طراحی و ساخت فر هوشمند مبتنی به منظور بازرسی پخت کیک فنجانی به کمک پردازش تصویر

کیک نوعی شیرینی با بافت نرم می­باشد که به دلیل دارا بودن طعم مطلوب، ارزش غذایی بالا، سهولت مصرف و عمومیت مصرف در بین اقشار مختلف و منحصر نبودن مصرف آن به یک گروه سنی، پر مصرف­ترین محصول آردی به حساب می­آید (صالحی و همکاران، 1395). خمیر کیک از آرد، تخم­مرغ، روغن و شکر تشکیل شده است که وجود که هر ماده در مایه خمیر ضروری است. اختلاط این مواد با مایه خمیر در تعیین خصوصیات ساختاری، رئولوژیکی و بافتی کیک نقش مهمی ایفا  نمونده و سبب می­شود که خمیر کیک امولسیونی پایدار از چربی و آب باشد و بتواند حباب­های گاز را به دام انداخته و آن­ها را در حین پخت نگه­داری کند (ویرهین[1] و همکاران، 2015). فرآیند تولید کیک به فرمول و شرایط فرآیند تولید آن بسیار وابسته است به گونه­ای که تغییر در هر یک از مواد اولیه سبب تغییر در فرآیند پخت و محصول نهایی می­گردد.  لذا ثابت نگه داشتن کیفیت محصول و افزایش انعطاف پذیری فرآیند پخت، دو چالش بزرگ در صنعت نانوایی و شیرینی­پزی محسوب می­گردد. برای کاهش تغییرات کیفیت، رویکردهای کنترل محصول­گرا که به دنبال حفظ ویژگی­های محصول و تولید محصولات با کیفیت یکسان هستند بسیار مطلوب می­باشد. در این روش­ها­، شرایط فر باید در پاسخ به عدم یکنواختی­هایی مانند تغییر در محصول و حجم آن، کنترل شود. برای اجرای مناسب این رویکرد، یک استراتژی کنترل فرآیند حین پخت مداوم، اجباری است.

پیش از این، مطالعات متعددی برای بررسی جنبه­های مختلف فرآیند پخت از نظر ریاضی، عددی یا آزمایشی انجام شده است. اورتا[2] و همکاران (2019) اثرات دمای پخت و زمان پخت را بر انتقال آب حین پخت نان بررسی کردند. طبق گزارش آنها، بهینه­سازی بهتر انتقال حرارت بین سطح و هسته، همراه با مدت زمان پخت کوتاه­تر، می­تواند مصرف انرژی را کاهش دهد. ژانگ و داتا[3] (2006) از روش المان محدود برای مدل­سازی فرآیند پخت نان استفاده نمودند. با توجه به تغییرات فیزیکی و شیمیایی قابل توجه خمیر نان طی فرآیند پخت و عدم اطلاع دقیق از خصوصیات مواد، آنها اعلام کردند که تغییر شکل و انتقال جرم چند منظوره را نمی­توان اجرا نمود. در مطالعه دیگری، شارهای حرارتی بدست آمده از بیسکویت در یک اجاق پخت مداوم، مدلسازی شد. مدل پیشنهادی توانایی بررسی نسبت شارهای حرارتی رسانا ، همرفتی و تابشی در حین پخت داشت (فهلول[4] و همکاران، 1995).

از آنجا که در فرآیند پخت، بسیاری از تغییرات فیزیکی در محصول رخ می­دهد، از نظر صنعتی، داشتن روش­های ساده برای پیش­بینی دقیق زمان فرآیند پخت، مطلوب است. علاوه بر این، وونگ[5] و همکاران (2007) تأکید کرد که به منظور تولید محصول با کیفیت، کنترل پارامتر­های مختلفی هنگام پخت مانند سرعت جریان حجم گاز طبیعی به مشعل­ها، زمان واردنمودن خمیر در اجاق گاز و غیره، بستگی دارد که پایش همه این متغیر­ها نیازمند متخصصان باتجربه است. علاوه بر این، بیشتر سامانه­های موجود بر اساس جداول دمای زمان ساخته شده اند. بنابراین، تفاوت در مواد اولیه، شرایط فرآیند و خطاهای عملکرد می­تواند کیفیت محصول را به طور قابل توجهی کاهش دهد. برای مدیریت این شرایط ، پورلیس[6] (2019) سه روش ساده (دو مدل انتقال حرارت و یک معادله رگرسیون) را برای پیش بینی حداقل زمان پخت نان در یک محدوده گسترده و معمول از شرایط عملیاتی توسعه و آزمایش کرد. طبق نتایج گزارش شده، میانگین خطای نسبی مطلق برای این سه مدل به ترتیب 61/3 ، 17/1 و 30/0 بود.

در حال حاضر، سامانه­ای برای کنترل فرآیند پخت از طریق تجزیه و تحلیل برخط تغییرات رنگ برای اطمینان از داشتن محصول غذایی با بافت و رنگ مطلوب وجود ندارد. لذا هدف از این مطالعه تولید یک فر هوشمند به منظور تولید محصولات با کیفیت و همچنین بهینه­سازی زمان و انرژی مورد نیاز برای پخت  در نظر گرفته شد.