Zárójelentés a Módszer kidolgozása kertészeti termények felületi és belső keménység-jellemzőinek meghatározására c. kutatómunkáról (OTKA T46756 AG4) A kutatás első évében (24) 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 dt, ms 1.6 1.4 1.2 1.8.6.4.2 1st test 2nd test 3rd test Impact firmness coefficient, ms -2 1.8.6.4.2 1st test 2nd test 3rd test 6 12 18 24 3 36 Measurement position, degree 6 12 18 24 3 36 Measurement position, degree 2. ábra: Almaminták kerületi keménységértékeinek ismetelhetősége (ütésvizsgálat) 2 Impact test of apple: reproducibility 2 Impact test of apple: reproducibility 2nd test: Impact firmness coefficient, ms -2 1.6 1.2.8.4 y =.987x R 2 =.9676 3rd test: Impact firmness coefficient, ms -2 1.6 1.2.8.4 y =.9938x R 2 =.9931.4.8 1.2 1.6 2 1st test: Impact firmness coefficient, ms -2.4.8 1.2 1.6 2 2nd test: Impact firmness coefficient, ms -2 Az első és második vizsgálat összehasonlítása 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,.2 kg*m/s ütési impulzus)
A legérzékenyebbnek a vizsgált termény-körből az alma- és körtefajták bizonyultak (,5-,1 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 3 cm magasról). A módszerrel jól követhető volt a bekövetkezett mechanikai változás részleges relaxációja is (5. és 6. ábra). Paradicsom: ejtés hatásának vizsgálata akusztikus méréssel 65 ejtés 1 cm-ről 1 perc pihentetés 1 perc pihentetés 1 perc pihentetés ejtés 1 cm-ről 1 perc pihentetés ejtés 1 cm-ről 6 Frekvencia, Hz 55 5 45 4 5 1 15 2 25 3 35 4 Mérés száma 5. ábra: Mechanikai terhelés (ejtés) hatása paradicsomra
Hagyma: ejtés hatásának vizsgálata akusztikus méréssel Frekvencia, Hz 778 776 774 772 77 768 766 764 762 76 Ejtés 4 cm-ről 5 1 15 2 25 3 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 1%-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..6 Alma körbemérés (Jonathan) Ütési keménységtényező, ms -2.5.4.3.2.1 1. mérés 2. mérés 3. mérés 3 6 9 12 15 18 21 24 27 3 33 36 Mérési pozíció, fok 7. ábra: Mechanikai sérülés hatása, ütésvizsgálat További lépésként kialakítottuk, illetve kifejlesztettük a terepi alkalmazáshoz szükséges további hardver-elemeket:
- 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 (25) 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 (1. ábra) és a Young-modulustól, mint keménységjellemzőtől (11. ábra). Az eredmények alapján gömbszerű termény in-vivo akusztikus vizsgálatára az akusztikus keménységtényezőket találtuk alkalmasnak. S 2 2 / 3 2 f m és az S 2 2 3 f d
3 Rezonancia frekvencia, Hz 25 2 15 1 5 y = 49955x -1 R 2 = 1 y = 36512x -1 R 2 = 1 y = 34437x -1 R 2 = 1 y = 5323x -1 R 2 = 1 7-11. módus 12-16. módus 17-19. módus 2. módus Hatvány (7-11. módus) Hatvány (12-16. módus) Hatvány (17-19. módus) Hatvány (2. módus) 1 2 3 4 5 6 7 8 Gömbátmérő, mm 9. ábra: A gömb alakú test rezonancia frekvenciájának változása a szimulált növekedés során Rezonancia frekvencia, Hz 66 64 62 6 58 56 54 52 12. módus 5 95 96 97 98 99 1 11 12 13 Sűrűség, kg/m3 1. ábra: A rezonancia frekvencia változása a sűrűség függvényében
5, 7-11. módus 12-16. módus 17-19. módus 2. módus Hatvány (7-11. módus) Hatvány (12-16. módus) Hatvány (17-19. módus) Hatvány (2. módus) 4,5 y = 396,76x,5 R 2 = 1 y = 372,34x,5 R 2 = 1 y = 256,68x,5 R 2 = 1 y = 272,14x,5 R 2 = 1 1 9 8 7 6 5 4 3 2 1 4, 3,5 3, 2,5 Young modulus, MPa Rezonancia frekvencia, Hz 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. 2 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 (4-6 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 (,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. 35 y =,894x + 28,11 R2 =,9883 3 25 2 15 1 5 5 1 15 2 25 3 35 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 (GreenSys27, Nápoly kiküldött abstract) és referált folyóiratban készülünk publikálni. A paradicsom rezonancia frekvenciája, Hz 24 2 p1 p2 p3 p4 p5 p6 p7 16 12 8 4 1 2 3 4 5 6 7 Mérési idő, nap 16. ábra: Egy fürtön lévő paradicsombogyók rezonancia frekvenciáinak változása az idő 2,5E+7 p421 p422 p423 p424 p425 p426 p427 2 2/3 2,E+7 1,5E+7 Hz g S2, Akusztikus keménységtényező, függvényében (Boderine fajta) 1,E+7 5,E+6,E+ 1 2 3 4 5 6 Idő, nap 17. ábra: A paradicsombogyó akusztikus keménységtényezőjének (S2) változása a fejlődési-érési folyamat során 7
2 2/3 2,E+13 Hz g S2, Akusztikus keménységtényező, 2,5E+13 1,5E+13 1,E+13 5,E+12,E+ 1 2 3 4 5 6 7 Idő, nap Akusztikus keménységtényező, Hz2g2/3 18. ábra: Egy fürtön lévő paradicsomok puhulása és színváltozása az idő előrehaladtával (S2) 3,E+7 Növényen 2,E+7 Szüret után 2,E+7 1,E+7 5,E+6,E+ 1 2 3 4 5 6 Idő, nap 19. ábra: Egy fürtön lévő paradicsombogyó keménységváltozása fejlődés, érés és pultontartás során 7 8
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 26. augusztus 6-tól naponta (mindig azonos napszakban: este 6 és 7 óra között) végeztük a teljes érésig (24-3 nap), egyes esetekben a gyümölcs spontán leválásáig. Egy hétig (8/8/26 16/8/26) 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. 2. 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., 24, Felföldi and Muha, 25) 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) 18 17 165 175 y =.9993x R2 =.9967 155 Frekvencia, 2. mérés, Hz Frekvencia, 2. mérés, Hz 16 15 145 14 135 y =.9999x R2 =.9978 17 165 16 155 15 13 145 125 12 12 125 13 135 14 145 15 155 16 165 14 14 17 145 15 155 16 165 17 175 18 Frekvencia, 1. mérés, Hz Frekvencia, 1. mérés, Hz Körte (Clapp) Alma (Starking) 17 17 165 16 155 15 Átlagfrekvencia, 2. nap, Hz Átlagfrekvencia, 2. nap, Hz 165 y =.9719x + 5.9992 R2 =.9911 145 14 135 13 16 y = 1.34x - 11.426 R2 =.9778 155 15 145 125 12 12 125 13 135 14 145 15 155 16 165 17 14 14 Átlagfrekvencia, 1. nap, Hz 145 15 155 16 165 17 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 12 1 8 6 4 2 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 8 8 7 7 6 6 5 5 4 4 3 3 2 2 1 1 24 48 72 96 12 144 o Temperature, C 2 Akusztikus keménységtényező, m /s 2 Alma (Starking) f1 f2 f3 f4 f5 f6 f7 f8 f9 f1 f11 f12 Temp 168 Idő, óra (kezdeti időpont 26. 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, % 12 1 8 Alma1 Alma2 Körte1 Körte2 6 4 2 5 1 15 2 25 3 Idő, nap (kezdeti időpont 26. augusztus 8.) 26. ábra: A vizsgált gyümölcsök átlagkeménységének változása az érési olyamat során Irodalom: Felföldi J., V. Muha and G. Tóta (24) Finite Element Method for Validation of Interpretation of Sample Vibrations 6th International Conference on Food Physics and Dairy Sciences, Pécs, 24: 27-28. Felföldi J. and V. Muha (25) Finite Element Method for Interpretation of Sample Vibrations ASAE Annual Meeting Paper, Tampa, No. 56174, pp. 1-11.