Способ и проточное устройство для определения процентных концентраций компонентов молока в потоке Российский патент 2023 года по МПК G01N21/31 G01N33/04 

Изобретение относится к молочной и пищевой промышленности для определения процентных концентраций компонентов молока в потоке на предприятиях агропромышленного комплекса.

В качестве видов молока, которые предполагается тестировать предлагаемым устройством, могут выступать любые виды молока, например, сырое коровье молоко, пастеризованное молоко, ультрапастеризованное молоко. Важнейшие параметры молока, которые необходимо измерять на предприятиях молочной промышленности – это содержание жира и белка, поскольку, в первую очередь, от них зависит пищевая ценность и рыночная стоимость молока. Вдобавок, также важно определять содержание соматических клеток и клетки крови в молоке, которое является индикатором состояния здоровья молочного животного.

Известно устройство для определения содержания жира и белка в молоке и молочных продуктах (RU 2071056 C1, МПК G01N 33/06), содержащее последовательно расположенные источник оптического излучения, линзу, а также приемники рассеянного излучения, соединенные через блок измерения с блоком индикации.

Преимуществом известного устройства является более точное измерение процентной концентрации белка и наличие учета информации о степени гомогенизации молочных продуктов.

Недостатками известного устройства является невозможность проводить поточный анализ молока, необходимость отбора проб, всего один источник излучения и, соответственно, меньший охват диапазона длин волн, а также меньший охват фотоприемниками угловой зависимости интенсивности рассеянного излучения.

Известный способ определения процентных концентраций компонентов молока в потоке, заключающийся в облучении потока молока, протекающего в стеклянной трубке, попеременно несколькими лазерными полупроводниковыми излучателями с заранее заданной длиной волн, одновременную регистрацию угловой зависимости интенсивности рассеянного излучения, проходящего сквозь поток молока при помощи фотоприемников и обработку полученных данных для определения процентных концентраций содержания сухого вещества в молоке. US 7236237 B2 (вкл. G01N 21/00, G01N 1/10, 26.06.2007 - прототип).

Недостатками известного патента на изобретение являются нарушающая движение потока молока в молочной трубке кювета, а также охватывающие меньшую часть ближнего инфракрасного диапазона длины волн источников излучения, что негативно влияет на качество анализа молока.

Известное устройство содержит ударопрочный влагозащищенный пластиковый корпус с пазами для фиксации стеклянной трубки, запрессованной в манжеты из упругого материала, лазерные полупроводниковые излучатели и фотоприёмники. US 7236237 B2 (вкл. G01N 21/00, G01N 1/10, 26.06.2007 - прототип).

Технической задачей изобретения является повышения качества поточного анализа параметров молока, снижение времени анализа, а также увеличение количества анализов за единицу времени.

Расширение области применения поточного анализа состава молока достигается за счет применения типовых для доильных аппаратов креплений и молочных шлангов, позволяющих упростить интеграцию устройства в доильные установки различных моделей, а также современных износостойких материалов для повышения надежности и долговечности устройства.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение качества анализа продукта, в частности, содержания жира, белка и лактозы в молоке.

Технический результат достигается тем, что в способе для определения процентных концентраций компонентов молока в потоке, заключающимся в том, что облучают поток молока, протекающий в стеклянной трубке, попеременно несколькими полупроводниковыми излучателями, одновременно регистрируют угловую зависимость интенсивности излучения, рассеянного двигающимся внутри трубки потоком молока, при помощи фотоприемников, обработку полученных данных проводят с помощью программного обеспечения для определения процентных концентраций компонентов молока, согласно изобретению, предварительно выбирают длины волн лазерных полупроводниковых излучателей в диапазоне 280–850 нм, регистрируют угловую зависимость интенсивности рассеянного излучения для каждого из попеременно включаемых лазерных излучателей, посредством сигналов, полученных от фотоприемников в максимально широком диапазоне углов рассеяния от 0° до 360^о, расположенных вокруг трубки с шагом 18°, после чего данные об угловой зависимости интенсивности рассеянного излучения передают на микроконтроллер, суммирующий их, затем на компьютер, который осуществляет автоматизированную обработку измеренных данных.

Технический результат достигается тем, что в устройстве для определения процентной концентрации компонентов молока в потоке, содержащим ударопрочный влагозащищенный пластиковый корпус с пазами для фиксации стеклянной трубки, запрессованной в манжеты из упругого материала, а также каналы, дополнительно заполненные герметиком, внутри которых установлены полупроводниковые излучатели и фотоприемники, согласно изобретению, стеклянная молочная трубка выполнена с круглым сечением, излучатели выполнены в виде лазерных полупроводниковых диодов с коллимирующей линзой на каждом, диоды и фотоприёмники, расположенные вокруг стеклянной трубки с шагом 90° и 18°, соответственно, запрессованны в манжеты из упругого материала и зафиксированы герметиком.

Устройство определения процентных концентраций содержания компонентов молока в потоке поясняется чертежом, на котором изображен общий вид устройства.

Устройство для определения процентных концентраций компонентов молока в потоке содержит ударопрочный влагозащищенный пластиковый корпус 1, в котором закреплены штуцер 2 для крепления молочного шланга, лазерные полупроводниковые излучатели (диоды) 3, оснащенные коллимирующими линзами 4, фотоприемники 5, расположенные в специальных пазах корпуса 1 и круглая стеклянная трубка 6, осуществляющая функцию собирающей оптической линзы. Коллимирующие линзы 4 крепятся в корпусе 1 перпендикулярно лучу диода 3 в манжеты из упругого материала (например, резины) и зафиксированы герметиком для исключения вибрационных и ударных воздействий. Аналогично, стеклянная трубка 6 запрессована в манжеты для герметизации и предотвращения протечек в корпусе 1 и дополнительно зафиксирована герметиком (силиконовым, водонепроницаемым).

Лазерные полупроводниковые излучатели 3 представляют собой четыре лазерных диода с разными длинами волн. Для диодов 3 выбраны длины волн в диапазоне 280-850 нм. Данный диапазон обладает наибольшей экстинкцией частиц исследуемых компонентов. Предпочтительными (показавшими оптимальные результаты в экспериментальных исследованиях) являются длины волн в 280, 405, 532 и 850 нм. Все диоды оснащены коллимирующими линзами 4, поскольку расходящийся пучок света лазерных диодов 3 после коллимирующей линзы 4 становится узконаправленным, что повышает точность работы прибора.

Фотоприемники 5 расположены в корпусе 1 устройства с шагом в 18° вокруг круглой стеклянной трубки 6 для обеспечения регистрации угловой зависимости интенсивности излучения, рассеянного потоком молока в диапазоне углов рассеяния от 0° до 360°, с пропуском прямых углов 0°, 90° и 180°, 270°. Пропуск прямых углов целесообразен по причине низкой информативности регистрации угловой зависимости интенсивности рассеянного излучения на этих углах. Таким образом вокруг трубки размешено шестнадцать фотоприемников 5.

Для определения процентных концентраций компонентов молока в потоке используется метод спектральной оптической скаттерометрии.

Экспериментально установлено, что на длине волны 280 нм в области прямого рассеяния имеет место монотонная зависимость индикатрисы рассеяния от процентного содержания жира, по которой можно построить градировочные кривые второго порядка зависимости значений жирности от значений интенсивности рассеяния на каждом измеряемом угле прямого рассеяния ():

,

где - коэффициенты градуировочной матрицы; для и для - значения интенсивности излучения на углах прямого рассеяния, нормированные на значения интенсивностей, измеренных на двух крайних углах обратного рассеяния, принадлежащих соответствующим полуокружностям (): и .

С целью сглаживания флуктуаций вследствие неоднородности потока молока в трубке, итоговое значение жирности определяется как среднее арифметическое по всем углам прямого рассеяния:

Полученный выходной сигнал в виде электрического тока, преобразуют в набор цифровых данных с помощью микроконтроллера (на фиг. не показан) и последовательно передают на содержащий необходимое программное обеспечение компьютер (на фиг. не показан) для вычисления процентных значений концентраций компонентов молока путем решения обратной задачи разложения измеренных зависимостей интенсивности рассеяния света от угла рассеяния по набору известных теоретических зависимостей, заранее рассчитанных для каждой из дисперсных компонент молока. Также как в случае жира, измерение содержания белка предполагается производить путем полиномиальной аппроксимации концентрационной зависимости интенсивности света, принимаемого фотоприемниками 5, при облучении потока молока, движущегося в трубке 6, на длине волны 280 нм, где белковые молекулы обладают сильным поглощением и, соответственно, фотоприемники 5 должны детектировать рассеяние флуоресцентного излучения.

Устройство определения процентных концентраций компонентов молока в потоке работает следующим образом.

Поток молока, протекающий через круглую стеклянную трубку 6, облучают попеременно четырьмя диодами 3 с установленными на них коллимирующими линзами 4. Одновременно проводится регистрация угловой зависимости интенсивности рассеянного излучения, текущего в круглой стеклянной трубке 6 потока молока при помощи шестнадцати фотоприемников 5, установленных вокруг круглой стеклянной трубки 6, содержащей поток молока, для обеспечения регистрации угловой зависимости интенсивности света, рассеянного потоком молока.

Пример 1. Измерение параметров сырого коровьего молока.

Устанавливают устройство для определения процентных концентраций компонентов молока в потоке в доильную установку. Сопряжение устройств осуществляется путем подключения штуцера 2 предлагаемого устройства к молочному шлангу. Затем, после начала доения, поток молока попадает в трубку 6, осуществляющую функцию собирающей оптической линзы, где её попеременно облучают четыре диода 3 с установленными коллимирующими линзами 4 с предварительно выбранными длинами волн в 280, 405, 532 и 850 нанометров, установленными равномерно вокруг круглой стеклянной трубки 6 с шагом в 90°. Диоды 3 и фотоприёмники 5 установлены герметично в манжеты из резины и зафиксированы герметиком. Одновременно проводится регистрация угловой зависимости интенсивности рассеянного излучения, текущего в трубке 6 потока молока шестнадцатью фотоприемниками 5 (фотодиоды ФД-263-1), установленными в корпусе 1 устройства с шагом в 18° вокруг трубки 6 для обеспечения регистрации угловой зависимости интенсивности света, рассеянного потоком молока излучения в диапазоне углов рассеяния от 0° до 360°, с пропуском прямых углов 0°, 90° и 180°, 270°. Полученный выходной сигнал фотоприемников 5 в виде электрического тока преобразуется в набор цифровых данных с помощью микроконтроллера и последовательно передаётся на содержащий необходимое программное обеспечение компьютер для вычисления процентных значений концентраций компонентов молока путем решения обратной задачи разложения измеренных зависимостей интенсивности рассеяния света от угла рассеяния зная о монотонной зависимости индикатрисы рассеяния от жирности молока, заранее рассчитанных для каждой из дисперсных компонент молока. Выходной результат содержит процентное значение жирности молока в 2,9%, лактозы – 4,6%, белка – 3,8 с точностью в 0,1%, наличие соматических клеток и клеток крови – не обнаружено.

Пример 2. Измерения параметров ультрапастеризованного молока.

Устанавливают устройство для измерения параметров молока в систему прокачки жидкости. Сопряжение устройств осуществляется путем подключения штуцера 2 предлагаемого устройства к шлангу. Поток молока попадает в трубку 6, осуществляющую функцию собирающей оптической линзы, где ее попеременно облучают четыре диода 3 с установленной коллимирующей линзой 4 с предварительно выбранными длинами волн в 280, 405, 532 и 850 нанометров. Одновременно проводится регистрация угловой зависимости интенсивности рассеянного излучения, текущего в трубке 6 потока молока шестнадцатью фотоприемниками 5, установленными в корпусе 1 устройства с шагом в 18° вокруг трубки 6 для обеспечения регистрации угловой зависимости интенсивности света, рассеянного потоком молока излучения в диапазоне углов рассеяния от 0° до 360°, с пропуском прямых углов 0°, 90° и 180°, 270°. Полученный выходной сигнал фотоприемников 5 в виде электрического тока, преобразуется в набор цифровых данных с помощью микроконтроллера и последовательно передаётся на содержащий необходимое программное обеспечение компьютер для вычисления процентных значений концентраций компонентов молока путем решения обратной задачи разложения измеренных зависимостей интенсивности рассеяния света от угла рассеяния по набору известных теоретических зависимостей, заранее рассчитанных для каждой из дисперсных компонент кефира. Выходной результат содержит процентное значение жирности молока в 1,6% с точностью 0,1%.

Возможность адаптации предлагаемого устройства позволит встраивать его в большинство существующих доильных установок, модернизируя существующие молочные фермы. Предлагаемая концепция применения прибора предоставит возможность повышать качество производимой молочной продукции без дорогостоящего переоборудования фермы, а с помощью модернизации существующих систем.

Использование способа и устройства позволит повысить качество анализа продукта.

Изобретение относится к молочной промышленности. Проточное устройство включает ударопрочный влагозащищенный пластиковый корпус 1 с пазами для фиксации стеклянной трубки 5, запрессованной в манжеты из упругого материала, лазерные полупроводниковые излучатели 3 и фотоприёмники 4. Лазерные излучатели 3 выполнены в виде лазерных полупроводниковых диодов с коллимирующей линзой 6 на каждом, расположенных по кругу вокруг стеклянной трубки 5 и шагом в 90°; фотоприёмники расположены вокруг стеклянной трубки 5 с шагом 18°. Лазерные полупроводниковые излучатели и фотоприёмники установлены герметично в манжеты из упругого материала. Изобретение позволяет повысить качество поточного анализа параметров молока. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ для определения процентных концентраций компонентов молока в потоке, заключающийся в том, что облучают поток молока, протекающий в стеклянной трубке, попеременно несколькими полупроводниковыми излучателями, одновременно при помощи фотоприемников регистрируют угловую зависимость интенсивности излучения, рассеянного потоком молока, движущегося внутри трубки, обработку полученных данных проводят с помощью программного обеспечения для определения процентных концентраций компонентов молока, отличающийся тем, что длины волн лазерных полупроводниковых излучателей выбраны в диапазоне 280-850 нм, регистрируют угловые зависимости интенсивности рассеянного излучения для каждого из попеременно включаемых лазерных излучателей посредством сигналов, полученных от фотоприемников, расположенных вокруг трубки с шагом 18° с пропуском прямых углов 0°, 90° и 180°, 270°, данные об угловой зависимости интенсивности рассеянного излучения передают на микроконтроллер, суммирующий их, и компьютер, который осуществляет автоматизированную обработку измеренных данных.

2. Проточное устройство для определения процентной концентрации компонентов молока в потоке, содержащее ударопрочный влагозащищенный пластиковый корпус с пазами для фиксации стеклянной трубки, запрессованной в манжеты из упругого материала, а также каналы, дополнительно заполненные герметиком, внутри которых установлены полупроводниковые излучатели, фотоприемники, микроконтроллер и компьютер, отличающееся тем, что стеклянная молочная трубка, осуществляющая функцию собирающей оптической линзы, выполнена с круглым сечением, излучатели выполнены в виде лазерных полупроводниковых диодов с коллимирующей линзой на каждом, диоды и фотоприёмники, расположенные вокруг стеклянной трубки с шагом 90° и 18° соответственно, запрессованы в манжеты из упругого материала и зафиксированы герметиком.