Способ определения массовой доли жира и сухого обезжиренного остатка в молоке и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к молочной промышленности, а именно к анализу сырья и продукции. Цель изобретения - сокращение времени и повышение точности за счет фиксации момента выравнивания температур на поверхности измерительной ячейки и в исследуемой пробе молока. Исследуемую пробу помещают в измерительную камеру, нагревают до 41°С, измеряют скорость ультразвука в моменты времени, при которых приращение скорости распространения ультразвука в молоке равняется заданной величине - 10 кГц/с. Затем нагревают до 65°С на поверхности измерительной камеры и вновь измеряют скорость ультразвука в моменты времени, при которых приращение скорости распространения ультразвука в молоке равняется заданной величине - 10 кГц/с. Массовые доли жира и сухого обезжиренного остатка определяют по известным формулам, в которых используют измеренные значения скоростей ультразвука. Коэффициенты при измеряемых величинах и свободные члены уравнений определяют по результатам калибровки. 2 с.п. ф-лы, 3 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 G 01 N 33/04

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ.И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Г

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4652118/30-13 (22} 27.02.89 (46) 07.12.90. Бюл. М 45 (71) Специализированное промышленное проектно-конструкторское бюро с опытным производством "Росагроприбор" (72) В,Г, Хлыстун, В.В. Смоляков и M.À. Всяких (53) 637.127.1 (088,8) (56) Авторское свидетельство СССР

М 1341582, кл. G 01 N 33/04, 1984.

Авторское свидетельство СССР

N. 46136?, кл. G 01 N 33/04, 1973. (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МАССОВОЙ

ДОЛИ ЖИРА И СУХОГО ОБЕЗЖИРЕННОГО ОСТАТКА В МОЛОКЕ И УСТРОЙСТВО

ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к молочной промышленности, а именно к анализу сырья и продукции. Цель изобретения — сокращение времени и повышение точности за счет фикИзобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в сельском хозяйстве, на предприятиях молочной промышленности, при заготовке и приемке молока, его переработке, при селекционной работе.

Цель изобретения — повышение точно-. сти и сокращение времени.

При осуществлении способа, предусматривающего отбор пробы молока, нагреван ие и . термостатирование исследуемой пробы в измерительной ячейке, измерение скоростей ультразвука при двух значениях температуры и вычисление по результатам обоих измерений массовой доли жира и су» .. Ж 1612259 А1 сации момента выравнивания температур на поверхности измерительной ячейки и в исследуемой пробе молока. Исследуемую пробу помещают в измерительную камеру, нагревают до 41 С, измеряют скорость ультразвука в моменты времени, при которых приращение скорости распространения ультразвука в молоке равняется заданной величине — 10 кГц/с. Затем нагревают до

65 С на поверхности измерительной камеры и вновь измеряют скорость ультразвука в моменты времени, при которых приращение скорости распространения ультразвука в молоке равняется заданной величине—

10 кГц/с. Массовые доли жира и сухого обезжиренного остатка определяют по известным формулам, в которых используют измеренные значения скоростей ультразвука, Коэффициенты при измеряемых величинах и свободные члены уравнений определяют по результатам калибровки, 2 с.п. ф-лы, 3 ил. хого обезжиренного остатка, дополнительно фиксируют момент достижения исследуемой термостатированной пробой молока каждого из двух заданных значений температуры приращения величины, при этом контролируют приращение скорости ультразвука, измеряя последнюю с дискретностью 5 — 10 с, т.е. на временном интервале, в течение которого устанавливается равенство температуры на поверхности измерительной камеры и температуры пробы молока в измерительной камере, а момент достижения исследуемой пробой каждого из заданных значений температуры фиксируют при достижении приращения скорости

1612259 распространения ультразвука в молоке равной заданной величине.

Для осуществления способа устройство, содержащее измерительную ячейку, источник и приемник ультразвука, нагревательный элемент, датчик температуры, блок обработки и управления, дополнительно оснащено аетоциркуляционным блоком, последовательно соединенными

; источником опорных напряжений, ключом, элементом сравнения, усилителем тока, выход которого через нагревател ьный элемент подключен к измерительной ячейке, при, этом первый и второй выходы автоциркуля ционного блока соединены соответственно c выходом источника ультразвука и с пер. вым входом блока обработки и управления,, второй вход которого подключен к выходу элемента сравнения, второй вход которого соединен с выходом датчика температуры, .расположенного на поверхности измерительной ячейки, при этом первый и второй выходы блока обработки и управления подключены соответственно к управляющему . входу ключа и к второму входу автоциркуля; ционного блока, первый вход которого сое, динен с выходом приемника ультразвука.

Осуществление контроля момента до стижения исследуемой пробой каждого из двух заданных значений температуры по приращению скорости ультразвука с дискретностью 5-10 с на временном интервале, в течение которого устанавливается равен, ство температуры на поверхности измерительной ячейки и температуры пробы молока в измерительной ячейке, и измере, ние скорости ультразвука в молоке при до. стижении приращения скорости ультразвука в молоке заданной величины обеспечивают однозначное определение пробы молока и соответствующее ей однозначное значение скорости ультразвука в пробе; что позволяет повысить точность измерения без понижения производительности.

На фиг.1 приведена зона возможных значений временной зависимости и изменения скорости раСпространения ультразвука в пробе при выравнивании температур на поверхности измерительной камеры и в пробе молока до одного значения температуры, например Т1 =41 С; на фиг. 2 — структурная схема устройства, реализующего способ; на фиг. 3 — упрощенный алгоритм работы устройства.

Способ осуществляют следующим образом.

Пробу молока помещают в измерительную ячейку, нагревают до первого значения температуры, например температуры на по1 верхности измерительной камеры 410С (фиг. 3), и после этого начинают контроль приращения скорости ультразвука в пробе.

Определение скорости ультразвука в пробе осуществляют измерением частоты следования импульсов, изменяющейся пропорционально скорости распространения ультразвука. При достижении приращения частоты следования импульсов заданного

10 значения Л F = 10 Гц/с, что соответствует моменту достижения исследуемой пробой первого заданного значения температуры, и ее выравнивании в исследуемой пробе и на поверхности ячейки фиксируют значение

55 частоты Fp. Далее пробу молока нагревают, до значения температуры на поверхности измерительной камеры, равного 65 С, а при достижении приращения частоты следования импульсов заданного значения ЛF =

10 Гц/с фиксируют значение частоты Fz, По результатам обоих измерений частот F> и Fz, используя данные предварительной калибровки, вычисляют массовые доли жира и сухого обезжиренного остатка в пробе по формулам

СЖ=F> X К1+ Г2Х К2+ Кз; (1)

Ссо= F) X K4+ Fg X K5+ К6, (2) где Сж и Сс0 — массовые доли жира и сухого обезжиренного остатка соответственно;

К1-Kg — эмпирические коэффициенты, определяемые при калибровке;

Fl, Fz — значения частот следования импульсов соответственно при температурах

41 и 65 С, измеренные в моменты времени, при которых приращение частоты следования импульсов достигает заданного значения h,F.

Заданное значение приращения частоты следования импульсов ЛР определяют экспериментальным путем. Для этого снимают временную зависимость изменения скорости ультразвука в измерительной камере на временном интервале от момента достижения определенной температуры (например, 41 С) на поверхности измерительной камеры до прогрева пробы молока в измерительной камере до той же температуры (фиг.1). Иэ зависимости, приведенной на фиг.1, видно, что процесс измерения скорости ультразвука в измерительной камере является экспоненциальным, поэтому для сокращения времени измерения и для однозначного определения температуры в пробе молока процесс по времени ограничивают и анализируют полученную зависимость на временном интервале, в течение которого приращение скорости ультразвука в пробе молока составляет 90 от приращения скорости ультразвука, соответствующего уста1612259 ответственно к выходу элемента 9 сравнения, управляющему входу ключа.8, одному осуществляют через равные временные ин- . тервалы с дискретностью, например 5- 10 с 5 путем сравнения приращения скорости ультразвука на предыдущем интервале с прииз выходов и одному из входов автоциркуляцианного блока 6.

Возможно различное конкретное выполнение блоков, входящих в устройство, ращением скорости ультразвука на последующем интервале. При достижении заданного значения приращения скорости 10 реализу ащее способ. Ниже, приведен один из возможных вариантов реализации блоков.

Измерительная ячейка 1 выполнена в

; ультразвука анализ прекращают и регист- рируютзначение скорости ультразвука а измерительной ячейке. Заданное эначекие приращения скорости ультразвука (приравиде тонкостенной металлической трубки с щение. частоты следования импульсов) на

15 хорошей теплоправодностью, например медной. Источник 2 и приемник 3 ультраэвуанализируемом временном интервале и ка выполнены из пьеэокерамики. Нагревательный элемент 5 — реэистио-ный нагревательный элемент в оиде однослайдлительность равных временных интерва-. лов определяют требуемой точностью йзмерения.

Устройство, реализующее способ 20 ной обмотки. Датчик 4 температуры выпол- (фйг,2), содержит измерительную ячейку 1, нен о виде шести последовательно в концах которой размещены источник 2 и соединенных кремниевых диодов, включенприемник 3 ультразвука. Ка поверхности изл1ерительной ячейки 1 расположены датных в прямом смещении. Автациркуляционный блок 6 выполнен по схеме генератора с чик 4 "температуры и. нагревательный элевнешней акустической связью; о качестве мент. Кроме того, устройство содержит автоциркуляцианный блок 6, источник 7 которой используется измерительная ячейка 1. Источник 7 опорных напряжений оыопорных напряжений, клепач 8., элемент 9 сравнения,.усилитель 10. Toêà, блок 11 обрапалнен с использованием интегрального прецизионного стабилизатора напряжения, ботки. и управления, еадержащий индика- 30 ключ 8 — с использованием микросхемы тор 12, порты 13 "Ввод/Вывод", регистр l4 Элемент 9 сравнения выполнен Hà базвопеадреса (РА); регистр 15 управления. (РУ), арифметика-логический преобразователь (АЛП) 16, оперативный запоминающий элерационнаго усилителя. Усилитель 10 тока выполнен с использованием транЗисторов большой мощности. мент (ОЗЭ) 17, пастаяинцй запоминающий 35

Бл" к 11 абработкй и управления выпол.элемент(Г!ЗЭ) 18. Первый выход аотоцирку-..нен. на базе микропроцессорного комплек.ляцианнаго блока 6 саедине"; с входом: ис- та, реализу ащега функции вычисления по тачника 2 ультразвука, второй выход заданной формуле и упраалениа формироавтоциркуляцианнаго блока 6 соединен c оанием сигналов переключения ключа (напервым входам блока11 абработкииуправ-: 40 грев пробы да 41 до 65ОС) и запуска ления. Выходы источника опорных напря- автоциркуляционнаго блока 6 в необходижений через соответствующие входы клокоча мые моиленты времени.

8 поочередно падкл1ачаются на один из охо- Подготовка блока 11 обработки и упраодов элемента 9 сравнения, к другому входу ления к работе. которого подключен выход датчика 4темпе-.

В постоянный -запоминающий элемент ратуры. Выходэлемента9сраонениясоеди- ПЗЭ 18 блока 1 1 обработки и упраолейия нен с вторым входом блока 11 обработки и вводят значсния коэффициентов К1...K5 (фармулы (1), (2), предварительна определенные экспериментальны л путем при каупраоленля и входом усилителя 10 тока, выход которого подкл очен к входу нагрева.

50. либраоке устройства, и значение тельного элсмента 5. Улравляющий.вхад клокоча 8 соединен с первым выходом блака

11 обработки и управления, второй выход которого подключен к одному входу аотоциркуляцианяаго блока 6, второй вход котоприращения скорости ультразвука, при котором будут фиксировать значения скорости ультразвука. В ПЗЭ 18 также вводят ппаграмл1у рабаты устройства, алгоритм каторой приведен на фиг. 3 рого соодиней с выходам приемника 3:55 ультразвука, Все алеиенты блока 11 абра-. „Пробу молока вводят о измсрительную боткииуг1раоления.саадиноныпараллельнО . ячейку 1, окл>ачайт устройства на измереwe. Работа устройства происходит по программе, записанной о ПЗЭ 18 па алгоритму, приведенному йа фиг. 3., между. собой шиной данных и шиной управления и адреса; Кроме того, выходы.АЛП 16

; соег1 тнсны с саатоатсто)/ агдил :и охщими новлению равенства температур на поверх- PA 14 и РУ 15, а один иэ выходов портов 13 ности измерительной камеры в.прабемоло- соединен с входом индикатора 12, другие ка. Анализ полученной .зависимости входы и выходы йортов 13 подключены со7

1612259

Этап 1: (пуск устройства). При поступлении сигнала "Пуск" осуществляется начальная установка регистров 14 и 15 адреса и управления в нулевое состояние. В дальнейшем в PA 14 и в РУ 15 будет переписываться из АЛП 16 код числа, соответству|ощий коду адреса устройства и коду сигнала управле: ния.,Начальный код адреса и код сигнала управления поступают через шину управления и адреса на соответствукииие входы

ПЗЭ 18.

Этап 2 (фиг, 3), С выхода ПЗЭ 18 через шину данных в АЛП 16 поступает команда, записанная в начальном адресе ПЗЭ 18.

АЛП 16 формирует и перезаписывает в РУ

15 и РА 14 коды сигнала управления и адреса, поступающие в порты 13 "Ввод/Вывод", по которым с выхода одного иа портов сигнал управления переключает ключ 8 в первое положение, соответствующее температуре 41 С.

Этап 3(нагрев пробы до значения 41 C).

При переключении ключа 8 в первое положение с выхода источника 7 опорных напряжений на один из входов .элемента 9 сравнения поступает напряжение U1, соответствующее напряжениюс выхода датчика

4 температуры при температуре нэ.поверхности измерительной ячейки, равной 41 С. на другой вход элемен-а 9 сравнения поступает. напряжение с выхода датчика 4 температуры, котарое при введении пробы молока в измерительную ячейку 1 отличается отнапряжения на первом входе элемента

9 сравнения, так как температура пробы, а следовательно, и температура датчика ниже

41ОС. На выходе элемента 9 сравнения формируетея разностный сигнал, который через усилитель 10 тока поступает на нагревател ьный элемент 5. Происходит нагрев в измерительной ячейке 1, При достижении температуры нэ поверхности измерительной камеры 41 С напряжение с источника 7

Опорных напряжений, поступающее на первый вход элемента 9,сравнения, и напряжение с выхода датчика 4 температуры, поступающее на второй вход элемента 9 .. сравнЕния, становятся равными, на выходе элемента 9сравнения формируется нулевой . разностный сигнал и нагрев измерительной ячейки прекращается, Г1р; пон ";жении тем.пературы на поверхности ячейки 1 па выхо:де элемента 9 сравнения фармир ется раэностный сигнал, котооый через усилитель 10 поступает на нагревательный элемент 5 и таким образом поддерживается температура нэ. поверхности измерительной камеры 41 С. При достижении температуры 41 С. на поверхности измерительной ячейки 1 нулевой разностный сигнал с выхода элемента 9 сравнения через один из входов порта 13 "Ввод/Вывод" и шину данных поступает в АЛП 16 и воспринимается как сигнал достижения требуемой температуры

5 на поверхности измерительной ячейки. АЛП

16 формирует и перезаписывает в РЛ 14 и

РУ15 соответствующие коды, по которым на одном из выходов портов 13 "Ввод/Вывод" формируется импульс, который поступает

10 HB один из входов автоциркуляц«очного блока 6, где усиливается по амплитуде до значения 50 В, нормируется по длительности 100 нс и поступает на источник 2 ультразвука, В источнике 2 ультразвука

15 электрический сигнал преобразуется в ультразвуковой, который, пройдя через пробу молока через 70 мкс в измерительной камере длиной примерно 100 мм, в приемнике 3 ультрэзв, ка преобразуется вновь в электри20 ческий сигнал и поступает на один из входов автоциркуляционного блока 6, так как блоки

6, 2, 1, 3 соединены между собой, Таким образом, на выходе автоциркуляционного .блока 6 формируется непрерывная последо25 вательность импульсов, частота которых (F) определяется скоростью распространения ультразвука s молоке. Одновременно АЛП

16 формирует и перезаписывает в PA 14 и

PY 15 следующие значения адреса и управ30 ления. по которым из Г13Э 18 поступает сле. дующая команда и начинается анализ приращения частоты.

Этап 4(анализ, приращения частоты Ь

F). Так как нагревательный элемент распо35 ложен на поверхности измерительной ячейки, выполненной из тонкостенного материала с хорошей теплопроводностью, нагрев и тврмостабилизэция температуры измерительной ячейки 1 происходит во вре40 мени быстро. Нагрев и термостабилизация температуры пробы молока осуществляется не скол ы<о медлен нее. Поэтому при стабилизации температуры на поверхности измерительной ячейки 1 температура пробы

45 некоторое время изменяетСя, что приводит к изменению частоты следования импульсов с выхода автациркуляционного блока 6.

Анализ приращения частоты осуществляется следующим образом. С выхода автоцир-, 50. куляционного блока 6 импульсы через один из входов портов 13 "Ввод/Вывод" и шину данных поступают на ЯЛП 16, где происходит и: обработка. В обработке участвуют

АЛП 16, PA 14, PY 15, 033 17, ПЗЭ 18.

55 Процесс обработки осуществляется. по программе, записанной,в ПЗЭ следующим образам:

1. Осуществляешься. подсчет числа импульсов с заданной дискретностью (5-10 с).

1612259

10 перезапись кода числа во вторую ячейку 5 которым результаты вычислений из. шестой

ОЗУ, . и седьмой ячеек ОЗЭ 17 через шину данных

3..В. АЛП 16 осуществляется вычитание . и один из портов 13 "Ввод/Вывод" поступают на индикатор 12.

Этап 12 (стоп). В АЛП 16 формируется и предыдущего числа импульсов из последующего, находящихся в соответствующих ячейках 033 17. Код числа. соответствуюперезаписывается в РУ 5 код числа, по котощий разности первого и второго числа, т.е рому прекращается работа устройства по приращение частоты, записывается s,ïðoãðàììå. третью ячейку ОЗЭ 17. Предлагаемый способ и.устройство для

4. В АЛП 16 осуществляется сравнение его реализации обеспечивают более точный, кода числа третьей ячейки 033 17 с кодом чем известные, пропорциональный типа peryчисла определенной ячейки ПЗЭ 18, в котолирования температуры измерительной ячейки за счет однократного прогрева пробы и быстрого перехода от одной температуры к другой, позволяет сократить время измерествует требуемому значению, операции по стве до 65 с в предлагаемом и увеличить таким образом производительность устройства в 1,38 раз. Объем измерительной пробы в известном устройстве составляет 80 мл. нему- значению стсчета (значению частоты

Существенным преимуществом предлагаеимпульсов автоциркуляционнога блока), пе- мого технического решения является значирезаписывается в.четвертуюячейку 033.17,.:тельно меньший расход молока на одно

АНП 16 формирует и перезаписывает в PA

14 и PY 15 коды, по которым из. :ПЗЭ 18 измерение — 15 мл. Уменьшение расхода молока на один анэлйз предлагаемым уст30 ройством дает значительный зкономичепоступает,команда на выполнение следующего этапа алгоритма. . ский эффект при контроле содержания жира

Этап G (включение нагревателя на ре-- вмолокедойныхкоров;укотарыхнеобходижим Тг). Работа устройства осуществляется аналогично этапу 2, но ключ 8 переключен мо ежемесячно определять содержание жира в молоке в 10-месячный период лактации, во второе положение. 35 Отсюда, следует, что применение даннога

Этап 7(нагрев пробы до значения 65ОС). технического решения только в-атом случае

Работа устройства осуьцествляется анало- дает. экономико. молока 44000000 Х 10Х (80-15) = 28600000 л, которая при средней его стоимости 35 коп. за 1 л составляет в денвжгично этапу.3, но ключ 8 находится so втоpQM.ïîëîæåíèè и нагрев стабилизации температуры осуществляются до значения 40 .ном выражении 1Ю10000 руб.

65 С, Формула изобретения

Этап 8 (анализ приращения частоты 1. Способ определения массовой доли

Ь F). Работа устройства осуществляется жира и сухого обезжиренного остатка в моаналогично этапу 3 лаке, предусматривающий нагрев исследуеЭтап 9.(запись:Рг); Работа осуществля-, 45 мой пробы молока в измерительной ячейке, ется аналогично этапу.5; но перезапись кода фиксацию величин скоростей ультразвука числа (значение. частоты. импульсов автопри двух заданных значениях температуры цйркуляционнаго. блока) производится в пятую яче ..ку 033 17. путем измерения величин частот следования импульсов и установление массовой доЭтап .10 (вычисление процентного со-. 50 ли жира и сухого обезжир нного остатка из системы двух уравнений обезжиренного остатка соответственно; денным выше формулам. Б расчетах испольK> - кь — эмпирические коэффициенты, зуются значения F> и Fz, находящиеся.в определяемые при калибровке;

F< и Рг — зна ения величин скоростей .ультразвука соответственно при 41 и 65ОС, Код числа импульсов записывается в первую ячейку ОЗЭ.

2. Осуществляется повторный подсчет числа импульсов за такой же интервал и рой записан код числа необходимого приращения, 5. Если приращение частоты не соответпп. 1-4 повторяются, Этап 5 .(запись Ft). Если приращение частоты соответствует требуемому значению, то код.числа, соответствующий последдержания жира и СОМО), В работе участвуютблоки АЛП 16, РА14, РУ- 15, 033 17, ПЗЭ 18; Процесс обработки осуществляется по программе, записанной в ПЗЭ 18 по привечетвертой и пятой ячейках 033 17, и коэффициенты К1, Кг,...,Кь з эчеция которых записэны в.соответствующих ячейках ПЗЭ

18. Результаты вычисления записываются я шестую и седьмую я .ейки 033 17.

Этап 11 (индикация). АЛ П 16 формирует и перезаписывает в PA 14 и PY 15 коды, по

20 ния одной пробы с 90 с в известном устройСж Ft x К1+ F2 х Кг+ Кз, С -. F Х К4 + Рг Х К + Kg, где

Сж и Ссо- массовые доли жира и сухого

1612259 о т л и ч à ю шийся тем, что, с целью сокращения времени и повышения точности, фиксируют момент выравнивания температур на поверхности измерительной ячейки и в исследуемой пробе молока при достижении в последней заданных значений температуры путам измерения величин частот следования импульсов с.дискретностью 5-10 с и установления приращения измеренных величин, а момент выравнивания температур фиксируют при достижении приращения измеренных величин частот следования импульсов заданного значения.

2. Устройство для определения массовой доли жира и сухого. обезжиренного остатка в молоке, содержащее измерительную ячейку с нагревательным элементом, датчик температуры, источник и приемник ультрамука, блок обработки и управления, о т л ич а ю щ в е с я тем; что, с целью сокращения времени и повышения точности, оно дополнительно снабжено автоциркуляционным блоком и последовательно соединенными источником опорных напряжений, ключом, 5 элементом сравнения и усилителем тока, подключенным к нагревательному элементу измерительной ячейки, при этом первый и второй выходы автоциркуляционного блока подсоединены соответственно к входу с1О точника ультразвука и первому входу блока обработки и управления, первый и второй входы KGTopofo связаны соо: ветственно с управляющим входом ключа и вторым Входом автоциркуляционного блока, K первому

15 входу последнего подключен приемникультразвукз, причем датчик температуры размещен на поверхности измерительной ячейки и подключен к второму входу элемента сравнения. выход которого связан с .

20 вторым входом блока обработки и управле1612259

Составитель H.Àðöûáàøåâà

Техред М.Моргентал Корректор А,Обручар

Редактор Е.llann

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 3829 Тираж 509 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5