Устройство измерения количественного состава пищевых продуктов Советский патент 1992 года по МПК G01N24/08 

Сущность изобретения устройство со держит согласующий усилитель 1 два ре гулируемых масштабных усилитрлч 4 и 5 двз сумматора 6, 7 дзл логярш} тических ус и лителя8 9 вычитатель 10 инвертор И сгро- бируемый 1люч 2 3 блок задержки 16 блок 12 контроля значений ко эффициентсв масштабных УГИЛИгелей 1 ил

ГО СО

ю

Устройство предназначено для точного измерения отдельных протоносодержащих компонент пищевых продуктов в импульсных ЯМР-анализаторах, например содержания твердой жировой фазы в маслах и жирах, семенах масличных культур, определения содержания влаги в молочных продуктах. Может быть использовано в задачах геофизики, при исследовании недр земли методами переходных процессов, биологии, медицине и других областях науки.

Известны способы и устройства, позволяющие проводить количественный анализ гетерогенных систем, например пищевых продуктов, на основе измерения сигнала спада свободной индукции (СИ) с помощью ЯМР-анализагоров.

Сложность практической реализации устройства связана с необходимостью предварительного анализа неизвестного продукта для выбора параметров параметрического избирательного фильтра (П1/1Ф), а также сложность схемотехники

Наиболее близко к предлагаемому устройство измерения твердой фазы жира.

Устройство включает входной согласующий усилитель, выход которого подключен к первому входу стробирующего ключа, второй вход которого подключен к выходу блока регулируемой задержки, и масштабный усилитель с регулируемым коэффициентом усилия, интегратор текущего сигнала, ком- 1аратор и индикатор состояния компаратора, отмечающий момент времени Г0,при котором появляется вклад протонов очередной фазы.

При простоте технического решения рассмотренное устройство обладает некоторыми недостатками, главным из которых является то, что высокая точность измерения содержания протонных фракций возможна только при отношении сигнал-шум на входе усилителя 40 дБ, а также при отсутствии дестабилизирующих температурных и аппаратурных факторов,таких как стабильность однородности магнитного поля д Ид, стабильности коэффициента передачи усилительного тракта, условий возбуждения и т п Поэтому практически достаточная точность не превышает 5-7%. Целью изобретения является повышение точноеги измерения за счет устранения влияния дестабилизирующих температурных и аппаратурных факторов при низком отношении сигнал-шум.

Согласно изобретению устройство дополнительно содержит коррелятор, например типа Х6-6, второй масштабный усилитель с регулируемым коэффициентом

усиления, два аналоговых сумматора, два логарифмических усилителя, вычитатель, инвертор и блок контроля значений регулируемых коэффициентов усиления, выпол- ненный по схеме, содержащей аналоговый коммутатор, выход которого подключен к аналого-цифровому преобразователю, цифровые выходы АЦП подключены к информационным входам микроконтроля, например 0 типа МС2702, при этом выход блока задержки подключен к синхронизирующему входу микроконтроллера, пусковому входу аналого-цифрового преобразователя и стробирующему входу аналогового комму- 5 татора, два других входа которого подключены к выходам логарифмических усилителей, причем выходы масштабных усилителей подключены соответственно к первым входам сумматоров, выход корреля- 0 тора подключен к вторым входам этих сумматоров, их выходы соединены с входами логарифмических усилителей, а выходы последних подключены к прямому и инверсному входам вычитателя. выход вычитателя 5 соединен с входом инвертора, а выход последнего является выходом устройства.

Устройство изображено на чертеже Оно включает входной согласующий усилитель 1, стробируемый ключ 2, коррелятор 3, 0 два регулирующих масштабных усилителя 4, 5 типа Х6-6-3, два сумматора на операционных усилителях 6, 7 и логарифмических усилителя 8,9, вычитэтель10, инвертор 11,блок контроля значений коэффициентов масш- 5 табных усилителей 12, состоящий из аналогового коммутатора 13, аналого-цифрового преобразователя 14 и микроконтроллера типа МС2702-15, блок задержки 16, причем выход входного согласующего усилителя 1 0 подключен к информационному входу стробирующего ключа, его выход соединен с обоими входами масштабных усилителей 4, 5 и входом коррелятора 3, выходы масштабных усилителей подключены к первым вхо- 5 дам сумматоров 6. 7, а выход коррелятора подключен к вторым входам этих сумматоров. Выходы сумматоров подключены к входам логарифмических усилителей 8. 9 Выход первого логарифмического усилите- 0 ля подключен к прямому, а выход второго - к инверсному входам вычитателя 10. выполненного на аналоговой интегральной схеме К140-УД8. Его выход подключен к входу инвертора 11, а выход инвертора является вы- 5 ходом всего устройства. Выходы блока задержки 16 соединены с управляющим входом стробируемого ключа 2, пусковым входом коррелятора 3, синхронизирующим входом микроконтроллер 15, пусковым входом АЦП 14 и стробирующими входом аналогового коммутатора.

Устройство работает следующим образом,

Измеряемый сигнал с выхода усилительного тракта спектрометра подается на вход согласующего усилителя. По сигналу Пуск, поступающему с блока управления спектрометра, блок задержки вырабатывает необходимые управляющие импульсы, с помощью которых производятся выборки сигнала на интервале спада процессии. Эти сигналы после масштабного преобразования усилителями 4, 5 поступают на суммирующие усилители, где они складываются со значениями корреляционных функций этих выборок, поступающих с выхода коррелятора. После логарифмирования суммарная смесь сигнала и его корреляционной функции, полученная в двух каналах, вычитаются, и результат инвертируется с некоторым смещением + 1, что необходимо согласно расчетным соотношениям. Контроль установки значений коэффициентов усилия масштабных усилителей, при которых обеспечивается строгая линейность спада (в логарифмическом масштабе) производится блоком анализа 12, состоящим из аналогового коммутатора, АЦП и микроконтроллера.

Работа устройства базируется на следующих теоретических предпосылках.

Переходная функция двухфазной спиновой системы h(t), без учета диффузионных процессов, после воздействия тг/2 импульса описывается уравнением:

-а t-an t

h(t) Cie+C2e ,(1)

где Ci, €2 - количественное содержание ядер в первой и второй фазах;

а. , а.2 - скорости релаксации ядер в этих фазах соответственно.

Корреляционная функция R(x) того же сигнала на интервале т

R(r) O(t)h(ntfdt(2)

Подставив (1) в (2) и проведя необходимые преобразования, получим.

„ -

ГЗ р- 2 «it

М -%7й-е

4, OC2e Gir -(ai-+oa)t + -(tn+oa) eh

- C&

, CiC2e-(«1 +«)

4 7anW e+

+

ве -да

-202. в

-($ 4--ClC2 W aiT -(ТаТ+оГ№е+

+ Г Cl С2 4- С t Т + 02 2йг

(3)

Для удобства в дальнейшем запишем (3) в виде:

15 R(t)Bie aiT4B2e Q;2r(4)

где положено:

.C1C2

20

2 а а + а.2

fe-ACL+.a

а +О2 2аг

(5)

Обозначив через Ki и «2 неравные коэффициенты усиления, введем в рассмотрение два суммарных сигнала

Fi(r) R(r)+Kih(r)(6)

F2(r)R(z) +K2h(r )(7)

Подставим (1) и (4) в (6) и (7) и вычислим

натуральные логарифмы моделей сигналов Fi(r )иР2(г)

ln|Fi(r)| ln|(Bi + KiCi)e+(B2+

- СС-2 Т

+ KiC2)eI .(8)

i-air

In | F2(r )ln (Bi + K2Ci)e+(B2 +

-05 г . 40 + K2C2)e|.(9)

Если установить коэффициенты усиления Ki и К2 равными1

к - В2 KI -

то из (8) и (9) получим:

Fi(r)-ln) B1 -E -J|-aiT-ln| BiC2-B2Cil50 -lnC2-air;

(10)

81 Си

F2(r) ln|B2- |-«2r ln|B2Ci-BiC2l- -InCi -02Г ,(11)

При г О будем иметь из (10) и (11)

Fi(0)m ln t BiC2- B2Cil - nC2, F2(0)m in B2Ci - BiC2| - InC

Найдем сигнал, равный разности сигналов Fl(0)m И F2(0)m

Fi(0)m - Fi(0)m - F2(0)m - InCi - lnC2 In Из последнего равенства следует:

Cl F3(0)m

7

C2

(12)

Используя (1) и (12), получим систему уравнений для т 0

(13)

LCi + С2 С где положено:

РЗ(О)ГП а е; С - h(0)

Решая систему (13), получим:

C1 F-FT; (14)

Контроль линейности функций у In | Fi(r )| и у In I F2( г )|при подборе значений коэффициентов усиления Ki и «2 можно проводить по известному критерию прохождения прямой через три точки:

( Г р. Ур).( д. Уд)- г, Уг )(15)

Уг Уд „ Уд - Ур

ZY - Јд д - 7р

где индексы р, q, r удовлетворяют условиям:

р 0, 1,2п -2; q 1,2п - 1; г 2,3,

.... п; 0 $ (здесь п + 1 означает общее число измерений).

Если гр р А г: tq - g А г: гг г Д г, где Дт - шаг измерений, то (15) можно записать в виде

(1б)

Уд - Ур q - Р

Уравнение (14) определяет содержание компонент в суммарном сигнале ЯМР при нулевой задержке, т. е. непосредственно после окончания 90-градусного импульса.

Полученные расчетные формулы положены в основу разработанного измерителя

0

5

0

5

0

5

0

4Ј

количественного состава пищевых продуктов.

Формула изобретения Устройство измерения количественного состава пищевых продуктов, содержащее входной согласующий усилитель, выход которого соединен с первым входом стробиру- ющего ключа, второй вход которого соединен с выходом блока задержки, и масштабный усилитель с регулируемым коэффициентом усиления, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения за счет устранения влияния дестабилизирующих температурных и аппаратурных факторов при низком отношении сигнал/шум, в устройство дополнительно введены коррелятор, второй масштабный усилитель с регулируемым коэффициентом усиления, два сумматора, два логарифмических усилителя, вычитатель, инвертор и блок контроля значений регулируемых коэффициентов усиления, включающий аналоговый коммутатор, выход которого соединен с аналого-цифровым преобразователем (АЦП), цифровые выходы которого соединены с информационными входами микроконтроллера, при этом выход блока задержки соединен с синхронизирующим входом микроконтроллера, пусковым входом АЦП,-стробирующим входом аналогового коммутатора и первым входом коррелятора, второй вход которого и входы масштабных усилителей соединены с выходом стробирующего ключа, выходы масштабных усилителей соединены с первыми входами сумматоров, вторые входы которых соединены с выходом коррелятора, выходы сумматоров соединены с входами логарифмических усилителей, выходы которых соединены с входами аналогового коммутатора и прямым и инверсным входами вычитзтеля, выход вычитателя соединен с входом инвертора, а выход последнего является выходом устройства.