Способ определения массовой доли жира и сухого обезжиренного остатка в молоке и устройство для его осуществления

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ 9) .ъЖ. ЕСПУБЛИК 5)5 6 01 й ОСУДАРСТВЕ ННЫЙ КОМИТЕТ О ИЗОБРЕТЕНИЯМ.И ОТКРЫТИ РИ ГКНТ СССР ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ СВИДЕТЕЛ ЬСТ АВТОР промышленноеюро с опытнымбор"ков и М.А. Всяолочнои пролизу сырья и-сокраи за сче щение т фикбласти ть исп редпри ри эаго отке, и изме- ользоятиях товке ри сеочно предус, нагреедуе мой мерение ачениях льтатам ра и су(21) 4652118/30-13(56) Авторское свидетельство СССРМ 1341582, кл, 6 01 й 33/04, 1984.Авторское свидетельство СССРВ 461367, кл, 0 01 й 33/04, 1973.(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МАССОВОДОЛИ ЖИРА И СУХОГО ОБЕЗЖИРЕННОГО ОСТАТКА В МОЛОКЕ И УСТРОЙСТВДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ(57) Изобретение относится к ммышленности, а именно к анапродукции, Цельизобретениявремени и повышение точност Изобретение относится к о рительной техники и может бы вано в сельском хозяйстве, на и молочной промышленности, п и приемке молока, его перераб лекционной работе. Цель изобретения - повышени сти и сокращение времени. При осуществлении способа,матривающего отбор пробы молока вание и.термостатирование иссл пробы в измерительной ячейке, из скоростей ультразвука при двух зн температуры и вычисление по резу обоих измерений массовой доли жисации момента выравнивания температур на поверхности измерительной ячейки и в исследуемой пробе молока. Исследуемую пробу помещают в измерительную камеру, нагревают до 41 С, измеряют скорость ультразвука в моменты времени, при которых приращение скорости распространения ультразвука в молоке равняется заданной величине - 10 кГц/с. Затем нагревают до 65 С на поверхности измерительной камеры и вновь измеряют скорость ультразвука в моменты времени, при которых приращение скорости распространения ультразвука в молоке равняется заданной величине - 10 кГц/с. Массовые доли жира и сухого обезжиренного остатка определяют по известным формулам, в которых используют измеренные значения скоростей ультразвука, Коэффициенты при измеряемых величинах и свободные члены уравнений определяют по результатам калибровки, 2 с.п, ф-лы, 3 ил. хого обезжиренного остатка, дополнительно фиксируют момент достижения исследуемой термостатированной пробой молока каждого из двух заданных значений температуры приращения величины, при этом контролируют приращение скорости ультразвука, измеряя последнюю с дискретностью 5 - 10 с, т.е, на временном интервале, в течение которого устанавливается равенство температуры на поверхности измерительной камеры и температуры пробы молока в измерительной камере, а момент достижения исследуемой пробой каждого из заданных значений температуры фиксируют при достижении приращения скоростираспространения ультразвука в молоке равной заданной величине.Для осуществления способа устройство, содержащее измерительную ячейку, источник и приемник ультразвука, нагревательный элемент, датчик температуры, блок обработки и управления, дополнительно оснащено аетоциркуляционным блоком, последовательно соединенными ; источником опорных напряжений, ключом, элементом сравнения, усилителем тока, выход которого через нагревательный элемент подключен к измерительной ячейке, при , этом первый и второй выходы автоциркуля ционного блока соединены соответствеино с выходом источника ультразвука и с первым входом блока обработки и управления, : второй вход которого подключен к выходу элемента сравнения, второй вход которого соединен с выходом датчика температуры, расположенного на поверхности измерительной ячейки, при этом первый и второй выходы блока обработки и управления подключены соответственно к управляющему входу ключа и к второму входу автоциркуля, ционного блока, первый вход которого сое, динен с выходом приемника ультразвука.Осуществление контроля момента до стижения исследуемой пробой каждого из двух заданных значений температуры по приращению скорости ультразвука с дискретностью 5-10 с на временном интервале, в течение которого устанавливается равен, ство температуры на поверхности измерительной ячейки и температуры пробымолока в измерительной ячейке, и измере, ние скорости ультразвука в молоке при достижении приращения скорости ультразвука в молоке заданной величины обеспечивают однозначное определение пробы молока и соответствующее ей однозначное значение скорости ультразвука в пробе; что позволяет повысить точность измерения без понижения производительности.На фиг,1 приведена зона возможных значений временной зависимости и изменения скорости раСпространения ультразвука в пробе при выравнивании температур на поверхности измерительной камеры и в пробе молока до одного значения температуры, например Т 1 =41 С; на фиг. 2 - структурная схема устройства, реализующего способ; на фиг. 3 - упрощенный алгоритм работы устройства,Способ осуществляют следующим образом.Пробу молока помещают в измерительную ячейку,нагревают до первого значения температуры, например температуры на по верхности измерительной камеры 41 С (фиг. 3), и после этого начинают контроль приращения скорости ультразвука в пробе.Определение скорости ультразвука в пробе осуществляют измерением частоты следования импульсов, изменяющейся пропорционально скорости распространения ультразвука. При достижении приращения частоты следования импульсов заданного10 значения Л Е = 10 Гц/с, что соответствуетмоменту достижения исследуемой пробой первого заданного значения температуры, и ее выравнивании в исследуемой пробе и на поверхности ячейки фиксируют значение 15 2025 3035 404550 55 частоты Е 1. Далее пробу молока нагревают, до значения температуры на поверхности измерительной камеры, равного 65 С, а при достижении приращения частоты следования импульсов заданного значения ЛЕ = 10 Гц/с фиксируют значение частоты Е 2. По результатам обоих измерений частот Е 1 и Е 2, используя данные предварительной калибровки, вычисляют массовые доли жира и сухого обезжиренного остатка в пробепо формуламСж = Е 1 Х К 1 + Е 2 Х К 2+ Кз; (1)Ссо= Е 1 Х К 4+ Е 2 Х Кб+ Кб,(2) где Сж и Ссо - массовые доли жира и сухого обезжиренного остатка соответственно;К 1-Кб - эмпирические коэффициенты, определяемые при калибровке;Е 1, Е 2- значения частот следования импульсов соответственно при температурах 41 и 65 С, измеренные в моменты времени,при которых приращение частоты следования импульсов достигает заданного значения ЬЕ.Заданное значение приращения частоты следования импульсов ЛЕ определяют экспериментальным путем. Для этого снимают временную зависимость изменения скорости ультразвука в измерительной камере на временном интервале от момента достижения определенной температуры(например, 41 С) на поверхности измерительной камеры до прогрева пробы молока в измерительной камере до той же температуры (фиг.1). Иэ зависимости, приведенной на фиг,1, видно, что процесс измерения скорости ультразвука в измерительной камере является экспоненциальным, поэтому для сокращения времени измерения и для однозначного определения температуры в пробе молока процесс по времени ограничивают и анализируют полученную зависимость на временном интервале, в течение которого приращение скорости ультразвука в пробе молока составляет 900 от приращения скорости ультразвука, соответствующего уста1612259 ответственно к выходу элемента 9 сравнения, управляющему входу ключа.8, одному осуществляют через равные временные ин- .тервалы с дискретностью, например 5-10 с 5 вутем сравнения приращения скорости ультразвука на предыдущем интервале с прииз выходов и одному из входов автоциркуляционного блока 6,Возможно различное конкретное выполнение блоков, входящих. в устройство,ращением скорости ультразвука на последующем интервале. При достижении заданного значения приращения скорости 10 реализующее способ. Ниже, приведен один из возможных вариантов реализации блоков.Измерительная ячейка 1 выполнена в, ультразвука анализ прекращают и регистрируютэначение скорости ультразвука в измерительной ячейке. Заданное значение приращения скорости ультразвука (приравиде тонкостенной металлической трубки с щение. частоты следования импульсов) на 15 хорошей теплопроводностью, например медной. Источник 2 и приемник 3 ультраэвуанализируемом временном интервале и ка выполнены из пьеэокерамики. Нагревательный элемент 5 - реэистивнцй нагревательный элемент в виде однослойдлительНость равных временных интерва-.лов определяют требуемой точностью йэмерения. Устройство, реализующее способ 20 ной обмотки. Датчик 4 температуры выпол(фйг,2), содержит измерительную ячейку 1,нен в виде шести последовательно в концах которой размещены источник 2 исоединенных кремниевых диодов, включенприемник 3 ультразвука. Ка поверхности изл 1 ерительной ячейки 1 расположены датных в прямом смещении, Автоциркуляционный блок 6 выполнен по схеме генератора с чик 4 "температуры и. нагревательный элевнешней акустической связью; в качестве мент, Кроме того, устройство содержит автоциркуляционный блох 6, источник 7 которой используется измерительная ячейка 1. Источник 7 опорных напряжений выопорных напряжений, ключ 8, элемент 9 сравнения,.усилитель 10 тока, блок 11 обраполнен с использованием интегрального прецизионного стабилизатора напряжения,ботки. и управления, содержащий индика ключ 8 - с использованием микросхемы тор 12, порты 13 "Ввод/Вывод", регистр 14 Злемснт 9 сравнения выполнен на базвопеадреса (РА); регистр 15 управления. (РУ), арифметико-логический преобразователь (АЛП) 16, оперативный запоминающий элерационного усилителя, Усилитель 10 токавыполнен с использованием транзисторовбольшой мощности. мент (ОЗЭ) 17, постоянный запоминающий 35 Бл" к 11 обработкй и управления выполэлемент(ГЗЭ) 18. Первый выход аотоцирку-нен на базе микропроцессорного комплек.ляционного блока 6 соединен с входом: ис- та, реализующего функции вычисления по тачника 2 ультразвука, второй выход заданной формуле и управление формироавтоциркуляционного блока 6 соединен с ванием сигналов переключения ключа (напервым входом блока 11 обработкииуправ-. 40 грев пробы до 41 до 65 ОС) и запуска ления. Выходы источника опорных напря- автоциркуляционного блока 6 в необходижений через соответствующие входы ключа мые моменты времени.8 поочередно подкл 1 очаются нд один из.вхо-Подготовка блока 11 обработки и управдов элемента 9 сравнения, к другому входу ления к работе. которого подключен выход датчика 4 темпе. В постоянный запоминающий элемент ратуры. Выходэлемента 9 сравнениясоеди- ПЗЭ 18 блока 11 обработки и упраолейия нен с вторым входом блока 11 обработки и вводят значения коэффициентов К 1 К 5(формулы (1), (2), предварительно определенные зкспериментальныл путем при каупрайленля и входом усилителя 10 тока, выход которого подключен к входу нагрева. 50. либровке устройства, и значение тельного элемента 5. Улравляющий.вход ключа 8 соединен с первым выходом блаха 11 обработки и управления, второй выход которого подключен к одному входу автоциркуляционяого блока 6, второй вход котоприращенияскорости ультразвука, при котором будут фиксировать значения скорости ультразвука. В ПЗЭ 18 также вводят программу работы устройства, алгоритм которой приведен на фиг. 3 рого соединен с выходом приемника 3:55 ультразвука, Все алеиенты блока 11 абра-. Пробу молока вводят в измерительную боткииуг 1 равления.собдиненыпараллельнО . ячейку 1, включайт устройства на измерение. Работа устройства происходит по программе, записанной в.ПЗЭ 18 по алгоритму.приведенному йа фиг,. 3.,между собой шиной данных и шиной управления и адреса; Крометого,оихбды.АЛП 16 ; саедтисни с соотвотствуюцил;и входами новлению равенства температур на поверх-РА 14 и РУ 15, а один иэ выходов портов 13 ности измерительной камеры в.пробемоло- соединен с входом индикатора 12, другие ка. Анализ полученной .зависимости входы и выходц йортов 13 подключены со 7 1612259Этап 1 (пуск устройства). При поступлении сигнала "Пуск" осуществляется начальная установка регистров 14 и 15 адреса и управления в нулевое состояние. В дальнейшем в РА 14 и в РУ 15 будет переписываться из АЛП 16 код числа, соответстоуощий коду адреса устройства и коду синала управле: ния.,Начальный код адреса и код сигнала управления поступают через шину управления и адреса на саотоетствукииие входы ПЗЭ 18.Этап 2 (фиг, 3), С выхода ПЗЭ 18 через шину данных в АЛП 16 поступает команда, записанная в начальном адресе ПЗЭ 18. АЛП 16 формирует и перезаписывает о РУ 15 и РА 14 коды сигнала управления и адреса, поступающие в порты 13 "Ввод/Вывод", па которым с выхода одного иа портов сигнал управления переключает ключ 8 о первое положение, соответствующее температуре 41 С,Этап 3(нагрев пробы да значения 41 ОС). При переключении ключа 8 о первое положение с выхода источника 7 опорных напряжений на один из входов элемента 9 сравнения поступает напряжение 01, соответствующее напряжениос выхода датчика 4 температуры при температуре на,поверхности измерительной ячейки, равной 41 С. на другой вход элемента 9 сравнения поступает. напряжение с выхода датчика 4 температуры, катарае при введении пробы молока в измерительную ячейку 1 отличается атнапряжения на первом входе элемента 9 сравнения, так как температура пробы, а следооательно, и температура датчика ниже 41 ОС. Ка выходе элемента 9 сравнения фармируетея разнастный сигнал, который через усилитель 10 тока поступает на нагревательный элемент 5. Происходит нагрев в измерительной ячейке 1, При достижении температуры на поверхности измерительной камеры 41 ОС напряжение с источника 7 Опорных напряжений, поступающее на первый вход элемента 9,сравнения, и напряжение с выхода датчика 4 температуры, поступающее на второй вход элемента 9 сравнения, становятся равными, на выходе элемента 9 сравнения формируется нулевой разностный сигнал и нагрев измерительной ячейки прекращается, Пр; пан ",жении тем.пературы на поверхности ячейки 1 па выхо:де элемента 9 сравнения фармир"ется раэностный сигнал, котааый через усилитель 10 поступает на нагревательный элемент 5 и таким образом поддерживается температура на. поверхности измерительной камеры 41 ОС. При достижении температуры 41 С. на поверхности измерительной яявйки 1 нулевой разностный сигнал с оыхода элемента 9 сравнения через один из входов порта 13 "Ввод/Вывод" и шину данныхпоступает о АЛП 16 и воспринимается каксигнал достижения требуемой температуры5 на поверхности измерительной ячейки. АЛП16 формирует и перезаписывает о РЛ 14 иРУ 15 соответствующие коды, по которым наодном из выходов портов 13 "Ввод/Вывод"формируется импульс, который поступает10 на один из оходоо автоциркуляцноннагоблока 6, где усилизается по амплитуде дозначения 50 В, нормируется по длительности 100 нс и поступает на источник 2 ультразвука, В источнике 2 ультразвука15 электрический сигнал преобразуется в ультразвуковой, который, пройдя через пробумолока через 70 мкс в измерительной камере длиной примерно 100 мм, о приемнике 3ультразо, ка преобразуется вновь о электри20 ческий сигнал и поступает на один из оходооаотоциркуляционнага блока 6, так как блоки6, 2, 1, 3 соединены между собой, Такимобразом, на выходе аотоциркуляционного.блока 6 формируется непрерыоная паследо 25 оательность импульсов, частота которых (Г)определяется скоростью распространенияультразвука о молоке, Одновременно АЛП16 формирует и перезаписыоает в РА 14 иРУ 15 следующие значения адреса и управ 30 ленияпо которым из Г 13 Э 18 поступает сле. дующая команда и начинается анализприращения частоты,Этап 4( анализ, приращения частоты ЬГ), Так как нагревательный элемент распа 35 ложен на поверхности измерительной ячейки, выполненной из тонкостенногоматериала с хорошей теплопрооодностью,нагрев и тврмостабилизация температурыизмерительной ячейки 1 происходит оо вре 40 мани быстро. Нагрев и термастабилизациятемпературы пробы молока осуществляетсянесколько медленнее, Поэтому при стабилизации температуры на поверхности измерительной ячейки 1 температура пробы45 некоторое время изменяется, чта приводитк изменению частоты следования импуль.сов с выхода аотациркуляционнага блока 6.Анализ приращения частоты осуществляется следующим образом. С выхода аотоцир-,50 куляционного блока 6 импульсы через одиниз входов портов 13 "Воад/Вывод" и шинуданных поступают на ЯЛП 16, где происходит их обработка, В обработке участвуютАЛП 16, РА 14, РУ 15, 033 17, ПЗЭ 18,55 Процесс обработки осуществляется. Оопрограмме, записанной,о ПЗЭ следующимобразам:1. Осуществляешься. подсчет числа им пульсов с заданной дискретностью (5-10 с).1612259 1 О перезапись кода числа во вторую ячейку 5 которым результаты вычислений из.шестой ОЗУ, . и седьмой ячеек ОЗЭ 17 через шинуданныхЗВ. АЛП 16 осуществляется вычитание . и один иэ портов 13 Ввод/Вывод" поступают на индикатор 12. Этап 12 (стоп). В АЛП 16 формируется и предыдущего числа импульсов из последующего, находящихся в соответствующих ячейках ОЗЭ 17. Код числа, соответствуюперезаписывается в РУ 5 код числа, по котощий разности первого и второго числа, т.е рому прекращается работа устройства по приращение частоты, записывается в,программе,третью ячейку ОЗЭ 17 Предлагаемый способ и.устройство для 4. В АЛП 16 осуществляется сравнение его реализации обеспечивают более точный,кода числа третьей ячейки ОЗЭ 17 с кодом чем известные, пропорциональный типа регучисла определенной ячейки ПЗЭ 18, в котолирования температуры измерительной ячейки за счет однократного прогрева пробы и быстрого перехода от одной температуры к другой. позволяет сократить время измерествует требуемому значению, операции по стве до 65 с в предлагаемом и увеличить таким образом производительность устройства в 1,38 раз. Объем измерительной пробы в известном устройстве составляет 80 мл. нему: значениюстсчета (значению частоты Существенным преимуществом предлагаеимпульсов автоциркуляционнога блока), пе- мого технического решения является значирезаписываетсяв.четвертуюячейкуОЗЭ 17,. тельно меньший расход молока на одно АНП 16 Формирует и перезаписывает в РА 14 и РУ 15 коды, по которым из.:ПЗЭ 18 измерение - 15 мл. Уменьшение расхода молока на один аналйз предлагаемым уст 30 ройством дает значительный зкономичепоступает, команда на выполнение следующего этапа ялгоритма. . ский эффект при контроле содержания жира Этап 6 (включение нагревателя на ре- вмолокедойньхкоров;укотарыхнеобходижим Тг). Работа устройства осуществляется аналогично этапу 2, но ключ 8 переключен мо ежемесячно определять. содержание жира в молоке в 10-месячный период лактации,во второе положение. 35 Отсюда, следует, что Применение даннога Этап 7(нагрев пробы до значения 65 ОС). технического решения только в.этом случаеРабота устройства осуществляется анало-даетэкономию. молока 44000000 Х 10 Х (80-15) = 28600000 л, которая при средней его стоимости 35 коп. эа 1 л составляет в денвжгично этапу.З, но ключ 8 находится во втором.положении и нагрев стабилизации температуры осуществляются до значения 40 .ном выражении 1 Ю 10000 руб.65 С, Формула изобретенияЭтап 8 (анализ приращения частоты 1. Способ определения массовой доли Ь Е), Работа устройства осуществляется жира и сухого обезжиренного остатка о моаналогично этапу 3 лаке, предусматривающий нагрев исследуеЭтап 9.(запись:Е 2); Работа осуществля-, 45 мой пробы молока в измерительной ячейке,ется аналогично этапу.5; но перезапись кода фиксацию величин скоростей ультразвука числа (значение частоты, импульсов автопри двух заданных значениях температуры цйркуляционного. блока) производится в пятую ячеку ОЗЭ 17. путем измерения величин частот следования.импульсов и установление массовой до. Этап .10 (вычисление процентного со-. 50 ли жира и сухого обезжир нного остатка изсистемы двух уравнений обезжиренного остатка соответственйо; деннымвыше формулам. Б расчетах испольК - к 6 - эмпирические коэффициенты,зуются значения Е 1 и Е 2, находящиеся.в определяемые при калибровке; Е и Е 2 - зна ения величин скоростей.ультразвука соответственно при 41 и 65 ОС,Код числа импульсов записывается в первую ячейку ОЗЭ,2. Осуществляется повторный подсчет числа импульсов за такой же интервал и рой записан код числа необходимого приращения,5. Если приращение частоты не соответпп. 1-4 повторяются,Этап 5 (запись Е 1). Если приращение частоты соответствует требуемому значению, то код числа, соответствующий послед держания жира и СОМО), В работе участвуют блоки АЛП 16, РА 14, РУ, 033 17, ПЗЭ18; Процесс обработки осуществляется по программе, записанной в ПЗЭ 18 по привечетвертой и пятой ячейках 033 17, и коэффициенты К 1, К 2Кь значения которых записаны в.соответствующих ячейках ПЗЭ 18, Результаты вычисления записываются яшестую и седьмую ячейки ОЗЭ 17.Этап 11(индикация). АЛП 16 формируети перезаписывает в РА 14 и РУ 15 коды, по 20 ния одной пробы с 90 с в известном устройС, - Е 1.х К 1+ Е 2 х К 2+ Кз; С-. Е 1 х К 4+ Е 2 Х К 5+ К 6, гдеСж и Ссо- массовые доли жира и сухогоо т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью сокращения времени и повышения точности, фиксируют момент выравнивания температур на поверхности измерительной ячейки и в исследуемой пробе молока при достижении в последней заданных значений температуры путам измерения величин частот следования импульсов с.дискретностью 5-10 с и установления приращения измеренных величин, а момент выравнивания температур фиксируют при достижении приращения измеренных величин частот следования импульсов заданного значения. 2. Устройство для определения массовой доли жира и сухого. обезжиренного остатка в молоке, содержащее измерительную ячейку с нагревательным элементом, датчик температуры, источник и приемник ул 1 тразвука, блок обработки и управления, о т л ич а а щ в е с я тем; что, с целью сокращения времени и повышения точности, оно дополнительно снабжено автоциркуляционным блоком и последовательно соединенными источником опорных напряжений, ключом, 5 элементом сравнения и усилителем тока,подключенным к нагревательному элементу измерительной ячейки, при этом первый и второй выходы автоциркуяяционного блока подсоединены соответственно к вхоцу с 1 О точника ультразвука и первому входу блокаобработки и управления, первый и второй входы которого связаны соо: ветственно с управляющим входом ключа и вторым Входом автоциркуляционного блока, к первому 15 входу последнего подключен приемникультразвукз, причем датчик температуры размещен на поверхности измерительной ячейки и подключен к второму входу элемента сравнения, выход которого связан с .20 вторым входом блока обработки и управле1612259 Составитель Н.Арцыбашевехред М.Моргентал орректар А,Обручар Редактор Е,П Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 Заказ 3829 Тираж 509 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5