Оптоэлектронный датчик количества и качества молока

При использовании автоматизированных систем доения большое значение имеет не только измерение количества и расхода молока, но и содержания жира, белка и сухих веществ в нём. Существует большое количество разнообразных методов определения жирности молока. По принципу определения количества жира их можно разделить на прямые и косвенные. Прямые основаны на непосредственном выделении из пробы молока жира, к ним относятся химические методы. Но в процессе доения коров определение жирности в потоке молока этими методами достаточно трудоемко, что препятствует автоматизации этого процесса.

Для условий сельскохозяйственного производства наиболее удобны электрические методы измерения жирности молока.

Их достоинства: высокая чувствительность, малое время измерения, простота конструкции датчика и всего устройства, а также возможность измерения жирности молока непосредственно в потоке без предварительной обработки пробы.

В настоящее время разработаны косвенные физические методы [1] автоматического определения содержания жира в молоке - это фотоэлектрические, ультразвуковые, высокочастотные, кондуктометрические, термоэлектрические.

Фотоэлектрические жиромеры основаны на поглощении светового потока слоем жировых шариков. Погрешность измерений в предварительно нагретом и гомогенизированном молоке составляет 0,05%.

В устройстве [2] предлагается для определения ингредиентов молока исполь- зовать светодиодный фотоэлектрический модуль, имеющий шестнадцать длин волн излучения. По результатам поглощения различных длин волн строится модель состава молока. Одновременно можно получить информацию о содержании жира, белка, молочного сахара, сухого вещества, воды. Устройство малогабаритное и имеет высокую скорость измерения, но не позволяет измерять эти ингредиенты в потоке.

Похожий принцип измерения реализован в полезной модели устройства, предложенной в [3], устройство работает в ближней инфракрасной области спектра. Измерение содержания компонентов молока производится по рассеянию излучения в пробе молока. Рассеянное излучение воспринимается фотоэлектрическим модулем, и производится вычисление через индексы компонентов молока.

Высокочастотные жиромеры построены на зависимости диэлектрической проницаемости молока от его жирности. Погрешность составляет 0,08%.

Устройство [4], позволяющее измерить содержание, по меньшей мере одного компонента молока, представляет собой ёмкость, содержащую образец молока, на стенках которой находятся обкладки конденсатора. В процессе измерения на них подаётся смесь трёх частот и из полиномиального выражения вычисляется значение импеданса для измеряемого компонента молока. Для получения уравнения используются взаимосвязи между отраженными и падающими сигналами, их амплитудой и фазой. Для измерений необходима неподвижная проба молока. Использование устройства в потоке возможно только с корректировкой по количеству молока в объёме измерительного преобразователя.

Ультразвуковые жиромеры позволяют получить точность 0,1%, но чувствительны к изменению температуры молока, т.к. скорость распространения ультразвука в молоке зависит от температуры. Ультразвуковые счётчики имеют недостаток, связанный с неполным заполнением молоко-провода. В этом случае возникает погрешность, обусловленная отражением ультразвука от границы молока и воздуха. Это препятствие можно преодолеть, усложнив конструкцию. Разработаны ультразвуковые счётчики для двухфазных сред в теплоэнергетике, но конструкция их измерительного зонда, плохо приспособленная к промывке, а также высокая стоимость ограничивают их применение в молочном производстве.

В следующем устройстве [5] используется одновременное воздействие инфракрасного излучения и ультразвукового для получения спектр-модели молока и определения содержания компонентов молока. Предполагается высокая точность получения результатов.

Кондуктометрический метод измерения жирности молока обладает большой погрешностью из-за влияния рациона животных на электрическую проводимость молока. На величину электропроводности также влияют концентрация неорганических частиц молока, жира, белков, золевая часть солей и физиологическое состояние животного. Электропроводность молока изменяется в процессе доения, что приводит к появлению погрешности как от животного к животному, так и в процессе доения одного животного.

Термоэлектрический способ основан на измерении удельной теплоемкости молока, что требует некоторого времени.

Большинство методов не адаптированы для измерения жирности в потоке.

Процесс движения молока по трубопроводу доильной установки носит неуста-новившийся характер от ламинарного до турбулентного режимов. Это усложняет определение параметров качества молока при движении потока.

Для определения интенсивности потока молока использован способ, предложенный в [6]. Эксперименты, проведенные на реальной доильной установке, подтвердили высокую точность измерений интенсивности потока и количества молока. Кривые, полученные весовым методом и с помощью датчика, представлены на рисунке 1. Погрешность измерений количества молока составила 1,71%, погрешность измерений интенсивности потока — 1,21%.

Для определения жирности предлагается использовать длину волны излучения, которая хорошо поглощается жировыми шариками молока. В процессе проведения экспериментов получена зависимость, показанная на рисунке 2, длина волны излучения составила 550 нм. Зависимость получена при полностью заполненном измерительном объёме датчика.

В соответствии со способом измерений [7] устройство определяет количество молока в измерительном объеме датчика. Эту информацию можно использовать для коррекции заполнения датчика при определении жирности молока.

Для расширения возможностей датчика потока молока используют источник излучения, имеющий необходимые длины волн излучения, а приёмником излучения служит цветовой сенсор, позволяющий разделить длины волн излучения для определения параметров потока и параметров качества молока.

В качестве цветового сенсора предлагается использовать микросхему TCS3200, имеющую три цветовых фильтра и позволяющую как раздельно, так и суммарно измерить поток излучения на различных длинах волн. В микросхеме цветового сенсора предусмотрена возможность переключения каналов цветовой чувствительности, это позволяет автоматизировать процесс управления, используя для измерения параметров молока микроконтроллер.

Рисунок I - Кривая молоковыведения с удоем 10,3 л

При установке устройства вблизи доильного стакана устройство позволяет использовать его совместно с компьютером для сбора данных об индивидуальном удое и жирности молока.

В настоящее время потенциал продуктивности коров используется всего на 50-60%. Устаревшие технологии машинного доения с типовым набором операций и жесткими режимами доения не учитыва ют текущих физиологических потребностей каждого животного в процессе производства, не реализуют их биологические возможности. Это приводит к недополучению продукции, ограничивает возможности воспроизводства стада и сокращает ресурсы разводимых пород скота.

Предлагаемое устройство позволяет вести мониторинг удоев и качественных параметров молока с использованием аппаратно-программного комплекса [8].

При индивидуальном учёте определяется продуктивность животного - это количество надоенного молока в целом по вымени, цель которого - нормированная раздача корма в зависимости от величины удоя. Эти данные используются также для селекционно-племенной работы со стадом. Наиболее полно характеризует продуктивность коров контроль количества молока при каждом доении животного.

В устройстве, предложенном в [9], реализован похожий метод для повышения продуктивности коров, основанный на контроле количества молока и корректировке индивидуального рациона, если принять содержание лизина в рационе в качестве основы. Для измерения количества молока предлагается использовать цифровой счётчик молока [10].

Устройство содержит вихревую крышку, пеногасящее устройство, мембранный клапан, датчик Холла. Утверждается, что устройство обладает высокой точностью измерений, имеет низкую массу и легко тиражируется.

Жирность,%

Рисунок 2 - Зависимость выходного напряжения датчика от жирности молока на длине волны 550 нм

Современные тенденции измерения параметров молока направлены на получение информации не только о качестве продукта, но и использования её для управления качеством получаемого молока. Автоматизированные системы контроля за качеством производимого молока, использующие предлагаемые методы измерений позволяют получать молоко высокого качества и контролировать его качество непосредственно при получении продукта.