CN108401913B - 一种在线检测牛奶流量的装置及其方法 - Google Patents

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    • A01J5/007—Monitoring milking processes; Control or regulation of milking machines
    • A01J5/01—Milkmeters; Milk flow sensing devices

Abstract

一种在线检测牛奶流量的装置及其方法，涉及一种检测牛奶流量的装置及其方法，本发明利用原有牛奶管道对红外光光的汇聚作用，使用一对红外光源、探测器实现流道截面的测量，用两对红外光源和探测器测量牛奶流经管道时产生的光电信号，运用相关运算得到牛奶流经两组探测器的时间，进而计算出流速，结合所测红外信号的强度得出牛奶含量，实现牛奶流量的在线检测。采用无奶流流过管道时的信号作为校准，无需校准流道。这样流量计无需接入牛奶管道，只需安装在原有牛奶管道外就能够实现牛奶流量的测量。消除了流量计维修和更换可能带来的卫生安全隐患。测量装置简单可靠，无需接入牛奶原有管道，能够用于智能化牧场中产奶量的在线检测。

Description

一种在线检测牛奶流量的装置及其方法
技术领域
本发明涉及一种检测牛奶流量的装置及其方法，特别是涉及一种在线检测牛奶流量的装置及其方法。
背景技术
随着信息产业革命进行，为实现智能化牧场，各种新检测技术也应用于畜牧业中。作为源头的奶牛产奶量的测量，在奶制品行业中的地位非常重要。实时记录不同奶牛的产奶量，可以让饲养者对每一头奶牛健康状况做出正确的判断，及时淘汰掉产奶量极少的牛，并根据此反馈信息对奶牛饮食情况进行调节，确定饲料的配比方案，科学化进行牧场信息管理。
传统的流量测量仪器，如电磁流量计、超声流量计、温度探头流量计（CN1847802A）等，都要求液体充满整个管道。而挤奶的过程是通过脉动器调节负压环境，带动挤奶器挤奶，输出的奶流是气体和牛奶液体的混合状态，呈现时断时续的状态，导致电磁、超声等传统流量计无法使用。目前牧场中主要使用容积式测量计，利用较大的玻璃计量罐（如28升容量）观测牛奶流量。这种方法安装过程复杂、计量罐易破损、清洗困难，且在卫生方面存在一定隐患。
针对这一难题，有人提出一种基于红外光线穿透牛奶的时间差测量牛奶流量的方法（CN104365486B），但是牛奶造成的光穿透时间差非常小，测量精确度较低。
还有人提出基于红外测量的牛奶流检测方法(US005116119A、CN104198002A、CN107006377A)，并已经成功应用到牧场的牛奶检测中：基于透过牛奶的红外光强度测量牛奶含量，通过牛奶流动方向的两个红外信号的关系计算流速，最终得到牛奶流量。
这种红外牛奶流量测量方法需要校准流道来校正基础信号、去除光源强度衰减等因素带来的影响，因此需要截断并接入原牛奶管道中，使牛奶流过测量区域(US005116119A、CN104198002A、CN107006377A)。但是，这种接入测量的方案仍存在卫生隐患：一旦流量计出现故障需要维修调试，必须截断管道将流量计取出，可能破坏流道内的卫生状况、造成污染。因此，需要一种既能够校准又无需接入牛奶管道的流量测量方法。
上述红外流量计采用的方形流道——光源和探测器之间是两层平行平面管壁。因此一对光源、探测器测量的是一个直线区域的牛奶，测量范围较小。为了测量整个流道截面，需要在这个截面上布置多对光源、探测器。但是，更多的光源、探测器元件提高了故障发生的概率；不同光源、不同探测器的个体差异，都可能影响测量精度；且光源的发散特性使探测器可能接收到来自其它光源的信号，影响测量结果。因此，需要只使用两组红外光源和探测器实现整个流道截面测量的方案。
发明内容
本发明的目的在于提供一种在线检测牛奶流量的装置及其方法，本发明使用两对红外光源和探测器测量牛奶流经管道时产生的光电信号，运用互相关运算得到牛奶流经两组探测器的时间，进而计算出牛奶的流速，最后结合所测红外信号的强度得出牛奶含量，最终实现牛奶流量的在线检测。本发明的牛奶测量装置简单可靠，无需接入牛奶原有管道，能够用于智能化牧场中产奶量的在线检测。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种在线检测牛奶流量的装置，所述装置包括无校准流道的红外牛奶流量计，该牛奶流量计由两对红外光源和探测器以及避光外壳组成；流量计直接安装在牧场原始截面为圆形的牛奶管道外，安装后一对红外光源和探测器分别对称安装于管道左右两侧，使红外光源和探测器中心连线通过管道截面中心。
所述的一种在线检测牛奶流量的装置，所述装置同一管道截面只布置一组红外光源和探测器。
所述的一种在线检测牛奶流量的装置，所述装置整个牛奶流量计只需沿牛奶流动方向近距离放置一组上游红外光源和探测器和一组下游红外光源和探测器。
一种在线检测牛奶流量的方法，所述方法包括以下测量步骤：
（1）流量计接收到开始计量的信号，红外光源和探测器启动；
（2）牛奶未流经流量计所探测的管道之前，测量空流道时两个探测器的信号，作为其各自的阈值校准电压；
（3）发送启动信号至挤奶器装置，使牛奶流经流量计所探测的管道，测量两个探测器的信号；
（4）当任一探测器信号低于其步骤（2）中阈值校准电压时，则牛奶流道内有牛奶流过，开启一个数据记录周期，分别记录两探测器信号值；
（5）根据步骤（4）得到的一个周期内两探测器记录的数据，进行互相关运算，求得互相关系数随时间变化曲线，互相关系数最大值对应的时间与数据记录周期时间的差值，就是两探测器信号的时间延迟；
（6）两探测器之间的距离已知，由步骤（5）可知同一奶流流经两处的信号延迟，进而确定流经流道的牛奶瞬时速度；
（7）探测器接收到的信号与该截面牛奶含量呈现非线性关系，根据事先定标得到的信号-浓度经验曲线进行校正；
（8）在一个数据周期时间内，对步骤（7）得到的牛奶含量信号取平均值，并根据管道截面面积进行校正得到平均牛奶含量；
（9）根据测定步骤（4）、（6）和（8）的一个数据周期时间、牛奶瞬时速度和平均牛奶含量，三者相乘最终得到一个数据周期内的瞬时牛奶流量；
（10）重复步骤（4）至（9），对步骤（9）得到的瞬时牛奶流量进行累加并显示当前累加流量，当流量计接收到停止计量信号后，输出最终的流量值。
所述的一种在线检测牛奶流量的方法，所述步骤（7）根据两探测器记录数据及各自的阈值进行曲线归一化处理，归一化后的两条曲线上每一点信号值，带入到信号-浓度经验曲线进行校正，计算截面内每一记录点时刻的截面牛奶含量。
本发明的优点与效果是：
1.本发明采用无奶流流过管道时的信号作为校准，无需校准流道。这样流量计无需接入牛奶管道，只需安装在原有牛奶管道外就能够实现牛奶流量的测量。消除了流量计维修和更换可能带来的卫生安全隐患。
2.本发明利用原有牛奶管道对红外光光的汇聚作用，使用一对红外光源、探测器就能够实现流道截面的测量，整个流量计仅需两对红外光源、探测器。与传统使用4、5个光源以上的红外流量计相比，本发明中的流量计由于减少了元件个数，减小了不同光源、不同探测器的个体差异可能带来的影响，消除了探测器可能接收到来自同一截面其它红外光源的信号的可能性，提高了测量精度。此外，更少的元件数目也使流量计发生故障的概率降低，提高了可靠性。
附图说明
图1是本发明的流量计的结构示意图；
图2是传统红外流量计的方形管道的光路示意图；
图3是本发明的截面为圆形的牛奶流经的管道的光路示意图；
图4是图1流量计中两探测器在一个数据周期接收到信号波形的实例图；
图5是图3数据经过互相关运算计算时间延迟的实例图；
图6实验定标得出的牛奶浓度含量与探测器相对信号的关系曲线实例图；
图7是本发明实施例装置的结构示意图；
图8是本发明实施例数据周期流量计数的具体步骤流程图。
图中部件：1牛奶流经的管道，2流经的液体牛奶，3上游探测器，4上游红外光源，5下游探测器，6下游红外光源，7传统红外流量计的方形管道，8同一管道截面上的一对探测器，9同一管道截面上的一对红外光源，10避光外壳。
具体实施方式
下面结合附图所示实施例对本发明进行详细说明。
本发明中提出的无校准流道的红外牛奶流量计，由两对红外光源和探测器以及避光外壳组成。流量计可以直接安装在牧场原始截面为圆形的牛奶管道外，安装后一对红外光源和探测器分别对称安装于管道左右两侧，使红外光源和探测器中心连线通过管道截面中心。同一管道截面只需布置一组红外光源和探测器，整个牛奶流量计只需沿牛奶流动方向近距离放置一组上游红外光源和探测器和一组下游红外光源和探测器。避光外壳防止外界光线干扰流量计的测量。
本发明中采用新的校准方案来实现无校准流道的系统校正：在牛奶流经流量计所探测的管道之前，两探测器分别采集空流道信号，作为各自的阈值信号，测量时以该阈值信号为基准。
本发明中的牛奶流量测量步骤如下：
（1）流量计接收到开始计量的信号，红外光源和探测器启动；
（2）牛奶未流经流量计所探测的管道之前，测量空流道时两个探测器的信号，作为其各自的阈值校准电压；
（3）发送启动信号至挤奶器装置，使牛奶流经流量计所探测的管道，测量两个探测器的信号；
（4）当任一探测器信号低于其步骤（2）中阈值校准电压时，则牛奶流道内有牛奶流过，开启一个数据记录周期，分别记录两探测器信号值；
（5）根据步骤（4）得到的一个周期内两探测器记录的数据，进行互相关运算，求得互相关系数随时间变化曲线，互相关系数最大值对应的时间与数据记录周期时间的差值，就是两探测器信号的时间延迟。
（6）两探测器之间的距离已知，由步骤（5）可知同一奶流流经两处的信号延迟，进而确定流经流道的牛奶瞬时速度；
（7）探测器接收到的信号与该截面牛奶含量呈现非线性关系，根据事先定标得到的信号-浓度经验曲线进行校正。根据两探测器记录数据及各自的阈值进行曲线归一化处理，归一化后的两条曲线上每一点信号值，带入到信号-浓度经验曲线进行校正，计算截面内每一记录点时刻的截面牛奶含量；
（8）在一个数据周期时间内，对步骤（7）得到的牛奶含量信号取平均值，并根据管道截面面积进行校正得到平均牛奶含量；
（9）根据测定步骤（4）、（6）和（8）的一个数据周期时间、牛奶瞬时速度和平均牛奶含量，三者相乘最终得到一个数据周期内的瞬时牛奶流量。
（10）重复步骤（4）至（9），对步骤（9）得到的瞬时牛奶流量进行累加并显示当前累加流量，当流量计接收到停止计量信号后，输出最终的流量值。
具体计算公式为，S1和S2分别是步骤（4）中上游探测器和下游探测器输出的信号，经过步骤（7）校正得到截面牛奶含量信号A1和A2，
Figure 448916DEST_PATH_IMAGE001
和
Figure 252660DEST_PATH_IMAGE002
分别是两探测器经过步骤（7）后一个数据周期内信号的平均值。
当一个数据周期结束时，截面牛奶含量的平均值
Figure 855680DEST_PATH_IMAGE003
为：
Figure 499150DEST_PATH_IMAGE004
（1）
其中k为截面校正系数，该数据由牛奶的流过的圆形管道截面积得出。一个数据周期时间内，牛奶速度可由两探测器之间的距离L和步骤（5）中得到的时间延迟
Figure 647366DEST_PATH_IMAGE005
得到：
Figure 376288DEST_PATH_IMAGE006
（2）
从而，一个数据周期时间T内的牛奶流量
Figure 517419DEST_PATH_IMAGE007
为：
Figure 15397DEST_PATH_IMAGE008
（3）
牛奶流过的时间段，每个数据周期采集的瞬时流量都进行流量累加，得到最终牛奶总流量
Figure 334514DEST_PATH_IMAGE009
。
实施例
流经的液体牛奶2流过牛奶流经的管道1时的情况，如图1和图2、图3所示。
图1是本发明的流量计的结构示意图，它由牛奶流经的管道1、流经的液体牛奶2、上游红外光源4和上游探测器3、下游红外光源6和下游探测器5组成。上游红外光源4和上游探测器3分别安装在牛奶流经的管道1对称的两侧，上游红外光源4和上游探测器3中心的连线经过圆形牛奶流经的管道1截面圆心。下游红外光源6和下游探测器5分别安装在牛奶流经的管道1对称的两侧，下游光源6和下游探测器5中心的连线经过圆形牛奶流经的管道1截面圆心。
如图2、图3以上游截面为例，为传统红外流量计的方形管道和本发明的截面为圆形的牛奶流经的管道的光路示意图。作为与传统红外流量计管道的对比。传统的红外流量计方形管道7，一对光源和探测器测量的是一个直线区域的牛奶信号，测量范围较小，为了测量整个流道截面，需要在同一管道截面上的布置至少一对红外光源9和一对探测器8。但光源发出的光是往往是发散的，因此同一截面上的探测器可能接收到来自其它光源的信号，影响测量结果。如图3，本发明中直接测量截面为圆形的牛场流经的管道1（如四分管）。合理的安排了上游红外光源4和上游探测器3的位置，利用上游红外光源4的发散角和圆形牛奶流经的管道本身的汇聚作用，可以只使用一对上游红外光源4和上游探测器3实现管道上游截面的信号测量。
在图1情况基础上，瞬时牛奶流量测量步骤如下：
（1）流量计接收到开始计量的信号，红外光源和探测器启动；
（2）牛奶未流经流量计所探测的管道之前，测量空流道时上游探测器3和下游探测器5此时的信号J1和J2，作为其各自的阈值校准电压；
（3）发送启动信号至挤奶器装置，使牛奶流经流量计所探测的管道，测量两个探测器的信号；
（4）当任一探测器信号低于其步骤（2）中阈值校准电压J1或J2时，则牛奶流道内有牛奶流过，开启一个数据记录周期，分别记录上游探测器3信号S1和下游探测器5信号S2的值；
图4是一个图1流量计中上游探测器3和下游探测器5，在一个数据周期接收到信号波形的实例。J1和J2的阈值信号分别为3.9V和4.1V。S1信号对应的输出是图1上游探测器3与上游红外光源4的组合，S2信号对应的输出是下游探测器5和下游红外光源6的组合。S1和S2信号在一个数据周期时间
Figure 550731DEST_PATH_IMAGE010
的信号波形有时间延迟，具有时间延迟的原因在于上游探测器3和下游探测器5之间有距离L以及牛奶具有流速。
（5）根据步骤（4）得到的一个周期内两探测器记录的数据，进行互相关运算，求得互相关系数
Figure 495553DEST_PATH_IMAGE011
随时间变化曲线，互相关系数
Figure 848037DEST_PATH_IMAGE011
最大值对应的时间与数据记录周期时间
Figure 603635DEST_PATH_IMAGE010
的差值，就是两探测器信号的时间延迟
Figure 103886DEST_PATH_IMAGE012
。
图5是图4中一个数据周期T两探测器信号计算时间延迟的实例。横轴是时间，纵轴是互相关系数
Figure 524503DEST_PATH_IMAGE011
，
Figure 807193DEST_PATH_IMAGE011
最大值对应的横轴时间与一个数据周期时间T的差值就是两信号时间延迟
Figure 655063DEST_PATH_IMAGE012
。本实例对应一个数据周期时间T为
Figure DEST_PATH_IMAGE013
，最终计算得到测量得到的时间延迟
Figure 642611DEST_PATH_IMAGE012
是
Figure 742285DEST_PATH_IMAGE014
。
一个数据周期时间T内，牛奶速度可由两探测器之间的距离L和步骤（5）中得到的时间延迟
Figure 69361DEST_PATH_IMAGE016
得到：
Figure 166761DEST_PATH_IMAGE018
（6）上游探测器3和下游探测器5之间的距离已知19mm，由步骤（5）可知同一奶流流经上游探测3和下游探测器5的信号延迟19.5ms，进而确定流经管道的牛奶瞬时速度为974.36mm/s；
（7）上游探测器3和下游探测器5接收到的信号与该截面牛奶含量呈现非线性关系，根据事先定标得到的信号-浓度标准经验曲线进行校正。
图6是实验定标得出的牛奶含量与探测器信号的关系曲线实例。随着牛奶浓度含量C的变化，探测器相对信号S呈现非线性衰减。
根据两探测器记录数据及各自的阈值J1和J2进行曲线归一化处理后，对照图6，将图4中S1和S2曲线上各点归一化后，计算经过较正得到该截面内每一记录点时刻的截面牛奶含量信号，从而得到截面牛奶含量信号A1和A2，并计算其一个数据周期内信号的平均值
Figure 579288DEST_PATH_IMAGE020
和
Figure 404024DEST_PATH_IMAGE022
分别为0.3750和0.3625。
（8）在一个数据周期时间T内，对步骤（7）得到的牛奶含量信号取平均值，并根据管道截面面积进行校正得到平均牛奶含量
Figure 585607DEST_PATH_IMAGE024
；
当一个数据周期结束时，截面牛奶含量的平均值
Figure 853908DEST_PATH_IMAGE026
为：
Figure 753731DEST_PATH_IMAGE028
其中k为截面校正系数，该数据由牛奶的流过的圆形管道截面积得出，此实例中k值为
Figure 382159DEST_PATH_IMAGE030
，最终计算得到
Figure 234227DEST_PATH_IMAGE024
为
Figure 860380DEST_PATH_IMAGE032
。
（9）根据测定步骤（4）、（6）和（8），实例中一个数据周期时间
Figure 309816DEST_PATH_IMAGE034
，牛奶瞬时速度v为
Figure 414038DEST_PATH_IMAGE036
和平均牛奶含量
Figure 383263DEST_PATH_IMAGE024
为
Figure 180317DEST_PATH_IMAGE038
，三者相乘最终得到这一个数据周期内的瞬时牛奶流量
Figure 851470DEST_PATH_IMAGE040
。
从而，这一个数据周期时间T内的瞬时牛奶流量
Figure 24962DEST_PATH_IMAGE040
为：
Figure 848693DEST_PATH_IMAGE042
（10）重复步骤（4）至（9），对步骤（9）得到的瞬时牛奶流量
Figure 816649DEST_PATH_IMAGE040
进行累加并显示当前累加流量，当流量计接收到停止计量信号后，输出最终的流量值
Figure 975098DEST_PATH_IMAGE044
。
图7是本发明的实施例装置的结构示意图；图8是本发明实施例的流量测量步骤的流程图。
上游红外光源4和下游红外光源6采用8mm直径0.3W的发射波长为940nm的红外LED，上游探测器3和下游探测器5采用自带运算放大器的OPT101模块。上游探测器3和下游探测器5距离L是19mm。流量计量装置的外壳10既能防止外部红外光线的干扰，还能够把流量计固定牛奶流经的管道1上。在需要维修时，避光外壳10还可以拆卸使红外光源和探测器与牛奶流经的管道1脱离，从而不必拆卸管道，减少污染。

Claims (3)

1.一种在线检测牛奶流量的装置，其特征在于，所述装置包括无校准流道的红外牛奶流量计，该牛奶流量计由两对红外光源和探测器以及避光外壳组成；流量计直接安装在牧场原始截面为圆形的牛奶管道外，安装后一对红外光源和探测器分别对称安装于管道左右两侧，使红外光源和探测器中心连线通过管道截面中心；
所述装置同一管道截面只布置一组红外光源和探测器；所述装置整个牛奶流量计只需沿牛奶流动方向近距离放置一组上游红外光源和探测器和一组下游红外光源和探测器。
2.根据权利要求1所述的一种在线检测牛奶流量的装置，其特征在于，所述在线检测牛奶流量装置的方法包括以下测量步骤：
（1）流量计接收到开始计量的信号，红外光源和探测器启动；
（2）牛奶未流经流量计所探测的管道之前，测量空流道时两个探测器的信号，作为其各自的阈值校准电压；
（3）发送启动信号至挤奶器装置，使牛奶流经流量计所探测的管道，测量两个探测器的信号；
（4）当任一探测器信号低于其步骤（2）中阈值校准电压时，则牛奶流道内有牛奶流过，开启一个数据记录周期，分别记录两探测器信号值；
（5）根据步骤（4）得到的一个周期内两探测器记录的数据，进行互相关运算，求得互相关系数随时间变化曲线，互相关系数最大值对应的时间与数据记录周期时间的差值，就是两探测器信号的时间延迟；
（6）两探测器之间的距离已知，由步骤（5）可知同一奶流流经两处的信号延迟，进而确定流经流道的牛奶瞬时速度；
（7）探测器接收到的信号与该截面牛奶含量呈现非线性关系，根据事先定标得到的信号-浓度经验曲线进行校正；
（8）在一个数据周期时间内，对步骤（7）得到的牛奶含量信号取平均值，并根据管道截面面积进行校正得到平均牛奶含量；
（9）根据测定步骤（4）、（6）和（8）的一个数据周期时间、牛奶瞬时速度和平均牛奶含量，三者相乘最终得到一个数据周期内的瞬时牛奶流量；
（10）重复步骤（4）至（9），对步骤（9）得到的瞬时牛奶流量进行累加并显示当前累加流量，当流量计接收到停止计量信号后，输出最终的流量值。
3.根据权利要求2所述的一种在线检测牛奶流量的装置，其特征在于，所述步骤（7）根据两探测器记录数据及各自的阈值进行曲线归一化处理，归一化后的两条曲线上每一点信号值，带入到信号-浓度经验曲线进行校正，计算截面内每一记录点时刻的截面牛奶含量。
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