УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОДГОТОВКИ И ПОДАЧИ ПРОБ МОЛОКА Российский патент 2024 года по МПК G01N35/00 

Изобретение относится к устройству для подготовки и подачи проб молока в измерительный модуль анализатора, в частности, для подготовки партии образцов молока для определения молочного жира, белка и других сопутствующих параметров.

Молоко не является гомогенным веществом с постоянным составом. Результат аналитического определения физико-химических составляющих молока зависит от самых разных факторов. Анализ начинается с отбора и подготовки пробы, затем испытания по определенной методике проводит человек, предположительно владеющий соответствующими навыками, и на последнем этапе происходит обработка данных. С учетом вариаций, возможных на всех указанных этапах, результаты измерений могут сильно отличаться друг от друга. Для предотвращения различий в результатах измерений предпринята автоматизация этапа подготовки проб, как самого подверженного влиянию человеческого фактора.

Известно техническое решение полностью автоматический анализатор грудного молока (патент Китая № CN 106290949, МПК G01N 35/02, опубл. 04.01.2017). Полностью автоматический анализатор грудного молока включает в себя опорную пластину 1, механизм позиционирования 13, первую пластину 4, вторую пластину 5, множество чашек для проб 6 и механизм загрузки проб 3. Первая пластина 4 и второй диск 5 выполнен соосным, первый диск 4 расположен над вторым диском 5 и жестко соединен со вторым диском 5, первый диск 4 снабжен множеством полых отверстий 7, причем каждое полое отверстие 7 проходит по окружности первого диска 4, распределенного по периферии каждой чашки 6 для проб грудного молока, и каждая чашка 6 для пробы закреплена с возможностью отсоединения в каждом полом отверстии 7; Проба перемещается вверх от чашки 6 для образца; при этом вторая пластина 5 снабжена сквозными отверстиями 12, предпочтительно тремя сквозными отверстиями 12; механизм 13 позиционирования содержит трансмиссионный вал 15 и лоток 1 7, один конец трансмиссионного вала 15 шарнирно соединен с нижней пластиной 1, а другой конец жестко соединен с лотком 17, а лоток 17 жестко соединен с второй лоток 5; поскольку первый лоток 4 жестко соединен со вторым лотком 5, первый лоток 4, вторая пластина 5 и каждая чашка для проб 6 шарнирно соединены с нижней пластиной.

В качестве недостатка данного решения можно выделить отсутствие предварительной подготовки проб молока, а именно выполнение одновременного нагрева и перемешивания, следствием чего является невысокая производительность.

В качестве ближайшего аналога (прототипа) заявляемого изобретения по совокупности существенных признаков принято техническое решение автоматизированный комплекс лактан (Сайт: https://www.laborkomplekt.ru/?page=7&sid=4&srid=52&iid=679 (дата доступа: 20.05.2024). Принцип действия анализатора молока основан на измерении скорости и степени затухания ультразвуковых колебаний при прохождении их в молоке при двух различных температурах. Анализатора молока Лактан исп.700 осуществляет комплексный анализ молока в автоматическом режиме по пяти параметрам, с предварительным перемешиванием, но без подогрева проб (за одну итерацию он измеряет 10 проб) и без автоматической промывки.

В качестве недостатков аналога (прототипа) можно выделить отсутствие возможности одновременного нагрева и перемешивания, следствием чего является невысокая производительность и высокая зависимость от человеческого фактора при подготовке пробы, что в свою очередь влечет низкую объективность результатов измерений.

Целью настоящего изобретения является увеличение производительности и повышение объективности полученного результата измерений.

Поставленная цель достигается тем, что устройство для подготовки и подачи проб молока одновременно нагревает до оптимальной температуры пробы молока и промывочные жидкости (полностью снимает роль компетенций лаборанта и качества его работы), а также одновременно нагревает и перемешивает пробы молока, что существенно сокращает время измерений и увеличивает производительность.

Соответственно, технический результат заявляемого технического решения состоит в следующем.

Предлагаемое изобретение позволяет увеличить производительность и повысить объективность полученного результата измерений, за счет включения в конструкцию устройства для подготовки и подачи проб молока конструктивных элементов, которые влияют на одновременный нагрев до оптимальной температуры до 60 проб молока и промывочных жидкостей, и одновременный нагрев, и перемешивание проб молока.

Технический результат достигается тем, что устройство для подготовки и подачи проб молока включает ванну преднагрева 1 на которой установлен планарный манипулятор 2, ванна преднагрева 1 содержит корпус 7, в котором установлены стаканчики для молочных проб 3 и стаканчики для промывочных жидкостей 4, термостат 15, плату контроля 14, которая формирует сигналы включения силового реле 13 и измеряет температуру теплоносителя, емкость для теплоносителя 8 на которую крепятся нагревательный элемент 9, датчики температуры 10, трубка для слива теплоносителя 11, планарный манипулятор 2 содержит раму 17, направляющие 6, линейные направляющие рельсы 21, блок перемешивания 5, блок электроники и систему подачи проб в измерительную ячейку 20.

Предпочтительно оптимальная температура нагрева стаканчиков для молочных проб 3 и стаканчиков для промывочных жидкостей 4 составляет 30-40°С.

Предпочтительно блок перемешивания 5 предназначен для перемешивания проб молока мешалкой 16 в стаканчиках для молочных проб 3 со скоростью до 2000 об/мин.

Заявляемое техническое решение поясняется изображениями устройства для подготовки и подачи проб молока. На фиг. 1 показано устройство для подготовки и подачи проб молока, где 1 - ванна преднагрева; 2 - планарный манипулятор.

На фиг. 2 показаны конструктивные элементы ванны преднагрева, где 3 - стаканчики для молочных проб; 4 - стаканчики для промывочных жидкостей; 7 - корпус ванны преднагрева; 8 - емкость для теплоносителя; 9 - нагревательный элемент; 10 - датчики температуры; 11 - трубка для слива теплоносителя; 12 - разъем для сети питания 220 В; 13 - силовое реле; 14 - плата контроля; 15 - термостат.

На фиг. 3 показаны конструктивные элементы планарного манипулятора, где 5 - блок перемешивания; 6 - направляющие; 16 - мешалка; 17 - рама манипулятора; 18 - актуатор; 19 - привод подвижных осей; 20 - система подачи пробы в измерительную ячейку анализатора; 21 - линейные направляющие рельсы; 22 - зубчатый ремень; 23 - шаговый двигатель; 24 - кронштейн; 25 - управляющая плата Arduino Mega 2560; 26 - платы расширения RepRap Arduino Mega Pololu Shield (RAMPS) 1.4.; 27 - драйвера шаговых двигателей A4988; 28 - кронштейн; 29 - крышка; 30 - кабель-каналы, 31 корпус блока перемешивания, 32 - заборник.

Для получения технического результата изобретение может быть осуществлено следующим предпочтительным образом, не исключающим иные варианты осуществления в рамках заявленной формулы изобретения.

Устройство для подготовки и подачи проб молока включает ванну преднагрева 1 на которую сверху установлен планарный манипулятор 2 и соединен кабелем с управляющей платой 25.

Ванна преднагрева 1 включает стаканчики для молочных проб 3 и стаканчики для промывочных жидкостей 4.

Ванна преднагрева 1 обеспечивает нагрев стаканчиков с молочными пробами 3 и стаканчиков с промывочными жидкостями 4 до температуры от 5°С до 43°С, которая необходима для проведения анализа, при этом оптимальная температура 30-40°С.

К емкости для теплоносителя 8 крепятся нагревательный элемент 9, датчики температуры 10, трубка для слива теплоносителя 11.

В качестве теплоносителя выступает вода, которая осуществляет равномерный нагрев молочных проб до оптимальной температуры 30-40°С.

В качестве нагревательного элемента 9 используют силиконовый нагревательный элемент для нагрева воды.

Нагревательный элемент 9 крепится ко дну корпуса 7 ванны преднагрева 1, не попадая в зону, доступную пользователю, а также при его применении не требуется дополнительная доработка емкости для теплоносителя 8 - сверления отверстий для подведения напряжения питания к нагревательному элементу 9, а также их герметизации, чтобы теплоноситель не выливался за пределы емкости для теплоносителя 8.

В качестве емкости для теплоносителя 8, была выбрана стандартная гастроемкость. Емкость для теплоносителя 8 используют для хранения теплоносителя.

Для изготовления корпуса 7 ванны преднагрева 1 был выбран композитный материал, представляющий из себя пластиковые и алюминиевые плиты, склеенные между собой. Достоинством данного материала является его легкость и одновременно прочность. Также корпус из композитного материала прост в производстве и сборке. Кроме того, стоимость данного решения значительно ниже, чем, например, изготовление подобного корпуса из цельнометаллического материала с последующей гибкой.

В качестве датчиков температуры 10 используются NTC терморезисторы, монтируемые в корпуса, выполненные из нержавеющей стали. Всего в емкость для теплоносителя 8 устанавливается два датчика температуры. Один предназначен для работы термостата 15, второй подключается к плате контроля 14.

Блок электроники включает в себя разъем 12 для подключения питания, силовое реле 13, плату контроля 14 и термостат 15.

За нагрев теплоносителя до требуемой температуры отвечает термостат 15 STC-1000, контакты которого подключаются к нагревательному элементу 9 через силовое реле 13.

На плате контроля 14 расположены разъемы для подключения датчиков температуры 10. Сигналы включения силового реле 13 формирует плата контроля 14 (Nucleo-F401RE), которая также измеряет температуру теплоносителя и передает ее на анализатор (не показан на фиг. 1-3), по интерфейсу USB. Питание силового реле 13 осуществляется при помощи источника питания, преобразующего входное сетевое напряжение в 12В постоянного тока. Данный источник питания также обеспечивает питанием блок электроники планарного манипулятора 2.

Ванна преднагрева 1 предназначена для одновременного нагрева проб молока и моющих растворов до температуры +43°С.

Планарный манипулятор 2 предназначен для обеспечения автоматического перемешивания молочных проб для достижения высокой однородности физико-химических компонентов проб молока, а также для обеспечения роботизированного забора пробы из стаканчика и подачи пробы в измерительный модуль анализатора (на фиг. 1-3 не показан), а также для подачи промывочных жидкостей в измерительный модуль анализатора (на фиг. 1-3 не показан). Планарный манипулятор обеспечивает передвижение блока перемешивания 5 в четырех направлениях: горизонтальном, вертикально, по диагонали в вертикальном и по диагонали в горизонтальном.

Планарный манипулятор 2 устанавливается на ванну преднагрева 1 по направляющим 6, которые позволяют выравнивать их относительно друг друга с точностью, требуемой для обеспечения перемешивания и забора молочных проб.

Планарный манипулятор 2 включает раму манипулятора 17, блок перемешивания 5, состоящий из двух актуаторов 18 и мешалки 16, элементы привода подвижных осей 19, блок электроники и систему подачи пробы в измерительную ячейку анализатора 20, включающую заборник 32.

Для изготовления рамы манипулятора 17, на которой располагаются исполнительные механизмы, был выбран алюминиевый конструкционный профиль размерами 20х20 мм в поперечном сечении, усиленный тем же композитным материалом, из которого сделан корпус ванны преднагрева 7, который создает жесткую и не дорогую конструкцию. Профиль имеет пазы для закладных гаек со всех четырех сторон, что позволяет легко разместить на нем все необходимые кронштейны. Выбор в пользу данного решения был сделан исходя из требуемой точности, жесткости конструкции и минимальной стоимости.

Альтернативными решениями могли бы быть фрезерованная рама, либо изготовление рамы из металлического листа с последующей гибкой. Фрезерованная рама обладала бы крайне высокой точностью, однако стоила бы очень дорого, а рама из металлического гнутого листа имела бы недостаточную точность, что усложнило бы дальнейшую сборку и настройку.

Выбранная конструкция планарного манипулятора 2 позволяет размещать на себе линейные направляющие рельсы 21 из нержавеющей стали для перемещения сборки актуаторов 18 по осям X, Y и Z.

Мешалка 16 представляет собой три дугообразно изогнутых лопасти, соединенных у основания и в точке вершины. Лопасти изготовлены из композитного материала, препятствующего налипанию молочного жира и обеспечивают равномерное перемешивание пробы внутри молочного стаканчика.

Приводным элементом планарного манипулятора 2 служит зубчатый ремень 22. Ременная передача позволяет упростить сборку и настройку планарного манипулятора за счет низких требований к соосности роликов и шестерней (на фиг. 1-3 не показаны). Зубчатый ремень 22 оптимально подходит для перемещения блока перемешивания 5 по осям X, Y и Z и имеет невысокую стоимость в отличии, например, от шарико-винтовой передачи, не боится контакта с водой. В качестве направляющих для перемещения были выбраны линейные направляющие рельсы 21, потому что они могут выдержать большое количество циклов работы планарного манипулятора 2 без дополнительного обслуживания в процессе эксплуатации. Также направляющие 21 доступны в нержавеющем исполнении и соответственно не требуют дополнительной защиты от воды.

Приводным элементом зубчатого ремня 22 является шаговый двигатель 23, который позволяет быстро и точно позиционировать планарный манипулятор 2 над заданной областью в рабочей зоне устройства для подготовки и подачи проб молока.

В состав блока перемешивания 5 входят два вертикальных актуатора 18, выполняющих функции:

- перемешивания при помощи мешалки 16 со скоростью до 2000 об/мин;

- забора и подачи проб молока при помощи заборника 32 в измерительный модуль анализатора (на фиг. 1-3 не показан).

Несущий конструкцией, на которой расположены все приводные механизмы актуатора 18, является кронштейн 24, изготовленный из гнутого листа нержавеющей стали. При изготовлении кронштейна 24, в листе сразу выполняются резьбы для присоединения элементов актуатора 18, что облегчает сборку. Кронштейн 24 изготавливается по технологии лазерной резки и гибки, это довольно распространенная и не дорогая производственная технология, позволяющая получить сложный цельный элемент. Фрезерованная деталь такой конфигурации стоила бы в разы дороже.

На кронштейне 24 расположены линейные нержавеющие направляющие (на фиг. 1-3 не показаны), такие же, как и на осях X и Y, но другого типоразмера. Приводом служит ременная передача с шаговым мотором и системой роликов (на фиг. 1-3 не показаны), которая позволяет мешалке 16 перемещаться по оси Z. Зубчатый ремень 22 применяется замкнутый, поэтому в системе роликов есть натяжной и обводной ролики.

Вращательное движение венчику мешалки 16 придает шаговый двигатель (на фиг. 1-3 не показан). Венчик установлен на ось шагового двигателя (на фиг. 1-3 не показан), таким образом перемешивание происходит без дополнительной редукции.

В вертикальном актуаторе 18 применены те же те технические решения, что и в актуаторе 18 перемешивания пробы. Исключение составляет лишь то, что в данном актуаторе 18 отсутствует шаговый двигатель, выполняющий вращение заборной трубы.

Блок электроники планарного манипулятора 2 отвечает за управление всеми подвижными элементами планарного манипулятора. Конструктивно блок электроники состоит из двух плат, управляющей платы 25 (Arduino Mega 2560), платы расширения 26 (RepRap Arduino Mega Pololu Shield (RAMPS) 1.4). Также на плату расширения 26 (RAMPS 1.4) устанавливается четыре модуля драйверов шаговых двигателей 27 (A4988).

Управляющая плата 25 Arduino Mega 2560 обеспечивает обмен данными с программным обеспечением, установленном на анализаторе (на фиг. 1-3 не показан), а также отвечает за формирование необходимых управляющих сигналов, для модулей драйверов 27 шаговых двигателей. Управляющая плата 25 отвечает за получение сигналов и корректную их обработку с концевых датчиков движения (на фиг. 1-3 не показаны), которые регистрируют начальные точки движения мешалки 16 и заборника 32 планарного манипулятора 2.

Плата расширения 26 RAMPS 1.4 предназначена для сопряжения сигнальных линий между модулями драйверов шаговых двигателей 27, концевыми датчиками (на фиг. 1-3 не показаны) и управляющей платой 25 Arduino Mega 2560.

Блок электроники располагается на кронштейне 28 в задней части планарного манипулятора 2 и закрывается пластиковой крышкой 29, защищающий его от брызг и попадания посторонних предметов. Внешние электротехнические элементы, подключаются к блоку электроники проводами и проложены в гибких кабель-каналах 30.

Планарный манипулятор 2 предназначен для перемешивания проб мешалкой 16 со скоростью до 2000 об/мин для достижения высокой однородности проб молока и погрешности проводимых измерений не более 0,07%, уменьшения времени одного измерения от 55 до 26 с и повышения производительности работы на анализаторе молока до 100 измерений в час.

Конструктивно ванна преднагрева и манипулятор представляют два независимых устройства, что позволяет использовать их как вместе, так и отдельно друг от друга.

Таким образом предложенное выполнение устройства для подготовки и подачи проб молока позволяет увеличить производительность и исключить влияние человеческого фактора на качество подготовки проб.

Заявитель в настоящее время осуществляет собственное промышленное использование устройства для подготовки и подачи проб молока.

Изобретение относится к устройству для подготовки и подачи проб молока в измерительный модуль анализатора и может быть использовано для подготовки партии образцов молока для определения молочного жира, белка и других сопутствующих параметров. Устройство для подготовки и подачи проб молока включает ванну преднагрева, содержащую корпус, в котором установлены стаканчики для молочных проб и стаканчики для промывочных жидкостей, термостат, плату контроля, формирующую сигналы включения силового реле и измеряющую температуру теплоносителя, ёмкость для теплоносителя, на которую крепятся нагревательный элемент, датчики температуры, трубка для слива теплоносителя, на ванную преднагрева установлен планарный манипулятор, содержащий раму, направляющие, линейные направляющие рельсы, блок перемешивания, блок электроники и систему подачи проб в измерительную ячейку. Техническим результатом является увеличение производительности и повышение объективности полученного результата измерений. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Устройство для подготовки и подачи проб молока, включающее ванну преднагрева, содержащую корпус, в котором установлены стаканчики для молочных проб и стаканчики для промывочных жидкостей, термостат, плату контроля, формирующую сигналы включения силового реле и измеряющую температуру теплоносителя, ёмкость для теплоносителя, на которую крепятся нагревательный элемент, датчики температуры, трубка для слива теплоносителя, на ванную преднагрева установлен планарный манипулятор, содержащий раму, направляющие, линейные направляющие рельсы, блок перемешивания, блок электроники и систему подачи проб в измерительную ячейку.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оптимальная температура нагрева стаканчиков для молочных проб и стаканчиков для промывочных жидкостей составляет 30-40°С.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что блок перемешивания предназначен для перемешивания проб молока мешалкой в стаканчиках для молочных проб со скоростью до 2000 об/мин.