HAZAI MŰSZERÚJDONSÁGOK
 

Hordozható gyümölcs-keménységmérő-műszer

 

ELŐZMÉNYEK 

Az európai és az amerikai piacon egyaránt egyre nagyobb a kínálat gyümölcsből és zöldségből. Ebben jelentős részük van a fejlődő országoknak is. Ebből következően az eladhatóság és piacképesség egyik alapvető feltétele - természetesen az ár mellett - a garantált és ellenőrzött minőség. A minőségellenőrzés és minőségbiztosítás megköveteli a megfelelő méréstechnikát: a megfelelő mérési módszert és mérőeszközt. 

A gyümölcs minőség külső és belső minőségi tulajdonságokkal jellemezhető. A külső minőségi tulajdonságokat (alak, méret, szín) egy bizonyos pontossággal szemrevételezéssel is meg lehet állapítani. A belső minőségi tulajdonságok között lényeges jellemző a keménység. A gyümölcs és zöldség keménységét többféle módon lehet jellemezni. Ezt a fogyasztó érzékszervi értékelés alapján állapítja meg, például megnyomja a narancsot, vagy a barackot, megkopogtatja a dinnyét, vagy megkóstolja azt. Ennek eredményeként a termény olyan kifejezésekkel jellemezhető, mint ropogós, rágós, nyúlós stb. Az ilyen jellemzés alapja az érzékszervi bírálat, ezt azonban nehéz, vagy lehetetlen objektív módon, méréssel számszerűsíteni. A keménység műszaki definíciója ennél egyértelműbb, műszaki tekintetben keménységen az anyagnak a vizsgálandó próbatestbe behatoló nyomófejjel szembeni ellenállását értjük. Ezt természetesen többféle módszerrel mérhetjük. Ebből következően a keménységet általában az erővel és az alakváltozással (deformációval) jellemezzük. 

Amint láttuk, a keménység a terménynek fontos minőségi jellemzője, melyet ismernünk kell, hogy meghatározzuk annak

Mindezek szükségessé teszik, hogy megfelelő keménységmérési és értékelési módszer, valamint mérőeszköz álljon rendelkezésünkre, mellyel a különböző termények mérhetők és értékelhetők.

 A cikk írásakor az volt a célunk, hogy

* Fizika – Automatika Tanszék, SzIE, Budapest

** FVM Műszaki Intézete, Gödöllő

 

A TERMÉNY MECHANIKAI JELLEMZÉSE

A különböző termények mechanikai jellemzésének alapja az erőnek a terményre gyakorolt hatása. A terményeknél és más mezőgazdasági anyagoknál ez a hatás alakváltozásban nyilvánul meg. Ez a alakváltozás a mezőgazdasági anyagoknál nemcsak az erőtől, azaz a feszültségtől, hanem az időtől is függ. Ezeket az anyagokat, melyeknél az időben változó az erő-alakváltozás és a feszültség-alakváltozás összefüggés, reológiai anyagoknak nevezzük. Ezen az alapon megkülönböztetünk ideális és nem ideális anyagokat.

Az ideális anyag lehet ideális rugalmas test, ideális plasztikus test, vagy ideális viszkózus folyadék. Az ideális rugalmas test feszültségének és alakváltozásának összefüggése követi a Hooke-törvényt. Ez azt jelenti, hogy a feszültség egyenesen arányos az alakváltozással, azaz a nyúlással, vagy az alakváltozással, ha a feszültség, vagy az alakváltozás értéke elég kicsi. Az ideális rugalmas test feszültség-alakváltozás összefüggése mind terhelés, mind pedig tehermentesítés esetén megegyezik, tehát a terhelési és tehermentesítési görbék egybeesnek.

Az ideális rugalmas testre gyakorolt nyomás, vagy húzás esetén a rugalmassági modulusz értéke:

E = s / e , (1)

ahol: s - nyomófeszültség, MPa
e - relatív benyomódás.

A relatív benyomódást, vagy a relatív nyúlást ugyancsak ideális anyagra a következő összefüggés adja:

e = z / l , (2)

ahol: l - a próbatest hossza, mm
z - a próbatest alakváltozása, mm.

A rugalmassági modulusszal és a relatív benyomódással csak az ideális anyagokat lehet jellemezni, amelyek követik a Hooke-törvényt (pl. acél), a mezőgazdasági anyagokra azonban ez nem érvényes. Ennek alapvető oka, hogy a mezőgazdasági anyagok nem tekinthetők ideális rugalmas testeknek. Ezenkivül a mezőgazdasági anyagoknál, pl. gyümölcsnél, zöldségnél, szemesterménynél stb. a felülettől befelé haladva változhat a szilárdság, így a termény nem jellemezhető a Young-féle rugalmassági modulusszal, de különösen nem annak egy meghatározott értékével.

Az ideális plasztikus test a ráható nyírófeszültség következtében folyni kezd, amikor ennek a feszültségnek az értéke eléri a folyási feszültséget. A mezőgazdasági anyagoknál és így mind a gyümölcsnél, mind a zöldségnél egyaránt fellép a rugalmas és a plasztikus alakváltozás, ezért erre sem az ideális rugalmas, sem az ideális plasztikus testekre vonatkozó megállapítások nem érvényesek. Általában a biológiai folyáspont alatti feszültség, vagy alakváltozás esetén nem következik be az anyagban jelentős elváltozás és a sejtrendszer sem sérül meg. Gyümölcsnél és zöldségnél a sérülésnek különös jelentősége van.

 

3. KEMÉNYSÉGMÉRÉSI MÓDSZEREK ÉS MŰSZEREK

A termény keménységét mérhetjük közvetlen és közvetett eljárással. A közvetlen módszer alkalmazásakor olyan fizikai jellemzőt mérünk, amely szoros és közvetlen kapcsolatban van a keménységgel (pl. nyomófeszültség, nyírófeszültség stb.). A közvetett módszer esetén a terményt érő valamilyen külső behatás eredményeként fellépő válaszjelenséget (reakciót) mérjük pl. rezgést, hanghatás stb.

A közvetlen módszerek között a legelterjedtebb a nyomófeszültséggel történő mérés. Ennél valamilyen merev fejet nyomunk a terménybe. Ennek a módszernek lehet nagypontosságú (precíziós), vagy gyors változata. A különböző változatokat az 1. táblázatban mutatjuk be.

Nyomófeszültséggel történő keménységmérés módszerei

1. táblázat 

Módszer

Erő

Alakváltozás

Nagypontosságú

mért

mért

1. gyors

mért

nem mért

2. gyors

mért

beállított/közvetve mért

3. gyors

állandó/közvetve mért

mért

4. gyors

nem mért

mért

A nagypontosságú módszer alkalmazásakor általában hagyományos roncsolásos vizsgálatot végzünk, ekkor nagy pontossággal mérjük az erőt és a alakváltozást, miközben egyenletes sebességgel nyomófejet nyomunk a terménybe. Ennél a módszernél a alakváltozás függvényében mérjük az erő változását, ennek eredményeiből meghatározhatók az egyes mechanikai jellemzők, mint a biofolyási feszültség, törési feszültség, rugalmassági modulusz, stb. Előnye ennek a módszernek, hogy alkalmas a jellemzők olyan időbeli változásának a meghatározására, mint a kúszás, a kirugózás és a relaxáció. Ugyanakkor a mérés viszonylag időigényes.

1. ábra. Precíziós penetrométer

 

Ennek a módszernek a megvalósítására leggyakrabban az un. precíziós penetrométereket (pl. Instron, SMS stb. gyártmányok) alkalmazzák (1. ábra). Ezekhez különböző alakú és méretű nyomófejek tartoznak, az előtolás sebessége széles határok között állítható és mérés közben állandó értéken tartható. A terményt különböző kialakítású megfogókba tudjuk befogni. Ezek laboratóriumi penetrométerek a legkülönbözőbb terményekhez használhatók, természetesen méretüktől, teljesítményüktől és a kifejthető legnagyobb erőtől függően. A precíziós penetrométerrel felvett jellemző nyomófeszültség-alakváltozás jelleggörbét a 2. ábrán mutatjuk be.

2. ábra. Precíziós penetrométerrel felvett nyomófeszültség-alakváltozás jelleggörbe


A nyomófeszültség gyors mérési módszereinek alkalmazásakor gyakran elhanyagolásokat teszünk a cél - a gyors mérés - érdekében.

Az 1. gyors módszer (1. táblázat) szerint történik a hagyományos és elterjedten alkalmazott Magness-Taylor-féle penetrométerrel a mérés. Ennél a módszernél hengeres nyomófejet nyomunk a terménybe a felületre merőlegesen és mérjük a behatoláshoz szükséges erő értékét. A Magness-Taylor-féle eljárással a termény törését okozó erőt mérjük, azaz azt az erőt, amely a törési feszültséget eredményezi. Nem mérhető itt a feszültséghez tartozó alakváltozás. Ennél a mérésnél roncsolódik a termény, azonban egyes terményeknél - pl. almánál - ugyanazon a terményen még egy második mérést is végezhetünk a ellenkező oldalon. 

3. ábra. Magness-Taylor-féle penetrométer

 
A Magness-Taylor-féle penetrométerhez 7,9 mm és 11,1 mm átmérőjű nyomófejek állnak rendelkezésre, ennél a penetrométernél az erőmérést rugó összenyomódásának a mérésére, tehát elmozdulás mérésére vezetik vissza, a mérés eredményét maximum-mutatós indikátoróra jelzi (3. ábra). Ezzel a módszerrel és penetrométerrel számos mérést végeztek különböző gyümölcsfajtákkal és zöldségfélékkel és az esetek döntő többségében jó egyezik (korrelációt) kaptak az érzékszervi bírálat eredményeivel és a fontosabb reológiai jellemzőkkel. Ennek a penetrométernek nagy előnye, hogy kisméretű és egyszerűen kezelhető, laboratóriumban és terepen is jól használható. Hátránya ennek a módszernek, hogy a nyomófej roncsolja a terményt, a mérési tartomány viszonylag szűk a rugó jelleggörbéje miatt, a mérési hiba függ a rugó jelleggörbéjétől, valamint a leolvasástól is.


A 2. gyors mérési módszer egyik változatánál a nyomófeszültséget közvetlenül, a alakváltozást pedig közvetve mérik, ill. számítják. Bizonyos terményeknél ezzel a gyors eljárással roncsolásmentesen lehet mérni. Ekkor korlátozzák a nyomóerőt és/vagy a alakváltozást, majd a mért adatokból számítják ki a termény keménységére jellemző értéket. Ennek a módszernek a megvalósítására kialakított hordozható műszernél a terményt - célszerűen bogyós gyümölcsöt - két nyomólap közé helyezik, az egyik nyomólap előtolását léptetőmotor biztosítja, míg a másik nyomólap erőmérő cellára van felfogva, ez a műszer mind a terhelési, mind pedig a tehermentesítési művelet mérésére használható.


A 3. gyors módszernél az erőnek egy állandó, beállított értéke mellett fellépő alakváltozást, azaz a penetrációt mérik. Ezt a módszert elsősorban puha terménynél lehet alkalmazni, ahol viszonylag nagy alakváltozás érhető el. Itt gondot okozhat az erő állandó értékének a biztosítása, valamint az elmozdulás pontos mérése. Ez az eljárás elsősorban igen lágy terményeknél használható előnyösen. Kedvező, hogy a mérés gyors és roncsolásmentes, hátrányos azonban, hogy a meghatározott keménységi érték nem abszolút mérőszám.


A 4. eljárás azt jelenti, amikor igen puha terményt sík lapra helyeznek el és megmérik a alakváltozásját, majd ebből következtetnek a keménységre, az erő mérése nélkül. Ez a módszer nem terjedt el, mivel ezt a gyakorlatban nem lehet célszerűen alkalmazni.


A KIFEJLESZTETT SZÁMÍTÓGÉPES KEMÉNYSÉGMÉRŐ MŰSZER

Az általunk kidolgozott gyümölcs keménységmérési módszer lényeges jellemzője, hogy roncsolásmentes eljárással mérjük a nyomó-feszültséget, amely egy meghatározott kis mértékű alakváltozásnál fellép. Ezeknek a roncsolásmentes vizsgálatoknak az eredményeiből kiszámítjuk a rugalmassági tényezőt: a alakváltozáshoz tartozó nyomófeszültség és a benyomódási mélység hányadosát. A alakváltozás, ill. a benyomódási mélység a termény keménységétől függően 0,15 mm, 0,3 mm vagy 0,6 mm-re állítható, az alkalmazott nyomófej mérete a ugyancsak terménytől függően megválasztható, 4, 6, vagy 8 mm átmérőjű nyomófej áll rendelkezésre. A rugalmassági tényezőt, amely a nyomófeszültség és a alakváltozás viszonya, a következők szerint számítottuk ki:

ce = s /z,

ahol:
s - nyomófeszültség, kPa
z - alakváltozás, mm.

 Ezeket a mérések az adott termény mindkét oldalán egy-egy, vagy több pontban végezhetjük.

 A módszer megvalósítására kialakított számítógépes keménységmérő műszer (4. ábra) részei a következők:

4. ábra. Számítógépes keménységmérő műszer


Az alkalmazott számítógép lehet asztali PC, vagy Notebook. Notebook használatakor a mérőműszer hordozható kivitelű, ebben az esetben a külön tápegység biztosítja az illesztőegység működését.

 

Elektronikus penetrométer

A saját fejlesztésű penetrométer gömb alakú fogantyúból, a fogantyúban elhelyezett erő-érzékelőből és nyomófej-készletből áll. Az erő-érzékelő egy nagyérzékenységű nyúlásmérő bélyeg cellát tartalmaz. A méréstartomány 0-50 N és a megengedett legnagyobb erő 65 N.

A rugalmassági tényező mérésére szolgáló nyomófej-készlet három nyomófejet tartalmaz: 4 mm, 6 mm és 8 mm átmérővel. Ezek mindegyike 0,15 mm, 0,3 mm vagy 0,6 mm behatolási mélységre használható. A mélységet különböző vastagságú távtartó gyűrűkkel lehet beállítani.

A gömb alakú fogantyúba építettük be a nyúlásmérő bélyeges erőmérőcellát, amely a termény vizsgálatakor a keletkezett mechanikai feszültséget elektromos jellé alakítja. Az erőmérő cella 4 db, hídba kapcsolt nyúlásmérő bélyeget tartalmaz, a cella jellemzői:

 

Illesztőegység

Ez csatlakoztatja az elektronikus penetrométert a számítógéphez. Ennek az egységnek a feladata jelerősítés, valamint az analóg erőjel átalakítása digitális jellé, mérőerősitőt és 12 bites analóg/digitális átalakítót tartalmaz.

Az illesztőegység látja el a műszerfogantyúban lévő erőmérőcellát tápfeszültséggel, elvégzi a cella által szolgáltatott villamos jel erősítését, átalakítását digitális jellé, sávszűrését, valamint feldolgozását és a soros kapun (porton) az adatok kiküldését.

A készülék műszaki adatai:

Erőmérőcella bemenet:

Feszültségbemenetek:

 A bemeneti erősítő egy kis zajú és csúszásu (driftű) mérőerősítőből és egy műveleti erősítőből áll, az erősítőlánc erősítése 500. Az A/D átalakító 12 bites, ami 4096 egységre történő felbontást biztosít. A híd táplálása, az A/D referencia-feszültséggel történő ellátása - elválasztva a digitális rész tápfeszültségétől - stabilizált tápegységről történik, melynek nagy pontosságú és állandóságú (stabilitású) feszültségreferencia az alapja. Az adatok feldolgozását, a mérés vezérlését, az adatforgalmat mikroprocesszor vezérli. A mérőcella jelének feldolgozásán kívül lehetőség van feszültségmérésre négy független csatornán. Ezek a feszültségbemenetek túlfeszültség ellen védettek. A PC-vel történő adatforgalom az RS-232 soros vonalon folyik.

 

Hálózati tápegység

A tápegység az illesztőegység 220 V/50 Hz-es hálózatról való tápellátására szolgál.

 

Számítógép

A számítógép (PC, Notebook vagy Laptop) az erre a célra kifejlesztett vezérlő és értékelő szoftverrel végzi a mérés vezérlését, valamint az eredmények feldolgozását.

 

Vezérlő és értékelő szoftver

A mérőegység és a PC közötti adatátvitel a soros porton keresztül történik.

 A soros interfész jellemzői:

 Az adatátvitelt a PC kezdeményezi a mérőegységnél egy parancs kiadásával, majd várja a választ. A rendszer tesztelését a PENTEST EXE program biztosítja.

 A szoftvercsomag egyik része a penetrométer-illesztő és a vezérlő számítógép közötti összeköttetést szolgálja. Ez program az illesztőegység ROM-jában van tárolva és feladata a méréshely-átkapcsolás, az analóg/digitális átalakítás és az adatátvitel közvetlen irányítása.

 A felhasználó és a mérőrendszer közötti kapcsolatot egy felhasználóbarát, menü-vezérlésű program valósítja meg: a vezérlő számítógépen futó PENETRO program. Ennek főbb feladatai:

5. ábra. Keménységmérés a műszerrel


ALKALMAZÁS

A kifejlesztett keménységmérő műszert sikeresen alkalmaztuk gyümölcs és zöldség keménységének, érettségének, tárolás közbeni minőségváltozásának a jellemzésére.

 A műszert jól lehetett használni a következő gyümölcsökhöz: alma, körte, kajszibarack, őszibarack, cseresznye, meggy és dinnye. Egyes zöldségfélékhez is jól használhatónak bizonyult a keménységmérő, ezek a következők: paradicsom, retek, uborka és hagyma.

A kialakított keménységmérő műszer alkalmazási területét a következőkben foglaljuk össze:

A keménységmérő műszert ma már több hazai és külföldi intézmény használja kutatási, kísérleti, vizsgálati és nemesítési munkájához.

Fekete András - Felföldi József - Deákvári József

 

A laprendszer készítője: UFE Bt.