Оптоэлектронный датчик количества и качества молока

УДК 637.116-52

ОПТОЭЛЕКТРОННЫЙ ДАТЧИК КОЛИЧЕСТВА И КАЧЕСТВА МОЛОКА

© 2014 г. СЛ. Морен ко, Е.Н. Таран

Рассмотрен вопрос бесконтактных измерений количества двухфазного потока моло-ковоздушной смеси и содержания компонентов молока. Представлен оптоэлектронный преобразователь для счётчика количества и определения содержания жира в молоке в движущейся молоковоздушной смеси.

Ключевые слова: поток молока, качество молока, двухфазный поток, оптоэлектронный, белок молока, лактоза молока, оптическое излучение.

The article deals with the issue of contactless measurement of the amount of two-phase milk-air mixture flow and the fat content in the milk. The optoelectronic converter for the counter of the amount of the milk and definition of the fat content in the milk in moving milk-air mixture considered.

Key words: milk flow, quality of the milk, two-phase flow, optoelectronic, milk protein, lactose-free milk, optical radiation.

При использовании автоматизированных систем доения большое значение имеет не только измерение количества и расхода молока, но и содержания жира, белка и сухих веществ в нём. Существует большое количество разнообразных методов определения жирности молока. По принципу определения количества жира их можно разделить на прямые и косвенные. Прямые основаны на непосредственном выделении из пробы молока жира, к ним относятся химические методы. Но в процессе доения коров определение жирности в потоке молока этими методами достаточно трудоемко, что препятствует автоматизации этого процесса.

Для условий сельскохозяйственного производства наиболее удобны электрические методы измерения жирности молока.

Их достоинства: высокая чувствительность, малое время измерения, простота конструкции датчика и всего устройства, а также возможность измерения жирности молока непосредственно в потоке без предварительной обработки пробы.

В настоящее время разработаны косвенные физические методы [1] автоматического определения содержания жира в молоке — это фотоэлектрические, ультразвуковые, высокочастотные, кондуктометр и-ческие, термоэлектрические.

Фотоэлектрические жиромеры основаны на поглощении светового потока слоем жировых шариков. Погрешность измерений в предварительно нагретом и гомогенизированном молоке составляет 0,05%.

В устройстве [2] предлагается для определения ингредиентов молока исполь-

зовать светодиодный фотоэлектрический модуль, имеющий шестнадцать длин волн излучения. По результатам поглощения различных длин волн строится модель состава молока. Одновременно можно получить информацию о содержании жира, белка, молочного сахара, сухого вещества, воды. Устройство малогабаритное и имеет высокую скорость измерения, но не позволяет измерять эти ингредиенты в потоке.

Похожий принцип измерения реализован в полезной модели устройства, предложенной в [3], устройство работает в ближней инфракрасной области спектра. Измерение содержания компонентов молока производится по рассеянию излучения в пробе молока. Рассеянное излучение воспринимается фотоэлектрическим модулем, и производится вычисление через индексы компонентов молока.

Высокочастотные жиромеры построены на зависимости диэлектрической проницаемости молока от его жирности. Погрешность составляет 0,08%.

Устройство [4], позволяющее измерить содержание, по меньшей мере одного компонента молока, представляет собой ёмкость, содержащую образец молока, на стенках которой находятся обкладки конденсатора. В процессе измерения на них подаётся смесь трёх частот и из полиномиального выражения вычисляется значение импеданса для измеряемого компонента молока. Для получения уравнения используются взаимосвязи между отраженными и падающими сигналами, их амплитудой и фазой. Для измерений необходима неподвижная проба молока. Использование устройства в потоке возможно только с корректировкой по количеству молока в объёме измерительного преобразователя.

Ультразвуковые жиромеры позволяют получить точность 0,1%, но чувствительны к изменению температуры молока, т.к. скорость распространения ультразвука в молоке зависит от температуры. Ультразвуковые счётчики имеют недостаток, связанный с неполным заполнением молоко-провода. В этом случае возникает погрешность, обусловленная отражением ультразвука от границы молока и воздуха. Это

препятствие можно преодолеть, усложнив конструкцию. Разработаны ультразвуковые счётчики для двухфазных сред в теплоэнергетике, но конструкция их измерительного зонда, плохо приспособленная к промывке, а также высокая стоимость ограничивают их применение в молочном производстве.

В следующем устройстве [5] используется одновременное воздействие инфракрасного излучения и ультразвукового для получения спектр-модели молока и определения содержания компонентов молока. Предполагается высокая точность получения результатов.

Кондуктометрический метод измерения жирности молока обладает большой погрешностью из-за влияния рациона животных на электрическую проводимость молока. На величину электропроводности также влияют концентрация неорганических частиц молока, жира, белков, золевая часть солей и физиологическое состояние животного. Электропроводность молока изменяется в процессе доения, что приводит к появлению погрешности как от животного к животному, так и в процессе доения одного животного.

Термоэлектрический способ основан на измерении удельной теплоемкости молока, что требует некоторого времени.

Большинство методов не адаптированы для измерения жирности в потоке.

Процесс движения молока по трубопроводу доильной установки носит неустановившийся характер от ламинарного до турбулентного режимов. Это усложняет определение параметров качества молока при движении потока.

Для определения интенсивности потока молока использован способ, предложенный в [6]. Эксперименты, проведенные на реальной доильной установке, подтвердили высокую точность измерений интенсивности потока и количества молока. Кривые, полученные весовым методом и с помощью датчика, представлены на рисунке 1. Погрешность измерений количества молока составила 1,71%, погрешность измерений интенсивности потока — 1,21%.

Для определения жирности предлагается использовать длину волны излучения, которая хорошо поглощается жировыми шариками молока. В процессе проведения экспериментов получена зависимость, показанная на рисунке 2, длина волны излучения составила 550 нм. Зависимость получена при полностью заполненном измерительном объёме датчика.

В соответствии со способом измерений [7] устройство определяет количество молока в измерительном объеме датчика. Эту информацию можно использовать для коррекции заполнения датчика при определении жирности молока.

Для расширения возможностей датчика потока молока используют источник излучения, имеющий необходимые длины

волн излучения, а приёмником излучения служит цветовой сенсор, позволяющий разделить длины волн излучения для определения параметров потока и параметров качества молока.

В качестве цветового сенсора предлагается использовать микросхему ТС83200, имеющую три цветовых фильтра и позволяющую как раздельно, так и суммарно измерить поток излучения на различных длинах волн. В микросхеме цветового сенсора предусмотрена возможность переключения каналов цветовой чувствительности, это позволяет автоматизировать процесс управления, используя для измерения параметров молока микроконтроллер.

50 100 150 200 250

Время.с

Рисунок 1 - Кривая молоковыведения с удоем 10,3 л

При установке устройства вблизи доильного стакана устройство позволяет использовать его совместно с компьютером для сбора данных об индивидуальном удое и жирности молока.

В настоящее время потенциал продуктивности коров используется всего на 50-60%. Устаревшие технологии машинного доения с типовым набором операций и жесткими режимами доения не учитыва-

ют текущих физиологических потребностей каждого животного в процессе производства, не реализуют их биологические возможности. Это приводит к недополучению продукции, ограничивает возможности воспроизводства стада и сокращает ресурсы разводимых пород скота.

Предлагаемое устройство позволяет вести мониторинг удоев и качественных

w

50

40

* ЯП

параметров молока с использованием аппаратно-программного комплекса [8].

При индивидуальном учёте определяется продуктивность животного - это количество надоенного молока в целом по вымени, цель которого - нормированная раздача корма в зависимости от величины удоя. Эти данные используются также для селекционно-племенной работы со стадом. Наиболее полно характеризует продуктивность коров контроль количества молока при каждом доении животного.

В устройстве, предложенном в [9], реализован похожий метод для повышения

продуктивности коров, основанный на контроле количества молока и корректировке индивидуального рациона, если принять содержание лизина в рационе в качестве основы. Для измерения количества молока предлагается использовать цифровой счётчик молока [10].

Устройство содержит вихревую крышку, пеногасящее устройство, мембранный клапан, датчик Холла. Утверждается, что устройство обладает высокой точностью измерений, имеет низкую массу и легко тиражируется.

♦

у = 2,66 R2 = С ge0.0199x ,9948

0 2 4 6 8 10 12 14 16

Жирность,%

Рисунок 2 - Зависимость выходного напряжения датчика от жирности молока

на длине волны 550 нм

Современные тенденции измерения параметров молока направлены на получение информации не только о качестве продукта, но и использования её для управления качеством получаемого молока. Автоматизированные системы контроля за качеством производимого молока, использующие предлагаемые методы измерений позволяют получать молоко высокого качества и контролировать его качество непосредственно при получении продукта.

Литература

1. Тепел, А. Химия и физика молока / А. Тепел. - Москва: Пищевая промышленность, 1979.

2. Pat. CN102435580 (А) GO 1 N21/3 577, G01N21/359; Quick near-infrared measuring device and method for milk ingredients / Yanbo C., Xinghua W., Qiang F., Daqian S., Aimin Y. Publication date: 2012.05.02.

3. Pat. CN202372440 (U) G01N21/359; Near-infrared milk component rapid mea-

surement device / Yanbo С., Xinghua W., Qi-ang F., Daqian S., Aimin Y. Publication date: 2012.08.08.

4. Pat. US2012310541 (Al) G01N25/00, GO 1 N27/02, G06F19/00; Online determination of inter alia fat, protein, lactose, somatic cell count and urea in milk by dielectric spectroscopy between 0,3 MHz and 1,4 GHz using chemometric evaluation / Katz G., Kutscher M., Sabbah B. Publication date: 2012.12.06.

5. Pat. CN101769866 (A) G01N21/359; Device for detecting milk components and method thereof / Hui W., Xiaochao Z. Publication date: 2010.07.07.

6. Патент RU № 2315473; 7 A01J7/00; Способ измерения расхода молока и устройство для его осуществления / Забродина ОБ., Моренко С.А.; опубликовано 2008.01.27.

7. Результаты производственной проверки оптоэлектронного датчика контроля интенсивности потока молока: сборник научных трудов. - Зерноград: АЧГАА, 2011.

8. Аппаратно-программный комплекс системы производства молока сельскохозяйственного предприятия / О.Б, Забродина, В.Н. Литвинов, С.А. Моренко, О.И, Кучеренко, Е.Н. Чмелёва // Труды Кубанского аграрного университета. Серия Агроинже-нер. - 2008. - № 1. - С. 64-66.

9. Pat. CNI02132777 (А) А23К1/18; New method for preparing daily ration for improving milk production performance of high yield milch cows by taking lysine content in daily ration as standard / Xingling W., Hongbo Z., Wei Y., Wenzhi W., Jianquan S. Publication date: 2011.07.27.

10. Pat. CN2023 72440 (U) G01N21/359; Near-infrared milk component rapid measurement device / Yanbo С, Xinghua W., Qiang F., Daqian S., Aimin Y. Publication date: 2012.08.08.

References

1. Tepel A. Himiya i fizika moloka (Chemistry and physics of milk) Moskva: Pishchevayapromyshlennost, 1979.

2. Pat. CN102435580 (A) GO IN21 /3577, GO 1N21/359; Quick near-infrared measuring device and method for milk ingredients, Yanbo C., Xinghua W , Qi-

ang F., Daqian S., Aimin Y. Publication date: 2012.05.02.

3. Pat. CN202372440 (U) G01N21/359; Near-infrared milk component rapid measurement device, Yanbo C , Xinghua W., Qiang F., Daqian S., Aimin Y. Publication date: 2012.08.08.

4. Pat. US2012310541 (Al) G01N25/00, G01N27/02, G06F19/00; Online determination of inter alia fat, protein, lactose, somatic cell count and urea in milk by dielectric spectroscopy between 0,3 MHz and 1,4 GHz using chemometric evaluation / Katz G., Kutscher M., Sabbah B. Publication date: 2012.12.06.

5. Pat. CNI01769866 (A) G01N21/359; Device for detecting milk components and method thereof, Hui W., Xiaochao Z. Publication date: 2010.07.07.

6. Patent RU № 2315473; 7 A01J7/00; Sposob izmereniya raskhoda moloka i ustro-jstvo dlya ego osushchestvleniya (Method for milk flow measuring and the device for its realization), Zabrodina O.B., Morenko S.A., opublikovano 2008.01.27.

7. Rezultaty proizvodstvennoj proverki optoehlektronnogo datchika kontrolya inten-sivnosti potoka moloka: sbornik nauchnyh trudov (The production test results of the optoelectronic milk flow intensity sensor controls), Zernograd: ACHGAA, 2011.

8. Zabrodina O.B., Litvinov V.N., Morenko S.A., Kucherenko O.T., Chmelyo-va E.N. Apparatno-programmnyj kompleks sistemy proizvodstva moloka sel'skohozyajst-vennogo predpriyatiya (Agricultural enterprise hardware-software complex system of milk production), Trudy Kubanskogo agrarnogo universiteta. Seriya Agroinzhener, 2008, No 1, pp. 64-66.

9. Pat. CNI02132777 (A) A23K1/18; New method for preparing daily ration for improving milk production performance of high yield milch cows by taking lysine content in daily ration as standard, Xingling W., Hongbo Z., Wei Y., Wenzhi W., Jianquan S. Publication date: 2011.07.27.

10. Pat. CN2023 72440 (U) G01N21/359; Near-infrared milk component rapid measurement device, Yanbo C., Xinghua W., Qiang F., Daqian S., Aimin Y. Publication date: 2012.08.08.

Сведения об авторах

Моренко Сергей Алексеевич - канд. тех. наук, доцент кафедры «Теоретические основы электротехники и электроснабжение сельского хозяйства», Азово-Черноморский инженерный институт ФГБОУ ВПО ДГАУ в г. Зернограде (Ростовская область, Россия). Тел.: 8(86359)43-5-68, 8-928-155-61-36. E-mail: morenko@front.ru.

Таран Елена Николаевна - канд. тех. наук, доцент кафедры «Теоретические основы электротехники и электроснабжение сельского хозяйства», Азово-Черноморский инженерный институт ФГБОУ ВПО ДГАУ в г. Зернограде (Ростовская область, Россия). Тел.: 8(86359)43-5-68, 8-918-562-37-11. E-mail: taranelena@yandex.ru.

Information about the authors

Morenko Sergey Alexeevich - Candidate of Technical Sciences, associate professor of the Safety of technological processes and productions department, Azov-Black Sea Engineering Institute FSBEE HPE "Don State Agrarian University" in Zernograd (Rostov region, Russia). Phone: 8(86359)43-5-68, 8-928-155-61-36. E-mail: morenko@front.ru.

Taran Elena Nikolaevna - Candidate of Technical Sciences, associate professor of the Safety of technological processes and productions department, Azov-Black Sea Engineering Institute FSBEE HPE "Don State Agrarian University" in Zernograd (Rostov region, Russia). Phone: 8(86359)43-5-68, 8-918-562-37-11. E-mail: taranelena@yandex.ru.