Підвищення ефективності систем налаштування фракційності помелу зерна кави шляхом застосування тестових методів
Вантажиться...
Файли
Дата
2024
ORCID
DOI
Науковий ступінь
доктор філософії
Рівень дисертації
Шифр та назва спеціальності
152 – Метрологія та інформаційно-вимірювальна техніка
Рада захисту
Разова спеціалізована рада ДФ 64.050.130
Установа захисту
Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут"
Науковий керівник
Кондрашов Сергій Іванович
Григоренко Ігор Володимирович
Григоренко Ігор Володимирович
Члени комітету
Видавець
Анотація
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії (PhD) за спеціальністю 152 – Метрологія та інформаційно-вимірювальна техніка – Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут», Харків, 2024. Дисертаційна робота присвячена удосконаленню методів визначення та урахування факторного впливу на результат вимірювань показника контролю (однорідність помелу зерна кави), підвищенню точності та вірогідності отриманих результатів за рахунок використання тестових методів та методів статистичного аналізу результатів вимірювань за для покращення якості напою, що є важливим науковим і практичним завданням.
Об’єкт дослідження – процес виникнення невизначеності показника якості помелу зерна кави при використанні кавомолки в умовах неусунених ефектів факторної взаємодії.
Предмет дослідження – тестовий контроль систем налаштування фракційності помелу зерна кави в умовах невизначеності як їх фізико-механічних властивостей так і властивостей сировини для помелу.
Метою дисертаційної роботи є удосконалення методів визначення та урахування факторного впливу на результат вимірювань показника контролю (однорідність помелу зерна кави), підвищення точності та вірогідності отриманих результатів за рахунок використання тестових методів та методів статистичного аналізу результатів вимірювань, що суттєво вплине на якість напою.
У вступі обґрунтовано актуальність теми дослідження, сформульовано мету, завдання, об’єкт, предмет, розкрито наукову новизну, практичну значущість одержаних результатів, визначено особистий внесок здобувача, наведено дані стосовно апробації та впровадження в практику результатів дослідження, представлені етапи дослідження, надано кількість публікацій за темою роботи.
У першому розділі проаналізовано наукові праці вітчизняних і закордонних вчених із питань проблематики дослідження, що дозволило визначити основні напрями наукового пошуку щодо проблеми удосконалення методів визначення та урахування факторного впливу на однорідність помелу зерна кави, підвищення точності та вірогідності отриманих результатів за для покращення якості напою. Визначено важливість використання тестових методів для перевірки якості функціонування системи помелу зерна кави та методів статистичного аналізу результатів вимірювань для визначення суттєвості впливу того або іншого фактору на розсіювання результатів вимірювання вихідної величини, для підвищення якості приготування напою.
У другому розділі наведено обґрунтування та зроблено оцінювання достовірності статистичних висновків про інформаційну значимість показників, що впливають на однорідність помелу зерна кави для забезпечення максимально високої якості приготування напою. Виконано аналіз та запропонована спрощена модель перехресних класифікацій, що враховує ефекти одночасної взаємодії чотирьох факторів (час помелу, геометричні розміри зерна, вологість зерна, швидкість обертання валу двигуна) на результат визначення однорідності помелу; проведено її дослідження. Визначені обмеження на кількість рівнів основного параметру (однорідність помелу) та факторів, що впливають на результат визначення при заданій метрологічній невизначеності параметра, що визначається. Отримані залежності для оцінювання достовірності статистичних висновків про інформаційну значимість факторного впливу для спрощеної моделі перехресної класифікації. Представлено аналітичні співвідношення, що дають змогу оцінити кількість інформації для кожного з факторів, що впливають на однорідність помелу. За допомогою дискримінантного аналізу отримані моделі для оцінювання кількості інформації по ймовірностям помилок першого та другого роду; наведені рівняння, що дозволяють розставити фактори, що впливають за рівнем їх впливу на однорідність помелу кави.
У третьому розділі представлено аналіз впливу розподілу часток зерна кави на швидкість потоку напою. Визначені базові положення щодо вимірювання швидкості потоку рідини. Представлено результати експериментального дослідження щодо визначення швидкості потоку кави при використанні трьох партій кави від різних виробників. Виконано перевірку гіпотези про відсутність порушення стабільності масової витрати кави при виготовленні напою у кавовій машині методом однофакторного дисперсійного аналізу. Представлені результати перевірки гіпотези про відсутність порушення стабільності масової витрати кави за допомогою лінійного регресійного аналізу (на відсутність впливу часу на величину показника по кожній з трьох вибірок) та результати перевірки гіпотези про відсутність порушення стабільності масової витрати кави за допомогою коваріаційного аналізу (відсутність розходжень у функціональному впливі часу на величину показника контролю). У четвертому розділі представлено обґрунтування доцільності розроблення нечіткої моделі управління для задачі контролю якості помелу. Розроблено ситуаційну систему з нечіткою логікою для другого рівня інформаційно- вимірювальної системи (ІВС). Наведено аналітичні співвідношення нечіткого логічного висновку за алгоритмом Mamdani. Запропоновано варіант формування тестових впливів для першого рівня ІВС. Розроблено ситуаційну систему з нечіткою логікою для першого рівня ІВС. У п’ятому розділі наведено результати експериментального дослідження факторного впливу на однорідність помелу зерна кави, що проведено за допомогою розробленого експериментального стенду на базі кавомолки Mahlkonig EK 43. Встановлено кореляцію між чинниками, що впливають на однорідність помелу. Виконано розрахунок сумарної стандартної невизначеності та розрахунок розширеної невизначеності для корельованих даних. Наведено приклад практичного використання дисперсійного аналізу спрощеної моделі (Розділ 2) при розрахунку кількості очікуваної вимірювальної інформації за показниками контролю та проведено їх ранжирування за рівнем значущості.
У висновках показано, що проведено підвищення ефективності систем налаштування фракційності помелу зерна кави шляхом застосування тестових методів контролю за рахунок визначення основних факторів, що впливають на якість та однорідність помелу зерна кави, та розроблення моделі факторного впливу на результат вимірювань показника контролю (однорідність помелу), що є важливим науковим і практичним завданням.
За результатами дослідження: – отримав подальший розвиток метод тестового контролю для підвищення ефективності систем налаштування фракційності помелу зерна кави; – отримав подальший розвиток метод інформаційного аналізу комплексу показників які впливають на однорідність помелу зерна кави, що дозволив сформувати систему показників в умовах невизначеності відтворення рівнів параметру контролю (однорідність помелу); – вперше запропонована спрощена модель перехресних класифікацій, яка врахувала ефекти одночасної взаємодії чотирьох факторів (час помелу, геометричні розміри зерна, вологість зерна, швидкість обертання валу двигуна) на результат вимірювання одиничного показника контролю (однорідність помелу кави), проведено її дослідження; – обґрунтовано необхідність розроблення нечіткої моделі управління для задачі контролю якості помелу зерна кави.
Практичне значення отриманих результатів: – розроблено мікроконтролерну систему на основі платформи Arduino Nano 3.0 на базі кавомолки Mahlkonig EK 43, що дозволяє вимірювати чинники, які впливають на однорідність помелу кави та встановлювати наявність кореляції між чинниками; – у ТОВ «ОЛТА СЕРВІС» (м. Київ) впроваджено перспективний метод виконання налаштувань кавових машин і кавомолок баристою, що дало змогу знизити чутливість кавової машини до варіації властивостей кавового зерна і суттєво вплинуло на якість напою. Запропонований спосіб утворення кавової шайби дав більш стабільний, з точки зору швидкості потоку результат, ніж звичайний спосіб закладання меленої кави (з використанням однорідної сировини) (акт від 13.01.2023 р.). – перспективний спосіб виконання налаштувань кавових машин і кавомолок дав змогу бариста зменшити кількість корекцій до одного на день, на відміну, як раніше треба було підлаштовувати кавомолку три та більше разів на день, що збільшило продуктивність праці на 5%, що дозволить збільшити виробництво, приблизно на 30 пляшок кави за робочий день. – на кафедрі ІВТС НТУ «ХПІ» результати роботи впроваджені, в навчальний процес, де використовуються під час читання лекцій, проведення практичних занять з курсів: «Інформаційно-вимірювальні системи» та «Вступ в теорію систем» (акт від 24.11.2023 р.).
Opryshkin O.S. Increasing the efficiency of coffee grain grinding fractional setting systems by applying test methods. Qualifying scientific work on manuscript rights. Dissertation for obtaining the scientific degree of Doctor of Philosophy (PhD) in specialty 152 – Metrology and information and measurement technology – National Technical University «Kharkiv Polytechnic Institute», Kharkiv, 2024.
The dissertation is devoted to improving the methods of determining and taking into account the factor influence on the measurement result of the control indicator (uniformity of coffee bean grinding), increasing the accuracy and reliability of the results obtained by using test methods and methods of statistical analysis of measurement results to improve the quality of the beverage, which is an important scientific and practical task. The object of study is the process of uncertainty arising in the quality indicator of coffee bean grinding when using a coffee grinder under the conditions of unresolved effects of factorial interaction.
The subject of the study is the test control of systems for setting the fractionality of coffee bean grinding under the conditions of uncertainty of both their physical and mechanical properties and the properties of raw materials for grinding.
The purpose of the dissertation work is to improve the methods of determining and taking into account the factorial influence on the result of measurements of the control indicator (uniformity of coffee bean grinding), increasing the accuracy and reliability of the obtained results through the use of test methods and methods of statistical analysis of measurement results, which will significantly affect the quality of the beverage. In the introduction, the relevance of the research topic is substantiated, the goal, tasks, object, subject are formulated, the scientific novelty, practical significance of the obtained results are revealed, the personal contribution of the applicant is determined, data on the approbation and implementation of the research results in practice are given, the stages of the study are presented, the number of publications on the topic of work is given.
In the first section, scientific works of domestic and foreign scientists on the issues of the research problematics are analyzed, which allowed to determine the main directions of scientific search regarding the problem of improving the methods of determining and taking into account the factorial influence on the uniformity of coffee bean grinding, increasing the accuracy and reliability of the obtained results for improving the quality of the beverage. The importance of using test methods to check the quality of the coffee bean grinding system and methods of statistical analysis of measurement results to determine the significance of the influence of one or another factor on the dispersion of measurement results of the output quantity, to improve the quality of beverage preparation, is determined.
In the second section, the justification and evaluation of the reliability of statistical conclusions about the informational significance of indicators affecting the uniformity of coffee bean grinding to ensure the highest possible quality of beverage preparation are given. An analysis is carried out and a simplified model of crossclassifications is proposed, which takes into account the effects of simultaneous interaction of four factors (grinding time, geometric dimensions of the grain, grain moisture, engine shaft rotation speed) on the result of determining the uniformity of grinding; its study is conducted. The limitations on the number of levels of the main parameter (uniformity of grinding) and factors affecting the result of determination at a given metrological uncertainty of the parameter being determined are determined. The dependencies for assessing the reliability of statistical conclusions about the informational significance of the factorial influence for a simplified model of crossclassification are obtained. Analytical relations are presented that allow estimating the amount of information for each of the factors affecting the uniformity of grinding. With the help of discriminant analysis, models are obtained for estimating the amount of information according to the probabilities of errors of the first and second kind; equations are given that allow ranking the influencing factors by the level of their influence on the uniformity of coffee grinding.
In the third section, an analysis of the influence of the distribution of coffee bean particles on the flow rate of the beverage is presented. The basic positions regarding the measurement of fluid flow rate are determined. The results of an experimental study on determining the flow rate of coffee using three batches of coffee from different manufacturers are presented. A hypothesis test was carried out on the absence of a violation of the stability of the mass expenditure of coffee when making a drink in a coffee machine using a one-factor analysis of variance. The results of testing the hypothesis about the absence of a violation of the stability of the mass expenditure of coffee using linear regression analysis (on the absence of the influence of time on the magnitude of the indicator for each of the three samples) and the results of testing the hypothesis about the absence of a violation of the stability of the mass expenditure of coffee using covariance analysis (absence of discrepancies in the functional influence of time on the magnitude of the control indicator) are presented.
In the fourth section, the justification for the development of a fuzzy control model for the task of controlling the quality of grinding is presented. A situational system with fuzzy logic for the second level of the information-measurement system (IMS) has been developed. Analytical relations of fuzzy logical conclusion according to the Mamdani algorithm are given. A variant of forming test influences for the first level of IMS is proposed. A situational system with fuzzy logic for the first level of IMS has been developed.
In the fifth section, the results of an experimental study of the factorial influence on the uniformity of coffee bean grinding, which was carried out using a developed experimental stand based on the Mahlkonig EK 43 coffee grinder, are presented. The correlation between the factors affecting the uniformity of grinding is established. The calculation of the total standard uncertainty and the calculation of the expanded uncertainty for correlated data are performed. An example of practical use of variance analysis of a simplified model (Section 2) in calculating the amount of expected measurement information according to control indicators and their ranking by the level of significance is presented.
In the conclusions, it is shown that an increase in the efficiency of systems for setting the fractionality of coffee bean grinding has been carried out by applying test control methods due to the determination of the main factors affecting the quality and uniformity of coffee bean grinding, and the development of a model of factorial influence on the result of measurements of the control indicator (uniformity of grinding), which is an important scientific and practical task.
According to the results of the study: – the method of test control for increasing the efficiency of systems for setting the fractionality of coffee bean grinding has been further developed; – the method of information analysis of a complex of indicators affecting the uniformity of coffee bean grinding has been further developed, which allowed to form a system of indicators in conditions of uncertainty of reproduction of control parameter levels (uniformity of grinding); – for the first time, a simplified model of cross-classifications has been proposed, which took into account the effects of simultaneous interaction of four factors (grinding time, geometric dimensions of the grain, grain moisture, engine shaft rotation speed) on the result of measuring a single control indicator (uniformity of coffee grinding), its study has been conducted; – the need to develop a fuzzy control model for the task of controlling the quality of coffee bean grinding has been substantiated.
Practical significance of the obtained results: – A microcontroller system based on the Arduino Nano 3.0 platform has been developed on the basis of the Mahlkonig EK 43 coffee grinder, which allows measuring the factors that affect the uniformity of coffee grinding and establishing the presence of correlation between the factors; – In the LLC «OLTA SERVICE» (Kyiv), a new method of setting up coffee machines and coffee grinders by a barista has been introduced, which has made it possible to reduce the sensitivity of the coffee machine to the variation of coffee bean properties and significantly affected the quality of the beverage. The proposed method of forming a coffee puck gave a more stable result in terms of flow rate than the usual method of laying ground coffee (using homogeneous raw materials) (act from 13.01.2023); – The prospective method of setting up coffee machines and coffee grinders allowed the barista to reduce the number of corrections to one per day, unlike before, when it was necessary to adjust the coffee grinder three or more times a day, which increased productivity by 5%, which will allow to increase production, approximately by 30 bottles of coffee per working day.
At the Department of IMTS NTU «KhPI», the results of the work have been introduced into the educational process, where they are used during lectures, practical classes from courses: «Information and measurement systems» and «Introduction to the theory of systems» (act from 24.11.2023).
Опис
Ключові слова
параметричний контроль якості, математична модель, тестовий вплив, статистичний аналіз, регресійні залежності, довірчий інтервал, перевірка гіпотез, нечітка логіка, планування експерименту, невизначеність вимірювань, похибка, parametric quality control, Matematical model, test impact, statistical analysis, regression dependencies, confidence interval, hypothesis testing, fuzzy logic, experiment planning, actors, measurement uncertainty, error
Бібліографічний опис
Опришкін О. С. Підвищення ефективності систем налаштування фракційності помелу зерна кави шляхом застосування тестових методів [Електронний ресурс] : дис. ... д-ра філософії : спец. 152 : галузь знань 15 / Олександр Сергійович Опришкін ; наук. Керівники: Кондрашов С. І., Григоренко І. В. ; Нац. техн. ун-т "Харків. політехн. ін-т". – Харків, 2024. – 171 с.