Bij de controle van lokale dikte en hechting van chocoladeproducten, zoals paaseieren, is het van fundamenteel belang om gebruik te maken van een contactloze techniek om de hygiëne te bewaken. Actieve thermografie is hiervoor een bruikbare techniek.
Niet-destructieve kwaliteitscontrole van chocoladeproducten door middel van thermografie is echter geen sinecure, omwille van de complexe vormen en strikte temperatuurgrenzen. Wanneer de chocolade te veel opgewarmd wordt gedurende inspectie zal het uiterlijk zijn commercieel belangrijke glans verliezen of erger nog, smelten, wat in gaat tegen het niet-destructief karakter van de beoogde inspectie.
Actieve thermografie
Bij actieve thermografie wordt er gebruik gemaakt van een warmtecamera om de temperatuur evolutie op te volgen van een specifieke structuur, in dit geval het chocolade ei. Aangezien de structuur zelf zich op kamertemperatuur bevindt, dient er een thermische impuls gegeven te worden om uit het verschil in afkoeling de dikte te berekenen en luchtinsluitsels of hechtingsproblemen te detecteren. Hiervoor wordt gebruik gemaakt van een gecontroleerde warmtebron waardoor het oppervlak homogeen tot een verhoogde temperatuur opgewarmd wordt. Deze warmte wordt geabsorbeerd door het materiaal en verspreid zich via diffusie doorheen de structuur. Aangezien lucht andere thermische eigenschappen heeft dan de chocolade, zal er een verschillende respons optreden daar waar er zich luchtinsluitsels bevinden of daar waar de wanddikte afwijkt. Specifiek voor dit voorbeeld is de thermische geleiding van chocolade hoger dan deze van lucht.
De simulatie van een thermische inspectie kan helpen in de ontwikkeling van een performante meetopstelling om lokale dikte en hechting te evalueren. Door middel van numerieke modellen, kan de actieve-thermografie-opstelling correct gedimensioneerd worden. Naast een zuivere simulatie van het thermisch gedrag tijdens een thermografie meting om de opstelling te optimaliseren, kunnen simulaties bepaalde extra inzichten uit de thermografische metingen aan het licht brengen: het is mogelijk om gedetailleerdere informatie te bekomen over de interne integriteit van de structuur, bijvoorbeeld of er al dan niet luchtinsluitsels zijn in de chocolade of dat er een object zit in het eitje (denk hierbij aan een kinder-surprise ei).
Aandachtspunten bij thermische simulatie op chocolade
Niet tegenstaande de verschillende mogelijkheden, bevat het simuleren van een thermische meting op chocolade verscheidene valkuilen die het resultaat nefast beïnvloeden. In onderstaande worden de belangrijkste benoemd en worden aandachtspunten weergegeven.
- Chocolade is een complex materiaal waarvan de materiaaleigenschappen sterk temperatuursafhankelijk zijn. Naast de standaard materiaal-eigenschappen zoals thermische conductiviteit, specifieke warmtecoëfficient en dichtheid, is de directionele emissiviteit van essentieel belang om het simulatiemodel correct te correleren aan effectieve thermische metingen. Deze parameter is hoek-afhankelijk en bepaalt in welke mate de gemeten radiatie overeen komt met de effectieve uitgestraalde radiatie. Deze kan op een efficiënte manier opgemeten worden met een thermische camera in een calibratie-experiment om in het numeriek model te implementeren.
- Om te kunnen simuleren, is er een 3D-model nodig van de chocolade-vormen. Hiervoor wordt een 3D-mesh opgesteld. De manier waarop de mesh gemaakt wordt van het te simuleren model, beïnvloedt de nauwkeurigheid aanzienlijk. Hierdoor is een doordachte keuze van de grootte en het type van de elementen in de mesh nodig. Zo vereisen thermische simulaties op dunwandige structuren bijvoorbeeld steeds minimaal 3 nodes in de richting van de wand om de temperatuurgradiënt voldoende nauwkeurig te bepalen doorheen de chocolade; dit is noodzakelijk aangezien chocolade een erg lage thermische conductie-coëfficiënt bezit. Een mesh-convergentie-studie, waarbij meerdere simulaties op verschillende mesh-types uitgevoerd worden, kan enige zekerheid bieden naar de keuze van de mesh toe.
- De meeste chocolade structuren zijn meervoudige structuren die aan elkaar vast gekleefd worden. Denk aan pralines, chocolade figuurtjes, enz. Deze naad is een potentieel punt van afwijking in de simulaties. De invloed hiervan kan onderzocht worden door middel van bepaalde numerieke technieken toegepast in de simulaties. Bovendien kan de overgangsconductie bepaald worden doorheen de naad door thermische meting en simulatie met elkaar te combineren, waarna deze voor de betrokken producten geïmplementeerd kan worden in het simulatiemodel.
Figuur 1: Simulatieresultaat naad chocolade ei
Bronnen
Dit werk is uitgevoerd en geschreven door ing. Jeroen Peeters in het kader van zijn in september 2017 aflopend doctoraat rond de koppeling van actieve thermografie met numerieke modellering voor niet-destructief onderzoek. Prof. dr. ir. Gunther Steenackers is de promotor van dit onderzoek. Meer informatie over actieve thermografie en de koppeling met numerieke simulaties is te vinden in o.a. [1] en [2] of op www.op3mech.be . Op3Mech maakt deel uit van het Nexor consortium.
[1] Technologie: Zoeken naar scheurtjes, EOS Magazine mei 2016
[2] Peeters J.P., Arroud G., Ribbens B., Dirckx J.J.J., Steenackers G., Updating a finite element model to the real experimental setup by thermographic measurements and adaptive regression optimization, MSSP, volume 64-65, December 2015, p428-440. DOI: 10.1016/j.ymssp.2015.04.010
[3] Bron materiaal eigenschappen chocolade: Useful physical constants, Industrial Chocolate Manufacture and Use, Fourth Edition, Published Online: 16 FEB 2009.
Meer weten?
Prof. dr. ir. Gunther Steenackers
Research Coordinator FTI-EM
University of Antwerp
Faculty of Applied Engineering | Op3Mech research group
Campus Groenenborger - Z.354
Groenenborgerlaan 171 - 2020 Antwerpen
T +32 3 265 19 08
