ИНФРАКРАСНЫЙ АНАЛИЗАТОР ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КАЧЕСТВА ЗЕРНА И ПРОДУКТОВ ЕГО ПЕРЕРАБОТКИ Российский патент 1995 года по МПК G01N33/10 

Изобретение относится к анализу материалов, в частности зерновых культур и продуктов из переработки, точнее к приборам, предназначенным для массовых анализов при определении качества продуктов одновременно по нескольким показателям, среди которых белок, содержание клейковины, влажность, крахмал, жир, клетчатка, зольность, твердозерность.

Область применения изобретения - лаборатории элеваторов, мельзаводов, крупяных заводов, хлебозаводов, кондитерских и других предприятий пищевой, а также комбикормовой промышленности.

Известен экспресс-анализатор кормов "Инфрапид-61" (Венгрия), принцип действия которого основан на инфракрасном диффузном отражении основных компонентов измельченных кормов, которые селективно поглощают инфракрасный свет. Анализатор включает оптическую систему с использованием монохроматора с оптической решеткой и вращающимся диском, фильтр, эталон, кювету для пробы, микро-ЭВМ на базе микропроцессора 8085 для обработки результатов преобразования сигнала датчика и управления работой схемы [1].

Недостатком приборов этого типа можно считать наличие кюветы, использование которой связано с избыточными затратами времени на ее заполнение и подготовку к работе, а также то, что образец, находящийся в кювете, прижимается к окну анализатора неравномерно (т.е. с разным усилием), что снижает точность и воспроизводимость измерений.

Известен также инфракрасный анализатор "Инфраматик-8100" для пищевых продуктов, преимущественно муки, содержащий корпус с окном, держатель для исследуемого образца, эталонный блок, шарообразную полую камеру с отверстиями для входа и выхода сканирующего луча, снабженную фотоэлементами для регистрации отраженного света, и расположенные на общей оптической оси источник света, коллиматор и вращающийся блок сменных светофильтров. С целью повышения точности анализатор снабжен светопрерывателем, размещенным за блоком светофильтров, а держатель образца выполнен в виде пластины с пазом для размещения образца, закреплен на корпусе, при этом паз расположен со стороны окна.

Исследуемый образец - мука - вводится непосредственно в паз держателя, уплотняется под заданным давлением пружинным уплотнителем. При этом мука находится в прямом контакте с окном. Излучение от источника проходит через фильтр и попадает на образец, отраженный свет собирается сферой и через отверстие в ней попадает на фотоэлемент, преобразуется в цифровой сигнал, который регистрируется микропроцессором. Также производится измерение эталона. Все измерения ведутся дважды для каждого фильтра с различными длинами волн. Микропроцессор подсчитывает величину искомого параметра [2].

Описанный анализатор наиболее близок к заявляемому и принят за прототип. К его недостаткам следует отнести: конструктивное решение держателя образца, при котором плунжер уплотняет сыпучий продукт в направлении параллельном окну, что не обеспечивает одинаковых условий контакта образца с окном и снижает точность и воспроизводимость измерений. Кроме того, фиксированное (вертикальное) расположение окна не позволяет использовать прибор для анализа образцов другой структуры и консистенции, что сужает функциональные возможности прибора и ограничивает круг его использования только сухими сыпучими продуктами.

Целью изобретения является повышение точности измерений образца материала и расширение функциональных возможностей анализатора.

Поставленная цель достигается тем, что анализатор дополнительно снабжен зеркалом, установленным между монохроматором и сферической камерой под углом 45^о к оптической оси, при этом зеркало, камера, эталонный блок и окно с держателем для образца объединены в общий узел, установленный на монохроматоре с возможностью вращения вокруг оси, совпадающей с оптической осью монохроматора.

Другим отличием является то, что окно для образца выполнено в плоской крышке, снабженной направляющими, установленной на сферической камере, при этом держатель образца выполнен в виде воронки, закрепленной на салазках, перемещающихся в указанных направляющих, обращенной выходным отверстием к окну, и вставного плунжера, по размерам и форме совпадающего с выходным отверстием воронки.

Сопоставительный с прототипом анализ указывает на отличия в дополнительных узлах, их выполнении и размещении, что обеспечивает предложению ожидаемые положительные свойства и новизну. Промышленная применимость обеспечивается серийностью основных узлов, программным обеспечением, созданием и проверкой опытного образца.

Исследование других источников информации в данной области техники показали отсутствие в них всей предлагаемой совокупности признаков и неочевидность решения для специалиста, что обеспечивает предложению соответствие изобретательскому уровню.

Рассмотрим, как каждый из отличительных признаков и их совокупность влияют на достижение поставленных целей.

Объединение указанных элементов в общий узел, установленный на монохроматоре с возможностью вращения, позволяет выбирать расположение окна для образцов различной структуры и консистенции. В частности, для сыпучих материалов окно располагают над сферической камерой и образец насыпают на окно, для образцов жидких, пастообразных продуктов. Входное окно можно расположить горизонтально, вертикально. Таким образом, конструкция узла позволяет разместить входное окно под любым удобным углом и тем самым существенно расширить функциональные возможности анализатора.

Установка дополнительного зеркала между монохроматором и сферой под углом 45^о к оптической оси обеспечивает сохранение юстировки прибора при повороте сферической камеры вокруг оси, совпадающей с оптической осью монохроматора, и обеспечивает точность измерения на разных образцах. Выполнение окна в крышке позволяет герметизировать камеру (сферу) и защитить ее от попадания продукта.

Описанное выполнение держателя образца позволяет уплотнять образец плунжером в направлении окна, что обеспечивает равномерность прижатия его и повышает точность и воспроизводимость измерений.

Держатель в виде воронки, закрепленной на салазках, позволяет легко и быстро менять образец, что сокращает время проведения анализа, облегчает труд лаборанта и повышает удобство обслуживания, что является добавочным эффектом.

На фиг.1 изображена структурная схема анализатора; на фиг.2 - узел держателя образца в аксонометрии (увеличено).

Предлагаемый инфракрасный анализатор содержит источник света 1, монохроматор 2, зеркало 3, полую сферическую камеру 4 с входным 5 и выходным 6 отверстиями, окно 7 для исследуемого образца, держатель 8 образца, фотоприемники 9, подвижный эталонный блок 10, плоскую крышку 11 с направляющими 12, воронку 13, установленную на салазках 14, вставной плунжер 15, по размерам и форме совпадающий с отверстием 16 воронки 13. Окно 7 для исследуемого образца расположено в плоской крышке 11, установленной на сферической камере 7.

Держатель образца в виде воронки 13 на салазках 14 выполнен с возможностью горизонтального возвратно-поступательного перемещения в направляющих 12.

Детали 3-10 конструктивно объединены в общий узел, обозначенный на чертеже пунктиром, причем этот узел выполнен с возможностью вращения вокруг оси, совпадающей с оптической осью.

Анализатор работает следующим образом. Свет от источника 1 проходит через монохроматор 2, отражается от зеркала 3, расположенного под углом 45^о к оптической оси (обозначена на рисунке штрих-пунктиром), и, проходя сквозь входное 5 и выходное 6 отверстия сферической полой камеры 4 и окно 7 для исследуемого образца, освещает образец, находящийся в держателе 8. Рассеянный образцом свет через окно 7 и отверстие 6 попадает обратно в сферическую полую камеру и после многократного отражения от ее стенок регистрируется фотоприемниками 9. Между окном 7 и камерой 4 расположен подвижный эталонный блок 10, который служит для формирования сигнала сравнения и может, перемещаясь, открывать и закрывать входное отверстие 6. Анализатор снабжен микро-ЭВМ БК-0010, монитором и принтером (на схеме не показаны).

Принцип действия ИК-анализатора основан на корреляции между интенсивностью диффузно отраженного от образца излучения, измеренного в ближней инфракрасной области спектра, и содержанием анализируемого компонента. Измерения производятся на фиксированных длинах волн в диапазоне 1400-2400 нм.

Расчет содержания компонента производится с использованием коэффициентов, полученных путем статистической обработки массива данных методом множественной регрессии.

При анализе не требуется применение химических реактивов и взвешивания пробы.

Оптическая схема анализатора представляет собой однолучевой спектрофотометр с вогнутой дифракционной решеткой. Измерительный цикл построен на последовательном определении оптических плотностей пробы на наборе из 2-7 длин волн, внесенных в память анализатора. В зависимости от анализируемого продукта и компонента в память прибора может быть введен любой другой набор аналитических длин волн непосредственно с клавиатуры.

В памяти прибора могут храниться градуировочные уравнения для анализа 8 продуктов по 6 показателям качества.

Анализатор позволяет определять качество продуктов различной структуры и консистенции, предел основной погрешности измерения по белку и влаге составляет 0,5% по случайной составляющей ее - 0,2%, время определения показателей в образце не более 3 мин. Анализатор по указанным параметрам превосходит серийные анализаторы "Инфраматик 8100" (Швеция-ФРГ), "Инфрапид-62" (Венгрия).

Использование: контрольно-измерительная техника, в частности оптические анализаторы качества продуктов по нескольким показателям одновременно, и может быть использовано в мукоамольно-элеваторной, пищевой и комбикормовой промышленности. Сущность: оптическая схема анализатора представляет собой однолучевой спектрофотометр с вогнутой дифракционной решеткой, снабжена зеркалом, установленным под углом 45° к оптической оси между монохроматором и сферической полой камерой, при этом зеркало, камера, эталонный блок и окно с держателем для исследуемого образца объединены в общий узел, установленный на монохроматоре с возможностью вращения вокруг оси, совпадающей с его оптической осью. На сферической камере установлена плоская крышка с направляющими, в которой выполнено окно для образца, а держатель образца выполнен перемещающимся в этих направляющих. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. ИНФРАКРАСНЫЙ АНАЛИЗАТОР ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КАЧЕСТВА ЗЕРНА И ПРОДУКТОВ ЕГО ПЕРЕРАБОТКИ, содержащий расположенные на одной оптической оси источник света, монохроматор, сферическую полую камеру с отверстиями для входа и выхода излучения и приемниками рассеянного излучения, окно для исследуемого образца, держатель образца и подвижный эталонный блок, размещенный между окном и выходным отверстием сферической камеры, отличающийся тем, что он дополнительно снабжен средством крепления держателя для исследуемого образца с направляющими и зеркалом, при этом последнее установлено между монохроматором и сферической камерой под углом 45^o к оптической оси, а средство крепления держателя смонтировано на сферической камере, причем зеркало, сферическая камера, эталонный блок и окно с держателем для исследуемого образца объединены в общий узел, установленный на монохроматоре с возможностью вращения вокруг оси, совпадающей с оптической осью, последнего. 2. Анализатор по п.1, отличающийся тем, что окно для образца выполнено в средстве крепления держателя для исследуемого образца, а последний представляет собой воронку с плунжером, размер и форма которого совпадают с выходным отверстием воронки, обращенными к окну для исследуемого образца, при этом воронка выполнена с возможностью перемещения в направляющих средства крепления держателя для исследуемого образца посредством смонтированных на ней салазок.