ПРИБОР ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ПЛАВЛЕНИЯ ТВЕРДЫХ ЖИРОВ

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к переносным приборам, предназначенным для измерения температуры плавления твердых жиров в диапазоне 25-60°С, и может быть использовано в пищевой промышленности, например, для определения качества шпика, применяемого в производстве колбасных изделий по температуре его плавления.
Известно, что на мясоперерабатывающих предприятиях, одним из наиболее востребованных продуктов является свиной шпик, который используется практически во всех колбасных изделиях. Шпик, по температуре его плавления, условно можно разделить на три основные категории: легкоплавкий, среднеплавкий и тугоплавкий. В зависимости от температуры плавления тот или иной шпик идет в различные колбасные изделия, например, легкоплавкий идет в дешевые сорта колбас, среднеплавкий - в изделия средней ценовой категории, а тугоплавкий, предназначен для дорогих деликатесных колбас. Ошибка в определении сорта шпика может привести не только к технологическому браку (легкоплавкий шпик пошел на производство дорогих колбас) и выпуску не отвечающей техническим стандартам продукции, но и к серьезным сбоям технологического оборудования, которое запрограммировано на строго заданные температурные режимы обработки.
Поэтому в настоящее время на большинстве мясоперерабатывающих производств очень остро стоит вопрос проверки температуры плавления свиного шпика. Причем данный вопрос возникает как при приемке шпика у поставщика или мясозаготовительного предприятия, так и непосредственно перед запуском шпика в производство колбасных изделий.
На проверку температуры плавления партии шпика при поступлении накладывается основное условие - ограничение времени для проведения необходимых измерений. Следовательно, время, отведенное на выборочный контроль образцов партии шпика не должно значительно отличаться от времени необходимого для разгрузки данной партии шпика на склад предприятия. В среднем это время составляет 30-120 минут на партию с массой шпика 5-50 (5-50 измерений) тонн. При указанных временных интервалах разгрузки, контрольное время одного измерения не должно превышать 3-5 мин, а точность указанного измерения по температуре должна быть не хуже 0.5°С.
Причем прибор для указанных измерений должен быть выполнен в компактном автономном варианте, предусматривающем возможность забора пробы от любого куска шпика непосредственно на складе, в контейнере, в трейлере или холодильной камере, что в большинстве случаев исключает доступ к внешней сети питающего напряжения. При этом прибор должен непосредственно на месте забора пробы провести необходимые экспресс измерения, а их результаты сохранить в памяти устройства.
Еще одним немаловажным требованием, которому должен отвечать прибор - это простота его эксплуатации, т.к. дополнительно держать в штате высококвалифицированного специалиста в области аналитического оборудования на складе не представляется возможным. Эксплуатационная простота прибора должна предусматривать возможность его применения любым сотрудником склада, участвующим в приемке груза, в том числе людьми без специального образования (кладовщики, товароведы и т.п.).
Известно устройство для измерения температуры плавления твердых веществ (см. прибор ПТП-М1, ссылка из Интернет - http://stimyl.ru/pribory-i-apparaty/pribor-dlya-opredeleniya-temperatury-plavleniya-ptp-m.html). Прибор содержит примитивную аналитическую ячейку в виде стеклянного капилляра, нагреватель и датчик температуры, а также блок управления. Устройство предназначено для определения точки плавления кристаллических веществ в температурном диапазоне от 20°C до 340°C с точностью±0.5°C и имеет следующие основные характеристики: габариты размеры 250×250×615 мм; массу 5 кг, потребляемую электрическую мощность от сети переменного напряжения 250 Вт. Принцип действия прибора основан на температурном воздействии на исследуемые вещества в вертикально установленных стеклянных капиллярах, запаянных с нижнего конца, при различных скоростях нагрева и применяется в научно-исследовательских институтах и лабораториях химико-фармацевтической и других отраслей промышленности.
Известный прибор имеет следующие недостатки.
Во-первых, у устройства значительные массогабаритные характеристики, позволяющие вести его эксплуатацию только в лабораторных условиях.
Во-вторых, эксплуатировать прибор могут только высококвалифицированные специалисты, т.к. устройство не имеет автоматического анализатора, а факт плавления вещества определяется оператором визуально, что делает анализы зависимыми от оператора, его навыков, умений и состояния.
В-третьих, проводимые известным прибором измерения достаточно длительные и с учетом необходимости доставки взятых проб в лабораторию и их последующей подготовки, могут измеряться часами.
В-четвертых, длительная и трудоемкая подготовка проб. Для анализа пробы на данном устройстве, ее подготовка длиться 2-3 часа и включает в себя 3 стадии:
- забор материала для пробы из образца массой 5-15 грамм;
- расплавление материала пробы и заливка его в аналитическую ячейку;
- охлаждение пробы в аналитической ячейке.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является взятое в качестве прототипа устройство для измерения температуры плавления твердых веществ (см. прибор DP 70, ссылка из Интернет http://ingPoint.html).
Прибор содержит аналитическую ячейку с видеокамерой в качестве регистратора факта плавления, датчик температуры, нагреватель, а так же блок управления. Устройство предназначено для определения точки плавления твердых веществ в температурном диапазоне от 20°C-400°C. Погрешность измерения температуры в диапазоне 25…200°C составляет ±0.5°C.Устройство имеет следующие основные технические характеристики: габариты 190×350×230 мм; массу 4 кг; потребляемую электрическую мощность от сети переменного напряжения 120 Вт. Принцип действия прибора основан на температурном воздействии на исследуемые вещества в специальных ячейках, имеющих отверстие в нижней части. Устройство применяется в научно-исследовательских институтах и лабораториях химико-фармацевтической и других отраслей промышленности.
Основными недостатками известного прибора можно считать следующие.
Во-первых, устройство имеет значительные массогабаритные характеристики, что позволяет его эксплуатировать только в лабораторных условиях.
Во-вторых, проводимые известным прибором измерения достаточно длительные и с учетом необходимости доставки взятых проб в лабораторию, могут измеряться часами.
В-третьих, прибор достаточно специфичен и для работы на нем требуются специалисты достаточно высокой квалификации.
Задачей заявляемого технического решения является создание малогабаритного автономного прибора, способного проводить измерения непосредственно в условиях хранения продукта на складе, причем практически в реальном времени, при этом для эксплуатации прибора не нужны специалисты высокой квалификации.
Указанная задача в приборе для измерения температуры плавления твердых жиров, содержащем измерительный модуль, включающий аналитическую ячейку с нагревателем, термодатчиком и блоком фиксации точки плавления продукта, а также блок управления и индикации, подключенный к измерительному модулю, решена тем, что аналитическая ячейка представляет собой входной пробоотборный канал прибора, который полностью по всей длине или частично в своем поперечном сечении выполнен прозрачным для света, при этом в состав блока фиксации плавления продукта введена оптопара, излучатель и приемник которой установлены на противоположных сторонах прозрачной части пробоотборного канала.
Выполнение аналитической ячейки в виде пробоотборного канала позволяет производить измерения непосредственно на месте, где были взяты образцы проб. Таким образом, отпадает необходимость проведения нескольких наиболее продолжительных операций: забор материала для пробы из образца; расплавление материала пробы и заливка его в аналитическую ячейку; охлаждение пробы в аналитической ячейке.
Для расширения функциональных возможностей прибора, измерительный модуль снабжен аналитической ячейкой круглого или прямоугольного поперечного сечения. Использование круглого пробоотборного канала позволяет упростить забор пробы измеряемого образца шпика и быстрее прогреть пробу, т.к. объем пробы меньше. В свою очередь канал прямоугольного поперечного сечения более технологичен в производстве, т.к. его проще изготавливать и устанавливать планарные структуры (нагревателя, элементов оптопары, термодатчика), располагая их на противоположных сторонах канала.
Для ускорения процесса проведения измерений, измерительный модуль может быть снабжен одноразовой быстросъемной аналитической ячейкой из прозрачного материала с элементом ее фиксации, например, в виде паза, а прибор, в таком случае, снабжен механизмом фиксации аналитической ячейки в указанный паз.
Для уменьшения эксплуатационных расходов при использовании прибора, измерительный модуль может быть снабжен многоразовой металлической аналитической ячейкой с прозрачными для света окнами, выполненными в ее поперечном сечении, или прозрачной для света поперечной вставкой, а прибор снабжен механизмом для очистки аналитической ячейки, например, в виде поршня, установленного с возможностью перемещения по длине аналитической ячейки. Выбор между прозрачными для света окнами или прозрачной для света поперечной вставкой определяется технологией изготовления аналитической ячейки. Так в мелкосерийном производстве проще устанавливать в канал окна, а в крупносерийном - прозрачные вставки.
Для обеспечения продолжительной автономной работы прибора, измерительный модуль выполнен в виде автономной конструкции, соединенной электрическим кабелем с выносным блоком управления и индикации.
При использовании прибора в режиме ограниченного количества производимых замеров, измерительный модуль и блок управления и индикации выполнены в едином корпусе.
Таким образом, заявляемое техническое решение позволяет создать полуавтоматический прибор для проведения экспресс измерений температуры плавления твердых жиров, исключающий необходимость предварительного забора пробы, ее подготовку с последующим лабораторным анализом.
На фиг.1 представлена конструкция пробоотборника для заявляемого прибора, аналитическая ячейка которого выполнена в виде цилиндрического одноразового сменного пробоотборного канала (ОСПК). Устройство включает: 1 - щуп для забора пробы с ОСПК 2; 3 - корпус пробоотборника; 4 - фиксатор ОСПК; 5 - упорная поверхность, определяющая глубину проникновения пробоотборника в образец исследуемого материала; 6 - ручка пробоотборника; 7 - разъем для подключения измерительного блока.
На фиг.2 представлен поперечный разрез пробоотборника, дополнительно включающий: 8 - входное отверстие ОСПК; измерительный модуль 12, состоящий из оптопары (излучателя 9а и приемника 96), датчика температуры (термодатчика) 10 и нагревателя 11.
На фиг.3 представлен увеличенный фрагмент поперечного разреза входной части пробоотборника, раскрывающий конструкцию фиксатора ОСПК, дополнительно включающий: подпружиненное основание 13, пружину 14, проходную втулку 15 и накидную гайку 16.
На фиг.4 представлен рисунок ОСПК с пазом 17 для его фиксации и измерительным модулем 12.
На фиг.5 представлена конструкция пробоотборника для заявляемого прибора с цилиндрическим многоразовым пробоотборным каналом (МПК), дополнительно включающая: 18 - щуп для забора пробы с круглым осевым отверстием 19; 20 - ручка механизма очистки МПК.
На фиг.6 и 7 представлен поперечный разрез пробоотборника с МПК, поясняющий принцип работы механизма очистки МПК, дополнительно включающий: 21 - поршень механизма очистки МПК круглого сечения, 22 - МПК.
На фиг.8а и 8б представлен упрощенный вариант круглой конструкции МПК, поясняющий выполнение поперечных прозрачных окон 23 в металлическом канале 22.
На фиг.9а и 9б представлен упрощенный вариант круглой конструкции МПК, поясняющий выполнение прозрачной вставки 24 между частями МКП 22а и 22б.
На фиг.10 представлена конструкция пробоотборника для заявляемого прибора с прямоугольным МПК, дополнительно включающая: 25 - щуп для забора пробы с прямоугольным осевым отверстием 26; 27 - ручка механизма очистки МПК.
На фиг.11а и 11б представлен упрощенный вариант МПК прямоугольного сечения, поясняющий выполнение прозрачных окон, дополнительно включающий: 28 - поршень механизма очистки МПК прямоугольного сечения; 29 - МПК прямоугольного сечения; 30 - прозрачные окна на противоположных сторонах МКП.
На фиг.12а и 12б представлен упрощенный вариант МПК прямоугольного сечения, поясняющий выполнение прозрачной вставки 31 между частями МКП 29а и 29б.
На фиг.13 представлена конструкция варианта реализации заявляемого прибора с круглым МПК и переносным блоком для обработки и хранения результатов измерений, дополнительно включающая: 32 - переносной блок для обработки и хранения результатов измерений с сенсорным экраном 33, кабелем 34 для подключения к пробоотборнику через разъем 7 и плечевым ремнем 35.
На фиг.14 представлена конструкция варианта реализации заявляемого прибора с круглым МПК и встроенным блоком для обработки и хранения результатов измерений, дополнительно включающая: 36 - встроенный блок для обработки и хранения результатов измерений с сенсорным экраном 37 и разъемом для подключения к компьютеру 38.
На фиг.15 представлен поперечный разрез заявляемого прибора со встроенным блоком для обработки и хранения результатов измерений, дополнительно включающий: 39 - аккумулятор; 40 - монтажная плата прибора.
На фиг.16 представлена конструкция варианта реализации заявляемого прибора с МПК прямоугольного сечения и встроенным блоком для обработки и хранения результатов измерений.
На фиг.17 представлен поперечный разрез заявляемого прибора с МПК прямоугольного сечения и встроенным блоком для обработки и хранения результатов измерений.
Работу прибора рассмотрим на основе варианта, представленного на фиг.1-4 и фиг.13. Перед началом работы пробоотборник через разъем 7 подключается к переносному блоку обработки и хранения результатов измерений 32 кабелем 34. На переносной блок 32 по кабелю 34 должна поступать информация с датчика температуры 10 и оптопары 9а и 9б. Поступающая информация высвечивается на сенсорном экране 33.
После включения прибора необходимо подготовить пробоотборник к работе, для этого необходимо поместить ОСПК 2 в щуп для забора пробы 1. При работе с ОСПК 2, необходимо помнить, что они являются одноразовым расходным материалом и рассчитаны на проведение одной пробы. После помещения ОСПК 2 в щуп для забора пробы 1, прибор готов к работе и можно проводить отбор пробы. Для этого оператор берет в руку пробоотборник за ручку 6 и подносит его концом с ОСПК 2 к образцу. Щуп 1 острым концом вводится в анализируемый образец шпика (другого твердого жира). Вводить в образец щуп 1 нужно до упорной поверхности 5. В ходе данного процесса, анализируемый образец попадает через входное отверстие 8 внутрь ОСПК и заполняет все ее внутреннее пространство, в том числе и измерительный модуль 12. В процессе этого отобранная проба перекрывает световой поток, идущий от излучателя 9а к приемнику 9б оптопары, а также охлаждает датчик температуры 10. Процессор (на рисунках не показан) блока управления и индикации 32 фиксирует принятые сигналы с оптопары (9а и 9б) и датчика температуры 10 и автоматически переходит к режиму измерений. На сенсорном экране 33 активизируется кнопка с надписью «измерение №1». Прибор готов к проведению измерений. Оператор на сенсорном экране 33 нажимает кнопку «измерение 1» и прибор далее в автоматическом режиме проводит измерение точки плавления имеющейся пробы №1. Это происходит следующим образом. Включается нагреватель 11 и образец пробы, находящийся внутри ОСПК 2 подвергается плавлению. Точкой плавления пробы считается температура, при которой проба становиться прозрачной. При этом свет от излучателя 9а попадает на приемник 96 оптопары, а температура точки плавления регистрируется датчиком температуры 10. Процессор блока управления и индикации 32 фиксирует произошедшие события и в ячейку памяти №1 сохраняет данные о точке плавления образца №1. После этого на сенсорном экране появляется надпись «продолжить измерения» и две активные кнопки «ДА» и «НЕТ». Если оператор нажимает кнопку «ДА», появляется надпись «замените ОСПК». Для замены ОСПК 2 достаточно потянуть вверх кнопку фиксатора 4 и извлечь из щупа 1 использованный ОСПК 2, заменив его на новый. Прибор вновь готов к работе. По окончанию работы, все сохраненные в памяти прибора измерения проб можно из блока 32 через разъем (на рисунке он условно не показан) по USB кабелю перенести на ноутбук или персональный компьютер.
Аналогичным образом работают приборы, представленные на фиг.5 и фиг.10, оборудованные МПК и механизмом его очистки. Отличие состоит в том, что после завершения измерения на сенсорном экране появляется надпись «продолжить измерения» и две активные кнопки «ДА» и «НЕТ». Если оператор нажимает кнопку «ДА», появляется надпись «очистите МПК». Для очистки МПК оператор использует механизм очистки 20 (фиг.5) или 27 (фиг.10), при этом шток 21 или 28 выталкивает наружу остатки пробы из МПК. После возвращения механизма очистки МПК в первоначальное состояние (как представлено на фиг.5 и фиг.10), приборы готовы к проведению новых измерений.
Аналогичным образом работают приборы, представленные на фиг.14 и фиг.16, оборудованные встроенным блоком для обработки и хранения результатов измерений. При этом для работы с прибором используется сенсорный экран 37. Электропитание указанных приборов осуществляется за счет аккумулятора 39. Все сохраненные в памяти прибора измерения проб можно через разъем 38 по USB кабелю перенести на ноутбук или персональный компьютер.
Был изготовлен макет прибора, конструктивно совпадающий с представленным на фиг.10 устройством. Устройство имеет следующие характеристики:
- масса пробоотборного устройства 270 г;
- габаритные размеры устройства 30.0×24.0×220.0 мм;
- диапазон рабочих температур устройства - 25…50°C;
- температурный диапазон измерений - 24…80°C;
- погрешность измерения в диапазоне - 24…80°C составляет ±0.5°C;
- размер пробоотборного канала 1.0×15.0×35.0 мм;
- время проведения одного измерения 3,5 мин;
- расход электрической энергии на одно измерение 0.5 Вт;
- в качестве излучателя оптопары использован светодиод марки OLP-x5630F4M (производства ОАО «Оптоган»), производства Россия;
- в качестве приемника оптопары использован фотодиод марки КФДМ (производство ОАО «Сапфир»), производства Россия;
- в качестве термодатчика использован терморезистор марки ТР-1 (производства «ОАО Реконд»), производства Россия.