устройство для определения содержания жира и белка в молоке и молочных продуктах

Формула изобретения

Устройство для определения содержания жира и белка в молоке и молочных продуктах, содержащее последовательно расположенные источник оптического излучения, линзу, а также приемники рассеянного излучения, соединенные через блок измерения с блоком индикации, отличающееся тем, что источником излучения является полупроводниковый лазер, работающий в ближней инфракрасной области спектра, а между линзой и приемниками излучения установлена трехгранная призма так, что ее отражающая грань соприкасается с поверхностью молочного продукта, а две другие расположены относительно нее под углами, большими угла полного внутреннего отражения, причем первая из боковых граней перпендикулярна оптической оси лазера и линзы, а между другой второй гранью и приемниками рассеянного излучения установлен четырехсекционный волоконно-оптический световод так, что плоскость его входных торцов параллельна соответствующей грани призмы, одна из крайних последовательно расположенных секций установлена в направлении зеркального отражения, выходные торцы каждой секции подсоединены к соответствующим приемникам излучения, а блок измерения состоит из усилителей, подсоединенных к соответствующим приемникам излучения, выходы усилителей подсоединены к входам коммутатора сигналов, на выходе которого установлен аналого-цифровой преобразователь, подсоединенный к входу устройства микропрограммного управления, выход которого является выходом блока измерения, причем один из разрядов выходного порта подсоединен к входам выборки коммутатора.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к молочной промышленности, в частности к устройствам для определения содержания жира и белка в молоке и молочных продуктах, и может быть использовано на предприятиях молочной, пищевой промышленности, хозяйствах агропромышленного комплекса.

Известно устройство для определения содержания жира в молоке [1] содержащее последовательно расположенный источник света, оптическую систему, кювету для размещения пробы молока (экран, расположенный за кюветой), датчики прямопрошедшего и рассеянного лучей, расположенные под различными углами к оптической оси, а также блок формирования сигналов и регистрирующий прибор.

Преимуществом данного устройства является возможность производить измерения содержания жира в пробе молока без его предварительного разбавления, что повышает производительность контроля.

Недостатком устройства является невозможность его использования для определения содержания белка.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемым результатам к предлагаемому изобретению является устройство [2] содержащее последовательно расположенные на одной оптической оси источник оптического излучения, линзу, диаграмму, светофильтр, кювету с пробой молока, а также приемники прошедшего и рассеянного излучения, блок формирования сигналов и блоков индикации.

Недостатками устройства является следующие:

невозможность непосредственного определения жидкости молока в бидоне, танке или другой технологической таре, обусловленная необходимостью его отбора в специальную кювету;

узкий диапазон измеряемой концентрации жира, что не позволяет использовать устройство для определения жирности, поскольку не принимается во внимание степень гомогенизации молока.

Целью настоящего изобретения является расширение области применения устройства, повышения точности и достоверности определения содержания жира и белка в молоке и молочных продуктах, увеличение производительности прибора по определению указанных выше параметров.

Каждый отличительный признак тесно связан с поставленной целью.

Расширение области применения прибора происходит за счет непосредственного определения содержания жира и белка в технологических емкостях, исключения операции отбора пробы продуктов в кювету устройства, что достигается благодаря использованию в устройстве призмы, соприкасающейся отражающей гранью с контролируемым продуктом. Благодаря этому увеличивается производительность контроля, а также исключается загрязнение продуктов.

Повышение точности и достоверности результатов измерения достигается за счет учета в процессе обработки сигнала информации о степени гомогенизации молочных продуктов, благодаря регистрированию рассеянного светового потока в различных зонах индикатрисы рассеивания, что обеспечивается использованием многосекционного волоконно-оптического световода, а также при обработке сигналов приемников излучения с помощью программируемого запоминающего устройства по соответствующим алгоритмам.

Расширение диапазона измеряемой массовой доли жира и белка достигается благодаря использованию в качестве источника излучения полупроводникового лазера, работающего в ближней инфракрасной области спектра. Исследования, выполненные авторами [3] свидетельствует о значительном превышении уровня выходного сигнала приемников прошедшего и рассеянного излучения при освещении молочных продуктов источниками, работающими в ближней инфракрасной области спектра, по сравнению с источниками видимого света.

Высокомонохроматичное лазерное излучение полупроводникового лазера позволяет создавать тепловой поток с высокой стабильностью длины волны мкм, что значительно повышает уровень полезного сигнала за счет использования влияния рассеянного света.

Указанная цель обеспечивается тем, что в устройстве для определения жира и белка в молоке и молочных продуктах источником излучения служит полупроводниковый лазер, работающий в ближней инфракрасной области спектра, а между линзой и приемниками излучения установлена трехгранная призма так, что ее отражающая грань соприкасается с поверхностью молочного продукта, а две другие расположены относительно нее под углами, большими угла полного внутреннего отражения, причем первая из боковых граней перпендикулярна оптической оси лазера и линзы, а между другой второй гранью и приемниками рассеянного излучения установлен четырехсекционный волоконно-оптический световод так, что плоскость его входных торцов параллельна соответствующей грани призмы, одна из крайних последовательно расположенных секций установлена в направлении зеркального отражения, выходные торцы каждой секции подсоединены к соответствующим приемникам излучения, а блок измерения состоит из усилителей, подсоединенных к соответствующим приемникам излучения, выходы усилителей подсоединены к входам коммутатора сигналов, на выходе которого установлен аналого-цифровой преобразователь, подсоединенный к входу устройства микропрограммного управления, выход которого является выходом блока измерения, причем один из разрядов выходного порта устройства микропрограммного управления подсоединен к входу запуска аналого-цифрового преобразователя и три других разряда этого же выходного порта подсоединены к входам выборки коммутатора.

По имеющимся у авторов сведениям существенные признаки, указанные в отличительной части формулы, не обнаружены в других отраслях промышленности, что позволяет считать предлагаемое техническое решение соответствующим критерию "существенные отличия".

На фиг. 1 изображена принципиальная схема предлагаемого устройства; на фиг.2 узел I на фиг.1; на фиг.3 сечение А-А на фиг.1.

Устройство для определения жира и белка в молоке и молочных продуктах, принципиальная схема которого представлена на фиг.1, содержит полупроводниковый лазер 1, линзу 2, установленные на одной оптической оси, которая расположена по нормали к первой боковой грани трехгранной отражающей призмы 3.

Призма выполнена из материала с коэффициентом преломления n_пр. большим коэффициента преломления молочных продуктов n_м., то есть n_пр. > n_м.. Боковые грани призмы установлены под равным углами, большими угла полного внутреннего отражения

sin = n_м./n_пр. (1)

Отражающая грань призмы расположена перпендикулярно нормали к поверхности контролируемого молочного продукта и при измерении находится в соприкосновении с продуктом. По другую от источника излучения сторону от призмы 3 расположен четырехсекционный волоконно-оптический световод 4 так, что входные торцы всех секций объединены и параллельны второй грани призмы 3. При этом одна из крайних секций установлена в направлении зеркального отражения, а другие параллельно ребрам соответствующей боковой грани призмы 3.

Выходные торцы отдельных секций световода разъединены и каждый из них вплотную подстыкован к чувствительному слою приемников излучения, например фотодиодов 5, 6, 7, 8 соответственно.

На выходе каждого приемника излучения установлен соответствующий усилитель 9, 10, 11, 12. Выходы всех усилителей подключены к выходам коммутатора сигналов 13, выход которого связан с аналого-цифровым преобразователем 14, который в свою очередь соединен с устройством микропрограммного управления 15, связанным с блоком индикации 16. Один из рядов порта контроллера 15 соединен с входом запуска АЦП, а три других разряда этого же выходного порта подключены к входам выборки устройства коммутатора 13.

Усилители 9 12, коммутатор 13, аналого-цифровой преобразователь 14 и контроллер 15 образуют блок формирования сигнала. Лазер 1 связан с блоком питания 17. На оптической оси лазера 1 со стороны, противоположной линзе 2, расположен приемник излучения 18 встроенный в лазер. Приемник излучения связан с блоком питания лазера. Элементы устройства 1 14, а также 17 и 18 установлены в общем герметизационном корпусе 19.

Устройство работает следующим образом.

Корпус устройства 19 вместе со всеми заключенными в нем элементами опускают в технологическую тару с молочным продуктом, содержание жира и белка в котором необходимо определить, так, чтобы выступающая из корпуса отражающая грань призмы 3 была полностью погружена в продукт.

Лазер 1 излучает когерентный направленный монохроматический поток излучения, линза 2 фокусирует световой поток, направляя его на поверхность первой грани призмы 3.

Благодаря тому, что угол падения луча на отражающую грань призмы 3 больше угла полного внутреннего отражения, имеет место эффект полного внутреннего отражения [4]

Рассеянный в ограниченном объеме световой поток через отражающую грань призмы 3 и вторую боковую ее грань выходит из призмы. Это равносильно прохождению сфокусированного светового потока сквозь слой продукта [5]

d_cf(,n_пр.,n_м.,) (2)

где длина волны;

Использование призмы 3, реализующей эффект нарушенного полного отражения, позволяет:

осуществить прохождение луча сквозь достаточно тонкий слой продукта;

исключить операцию отбора пробы продукта в специальную кювету;

повысить точность определения содержания жира и белка в молочных продукта за счет простоты обслуживания при промывке отражающей грани призмы по сравнению с кюветой.

Рассеянный на частицах жира и белка световой поток, выйдя из второй боковой грани, попадает на входные торцы волоконно-оптического световода 4. Причем интенсивность светового потока, воспринимаемого каждой секцией световода с точностью до членов первого порядка, определяется:

(3)

где I₁ I₄ интенсивность, воспринимаемая соответствующими секциями световода 4;

C_ж, C_б массовая доля жира и белка соответственно;

K₂ степень гомогенизации продукта;

a₁ a₃, b₁ b₃, c₁ c₃, d₁ d₃ коэффициенты указанных молочных компонентов [6]

₁-₄ свободные члены.

Приемники излучения 5 8 преобразуют интенсивность светового потока, поступающего через секции световода на входные торцы в электрические сигналы, которые усиливаются усилителями 9 12 соответственно: U₁, U₂, U₃, U₄.

Коммутатор 13 с помощью микропрограммного управления 15 осуществляет коммутирование сигналов с выходом усилителей 9 12, а аналого-цифровой преобразователь преобразует их в цифровую форму . Значение сигналов поочередно поступает в устройство микропрограммного управления 15, которое осуществляет вычисление жира и белка по следующим зависимостям, являющимся решением системы уравнений (3):



В устройстве предусмотрена стабилизация интенсивности полупроводникового лазера. Интенсивность с обратного светоизлучающему торца лазера воспринимается встроенным в лазер фотоприемником, например фотодиодом 18, сигнал с выхода которого управляет блоком питания лазера 17, обеспечивая постоянный уровень интенсивности излучения лазера.

Пример конкретного выполнения.

Устройство содержит в качестве источника излучения полупроводниковый лазер типа ИЛПН-108 с длиной волны 0,83 мкм, мощностью 5 м Вт, с встроенным фотодиодом 18, обеспечивающий обратную связь по питанию и стабилизацию интенсивности основного пучка.

Фокусирующая линза выбрана диаметром 3 мм и фокусным расстоянием 5 мм. Призма 3 изготовлена из материала БФ-24 с коэффициентом преломления n 1,163, размеры отражающей грани 24 х 12 мм, угол наклона боковых граней 60.

Волоконно-оптический световод выполнен из кварцевого стекла. Каждая из четырех секций его входных торцев изготовлена площадью 8 х 8 мм, обеспечивая тем самым регистрацию интенсивности рассеянного потока в угле 0 55. На выходном торце каждой секции установлены фотодиоды типа ФД24К.

Усилители 9 12 выполнены на операционных микросхемах К544УД1, имеющих большое входное сопротивление. Регулировка коэффициента усиления выполнялась индивидуально в каждом усилителе.

Коммутатор 13 выполнен на микросхеме 590КН6, десятиразрядный аналого-цифровой преобразователь собран на основе микросхемы 1113ПВ1. Индикаторы собраны на элементах АЛС324А. Устройство микропрограммного управления выполнено на базе контроллера К121.

Предлагаемое устройство обладает следующими преимуществами:

1. Позволяет производить экспресс-анализ содержания жира и белка в молоке и молочных продуктах непосредственно в технологических емкостях, бидонах, танках и т.д. исключая операцию отбора пробы продукта в специальную тару.

2. Обеспечивают высокую точность определения жира и белка.

3. Предполагает высокую достоверность оценки измерения.

4. Может быть использовано в системах комплексной автоматизации, поскольку реализуется устройством, полностью исключающим влияние оператора на результаты измерений.

5. Способствует высвобождению оператора-лаборанта от малопроизводительного ручного труда, связанного с отбором проб молока при определении содержания в нем жира и белка.