CN105486746A

CN105486746A - 一种乳液成分分析装置及乳液检测方法

Info

Publication number: CN105486746A
Application number: CN201610022652.4A
Authority: CN
Inventors: 李汝锋; 王成玉
Original assignee: JINAN QILI PHOTOELECTRIC TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: JINAN QILI PHOTOELECTRIC TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2016-01-14
Filing date: 2016-01-14
Publication date: 2016-04-13

Abstract

本发明公开了一种乳液成分分析装置，包括水平设置的测样主管，测样主管两端通过支板与底板连接，测样主管两端分别连接进液腔与出液腔，进液腔上设置有进液管，进液腔外侧连接发射压电陶瓷座，出液腔上设置有出液管，出液腔外侧连接接收压电陶瓷座，发射压电陶瓷座与接收压电陶瓷座的中心在同一直线上，测样主管上设置有控温传感器，靠近出液腔一端的支板上也设置有控温传感器；本发明的有益效果是：使用的小容积测试样品，需要的测试试样少，使得加热处理的耗费时间短，检测效率高；进出样品分开设置方式，避免了测试样品交叉污染的情况，保证了结果的准确性。

Description

一种乳液成分分析装置及乳液检测方法

技术领域

本发明涉及乳液成分分析领域，特别涉及一种乳液成分分析装置及乳液检测方法。

背景技术

现在常采用的超声波检测法

超声波探测技术是利用高频波与物质之间的相互作用以获取被测物质内部的物理化学性质。近些年来，国内外在超声波牛奶成分测量领域取得了很大的进展，预测精度可以达到5%的水平，基本能够满足在线测量以及流动检测的要求。超声波测量方法相对于上面提到的光学方法则具有很多优点。超声波方法对测量环境的要求较低，这样超声波分析仪就很适合于流动检测。超声波探头相对于光学器件，价格较低，使得超声波牛奶成分分析仪的成本较低，很适合于小型用户使用。再加上分析时所需要的样品量较少，使得仪器可体积可以做的很小。

由于超声波技术的优点，近几年有许多公司在该方面进行了探索，特别是杭州浙大优创科技生产的乳成分系列分析仪、北京爱婴科技发展中心所生产的母乳分析仪，其都在市场得到了应用，但是目前超声波检测技术仍处于发展阶段，限于各公司的能力，其被测乳液要求量较大，测量时间长，仪器的稳定性和测量的准确性仍需要提高,并使用起来也有许多需要改进的方面，如需要的测试样大，应用于母乳测试时由于取奶量大就非常不便。特别是测量牛奶的仪器不能准确测量母乳，测量母乳的仪器不能准确测量牛奶。

超声波液态乳液成分检测技术目前主要存在的问题：

（1）一台仪器无法同时满足牛奶及母乳的测量。

（2）测试试样要求容量大，现有市场的产品有些需要提供测试试样10ml或甚至几十毫升以上，最小也要大于6ml，当应用于测试母乳乳液时，测试试样的容量太大，对于试样的取得就比较困难，且不方便。

（3）测试时进出样不分开，试样进口和排除口为一个口，会造成测试样品的交叉污染，影响最终的测试结果。

（4）测试时间长，由于超声波测试分析时要严格特定温度下进行，当试样多时，造成加热时间长，也不容易让液体加热均匀，为了准确势必延长加热时间和加热速率，这样造成测试时间长，无法提高测量效率。

（5）测试数据一致稳定性差，多次对同一样品的测试结果重复性差，这是由于温度控制的偏差、测试样品的产生气泡等多种因素造成。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种乳液成分分析装置，包括试样存储单元，所述试样存储单元连接的检测单元，及接收所述检测单元输出结果的计算机，进行乳液分析时检测单元从试样存储单元中取得检测需求的的试样，然后在检测单元中对试样进行分析，最后检测单元将所得结果输出到计算机上，所述检测单元包括水平设置的测样主管，所述测样主管两端通过支板与底板连接，所述测样主管两端分别连接进液腔与出液腔，所述进液腔上设置有进液管，所述进液腔外侧连接发射压电陶瓷座，所述出液腔上设置有出液管，所述出液腔外侧连接接收压电陶瓷座，所述发射压电陶瓷座与所述接收压电陶瓷座的中心在同一直线上，所述测样主管上设置有控温传感器，靠近所述出液腔一端的所述支板上也设置有控温传感器。

所述测样主管上设置有加热螺旋线圈。

所述加热螺旋线圈均匀紧密的缠绕在所述测样主管外壁上，其长度与所述测样主管长度一致。

所述测样主管上的控温传感器设置在所述测样主管的中部。

所述测样主管为细长薄壁铜管，管内容量为1.5ml，管壁厚度0.3mm。

所述底板上设置有控制电路，控温传感器、发射压电陶瓷做、接收压电陶瓷座、加热螺旋线圈均与控制电路电连接。

乳液成分分析方法：

第一，与乳液成分分析装置相连的蠕动泵开始工作，吸取被测液体试样1ml冲洗分析装置通道；通过对通道的冲洗，避免试样交叉感染导致检测结果不准确；

第二，继续吸取液体试样1.5ml留存测样主管内用于检测分析；因为测样主管内容量为1.5ml，所以1.5ml的试样正好充满测样主管内部

第三，加热螺旋线圈通电对所述测样主管内的试样进行加热，同时设置于所述测样主管中部的控温传感器检测试样温度；

第四，所述控温传感器检测试样温度到达测试标准时，反馈信息给控制电路，控制电路控制加热螺旋线圈停止加热；

第五，所述控制电路控制发射压电陶瓷座发出高频超声波进行测量，接收压电陶瓷座接收到测量超声波传回所示控制电路，并经过计算分析后给出测量结果并保存；第六，重复上述完成第二次信号的测量，最后对两次测量信号综合计算得出测试结果并传送到计算机上，完成测量。

测量原理：该测量方法需要测量两个温度条件下超声波在牛奶介质中的传播速度，从而计算出牛奶密度，最终推导出各组分的浓度。

本发明的有益效果是：集超声波信号发送、超声波信号接收、加热、测温、过热保护、自动进出液、气泡排空一体。采用了高频超声波检测技术，相对于其他如化学分析及光学光谱法在保证结构简单，成本低，操作方便的前提下满足用户的要求，需要的测试试样少，方便用户检测和保存；采用小容积、细长管、管壁加热及模糊自适应温度控制技术的运用，使得温度控制准确稳定，保证了超声波检测数据准确和稳定；使用的小容积测试样品，使得加热处理的耗费时间短，检测效率高；进出样品分开设置方式，避免了测试样品交叉污染的情况，保证了结果的准确性；结构设计满足了高频超声检测的技术要求，同时生产也结构简单，保证了产品的工作可靠性。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

图2为本发明系统控制方框图。

图3为本发明模糊运算子程序流程图。

图4为本发明求差量化子程序流程图。

图5为本发明系统测量电路方框图。

图6为本发明的底板电路原理图。

其中，附图标记为：1、进液管；2、发射压电陶瓷座；3、进液腔；4、支板；5、测样主管；6、控温传感器；7、出液管；9、支板；10、接收压电陶瓷座；11、出液腔；12、底板。

具体实施方式

针对现有乳液分析装置需求试样量比较大的问题，本发明提供一种乳液成分分析装置。

实施例一：

参见图1本发明提供了一种乳液成分分析装置，包括试样存储单元，所述试样存储单元连接的检测单元，及接收所述检测单元输出结果的计算机，检测时检测单元从试样存储单元中取得检测需求的的试样，然后在检测单元中对试样进行分析，最后检测单元将所得结果输出到计算机上，检测单元包括水平设置的测样主管5，测样主管5两端通过支板4与底板12连接，测样主管5两端分别连接进液腔3与出液腔11，进液腔3上设置有进液管1，进液腔3外侧连接发射压电陶瓷座2，出液腔11上设置有出液管7，出液腔11外侧连接接收压电陶瓷座10，发射压电陶瓷座2与接收压电陶瓷座10的中心在同一直线上，测样主管5上设置有控温传感器6，靠近出液腔11一端的支板4上也设置有控温传感器6。

加热螺旋线圈均匀紧密的缠绕在测样主管5外壁上，其长度与测样主管5长度一致。这样可以在对试样加热的过程中使试样均匀受热。

测样主管5上的控温传感器6设置在说是测样主管5的中部。

测样主管5为细长薄壁铜管，管内容量为1.5ml，管壁厚度0.3mm。

发射压电陶瓷座2与接收压电陶瓷座10的中心在同一直线上。

加热螺旋线圈通过具有模糊自适应控制温度加热电路进行加热。

底板12上设置有控制电路，控温传感器6、发射压电陶瓷做2、接收压电陶瓷座10、加热螺旋线圈均与控制电路电连接。

一种乳液成分分析方法：

第一，与乳液成分分析装置相连的蠕动泵开始工作，吸取被测液体试样1ml冲洗分析装置通道；

第二，继续吸取液体试样1.5ml留存测样主管内用于检测分析；

第三，加热螺旋线圈通电对测样主管内的试样进行加热，同时设置于测样主管中部的控温传感器检测试样温度；

第四，控温传感器检测试样温度到达测试标准时，反馈信息给控制电路，控制电路控制加热螺旋线圈停止加热；

第五，控制电路控制发射压电陶瓷座发出高频超声波进行测量，接收压电陶瓷座接收到测量超声波传回所示控制电路，并经过计算分析后给出测量结果并保存；第六，重复上述完成第二次信号的测量，最后对两次测量信号综合计算得出测试结果并传送到计算机上，完成测量。

系统测量电路方框图如图5所示。

1、温度控制：系统采用模糊控制算法，控制误差为±0.5℃。系统控制方框图如图2。其中上位机通过串口与MCU传输设定温度值及系统其他参数；MCU进行测量数据传输、模糊运算及PWM波输出，模糊运算子程序实现了由A/D转换值到模糊控制值的运算，其中包含了求差量化和查模糊表子程序。

偏差e=测量温度值-设定温度值，其模糊集合可以表示为{负大（NB）、负小（NS）、零（ZO）、正小（PS）、正大（PB）}，并将其量化为九个等级：-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4。其论域可以表示为E={-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4}。

为简化运算，可将控制量U的大小也量化成上述九个等级，根据专家经验，这些模糊集的隶属度量为如下表所示：

表模糊集的隶属度量

量化等级	-4	-3	-2	-1	0	+1	+2	+3	+4
										PB	0	0	0	0	0	0.4	0.7	1	1
PS	0	0	0	0.4	0.7	1	0.7	0.4	0
										ZO	0	0	0.4	0.7	1	0.7	0.7	0	0
NS	0	0.4	0.7	1	0.7	0	0	0	0
										NB	1	1	0.7	0.4	0	0	0	0	0

根据熟练操作人员手工控制经验，模糊控制规则如下：

1）IFE=NBTHENU=PB

2）IFE=NSTHENU=PS

3）IFE=ZOTHENU=ZO

4）IFE=PSTHENU=NS

5）IFE=PBTHENU=NB

上述模糊控制规则为一多重模糊条件语句，可用误差论域E到控制量论域U的模糊关系R表示为：

R=(NBe×PBu)∪(NSe×PSu)∪(ZOe×ZOu)∪(PBe×NBu)

接下来再由加法法则和上述计算关系进行矩阵运算，结果如下表：

表差值与控制量的等级对应表

e	-4	-3	-2	-1	0	+1	+2	+3	+4
										U	+4	+3	+2	+1	0	-1	-2	-3	-4

差值e与实际温度的量化关系如下表：

表量化等级与实际温度的对应表

量化等级	-4	-3	-2	-1	0	+1	+2	+3	+4
										实际温度	-5	-3	-2	-1	0	+1	+2	+3	+5

控制U与实际输出的量化关系如下表：

量化等级	-4	-3	-2	-1	0	+1	+2	+3	+4
										实际输出	20	10	5	3	2	1	0	0	0

注：数值为每20个周期内的导通周期数

实际运用过程中可以将-4-4量化为0-8，减少符号数的运算。另外为了减少程序量，可由差值e量化后直接求出控制量，而不必要对控制量进行反量化。

表简化后的实际温差与实际输出的关系表

实际温差	-5℃	-0.5℃	-0.2℃	-0.1℃	0℃	0.1℃	0.2℃	0.5℃	5℃
										e	0	1	2	3	4	5	6	7	8
实际输出	20	10	5	3	2	1	0	0	0

注：数值为每20个周期内的导通周期数

分析可知，可以通过查表程序来求得其模糊控制值。程序流程图如图3和图4所示。

2、声速测量：由于管长太小，所以从超声波发送到成功接收的时间太短，管长L=50mm，声速c=（1000~1500）m/s，时间t≈L/c=3×10^-5s，单片机无法精确捕捉这么短的时间；所以采用一定时间T内接收信号驱动发送的循环发送接收模式，记录接收信号整形后的脉冲个数n，根据公式nL=cT，可计算出c=nL/T。

3、如图6所示，底板12上设置有过热保护电路，可以避免加热控制电路故障时烧坏加热丝或传感器其他部件，该系统采用NTC测量加热丝温度，当超过80℃，系统自动切断加热回路，等温度恢复后自动闭合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种乳液成分分析装置，其特征在于，包括水平设置的测样主管，所述测样主管两端通过支板与底板连接，所述测样主管两端分别连接进液腔与出液腔，所述进液腔上设置有进液管，所述进液腔外侧连接发射压电陶瓷座，所述出液腔上设置有出液管，所述出液腔外侧连接接收压电陶瓷座，所述发射压电陶瓷座与所述接收压电陶瓷座的中心在同一直线上，所述测样主管上设置有控温传感器，靠近所述出液腔一端的所述支板上也设置有控温传感器。

2.根据权利要求1所述的乳液成分分析装置，其特征在于，所述测样主管上设置有加热螺旋线圈。

3.根据权利要求2所述的乳液成分分析装置，其特征在于，所述加热螺旋线圈均匀紧密的缠绕在所述测样主管外壁上，其长度与所述测样主管长度一致。

4.根据权利要求1所述的乳液成分分析装置，其特征在于，所述测样主管上的控温传感器设置在所述测样主管的中部。

5.根据权利要求1所述的乳液成分分析装置，其特征在于，所述测样主管为细长薄壁铜管，管内容量为1.5ml，管壁厚度0.3mm。