การตรวจสอบผลผลิตโดยไม่ทำลายสำหรับสินค้าเกษตรในประเทศไทย มีงานศึกษาวิจัยกันมาแล้วเป็นจำนวนมาก ทั้งการศึกษาด้วยกระบวนการประมวลผลจากรูปภาพ (Image processing) การใช้เสียง (Acoustic) การใช้คลื่นอัลตร้าซาวด์ และการใช้คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าความถี่อินฟราเรดย่านใกล้ (Near Infrared Spectroscopy, NIRs) แต่การนำผลจากศึกษาในห้องปฏิบัติการไปใช้ในเชิงพาณิชย์ยังมีให้เห็นน้อย อย่างไรก็ตามมีภาคเอกชนบางรายที่มีการนำเข้าเครื่องจักรเพื่อการตรวจสอบผลผลิตเกษตรแบบไม่ทำลาย เข้ามาใช้ซึ่งเครื่องจักรมีราคาแพงมาก แสดงให้เห็นว่าถึงแม้เครื่องจักรมีราคาแพงแต่ถ้ามีความน่าเชื่อถือในการทำงาน ภาคเอกชนก็ยอมรับได้ที่จะซื้อมาไว้ใช้ และในบรรดาเทคโนโลยีของเครื่องจักรเพื่อการตรวจสอบผลผลิตเกษตรแบบไม่ทำลาย ที่มีการใช้ในต่างประเทศและที่นำเข้ามาใช้ในประเทศนั้น พบว่าการใช้คลื่นความถี่อินฟราเรดย่านใกล้ (Near Infrared Spectroscopy, NIRs) เป็นเทคโนโลยีที่ได้รับการยอมรับและมีการใช้เชิงพาณิชย์

ในบทความนี้จึงสนใจที่นำเสนอการออกแบบระบบคัดคุณภาพผลิตผลหลังการเก็บเกี่ยว โดยใช้คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าความถี่อินฟราเรดย่านใกล้ ((Near Infrared Spectroscopy, NIRs) ในการคัดแยกอาการส้มฟ่าม ซึ่งระบบนี้จะประกอบด้วยภาชนะบรรจุ (Container) ระบบลำเลียง (Conveyor system) ระบบตรวจสอบคุณภาพด้วย NIRs กลไกและ Software ควบคุมการทำงานของระบบลำเลียงส้มที่ผ่านการตรวจสอบคุณภาพแล้ว  เพื่อการคัดเกรดของผลส้มหลังการเก็บเกี่ยว เพื่อเป็นทางเลือกให้กับเกษตรกรและผู้ประกอบการ ในการควบคุมคุณภาพของสินค้าเกษตร ให้ตรงกับความต้องการของตลาด เพิ่มศักยภาพการแข่งขันทั้งตลาดภายในประเทศและตลาดโลก ในการดำเนินงานเครื่องคัดแยกคุณภาพโดยใช้เทคนิคเนียร์อินฟราเรดสเปกโทรสโกปีนั้น มีองค์ประกอบหลักที่สำคัญ ดังนี้

การดำเนินงานโครงการพัฒนาเครื่องต้นแบบสำหรับคัดคุณภาพและอาการฟ่ามของผลส้มหลังการเก็บเกี่ยวนั้น องค์ประกอบที่สำคัญแต่ละส่วน มีความจำเป็นจำที่ต้องดำเนินงานควบคู่กันไปตลอดทั้งโครงการฯ เพื่อเป็นการพัฒนาและปรับปรุงการทำงานของเครื่องคัดแยก โดยการพัฒนาและทดสอบสมการเพื่อใช้ในการคัดแยก เพื่อนำไปพัฒนาโปรแกรมระบบการควบคุมในด้าน Software และ Hardware โดยการใช้สมการที่ได้จากการพัฒนา ซึ่งผลของการพัฒนาสมการเพื่อการตรวจประเมินนั้น วิธีการตรวจประเมินที่สามารถเก็บรวบรวมข้อมูลสเปกตรัมไปใช้ในการวิเคราะห์และคัดแยกที่ดีที่สุด จะถูกนำไปใช้ในการออกแบบเครื่องคัดแยกต้นแบบเช่นกัน เพื่อให้การดำเนินงานมีประสิทธิภาพมากที่สุด การพัฒนาการสร้างสมการ วิธีการในการเก็บข้อมูล และการออกแบบการตรวจวิเคราะห์ มีความจำเป็นที่จะต้องดำเนินการซ้ำไป ซ้ำมาเพื่อให้ได้ข้อมูลที่มีความแม่นยำสูง และสามารถนำไปใช้งานได้จริง สามารถแบ่งการทำงานได้ดังนี้

1.ออกแบบและพัฒนาเครื่องต้นแบบชุดตรวจวัด (NIR prototype)

นำข้อมูลจากการทดลองสามารถนำไปออกแบบและพัฒนาเครื่องต้นแบบ (NIR prototype) โดยการออกแบบวิธีการเก็บข้อมูลเพื่อใช้ในการประเมินคุณภาพผลิตผล โดยใช้ชุดเครื่องมือต้นแบบในการเก็บข้อมูลสเปกตรัม โดยการออกแบบการเก็บสเปกตรัมในระบบ interactance และสามารถปรับเป็น reflectance ได้ เพื่อให้สามารถใช้งานได้หลากหลาย ในการเก็บข้อมูลเพื่อการประมวลผลหาความสัมพันธ์ของข้อมูลที่ได้จากการวัดด้วยเครื่องกับค่าที่ได้จากการวิเคราะห์จริง โดยการออกแบบในส่วนของ chamber ที่ใช้ในการวัด และตำแหน่งของ light source ที่ใช้ในการให้แสงในช่วงเนียร์อินฟราเรด รวมถึงการวางตำแหน่งของ detector ที่ใช้ในการสร้าง  (ภาพที่ 2)

การออกแบบชุดประเมินคุณภาพผลิตผลโดยใช้เทคนิคเนียร์อินฟราเรดสเปกโทรสโกปี ออกแบบให้มีลักษณะเป็นอุโมงค์ยาว 500 มม สูง 450 มม กว้าง 330 มม วางครอบอยู่บนสายพานชุดต้นแบบเพื่อเก็บข้อมูลสเปกตรัม โดยโครงของอุโมงค์ที่ใช้ในการสร้างเครื่องต้นแบบนั้นจะใช้วัสดุอลูมิเนียมโพรไฟล์เพื่อความสะดวกในการติดตั้งชุดตรวจวัด ซึ่งประกอบด้วยอุปกรณ์ดังนี้

1.  แหล่งกำเนิดแสง
2. ตัวรับแสง
3. สาย fiber optic ที่มีความแม่นยำสูง
4. Spectroscopy analyzer
5. หัววัดแบบ fiber optic
6. ชุดจับวางอุปกรณ์ประกอบ
7. ชุดควบคุมการทำงานของเครื่องวัด
8. ชุดตรวจวัดทั้งหมดออกแบบให้สามารถปรับเปลี่ยนระยะได้โดยง่าย

เพื่อให้สามารถสะดวกต่อการใช้งานและสามารถปรับปรุงให้มีประสิทธิภาพมากยิ่งขึ้น ในการเก็บข้อมูลสเปกตรัม ของชุดต้นแบบในการวัดเนียร์อินฟราเรด และให้สามารถนำไปประยุกต์ใช้ได้กับการออกแบบในระบบสายพานจริง

2.การออกแบบและพัฒนาชุดคัดแยกแบบสายพาน (Sorting line)

การออกแบบและพัฒนาชุดคัดแยกสายพานลำเลียงโดยการสร้างระบบคัดแยกคุณภาพผลผลิตต้นแบบ ซึ่งประกอบด้วยส่วนต่างๆ ดังนี้

1.1. ภาชนะบรรจุผลผลิต (container)
1.2. ระบบลำเลียง (conveyor system)
1.3. ระบบกลไกที่เกี่ยวข้องกับการทำงานของชุด NIRS (controlling unit)
1.4. กลไกการลำเลียงผลิตผลที่ผ่านการตรวจสอบคุณภาพแล้ว (separating unit)
1.5. โปรแกรมควบคุมการทำงาน (software)

โดยการออกแบบให้มีลักษณะเป็นอุโมงค์ยาว 500 มม สูง 450 มม กว้าง 330 มม วางครอบอยู่บนสายพานชุดต้นแบบเพื่อเก็บข้อมูลสเปกตรัม โดยโครงของอุโมงค์ที่ใช้ในการสร้างเครื่องต้นแบบนั้นจะใช้วัสดุอลูมิเนียมโพรไฟล์เพื่อความสะดวกในการติดตั้งชุดตรวจวัด โดยการออกแบบการเก็บสเปกตรัมในระบบ interactance และสามารถปรับเป็น reflectance ได้ เพื่อให้สามารถใช้งานได้หลากหลาย ในการเก็บข้อมูลเพื่อการประมวลผลหาความสัมพันธ์ของข้อมูลที่ได้จากการวัดด้วยเครื่องกับค่าที่ได้จากการวิเคราะห์จริง (ภาพที่ 3)

ชุดคัดแยกแบบสายพาน (Sorting line) ที่ออกแบบและพัฒนาขึ้นเพื่อจัดทำระบบคัดแยกคุณภาพผลผลิตต้นแบบ ซึ่งประกอบด้วยส่วนต่างๆ ดังนี้

1. โครงสร้างหลักเป็น Stainless steel 304 ขนาดความยาวโดยรวม 2018 มม เมตร สูง 933 มม เพื่อความสะดวกในการปฎิบัติงาน
2. สายพาน เป็น PVC ผิวเรียบ สีดำ กว้าง 200 มม หนา 2 มม
3. มีราวกั้นข้างตลอดความยาวสายพานที่สามารถปรับระยะความกว้างให้เหมาะสมกับผลผลิตที่ต้องการวัดได้
4. ลูกกลิ้งขับและลูกกลิ้งตาม เป็นอลูมิเนียม เส้นผ่านศูนย์กลาง 76 มม
5. มอเตอร์ไฟฟ้าต้นกำลังขับสายพานเป็นเกียร์มอเตอร์อัตราทด 1:100 ขนาดกำลัง ¼ แรงม้า ระดับแรงดันไฟฟ้า 380 โวลต์
6. ความเร็วของสายพานให้อยู่ในช่วง 1-10 มม ต่อวินาที โดยควบคุมผ่าน Inverter
7. การควบคุมการทำงานของสายพานใช้ชุด PLC (Programmable logic controller) เพื่อความยืดหยุ่นในการทำงานร่วมกับชุดประเมินคุณภาพ
8. ใช้ Photoelectric sensor ในการตรวจสอบการเคลื่อนที่ของผลผลิต โดยทำงานร่วมกับ Timer และ Inverter
9. ตู้ควบคุมระบบไฟฟ้าจะติดตั้งอยู่กับโครงสร้างสายพาน ตู้ควบคุมนอกจากจะติดตั้งชุดตัดต่อระบบไฟฟ้าหลักและชุดควบคุมแล้ว ยังจ่ายไฟกระแสตรง 5 โวลต์ และ 12 โวลต์ เพื่อใช้กับชุดประเมินคุณภาพ
10. ขนาดส้ม เส้นผ่านศูนย์กลาง ประมาณ 6.5 มม ดังนั้น ขนาดสายพาน กว้าง 20 mm เพื่อความสะดวกในการติดตั้งชุดหัววัด
11. สายพาน pvc สีดำ ความยาวสายพานรวม 2 เมตร สูงรวม 1 เมตร
12. โครงทำจากอลูมิเนียมโพรไฟล์ขนาด 60*60 มม เฉพาะส่วน
13. ขนาดลูกกลิ้ง 55 mm ทำจากเพลาอลูมิเนียม 3² กลึงขึ้นรูป
14. มอเตอร์เกียร์ปรับความเร็วรอบได้ ขนาด 1/8 แรงม้า
15. ความเร็วสายพานอยู่ในช่วง 1 มม/วินาที – 10 มม/วินาที
16. มีชุดควบคุมความเร็วมอเตอร์
17. มีเซ็นเซอร์ (proximity) ตรวจจับผลส้ม เมื่อมีผลส้มเคลื่อนที่ผ่าน ให้หยุดสายพานตามเวลาที่ตั้งค่าไว้ก่อนที่จะเคลื่อนที่ต่อไป **ใช้ในกรณีที่ต้องหยุดสายพาน
18. ตู้ควบคุมนอกจากมี  circuit breaker, สวิทช์ปิด เปิด, timer สำหรับตั้งเวลาในการหยุดสายพาน และชุดควบคุม ความเร็วสายพานแล้ว จะมีหม้อแปลง จ่ายไฟ DC 5 V และ 12 V สำหรับใช้กับเครื่องวัด NIR และหลอดไฟ ประกอบด้วย connector  banana socket สำหรับไฟ 12 V เป็น ปลั๊กเสียบ + –  จำนวน 1 จุด connector  banana socket สำหรับไฟ 5 V เป็น ปลั๊กเสียบ + –  จำนวน 1 จุด และ connector USB สำหรับไฟ 5 V เป็น จำนวน 2 ช่อง

3.พัฒนาโปรแกรมสำหรับควบคุมการทำงานของเครื่องต้นแบบชุดตรวจวัด (NIR prototype)

โดยการพัฒนาโปรแกรมสำหรับชุดควบคุมเครื่อง NIRs โดยการเชื่อมต่อระหว่างชุด DLP NIRscan Nano เข้ากับ Raspberry PI3 โดยการใช้คำสั่ง UART จากนั้น เขียนโค้ดเพื่อป้อนข้อมูลโดยใช้โปรแกรม ภาษา Python เพื่อสร้างแฟ้มรหัสที่มีชื่อว่า trigger.py เพื่อเป็นรหัสต้นฉบับในการคัดแยกผลส้ม จากนั้น ออกแบบหน้าจอแสดงผลในคอมพิวเตอร์ให้มีลักษณะที่ใช้งานง่าย เข้าใจง่าย มีการแสดงสัดส่วน และแสดงผลค่าสเปกตรัมของตัวอย่าง

การพัฒนาโปรแกรมสำหรับควบคุมเครื่อง NIRs เริ่มจากการเชื่อมต่อสัญญาณ จากชุดอ่านและวิเคราะห์คลื่นแสงช่วงเนียร์อินฟราเรด DLP NIRscan Nano เข้ากับ Raspberry PI 3 โดย DLP NIRscan Nano สื่อสารโดยใช้ UART (Universal Asynchronous Receive and Transmit) ผ่านทางพิน 3 และ พิน 4 ของตัวเชื่อมต่อการขยายตัว J3 บนไมโครโปรเซสเซอร์บอร์ดเพื่อแลกเปลี่ยนคำสั่งและข้อมูลกับโฮสต์ตัวประมวลผลหรือพีซี คำสั่ง UART เป็นแพ็กเก็ตข้อมูลความยาวผันแปรที่ส่งด้วยไบต์ที่มีนัยสำคัญน้อยที่สุดก่อน ความยาวของแพ็กเก็ต UART สูงสุดคือ 64 ไบต์ แพ็กเก็ต UART ใช้การกำหนดค่าอนุกรมต่อไปนี้:

•บิตต่อวินาที: 115200
•บิตข้อมูล: 8
•พาริตี้: ไม่มี
•หยุดบิต: 1 
•การควบคุมการไหล: ไม่มี

โดยใช้ Raspberry Pi บอร์ดคอมพิวเตอร์ขนาดเล็ก (Single-Board Computer หรือ SBC) ที่ถูกพัฒนาขึ้นโดย Raspberry Pi Foundation มีคุณสมบัติเด่นเป็นอุปกรณ์ขนาดเล็กที่สามารถติดต่อ และความคุมอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ได้ สำหรับในโครงการนี้เลือกใช้ Raspberry Pi 3 Model B ดังแสดงในภาพที่  5

การควบคุมอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์

บนบอร์ด Raspberry Pi 3 จะมีส่วนที่เรียกว่า GPIO (General Purpose Input-Output) เป็นส่วนที่เอาไว้ต่อสัญญาณ Input/Output เข้ากับวงจรอิเล็กทรอนิกส์ภายนอกได้ ดังในภาพที่  6

การรับ/ส่งสัญญาณ Input/Output ผ่าน GPIO เขียนโปรแกรมสั่งงานด้วยภาษาที่นิยมใช้กันทั่วไป คือ Python โดยรูปแบบหนึ่งของสัญญาณที่ใช้รับ/ส่งจะอยู่รูปแบบของแรงดันไฟฟ้า 0 V กับ 3.3 V ตัวอย่าง เช่น : เมื่อ GPIO ขา X ได้รับไฟ 0 V (หรือไม่ถูกจ่ายไฟ) >> โปรแกรมจะได้รับสัญญาณเป็น 0 หรือ False เมื่อ GPIO ขา X ได้รับไฟ 3.3 V >> โปรแกรมจะได้รับสัญญาณเป็น 1 หรือ True เมื่อโปรแกรมส่งสัญญาณออกไปเป็น 0 หรือ False >> GPIO ขา X จะจ่ายไฟ 0 V (หรือไม่จ่ายไฟ) เมื่อโปรแกรมส่งสัญญาณออกไปเป็น 1 หรือ True >> GPIO ขา X จะจ่ายไฟ 3.3 V

ผลจากการจำลอง ค่าที่ได้จากการอ่าน จะมีรูปแบบการแสดงผลในหน้าจอ (Monitor Screen) ดังภาพที่  7 และภาพที่ 8 เพื่อแสดงผลการตรวจประเมินคุณภาพผลิตผลเพื่อนำไปแสดงผลในหน้าจอคอมพิวเตอร์ต่อไป

บทความนี้ตีพิมพ์ลงใน Postharvest Newsletter ปีที่ 19 ฉบับที่ 2 เมษายน – มิถุนายน 2563

The post การพัฒนาเครื่องต้นแบบประเมินคุณภาพผลิตผลด้วยเนียร์อินฟราเรดสเปกโทรสโกปี appeared first on ศูนย์นวัตกรรมเทคโนโลยีหลังการเก็บเกี่ยว.

โดย …  อ.ดร. วิบูลย์  ช่างเรือ คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเชียงใหม่

การให้ความร้อนกับผลิตผลหลังการเก็บเกี่ยว ที่คุ้นเคยคือการทำแห้งผลิตผลเกษตร ซึ่งเป็นการทำแห้งผลิตผลสดมีวัตถุประสงค์เพื่อการเก็บรักษาผลิตผลเกษตรให้เป็นอาหารในระยะยาว นอกจากนี้ยังมีกิจกรรมให้ความร้อนที่อาจไม่คุ้นเคยนัก อาทิเช่น การทำให้ร้อนกับผลิตผลสดและตามด้วยทำให้เย็น หรือที่เรียกว่า Blanching เพื่อทำลายจุลินทรีย์หรือเพื่อทำลายเอนไซม์บางชนิดที่ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงทางชีวเคมีของผลิตผลสด นอกจากนี้การให้ความร้อนยังอาจมีวัตถุประสงค์เฉพาะเพื่อการทำลายแมลงและไข่แมลง เทคนิคการให้ความร้อนที่ใช้กันโดยทั่วไปคือการให้ความร้อนโดยอาศัยลมหรือน้ำเป็นตัวกลางในการพาความร้อนจากแหล่งกำเนิดความร้อนไปยังผลิตผลเกษตร ซึ่งวิธีที่นิยมใช้กันโดยทั่วไปนี้ ความร้อนจะเกิดที่บริเวณผิวของวัสดุและค่อยแพร่ไปยังศูนย์กลางของวัสดุ ระยะเวลาในการให้ความร้อนขึ้นกับสมบัติทางความร้อนของวัสดุ และความสามารถในการนำความร้อนของอากาศและน้ำ

การให้ความร้อนด้วยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นคำที่ไม่คุ้นเคยนัก แต่ถ้าบอกว่าการให้ความร้อนด้วยไมโครเวฟ ฟังดูจะเป็นที่คุ้นเคยเพราะปัจจุบัน การใช้ตู้อบไมโครเวฟมีใช้กันจนเหมือนเป็นเครื่องใช้ประจำบ้านอย่างหนึ่ง เป็นอีกทางเลือกหนึ่งที่สามารถทำให้วัสดุร้อนอย่างรวดเร็ว ซึ่งเป็นที่รับรู้และยอมรับกันโดยทั่วไป นอกจากนี้ยังมีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าย่านความถี่วิทยุ (Radio Frequency) ซึ่งอาจไม่เป็นที่รู้จักกันว่าสามารถให้ความร้อนได้ แต่ในความจริงก็สามารถทำให้เกิดความร้อนได้ด้วยหลักการเดียวกับไมโครเวฟ หลักการเดียวกันที่ว่านี้คือทำให้โมเลกุลของสารที่มีขั้วบวกและลบ (Dipolar) ตัวอย่างเช่น น้ำ มีประจุบวกที่ H และมีประจุลบที่ O ดังนั้นเมื่อคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าผ่านสสารที่มีขั้วบวกและลบนี้ ก็ทำให้เกิดการสั่นหรือขยับตัวด้วยจำนวนครั้ง ตามความถี่ของคลื่น เช่น คลื่นไมโครเวฟ มีความถี่ 2540 MHz ก็จะทำให้โมเลกุลของน้ำสั่น 2540 ล้านครั้งภายใน 1 วินาที ซึ่งผลจากการสั่นนี้ก็จะทำให้เกิดความร้อนอันเนื่องจากความเสียดทานที่เป็นผลของการสั่นของโมเลกุล นอกจากโมเลกุลแบบมีขั้นแล้ว อนุมูลอิสระที่มีประจุบวกหรือลบ เช่น Fe²⁺, Al³⁺ เมื่ออยู่ในสนามคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า จะขยับตัวตามความถี่ของคลื่น และการขยับตัวนี้ก็ทำให้เกิดความร้อนเช่นเดียวกัน ความร้อนที่เกิดจาการสั่นของโมเลกุลนี้จะเกิดความร้อนพร้อมกันทั้งภายนอกและภายในมวลวัสดุทำให้มีชื่อเรียกการให้ความร้อนแบบนี้ว่า Volumetric heating จากหลักการที่กล่าวข้างต้นจะเห็นได้ว่ามีเรื่องที่น่าสงสัยบางประการ ซึ่งในเนื้อหาต่อไปจะได้อธิบายข้อสงสัยตามหัวข้อต่อไปนี้

1. คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าคืออะไร
2. คลื่นไมโครเวฟและคลื่นวิทยุมีหลักการทำงานเดียวกันแต่มีกลไกเหมือนหรือต่างกันอย่างไร
3. คลื่นไมโครเวฟและคลื่นวิทยุให้ผลการทำงานในการให้ความร้อนต่างกันอย่างไร
4. ทำไมบางครั้งพบว่าการทำให้วัสดุร้อนของไมโครเวฟมีความไม่สม่ำเสมอ
5. คุณสมบัติที่เหมาะกับงานหลังการเก็บเกี่ยว

คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า คืออะไร เพราะองค์ประกอบของคำ 3 คำที่ไม่น่าจะมาอยู่รวมกันได้คือ “คลื่น” “แม่เหล็ก” และ “ไฟฟ้า” ด้วยหลักการที่ว่าการเปลี่ยนแปสงสนามไฟฟ้าจะเหนี่ยวนำให้เกิดสนามแม่เหล็ก และการเป็นแปลงสนามแม่เหล็กจะทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงสนามไฟฟ้า ดังนั้นทั้งสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กจึงเหมือนเป็นคู่แฝดที่เกิดควบคู่กับไป โดยนักฟิสิกส์และคณิตศาสตร์ James Clerk Maxwell ชาวอังกฤษ เป็นผู้ให้ทฤษฎีของสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กในรูปแบบของคลื่น

นอกจากความสัมพันธ์ของสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กแล้ว คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า เมื่อมีความยาวคลื่นและความถี่ที่ต่างกันทำให้คุณสมบัติของคลื่นมีความต่างกัน เช่น พลังงานต่างกัน ประโยชน์การนำไปใช้ต่างกัน จึงได้มีการจัดกลุ่มดังแสดงในรูป 2

ในรูปที่ 2 จะสังเกตได้ว่าสเปคตรัมคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า มีการจำแนกออกได้หลายชนิด โดยที่แสงที่เรามองเห็น (Visible light) ก็จัดเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าด้วยเช่นกัน แต่ละชนิดได้รับการศึกษาและนำไปใช้ประโยชน์ต่างกัน สำหรับคลื่นความถี่ย่านไมโครเวฟและวิทยุโทรทัศน์ เป็นที่รู้จักกันถึงการใช้ประโยชน์เพื่ออุปกรณ์สื่อสาร อย่างไรก็ตามเนื้อข้างต้นทำให้เราทราบเพิ่มเติมว่า ยังสามารถทำให้วัตถุร้อนได้อีกด้วย

คลื่นไมโครเวฟและคลื่นวิทยุจะใช้หลักการสั่นโมเลกุล คล้ายกันแต่กลไกในการทำให้วัตถุร้อนมีความแตกต่างกัน เพราะคลื่นไมโครเวฟมีแหล่งกำเนิดคลื่น และสามารถถูกลำเลียงในท่อ (Wave guide) จากที่หนึ่งไปยังอีกที่หนึ่งได้ดังในรูป 3 ส่วนคลื่นวิทยุในกระบวนการทำความร้อนจะได้จากการทำให้เกิดสนาม ไฟฟ้าระหว่างแผ่นอิเลคโทรด (Electrode plate) ซึ่งเป็นเส้นแรงไฟฟ้าที่สลับด้วยความถี่ในย่านคลื่นความถี่วิทยุ ดังรูปที่ 4

ผลการทำให้วัตถุร้อนของคลื่นไมโครเวฟและคลื่นวิทยุมีความแตกต่างกัน ด้วยสาเหตุหลักคือ มีความถี่ต่างกัน ถึงแม้คลื่นไมโครเวฟจะมีย่านความถี่ที่กว้าง 300 MHz ถึง 300 GMz และคลื่นวิทยุมีความถี่ตั้งแต่ 530 KHz ถึง 108 MHz แต่ความถี่ที่มีการใช้กันสำหรับการให้ความร้อนสำหรับคลื่นไมโครเวฟคือ 915 MHz และ 2450 MHz ส่วนคลื่นความถี่วิทยุคือ 27 MHz และ 40 MHz ผลจากความถี่นี้ทำให้ความสามารถในการเข้าไปในเนื้อวัสดุต่างกัน Yifen et al. (2003) ได้รายงานความสามารถในการผ่านเข้าไปในเนื้อของโปรตีนที่สกัดจากนม (Whey protein gel) โดยใช้คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ความถี่ต่างๆ ดังแสดงในตารางที่ 1 จะเห็นได้ว่าเมื่อความถี่มากขึ้นความสามารถในการผ่านเข้าไปในเนื้อวัสดุจะลดลง และยังพบอีกว่าเมื่ออุณหภูมิมากขึ้นก็ส่งผลทำนองเดียวกัน

การทำให้วัสดุร้อนของไมโครเวฟมีความไม่สม่ำเสมอ เป็นเรื่องที่หลายคนอาจมีประสบการณ์นี้ เพราะนอกจากความสามารถในการผ่านเข้าไปในเนื้อที่ต่างกันด้วยคุณสมบัติของคลื่นแล้ว คุณสมบัติของวัสดุก็มีผลต่อการให้ความร้อนที่ต่างกัน คุณสมบัติที่ว่านี้คือ Dielectric properties ที่ประกอบด้วย Dielectric constant และ Dielectric loss ค่าทั้งสองนี้ เป็นค่าทางไฟฟ้าที่คนส่วนใหญ่ไม่คุ้นเคยนัก หรือแม้แต่นักวิจัยที่เกี่ยวข้องกับค่าทั้งสองนี้ ก็อาจจะยังไม่มีโอกาสทำความเข้าใจอย่างกระจ่างแจ้ง แต่เพื่อให้ง่ายต่อความเข้าใจ พอสรุปได้ว่า Dielectric constant เป็นสมบัติทางไฟฟ้า (electrical properties) ของวัสดุ ที่จะบอกการตอบสนองต่อคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ถ้ามีค่ามากจะยอมรับคลื่นได้มาก ถ้าค่าน้อยจะสะท้อนคลื่นออกมามาก ยกตัวอย่างเช่น วัสดุประเภทโลหะ ค่า Dielectric constant ต่ำ จะสะท้อนคลื่นออกมามาก น้ำมี Dielectric constant สูง จะยอมรับคลื่นไว้ได้ดีกว่า และเมื่อรับคลื่นไว้แล้ว ยังไม่สามารถสรุปได้ว่า จะเกิดความร้อนได้มากหรือน้อย เพราะยังขึ้นกับค่า Dielectric loss เพราะถ้าค่า Dielectric loss สูง จะทำให้พลังงานในคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ากระจายตัวในวัตถุนั้นได้ดี เมื่อพลังงานในคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ากระจายตัวได้ดีในวัสดุ ก็จะทำให้เกิดความร้อนในวัตถุที่มากขึ้น หลายคนอาจเคยมีประสบการณ์ของการเกิดความร้อนที่ไม่เท่ากัน ดังเช่นการนำซาลาเปาไส้ครีม อุ่นในเตาไมโครเวฟแล้วพบว่าครีมมีความร้อนกว่าแป้งซาลาเปา การที่เกิดความร้อนไม่สม่ำเสมอนี้มีสามารถเหตุจากคุณสมบัติ Dielectric properties ของวัสดุตอบสนองต่อคลื่นไมโครเวฟ หรือคลื่นวิทยุต่างกัน ทำให้เป็นคุณสมบัติอย่างหนึ่งของการให้ความร้อนแบบนี้ที่เรียกว่า Selective heating

ถ้าจะพิจารณาความเหมาะสมของการให้ความร้อนด้วยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในงานหลังการเก็บเกี่ยว พอจะสรุปได้ว่า งานที่ต้องการให้ความร้อนที่รวดเร็ว ต้องการให้ร้อนพร้อมกันทั้งภายในและภายนอกคุณสมบัติ Volumetric heating ของการให้ความร้อนด้วยเทคนิคนี้จะช่วยได้ และจากการที่วัสดุที่มีค่า Dielectric properties ต่างกัน จะเกิดความร้อนไม่เท่ากัน ซึ่งเป็นคุณสมบัติการให้ความร้อนแบบ Selective heating ก็สามารถเป็นคุณสมบัติอย่างหนึ่งที่สามารถใช้ให้เกิดประโยชน์ในงานหลังการเก็บเกี่ยวได้ เพราะถ้ากำหนดเงื่อนไขที่เหมาะสม อาจทำให้ตัวหรือไข่แมลงร้อนและตาย โดยที่ข้าวหรือผลิตผลเกษตรไม่ร้อนทำให้ไม่เสียคุณค่าทางโภชนาการ แต่สิ่งที่ท้าทายนักวิจัยคือ การหาค่าความถี่ที่เหมาะสมต่อพืชแต่ละชนิดที่ทำให้มีการทำให้ร้อนเฉพาะแมลงหรือเชื้อจุลินทรีย์ที่ไม่ต้องการในผลิตผลเกษตร โดยที่ไม่ทำให้ผลิตผลเกษตรนั้นเสียหาย

บทความนี้ตีพิมพ์ลงใน Postharvest Newsletter ปีที่ 17 ฉบับที่ 3 กรกฎาคม – กันยายน 2561

เอกสารอ้างอิง

• Wang Y., D.W. Timothy, T. Juming and M.H. Linnea. 2003. Dielectric properties of foods relevant to RF and microwave pasteurization and sterilization. Journal of Food Engineering 57: 257-268.
• Metaxas A.C. and R.J. Meredith. 1983. Industrial microwave heating. Peter Peregrius Ltd., London, England. pp 357.
• Pozar, D. M. 1990. Microwave Engineering 2^nd edition. Addison-Wesley Pub., Massachusettes, USA. pp.726.

The post การให้ความร้อนด้วยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าย่านความถี่คลื่นไมโครเวฟ และคลื่นวิทยุ appeared first on ศูนย์นวัตกรรมเทคโนโลยีหลังการเก็บเกี่ยว.