Automatización del control de calidad global y exhaustiva de productos hortofrutícolas mediante técnicas láser no destructivas

Abstract

OBJETIVOS.

Debido a la importancia comercial del subsector hortofrutícola en la Región de Murcia esta Tesis ha estado encaminada a la obtención de un modelo que posibilite la construcción de sistemas automáticos de clasificación no destructivos aplicables a productos hortofrutícolas, fundamentados en tecnología láser y con control de parámetros de calidad global, mediante la configuración un modelo óptico e informático, potencialmente transferible a las industrias de manipulación de productos hortofrutícolas.

METODOLOGÍA.

En primer lugar se revisaron los métodos físicos ya existentes para la determinación no destructiva de parámetros internos en productos hortofrutícolas, tales como resonancia magnética, vibración acústica, impacto y espectrométricos, entre otros, concluyendo que los métodos espectroscópicos, que emplean el rango visible y de infrarrojo cercano, son los idóneos para conseguir modelos automatizables, fácilmente controlables y manipulables con sistemas informáticos. En los métodos espectroscópicos la configuración de medida adoptada, considerando a ésta como la posición relativa entre el producto hortofrutícola y los detectores ópticos, es de crítica importancia. Por este motivo se utilizaron y confrontaron medidas de transmisión y transflectancia (a 45 y 90º). Así mismo se empleó un láser como fuente de radiación visible e infrarroja para superar el principal inconveniente de estos métodos, que es el del poco poder de penetración en los tejidos que se obtiene con las lámparas o LEDs.

En segundo lugar, para caracterizar la calidad de productos hortofrutícolas, de los atributos internos característicos empleados convencionalmente se registraron los de pH, acidez, dureza superficial o punción, firmeza, grados Brix, residuo seco y color interno. Estos se han determinado con las técnicas químicas y físicas correspondientes, tales como valoración de acidez, penetrometría, refractometría y colorimetría.

En tercer lugar, con objeto de encontrar relación entre los espectros observados y los atributos medidos, los datos se han procesado informáticamente mediante la aplicación de métodos matemáticos lineales y no lineales, llegando a caracterizar cada propiedad con un coeficiente de correlación característico.

Finalmente, en base a los ensayos realizados y la configuración obtenida, el modelo óptico e informático desarrollado se ha implementado sobre una línea piloto potencialmente transferible a las industrias de manipulación de productos hortofrutícolas.

CONCLUSIONES.

Los métodos de cálculo no lineales muestran valores de dispersión menores, pero de cara a su empleo en sistemas automáticos suponen el registro del rango espectral completo, implicando, entre otras cosas, superiores tiempos de procesado y cálculo que los requeridos por métodos lineales, equipamientos más costosos e implementaciones más complejas, concluyendo que esto los sitúa en clara desventaja para el análisis en tiempo real como requieren los sistemas automáticos de clasificación.

La aplicación del modelo de propagación de la radiación a través de las muestras implica la modificación del valor espectral registrado aunque se ha concluido que dicha normalización no resulta significativa, poniendo de relieve la preponderancia de las características internas, sobre el calibre.

El uso de los modelos lineales permite la reducción del número de longitudes de onda para caracterizar propiedades mediante métodos no destructivos, al utilizar unas pocas frecuencias. Esto hace posible la implementación en un prototipo de forma que reduce su complejidad, permite la utilización de láseres de bajo costo, minimiza los tiempos de procesado y cálculo y por tanto facilita la incorporación de un sistema basado en esta tecnología en la industria, susceptible de aplicarse a otros productos hortofrutícolas teniendo en cuenta el grosor de la corteza, la presencia o no de hueso o semillas en su interior, tamaño global de la muestra y las características de transmisión espectral del tejido constituyente. GOALS .

Due to the commercial importance of the horticultural sub-sector in the Region of Murcia this Thesis has been aimed at obtaining an optical configuration and a computing model which establish an automated nondestructive classification system applicable to horticultural products, based on laser technology and on parameters of overall quality control, potentially transferable to industries of produce handling.

METHODS.

First, physical methods for non-destructive determination of internal parameters in horticultural products, such as magnetic resonance spectrometric, acoustic vibration , impact, etc., were checked, concluding that spectroscopic methods which employ visible and near infrared wavelengths are suitable for obtaining automatable systems which are manipulable and easily controlled by computer models. In spectroscopic methods, the measurement setting ( relative position between the horticultural produce and optical detectors) became critical. For this reason transmission and transflectance measurements ( 45 and 90º ) were used . Likewise, a laser was used as source of visible and infrared light to overcome the main drawback of these methods, the low penetration obtained with lamps or LEDs in tissues.

Second, to characterize the quality of horticultural products, conventional characteristic internal attributes , such as pH , acidity, surface hardness or puncture , firmness, Brix value, dry matter and internal color, were recorded. These were determined with appropriate chemical and physical techniques, such as assessment of acidity, penetrometry, refractometry and colorimetry.

Third, in order to find a relationship between the observed spectra and the measured attributes, data were computer-processed by applying linear and non-linear mathematical methods to characterize each property with a characteristic coefficient of correlation.

Finally, based on the tests performed and the configuration obtained, the optical and computing model developed has been implemented on a pilot line, potentially transferable to industries produce handling.

CONCLUSIONS.

Nonlinear computing methods show lower standard deviation values than the linear ones, however its use in automatic systems involve the registration of the complete spectral range, and imply , inter alia, more expensive equipment, more complex implementations and higher processing times than those by linear methods, concluding that they are not appropriate for the real time analysis required by automatic classification systems.

Recorded spectral values were modified by applying the model of propagation of the radiation through the samples. However, it was found that such standardization is not significant, highlighting the preponderance of internal features about the size.

Linear models allow the reduction on the number of wavelengths to characterize properties by nondestructive methods, by using a few frequencies. Now it is possible to implement a prototype that is less complex , allows the use of inexpensive lasers, minimizes the processing time and calculations, and allows to incorporate in the industry this kind of technology , which is applicable to other horticultural products, taking into account the thickness of the bark , the presence or absence of bone or seeds inside , overall size of the sample and the spectral transmission characteristics of the constituent tissue.