Устройство для определения концентрации жира и белка в молоке и молочных продуктах

 

Использование: устройство предназначено для определения концентрации жира и белка в молоке и молочных продуктах. Сущность изобретения: осветительный блок содержит три источника излучения в виде полупроводниковых лазеров. Блок фотоприемников состоит из трех фотодиодов. На выходе каждого из фотоприемников излучения установлен аналого-цифровой преобразователь, подсоединенный к входу устройства микропрограммного управления. Один из разрядов выходного порта устройства микропрограммного управления подсоединен к входу запуска аналого-цифрового преобразователя. Три других разряда порта подсоединены к входам выборки коммутатора. Устройство повысит производительность контроля. Увеличена точность и достоверность определения. 1 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам для определения содержания жира и белка в молоке и молочных продуктах, может быть использовано на предприятиях молочной, пищевой промышленности, хозяйствах агропромышленного комплекса. Особенно эффективно его применение в условиях мелкотоварных ферм.

Известно устройство для количественного определения содержания компонент молока, содержащее расположенные на одной оптической оси источник ИК- излучения, кюветный блок, фотоприемник, блок управления и синхронизации, подключенный к первому входу вычислителя, выход которого связан с блоком индикации, блок уменьшения диаметра светового потока и полихроматор, связанный с вычислителем через последовательно расположенные блок фотопреобразователей и блок стробирования и экстраполяции и посредством последовательно размещенных фотоприемника, регистратора импульсов и блока суммирования импульсов, при этом один из выходов блока управления и синхронизации подключен к блоку суммирования импульсов, другой посредством перемещения пробы относительно светового потока связан с кюветным блоком, причем регистратор импульсов подсоединен к блоку стробирования и экстраполяции, блок уменьшения диаметра светового потока размещен перед кюветным блоком, а за последним на оптической оси расположен полихроматор [1].

В данном устройстве имеет место параллельное измерение содержания жира путем сканирования узким световым пучком, соизмеримым с диаметрами жировых шариков 2 - 3 мкм и содержания других компонент молока: белка, воды, лактозы - интегрально. Причем измерение содержания жира производится на длине волны прозрачности воды, а остальных компонентов - на характеристической для каждого из компонентов длине волны.

Однако данное устройство позволяет производить измерения только в условиях лабораторий промышленных предприятий и при переработке молока после его предварительной гомогенизации. Поскольку в негомогенизированном молоке диаметр частиц составляет 0,1-10 мкм, то частицы жира нижней границы диапазона (до 2 мкм) не будут регистрироваться. В связи с этим точность определения процентного содержания жира данным устройством будет недостаточно высокой. Уменьшение же диаметра сфокусированного пучка ИК-источника достаточно сложно и неизбежно приведет к дифракционным явлениям на апертуре.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемым результатам к изобретению является устройство [2], содержащее выносной датчик, представляющий собой рефлектометрический выносной зонд, выполненный в виде набора передающих и принимающих световодов, настроенных на измерение различных компонент молока, выходной торец передающего и входной торец приемного световодов образуют средство контроля, вводимое в исследуемую пробу. Стабилизацию светового потока осуществляют за счет применения обратной связи, обеспечиваемой дополнительным световодом. При этом световой поток от источника модулируют промежуточной частотой и принимают с помощью размещенного в блоке регистрации частотно-избирательного приемника, настроенного на эту частоту.

Существенным преимуществом данного решения является возможность определения концентрации компонент молока непосредственно в производственной емкости, исключая необходимость отбора пробы и прокачки кюветы, как это имело место в устройстве [1]. За счет этого, естественно, значительно повышается производительность контроля. Однако и данное устройство обладает рядом существенных недостатков: 1. В устройстве имеется один источник излучения с длиной волны, характеристической для одной определенной компоненты многокомпонентной смеси. Отсюда следует, что для контроля n-компонентной среды необходимо n устройств, чтобы определить концентрацию каждой компоненты. Таким образом, для контроля концентрации жира и белка в молоке необходимо как минимум два таких устройства.

2. В описании указано, что устройство может быть использовано путем " встраивания в любую технологическую цепочку". Действительно, возможность его использования в условиях молокозавода после операции гомогенизации не вызывает сомнения. Однако использование устройства в условиях фермерского хозяйства без предварительной гомогенизации молока не представляется возможным. Помимо того что для контроля двух параметров молока жира и белка пришлось бы использовать два датчика с двумя источниками излучения, произвести определение концентрации этих составляющих с приемлемой точностью не удалось бы. Это связано с тем, что условия рассеяния в среде гомогенизированного и негомогенизированного молока имеют существенное различие из-за различных размеров жировых шариков негомогенизированного молока. Таким образом, без учета степени гомогенизации устройство может быть использовано для определения концентрации жира в молоке, если оно предварительно гомогенизировано.

3. Устройство не позволяет с высокой точностью измерять концентрацию жира и белка в молоке в связи с тем, что в силу конструкции волоконного рефлектометрического зонда, в котором световоды объединены в общий жгут, регистрируется обратно рассеянное в среде излучение в направлении, близком к направлению падения. За счет этого сигнал, воспринимаемый приемником излучения, достаточно слаб, требует значительного усиления. Проведенные исследования показывают, что при нормальном падении излучения полупроводникового лазера с длиной волны 1,55 мкм зависимость интенсивности рассеянного излучения от процентного содержания, например, белка зависит от угла регистрации. С увеличением угла регистрации (по отношению к падающему пучку) с 23 до 63^o интенсивность возрастает практически в 30 раз.

4. Устройство не обеспечивает экологически чистый контроль, поскольку волоконно- оптический зонд вводится в среду непосредственно, что не позволит в дальнейшем использовать для питания проконтролированную пробу молока. Таким образом, контроль в технологических емкостях с помощью устройства проводить невозможно. Вместе с тем в связи с размоканием волоконно-оптический зонд не будет долговечен и начнет достаточно скоро терять свои оптические свойства, что приведет сначала к снижению точности контроля и в конечном счете к потере работоспособности устройства.

Целью изобретения является расширение области применения устройства, повышение точности и достоверности определения содержания жира и белка в молоке и молочных продуктах, увеличение производительности контроля при определении указанных выше параметров.

Каждый отличительный признак тесно связан с поставленной целью.

Расширение области применения прибора за счет непосредственного и одновременного, параллельного определения содержания жира и белка в технологических емкостях, то есть исключение операции отбора пробы продуктов достигается благодаря использованию в устройстве трех источников излучения с разными длинами волн и трех соответствующих приемников излучения; введению в конструкцию герметичного кожуха, выполненного с торцем, оптически прозрачным для ближней инфракрасной области.

Повышение точности и достоверности результатов измерения достигается за счет: учета в процессе обработки сигнала информации о степени гомогенизации молочных продуктов благодаря регистрированию рассеянного светового излучения от трех источников излучения; регистрации рассеянного назад излучения под углами, обеспечивающими значительный уровень сигнала, что достигается конструкцией волоконного зонда, а именно разделением осветительных и приемных световодов; изоляции волоконно-оптического световода от контролируемой среды путем введения герметичного, прозрачного кожуха, обеспечивающего зазор между торцами световодов и контролируемой средой; введения в блок измерения и индикации микропрограммного устройства, осуществляющего обработку информации по определенным алгоритмам. Расширение диапазона измеряемой массовой доли жира и белка достигается благодаря использованию в качестве источника излучения полупроводникового лазера, работающего в ближней инфракрасной области спектра. Исследования, выполненные авторами [3], свидетельствует о значительном превышении уровня выходного сигнала приемников прошедшего и рассеянного излучения при освещении молочных продуктов источниками, работающими в ближней инфракрасной области спектра по сравнению с источниками видимого света.

Высокомонохроматичное лазерное излучение полупроводникового лазера позволяет создавать световой поток с высокой стабильностью длины волны, равной 10^-8 мкм, что значительно повышает уровень полезного сигнала, а конструктивные особенности промышленно выпускаемых лазеров, связанные с наличием оптической обратной связи, предназначенной для стабилизации интенсивности, исключают необходимость такой стабилизации в устройстве.

Указанная цель обеспечивается тем, что в устройстве для определения концентрации жира и белка в молоке и молочных продуктах осветительный блок содержит три источника излучения в виде полупроводниковых лазеров, работающих в ближней инфракрасной области спектра на различных длинах волн, а блок фотоприемников состоит из трех фотодиодов, причем каждый из входов трех передающих световодов вплотную подсоединен к лазеру и выход каждого из трех приемных световодов связан с соответствующим приемником излучения, при этом выходные торцы осветительных световодов и входные торцы передающих объединены в общем корпусе так, что торцы установлены с зазором и параллельно выполненному из оптически прозрачного для ближней инфракрасной области торцу герметичного кожуха, введенного в контролируемый продукт, и на выходе каждого из приемников излучения установлен усилитель, а блок измерения и индикации содержит коммутатор сигналов к входам которого подсоединены выходы усилителей, а на выходе установлен аналого-цифровой преобразователь, подсоединенный к входу устройства микропрограммного управления, выход которого является выходом блока измерения, причем один из разрядов выходного порта устройства микропрограммного управления подсоединен к входу запуска аналого-цифрового преобразователя и три других разряда этого же выходного порта подсоединены к входам выборки коммутатора.

По имеющимся сведениям существенные признаки, указанные в отличительной части формулы, не обнаружены в других отраслях промышленности, что позволяет считать предлагаемое техническое решение соответствующим критерию существенные отличия.

На чертеже принципиальная схема предлагаемого устройства.

Устройство для определения жира и белка в молоке и молочных продуктах содержит три полупроводниковых лазера 1, 2, 3 с различными длинами волн, с соответствующими блоками питания 4, 5, 6, к каждому из лазеров вплотную присоединены три осветительных световода 7, 8, 9, выходные торцы которых объединены корпусом 10, к которому присоединен герметичный кожух 11, выходной торец которого выполнен из оптически прозрачного для ближней инфракрасной области спектра материала с обеспечением зазора h между выходными торцами световодов и кожухом. Герметичный кожух 10 введен непосредственно в молочный продукт, которым заполнена технологическая емкость 12. Входные торцы приемных волоконных световодов 13, 14, 15 установлены также в корпусе 10 на расстоянии 1 от осветительных, причем величины h и 1 выбираются из условия регистрации рассеянного в среде излучения под углом 30 - 40^o по отношению к падающему пучку. Выходные торцы приемных световодов вплотную подсоединены к фотодиодам 16, 17, 18 с полосами пропускания, соответствующими длинам волн лазеров. На выходе фотодиодов установлены усилители 19, 20, 21, выходы которых подсоединены к входам коммутатора сигналов 23, на выходе которого установлен аналого-цифровой преобразователь 24, подсоединенный к входу устройства микропрограммного управления 25, выход которого связан с входом устройства индикации 26, причем один из разрядов выходного порта устройства микропрограммного управления 25 подсоединен к входу запуска аналого-цифрового преобразователя 24 и три других разряда этого же выходного порта подсоединены к входам выборки коммутатора 23. Входы блоков питания лазеров 4, 5, 6 связаны с источником питания 27, который также подсоединен к соответствующим входам усилителей 19, 20, 21, коммутатора 23, аналого-цифрового преобразователя 24, устройства микропрограммного управления 25 и устройства индикации 26.

Осветительный блок, содержащий лазеры 1, 2, 3 с блоками питания 4, 5, 6; блок фотоприемников 16, 17, 18 с усилителями 19,20,21 и набор передающих 7, 8, 9 и приемных 13, 14, 15 световодов с корпусом 10 и кожухом 11, объединенные в рефлектометрический волоконный зонд, расположены в корпусе 22 и образуют датчик устройства, располагающийся непосредственно в зоне контроля.

Коммутатор 23, аналого-цифровой преобразователь 24, устройство микропрограммного управления 25, устройство индикации 26 и блок питания 27 составляют блок измерения и индикации 28, который установлен на рабочем месте контролера.

Устройство работает следующим образом. Датчик устройства 22 вместе со всеми заключенными в нем элементами опускают в технологическую тару с молочным продуктом, содержание жира и белка в котором необходимо определить так, чтобы корпус 10 был полностью погружен в продукт.

Лазеры 1, 2, 3 излучают когерентный, направленный монохроматический поток излучения, каждый на своей длине волны, излучение через осветительные световоды 7, 8, 9, выходные торцы которых закреплены в корпусе 10, минуя оптически прозрачный для ближней инфракрасной области герметичный кожух 11, поступает в среду продукта, помещенного технологическую тару 12.

Рассеянный на жировых шариках и мицеллах белка световой поток воспринимается входными торцами приемных волоконно-оптических световодов 13, 14, 15. Причем интенсивность светового потока, воспринимаемого каждым из приемных световодов, с точностью до членов первого порядка, определяется: I₁₃=l₁C_ж+l₂C_б+l₃K₂+ S₁ I₁₄=b₁C_ж+b₂C_б+b₃K₂+ S₂ I₁₅=C₁C_ж+C₂C_б+C₃K₂+ S₃ где I₁₃ - I₁₅ - интенсивность, воспринимаемая соответствующими приемными световодами 13, 14, 15; C_ж, C_б - массовая доля жира и белка соответственно; K₂ - степень гомогенизации продукта; l₁-l₃, b₁-b₃, C₁-C₃ - коэффициенты указанных молочных компонентов;
S₁-S₃ - свободные члены.

С целью получения достаточно устойчивого сигнала, а также зависимости интенсивности от концентрации контролируемых составляющих жира и белка входные торцы в датчике должны быть установлены под углом к падающему излучению в диапазоне 30-40^o, что обеспечивается выбором значений h и 1.

Приемники излучения 16-18 преобразуют интенсивность светового потока, поступающего через световоды в электрические сигналы, которые усиливаются усилителями 19-21, соответственно: U₁₉, U₂₀, U₂₁.

Коммутатор 23 с помощью микропрограммного управления 25 осуществляет коммутирование сигналов с выходом усилителей 19-21, а аналого-цифровой преобразователь 24 преобразует их в цифровую форму U₁₉, U₂₀, U₂₁. Значение сигналов поочередно поступает в устройство микропрограммного управления 25, которое осуществляет вычисление жира и белка по следующим зависимостям, являющимся решением системы уравнений (1):
C_ж=n₁U₁₉+n₂U₂₀+n₃U₂₁ C_б=v₁U₁₉+v₂U₂₀+v₃U₂₁
где n₁-n₃, v₁-v₃ - эмпирические коэффициенты.

Предлагаемое устройство обладает следующими преимуществами:
позволяет производить экспресс-анализ содержания жира и белка в молоке и молочных продуктах непосредственно в технологических емкостях, бидонах, танках и т.д., исключая операцию отбора пробы продукта в специальную тару;
обеспечивает высокую точность определения жира и белка;
предполагает высокую достоверность оценки измерения;
может быть использовано в системах комплексной автоматизации, поскольку реализуется устройством, полностью исключающим влияние оператора на результаты измерений;
способствует высвобождению оператора-лаборанта от малопроизводительного ручного труда, связанного с отбором проб молока при определении содержания в нем жира и белка.

Источники информации
1. SU, авторское свидетельство N 1070472, кл. G 01 N 33/04, 1984. Устройство для количественного определения содержания компонентов молока.

2. SU, авторское свидетельство N 2003974, кл. G 01 N 33/04, 1993. Устройство для определения концентрации компонент взвесей в многокомпонентных системах.

3. Отчет ВНИМИ "Исследование возможности применения лазерных источников излучения для определения параметров качества молочных продуктов.-М., 1991.

Формула изобретения

Устройство для определения концентрации жира и белка в молоке и молочных продуктах, содержащее блок измерения и индикации, осветительный блок, блок фотоприемников и набор передающих и приемных счетоводов, объединенных в рефлектометрический волоконный зонд, отличающееся тем, что осветительный блок содержит три источника излучения в виде полупроводниковых лазеров, работающих в ближней инфракрасной области спектра на различных длинах волн, а блок фотоприемников состоит из трех фотодиодов, причем каждый из входов трех передающих световодов вплотную подсоединен к лазеру и выход каждого из трех приемных световодов связан с соответствующим приемником излучения, при этом выходные торцы осветительных световодов и входные торцы передающих объединены в общем корпусе так, что торцы установлены с зазором и параллельно выполненному из оптически прозрачного для ближней инфракрасной области торцу герметичного кожуха, введенного в контролируемый продукт, и на выходе каждого из приемников излучения установлен усилитель, а блок измерения и индикации содержит коммутатор сигналов, к входам которого подсоединены выходы усилителей, а на выходе установлен аналого-цифровой преобразователь, подсоединенный к входу устройства микропрограммного управления, выход которого является выходом блока измерения, причем один из разрядов выходного порта устройства микропрограммного управления подсоединен к входу запуска аналого-цифрового преобразователя и три других разряда этого же выходного порта подсоединены к входам выборки коммутатора.

РИСУНКИ

Рисунок 1