодов при их хранении (потеря влаги, изменение содержания сахаров, изменения структуры клеток и др.). При динамическом газовом разряде, ведущему к частичному разлету жидкофазных компонентов исследуемого образца динамика характеристик газоразрядного свечения исследуемых образцов может быть различна в зависимости от степени деградации плодов.

Рекомендуемая продолжительность динамической съемки – 20 секунд, частота кадров в секунду – не менее 5. Импульсное напряжение – 140 В.

4. Алгоритм программой обработки цифровых газоразрядных изображений:

Уровень фильтрации шума – относительный, 100%, базовый параметр: средняя интенсивность (единицы яркости), суммарная интесивность (относительные единицы). Анализируется характер тренда динамической кривой, временная энтропия, временная фрактальность.

Рекомендуется дополнительно использовать измерения массы диска на аналитических весах с точностью до 0,001 г., непосредственно перед процедурой ГРВ-измерений, а также органолептическую оценку качества плодов огурца.

Используя аналогичный, методический подход, были получены данные по исследованию газоразрядных характеристик других видов товарной растительной продукции.

Например, при исследовании таких корнеплодов, как морковь, используя методику измерения подготовленных дисков из мякоти, можно зафиксировать существенную разницу для различных образцов продукции по параметру Средняя интенсивность газоразрядного свечения (рис. 5.)

Рис. 5. Газоразрядные изображения и значения показателей средней интенсивности газоразрядного свечения образцов (дисков), изготовленных из корнеплодов моркови:
Образцы корнеплода морковь:1 и 3 – свежие, не более 10 дней хранения корнеплоды, разные сорта,
2- длительного срока хранения.

Предложенный методический принцип может быть использован для анализа изменений свойств и других пищевых продуктов, в частности, мясной продукции, в зависимости от способов ее обработки. Например, изменение характера свечения различных образцов мяса хорошо видно не только при статистическом анализе (рис. 6.), но и визуально (рис. 7.). Информативным в данном случае является также применение подхода динамической ГРВ-графии. Запись процесса формирования газоразрядного изображения в течение времени дает возможность получить информацию о зависимости изменения характеристик свечения во времени, представленной в виде трендов. Анализ результатов исследования различных биологических объектов методом динамической ГРВ-графии выявил, что для выявления значимых различий необходимо оценивать весь временной ряд полученных данных.

Рис. 6. Пример статистического анализа образцов мясной продукции, исследованных методами статической (вверху) и динамической ГРВ-графии (внизу). Сравнивались контрольные образцы (без обработки) и образцы, предварительно помещенные в микроволновую печь на 5 сек.

Рис. 7 Визуальный анализ сравнения статических газоразрядных изображений образцов мясной продукции до обработки и после. Обработка – помещение образцов в микроволновую печь на 5 сек.

Необходимо отметить, что высокая чувствительность метода ГРВ создает опасность возникновения дополнительных погрешностей, связанных с неоднородностью образцов.

Другой важной проблемой, требующей решения, является интерпретация получаемых данных при исследованиях биологических объектов и образцов методом ГРВ-графии. Сложность интерпретации обусловлена, во многом, большим числом фактором, влияющих на характеристики газоразрядного свечения биологических объектов, прежде всего, влажности и структурной неоднородности.

Таким образом, необходима дальнейшая разработка стандартных адаптивных методик исследования характеристик газоразрядного свечения биологических объектов, обеспечивающих стандартизацию процедур, пробоподготовки образцов, получения и программной обработки газоразрядных изображений, а также подбор эффективных дополнительных верифицирующих методов.

Выражаем благодарность сотрудникам компании ООО «Информационные крылья» Р.С.Кертлингу и О.И. Ремизову за помощь и техническое содействие в разработке адаптивной методики исследования газоразрядных характеристик образцов плодов огурца.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Sadikov A., Konon enko I., Weibel F. Analyzing Coronas of Fruits and Leaves // In Konstantin

G. Korotkov (Ed.) Measuring Energy Fields: Current Research. – Backbone Pulishing Co. Fair

Lawn, USA, 2004. Pp. 143-156.