اندازه‌گیری غیرمخرب رطوبت خرما با استفاده از روش ضریب دی‌الکتریک

STUDENT

DEGREE

YEAR

In this research the potential of Di-electric method using parallel plates was evaluated in non-detestructive moisture content determination of date palm fruits. In the first stage, an aluminum made parallel capacitor was used for exerting a sinusoidal alternative voltage generated by a function generator to date samples and their response was measured by using a spectrum analyzer in the range of 1-100 MHz. Then, the relation between the power consumption of the capacitor at different frequencies and the moisture content of the samples were studied. The results showed that at a specific level of moisture content, the power consumption increases by increasing the frequency. Although, the power consumption decreases during ripening and decreasing of dates moisture content. In the second stage, the relation between moisture content and power consumption at all frequencies in the range of 1-100 MHz was extracted using multiple linear regression models. The results showed that the moisture content of date can be predicted by a coefficient of determination of 0.956, a root mean squares error of 5.28% and a standard deviation ratio of 2.97. Moreover, the six most effective frequencies in moisture content estimation were selected from regression coefficient curve resulting from multiple linear regressions. These frequencies were 4, 14, 20, 40, 60 and 90 MHz. The model developed by these frequencies had the similar power with those developed by entire frequencies, with a R 2 of 0.890, a RMSEP of 5.25% and a SDR of 2.99. In the third stage, in order to calculate the Di-electric constant of dates, each date was first simulated to a cylindrical shape with a volume equal to a triaxial elliptical object built by the main dimensions of the samples and then the volume of air enclosed by the sample and parallel plates were estimated. Afterwards, the Di-electric constant of the samples were measured by using the electrical equations and accounting for the power consumption of circuit without any date. The results showed that at the samples with high level of moisture content, by increasing the frequency to 30 MHz, the permittivity is first reduces and then increases. Also, the relation between logarithm value of permittivity at each frequency and logarithm value of moisture content were found as linear. The results of MLR modeling using Di-electric data showed that the moisture content can be predicted with R 2 of 0.94 and 0.93 and RMSE of 3.85 and 4.43 for calibration and test set samples, respectively. This indicates a 16% reduction in error value compared with the results obtained by power consumption data. In the final stage, a system consisted of electrical parts such as micro-chip, micro-controller, oscillator, regulator, amplifier, LCD and etc. was developed in such a way that this system can present the similar performance with the previous system. The parallel capacitor was connected to the new system and relation between voltage values of circuit at six selected frequencies and moisture content were investigated. The results showed that by using this system, the moisture content of date can be predicted by a R 2 of 0.72 and a RMSEP of 3.54%.

در این تحقیق، توانایی روش دی‌الکتریک با صفحات موازی در تخمین غیرمخرب مقدار رطوبت خرما مورد ارزیابی قرار گرفت. ابتدا با استفاده از یک خازن با صفحات موازی از جنس آلومینیوم، ولتاژ متناوب سینوسی از طریق یک دستگاه مولد تابع به نمونه‌های خرما اعمال و با استفاده از یک دستگاه اسپکتروم آنالایزر پاسخ سیگنال خروجی مدار در محدوده فرکانسی 1 تا MHz 100 اندازه‌گیری گردید. سپس ارتباط مقادیر توان مصرفی خازن در فرکانس‌های مختلف با رطوبت نمونه‌ها مورد مطالعه قرار گرفت. نتایج نشان داد که در یک رطوبت معین، با افزایش فرکانس، توان مصرفی افزایش می‌یابد. هم‌چنین مقادیر توان مصرفی در طول رسیدگی و همزمان با کاهش رطوبت کاهش می‌یابد. در مرحله دوم، از مدل‌های رگرسیون خطی چندمتغیره به منظور استخراج رابطه بین رطوبت و مقادیر توان در فرکانس‌های مختلف استفاده شد. نتایج مدلسازی با استفاده از کل محدوده فرکانس اعمالی نشان داد که درصد رطوبت با ضریب تبیین پیشگویی برابر 96/0، ریشه میانگین مربعات خطای 28/5% و نسبت انحراف استاندارد 97/2 قابل پیش‌بینی می‌باشد. پس از بررسی ضرایب رگرسیون بدست آمده، تعداد شش فرکانس مؤثر در مدلسازی رطوبت خرما تعیین شدند. این فرکانس‌ها عبارت بودند از 4، 14، 20، 40، 60 و 90 مگاهرتز. نتایج مدلسازی رطوبت با استفاده از شش فرکانس، مشابه نتایج بدست آمده از کل محدوده فرکانسی با ضریب تبیین پیشگویی برابر 89/0، ریشه میانگین مربعات خطای 25/5% و نسبت انحراف استاندارد 99/2 ارزیابی شد. در مرحله سوم، به منظور محاسبه ضریب دی‌الکتریک خرما، ابتدا نمونه‌های خرما به صورت یک استوانه هم حجم بیضی‌گون سه محوری شبیه‌سازی شده و از طریق آن حجم هوای محصور بین خرما و صفحات موازی بدست آمد. سپس با کمک روابط الکتریکی و با در نظر گرفتن توان مصرفی خازن در حالت بدون خرما، ضریب دی‌الکتریک هر نمونه محاسبه گردید. نتایج نشان داد که در نمونه‌های با رطوبت بالاتر و یا مراحل اولیه رسیدگی خرما، با افزایش فرکانس تا حدود MHz 30، گذردهی ابتدا کاهش یافته و سپس افزایش می‌یابد. همچنین نرخ افزایش گذردهی نسبت به فرکانس برای رطوبت‌های بالاتر بیشتر است به نحوی که در فرکانس‌های نزدیک MHz 100، تغییرات منحنی‌های ضریب دی‌الکتریک نسبت به رطوبت و یا رسیدگی خرما بیشتر از فرکانس‌های پایین‌تر می‌باشد. بررسی‌های بیشتر در مورد مقادیر ضریب گذردهی نشان داد که بین مقادیر لگاریتم دی‌الکتریک در هر فرکانس با لگاریتم رطوبت یک رابطه کاملاً خطی وجود دارد به نحوی که برای مثال در فرکانس 100 مگاهرتز مقدار ضریب تبیین بین مقادیر یاد شده برابر 83/0 بدست آمد. نتایج مدل‌سازی MLR با استفاده از داده‌های ضریب دی‌الکتریک نشان داد که مقدار رطوبت با ضرایب تبیین 94/0 و 93/0 و ریشه میانگین مربعات خطای 85/3 و 43/4% به ترتیب در مرحله کالیبراسیون و آزمون قابل پیش‌بینی است که نشان دهنده توانایی مدل برآورد رطوبت از روی داده‌های دی‌الکتریک خازن در دامنه 1 تا MHz100 است. هم‌چنین نتایج بهبود قابل توجه 16% در کاهش مقدار خطای برآورد رطوبت در مرحله آزمون را نسبت به حالت استفاده از داده‌های توان مصرفی نشان داد. موفقیت این مدل در پیش‌بینی میزان رطوبت، زمینه‌ساز طراحی و ساخت سامانه‌ای گردید که از اهداف آن تخمین رطوبت خرما به صورت میدانی بود. در ساخت این سامانه از قطعات الکترونیکی شامل تراشه، ریزکنترل‌گر، نوسان‌ساز، رگولاتور، تقویت کننده، صفحه نمایشگر و غیره به نحوی استفاده شد که عملکردی مشابه روش اول از آن مشاهده شود. خازن مورد استفاده در روش اول، این بار به سامانه جدید متصل گردید و ارتباط ولتاژ مصرفی مدار در شش فرکانس انتخابی از حالت قبل (به استثنای جایگزینی فرکانس 2 با 90 مگاهرتز) با رطوبت نمونه‌ها بررسی شد. از روش شبکه عصبی مصنوعی به منظور استخراج رابطه بین رطوبت و مقادیر ولتاژ در شش فرکانس انتخابی استفاده شد. نتایج نشان داد در طول رسیدگی و همزمان با کاهش رطوبت نمونه‌ها، ولتاژ مصرفی افزایش می‌یابد. نتایج مدلسازی نشان داد که با استفاده از سامانه ساخته شده، رطوبت خرمای مضافتی با ضریب تبیین آزمون 72/0 و ریشه میانگین مربعات خطای پیش‌بینی 54/3 % قابل تخمین است.