CN110068594A - 一种肉类熟度监测装置及控制方法 - Google Patents

一种肉类熟度监测装置及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种肉类熟度监测装置及控制方法，包括传感器和测量电路，所述传感器包括从一端向另一端依次设置的第一导电部、第一绝缘部和第二导电部，所述第一导电部和所述第二导电部通过第一绝缘部绝缘连接；所述测量电路通过测量所述第一导电部和所述第二导电部之间的肉的电阻值或介电常数值确定肉类的生熟度。其有益效果是：本发明实时监测肉中心处的阻值或介电常数值进而得出肉的生熟度，针对任意形状、厚度的肉的监测结果都非常精确，因此对肉的生熟度的判断也更加精确。

Description

一种肉类熟度监测装置及控制方法
技术领域
本发明涉及一种肉类熟度监测装置及控制方法。
背景技术
现有的烤箱在烧烤过程中判断肉生熟度主要是靠控制温度烤箱内温度、湿度结合时间和经验值判断肉是否成熟。若通过烤箱内的温度判断肉是否成熟，肉成熟后的口感与肉内的水分含量多少有很大的关系，但现在使用的单独温度传感器无法检测肉内部水份含量的多少，制得后的肉口感较差。若通过烤箱内的湿度断肉是否成熟，不同体积的肉内部含有的水份多少不同采用一个温度参数无法保证烤制的一致性，无法进行准确判断。
如图6可以看出，当肉块内部温度大于80℃后需要经过很长时间肉才能够熟透(99％)。即通过肉块内部的温度值几乎无法判断肉的生熟度，需要结合经验，根据肉块的大小，从时间上确定生熟度，如10分钟、30分钟，很难精确到1分钟，偏差极大。这样就会造成肉食加工时间上的大量浪费，且生熟度也无法保证。
申请号为CN 201810735289.X的中国发明专利提供了一种实时检测肉类生熟度的监测方法及无线温度计，根据肉的类别和生熟度，设定对应的第一温度值和第一烧烤时间，不同肉类同一生熟度设定的第一温度值和第一烤肉时间都不同；相同肉类不同生熟度所自动获得的第一温度值和第一烤肉时间都不同；依据温度检测点的温度变化得到肉块的实时的第二温度值和第二烤肉时间；当第二温度值等于第一温度值或第二烤肉时间等于第一烤肉时间时，无线温度计发出警报提示；无线温度计包括探针组件、发射器及接收器；探针组件用于检测烤箱中烘烤食物的温度信号；本发明能够实现设置食物生熟度，且具有实时监测食物温度和检测食物生熟度、及时警报的优点。
上述专利通过时间和探测食物的温度来判断食物的熟度，但是并未考虑到肉成熟后的口感与肉内的水分含量多少有很大的关系，制得后的肉口感较差。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种肉类熟度监测装置及控制方法。
本发明一种肉类熟度监测装置，其技术方案为：
一种肉类熟度监测装置，包括传感器和测量电路，所述传感器包括从一端向另一端依次设置的第一导电部、第一绝缘部和第二导电部，所述第一导电部和所述第二导电部通过第一绝缘部绝缘连接；
所述测量电路通过测量所述第一导电部和所述第二导电部之间的肉的电阻值或介电常数值确定肉类的生熟度。
其中，所述第一导电部为柱体，所述第二导电部和第一绝缘部均为空心管体；
所述第一导电部包括同轴设置的第一监测段和第一连接段，所述第一监测段一端形成所述锥形，另一端与所述第一连接段相连，所述第一监测段的外径大于所述第一连接段的外径；
所述第一绝缘部套设在所述第一连接段的外周面上，并抵接在所述第一监测段靠近所述第一连接段一侧的端面上；
所述第二导电部套设在所述第一绝缘部远离所述第一监测段的一侧的外周面上。
其中，所述传感器还包括第二绝缘部，所述第二绝缘部为空心管体，所述第二绝缘部套设在所述第二导电部远离所述第一监测段的一侧的外周面上。
其中，所述第二导电部包括第二监测段和第二连接段，所述第二绝缘部套设在所述第二连接段的外周面上。
其中，所述第一监测段和所述第二监测段沿轴向的长度均不小于3mm。
其中，所述第一导电部、第二导电部、第一绝缘部和第二绝缘部的外径均相同，均为4-6mm。
其中，还包括温度监测装置，所述第一导电部为空心柱体，所述温度监测装置设置在所述第一导电部的空心柱体内。
其中，所述第一导电部远离所述第一绝缘部的一端为锥形。
其中，所述测量电路包括电阻监测电路、模拟数字转换器和微处理器；
所述电阻监测电路用于监测所述第一导电部和所述第二导电部之间的电压；
所述模拟数字转换器用于接收所述电阻监测电路测得的电压值并转换成数字信号发送给所述微处理器；
所述微处理器用于接收所述模拟数字转换器发送的信号，计算得出肉的电阻值并计算肉的生熟度。
其中，所述电阻监测电路包括由参考电压源、电阻R1、电阻R2和电阻R3，所述电阻监测电路与传感器组成惠斯通电桥。
其中，所述传感器上的电阻值根据下方公式计算得到：
其中，V1为电阻监测电路检测的惠斯通电桥电压差
其中，所述测量电路包括介电常数测量电路和微处理器，所述介电常数测量电路包括电容数字转换器，
所述电容数字转换器用于监测所述第一导电部和所述第二导电部之间的电容变化，并将监测结果转换成数字信号发生给所述微处理器；
所述微处理器用于接收所述模拟数字转换器发送的信号，转换得出肉的介电常数值并计算肉的生熟度。
其中，所述电容数字转换器为AD7150芯片，所述芯片的一个通道与所述传感器连通。
本发明一种肉类熟度监测装置的控制方法，其技术方案为：
获得肉类的电阻系数，实时监测第一导电部和所述第二导电部之间的肉的电阻值，根据电阻值计算肉的生熟度，判断生熟度是否大于阈值，若大于阈值则停止加热，若小于阈值则继续加热；
其中计算生熟度的公式为：RSS＝1-RR/KS；
其中：RSS----肉的生熟度；
RR----第一导电体和第二导电体之间的肉的电阻值；
KS----肉的电阻系数。
本发明一种肉类熟度监测装置的控制方法，其技术方案为：
获得肉类的电容系数和肉类的介电系数，实时监测第一导电部和所述第二导电部之间的肉的介电常数值，根据介电常数值计算肉的生熟度，判断生熟度是否大于阈值，若大于阈值则停止加热，若小于阈值则继续加热；
其中计算生熟度的公式为：
RSS＝1–Kε·ε/KC
其中：
RSS----肉的生熟度；
ε----第一导电部和所述第二导电部之间的肉的介电常数；
Kε----肉类的介电系数；
KC----肉的电容系数。
本发明的实施包括以下技术效果：
本发明通过同时实时监测肉中心处的温度与电阻值或介电常数值进而得出肉的生熟度，针对任意形状、厚度的肉的监测结果都非常精确，因此对肉的生熟度的判断也更加精确，制备出的肉也更加美味。
附图说明
图1为本发明的一种肉类熟度监测装置的结构图。
图2为本发明的一种熟度监测装置的肉质变熟过程电阻衰减曲线图，横轴为时间，纵轴为电阻值。
图3为本发明的一种熟度监测装置的肉质变熟过程介电常数衰减曲线图，横轴为时间，纵轴为介电常数值。
图4为本发明的一种熟度监测装置的监测电阻值的测量电路图。
图5为本发明的一种熟度监测装置的监测介电常数值的测量电路图。
图6为肉类生熟度随时间变化曲线，横轴为时间，纵轴为生熟度(％)。
图中，第一导电部1、第一监测段11、第一连接段12、第一绝缘部2、第二导电部3、第二监测段31、第二连接段32、第二绝缘部4、温度监测装置5。
具体实施方式
下面将结合实施例以及附图对本发明加以详细说明，需要指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
本申请中所述的方位例如上下左右均为对照附图描述的方便而使用，并不构成对保护范围的限定。
如图1-5所示，本实施例提供的一种肉类传感器，其技术方案为：
包括传感器和测量电路，所述传感器包括从一端向另一端依次设置的第一导电部1、第一绝缘部2和第二导电部3，所述第一导电部1和所述第二导电部3通过所述第一绝缘部2绝缘连接；所述测量电路通过测量所述第一导电部和所述第二导电部之间的肉的电阻值或介电常数值确定肉类的生熟度。如此，在烧烤时将传感器插入肉中心部，肉随烤箱温度升高，细胞壁破碎内部水份析出，第一导电部1和第二导电部3形成的电阻或介电常数随水份增加阻值逐渐减少，曲线如图2和3。通过电阻值曲线或介电常数曲线可判断肉在烘烤过程中水份变化情况，可更精确判断肉的生熟度。
其中，所述第一导电部1为柱体，第二导电部3和第一绝缘部2均为空心管体；所述第一导电部1包括同轴设置的第一监测段11和第一连接段12，所述第一监测段11一端形成所述锥形，另一端与所述第一连接段12相连，所述第一监测段11的外径大于所述第一连接段12的外径；所述第一绝缘部2套设在所述第一连接段12的外周面上，并抵接在所述第一监测段11靠近所述第一连接段12一侧的端面上；所述第二导电部3套设在所述第一绝缘部2远离所述第一监测段11的一侧的外周面上。如此，保证了第一导电部1和第二导电部3未使用时的绝对绝缘。
其中，还包括第二绝缘部4，所述第二绝缘部4为空心管体，所述第二绝缘部4套设在所述第二导电部3远离所述第一监测段11的一侧的外周面上。如此，第二绝缘部4可限制第二导电部3的长度，并在插入传感器时可握持在第二绝缘部4上，防止触电和对第二导电部3的损伤。
其中，所述第一导电部1、第二导电部3、第一绝缘部2和第二绝缘部4的外径均相同，均为4-6mm。如此，外壁光滑，减小插入肉时的阻力。
其中，所述第二导电部3包括第二监测段31和第二连接段32，所述第二绝缘部4套设在所述第二连接段32的外周面上。
其中，所述第一监测段11和所述第二监测段31沿轴向的长度均不小于3mm。如此，保证接触面积，保证电阻值监测准确。
其中，还包括温度监测装置2，所述第一导电部1为空心柱体，所述温度监测装置2设置在所述第一导电部1的空心内。保证温度监测装置5位于肉的内部，使温度监测结果更加准确。
优选地，温度监测装置5为热电偶，热电偶设置在第一监测段11内部，并尽量靠近锥形的尖端设置。
优选地，所述第一导电部1和第二导电部3均为金属材质。如此，电阻值监测准确，并且导热快，使温度监测装置5监测准确。
其中，第一导电部远离所述第一绝缘部的一端为锥形，如此，使传感器插入肉中心时更加省力。
实施例1
如图4所示，在前述具体实施方式的基础上，所述测量电路包括电阻监测电路、ADC模拟数字转换器和MCU微处理器；
所述电阻监测电路用于监测所述第一导电部和所述第二导电部之间的电压；
所述ADC模拟数字转换器用于接收所述电阻监测电路测得的电压值并转换成数字信号发送给所述微处理器；
所述MCU微处理器用于接收所述模拟数字转换器发送的信号，计算得出肉的电阻值并计算肉的生熟度。
其中，所述电阻监测电路包括由参考电压源VCC和高精度电阻R1、R2和R3，所述电阻监测电路与传感器Rx组成惠斯通电桥；
测量原理：V1为惠斯通电桥电压差，它与参考电压源VCC、传感器Rx和高精度电阻R1、R2和R3相关，如下面公式。
当高精度电阻R1、R2和R3与参考电压源VCC固定时，电压差V1只与传感器Rx关联，因此MCU微处理器通过测量出的V1就可据上面公式计算出Rx。
该烤箱肉类熟度监测装置的控制方法，获得肉类的电阻系数，实时监测第一导电部和所述第二导电部之间的肉的电阻值，根据电阻值计算肉的生熟度，判断生熟度是否大于阈值，若大于阈值则停止加热，若小于阈值则继续加热；
其中计算生熟度的公式为：RSS＝1-RR/KS；
其中：RSS----肉的生熟度；
RR----第一导电部和所述第二导电部之间的肉的电阻值；
KS----肉的电阻系数。
其中，计算生熟度的公式的推导方法如下：
精确测量烤肉过程中肉质的生熟度，需要对肉类的受热变熟过程进行数学分析，即建立数学模型。从图3曲线可以看出肉食变熟的过程，与电容充电过程类似，所以可用如下公式进行描述：
τR＝KT·VR/T (1)
其中：
τR----肉的时间常数；
T----温度监测装置监测的肉的内部温度；
KT----肉类的传热系数；
VR----肉的体积；
用RSS表示肉的生熟度，则可以得到如下公式：
其中：
RSS----肉的生熟度；
t----加热时间；
τR----肉的时间常数；
其中，
其中：
RR----第一导电体和第二导电体之间的肉的电阻值；
KS----肉的电阻系数；
将公式(3)代入公式(2),得到：
RSS＝1-RR/KS (4)
由公式(4)可以看出，肉生熟度与肉的阻抗有关，肉的阻抗RR越小，肉的生熟度RSS越接近1，即接近100％熟透。
实施例2
如图5所示，在前述具体实施方式的基础上，还包括介电常数测量电路和微处理器，所述介电常数测量电路包括电容数字转换器；
所述电容数字转换器用于监测所述第一导电部和所述第二导电部之间的电容变化，并将监测结果转换成数字信号发生给所述微处理器；
所述微处理器用于接收所述模拟数字转换器发送的信号，转换得出介电常数值并计算肉的生熟度。
其中，电容数字转换器为ADI公司的AD7150芯片，采用双通道方式，通道1测量环境变化对电容的影响，通道2的电容电极插入肉块内部，所测量到的电容量变化与介电常数的变化成正比。
AD7150芯片通过I2C总线(SDA、SCL)将双通道的电容变化上传给单片机(MCU)。
CIN1为通道1的电容测量电极，EXC1为通道1的激励信号；
CIN2为通道2的电容测量电极，EXC2为通道2的激励信号。
该烤箱肉类熟度监测装置的控制方法，获得肉类的电容系数和肉类的介电系数，实时监测第一导电部和所述第二导电部之间的肉的介电常数值ε，根据介电常数值ε计算肉的生熟度，判断生熟度是否大于阈值，若大于阈值则停止加热，若小于阈值则继续加热；
其中计算生熟度的公式为：
RSS＝1–Kε·ε/KC
其中：
RSS----肉的生熟度
ε----第一导电部和所述第二导电部之间的肉的介电常数
Kε----肉类的介电系数
KC----肉的电容系数
其中，计算生熟度的公式的推导方法如下：
精确测量烤肉过程中肉质的生熟度，需要对肉类的受热变熟过程进行数学分析，即建立数学模型。从图6曲线可以看出肉食变熟的过程，与电容充电过程类似，所以可用如下公式进行描述：
τR＝RR·CR (1)
其中：
τR----肉的时间常数
RR----肉块的电阻
CR----肉块的电容量
RR＝KT·VR/T (2)
CR＝ε·S/(4·π·k·d) (3)
其中：
ε----肉的介电常数
S----电容传感器电极面积
k----静电力常量，k＝8.9880×10，单位:Nm/C(牛顿·米2/库仑2)d----电容传感器电极间距
T----肉块内部温度
KT----肉类的传热系数
VR----肉块体积
将公式(2)(3)的常量进行合并，可简化为：
RR＝KR/T (4)
CR＝Kε·ε (5)
将公式(4)(5)代入(1)得到：
τR＝KR/T·Kε·ε (6)
其中：
τR----肉的时间常数
T----肉块内部温度
Kε----肉类的介电系数
KR----肉块的电阻系数
公式(6)说明肉的时间常数与肉的介电常数成正比，与内部温度成反比。
用Rss表示肉的生熟度，则可以得到如下公式：
其中：
RSS----肉的生熟度
t----加热时间
τR----肉的时间常数
由图5可得到公式：
其中：
CR----肉的电容量
KC----肉的电容系数
将公式(5)(8)代入公式(7),得到：
RSS＝1–Kε·ε/KC (9)
由公式(9)可以看出，肉生熟度与肉的介电常数有关，肉的介电常数ε越小，肉的生熟度RSS越接近1，即接近100％熟透。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (15)

1.一种肉类熟度监测装置，其特征在于，包括传感器和测量电路，所述传感器包括从一端向另一端依次设置的第一导电部、第一绝缘部和第二导电部，所述第一导电部和所述第二导电部通过第一绝缘部绝缘连接；
所述测量电路通过测量所述第一导电部和所述第二导电部之间的肉的电阻值或介电常数值确定肉类的生熟度。
2.根据权利要求1所述的一种肉类熟度监测装置，其特征在于，所述第一导电部为柱体，所述第二导电部和第一绝缘部均为空心管体；
所述第一导电部包括同轴设置的第一监测段和第一连接段，所述第一监测段一端形成所述锥形，另一端与所述第一连接段相连，所述第一监测段的外径大于所述第一连接段的外径；
所述第一绝缘部套设在所述第一连接段的外周面上，并抵接在所述第一监测段靠近所述第一连接段一侧的端面上；
所述第二导电部套设在所述第一绝缘部远离所述第一监测段的一侧的外周面上。
3.根据权利要求2所述的一种肉类熟度监测装置，其特征在于，所述传感器还包括第二绝缘部，所述第二绝缘部为空心管体，所述第二绝缘部套设在所述第二导电部远离所述第一监测段的一侧的外周面上。
4.根据权利要求3所述的一种肉类熟度监测装置，其特征在于，所述第二导电部包括第二监测段和第二连接段，所述第二绝缘部套设在所述第二连接段的外周面上。
5.根据权利要求4所述的一种肉类熟度监测装置，其特征在于，所述第一监测段和所述第二监测段沿轴向的长度均不小于3mm。
6.根据权利要求3-5中任一项所述的一种肉类熟度监测装置，其特征在于，所述第一导电部、第二导电部、第一绝缘部和第二绝缘部的外径均相同，均为4-6mm。
7.根据权利要求6所述的一种肉类熟度监测装置，其特征在于，还包括温度监测装置，所述第一导电部为空心柱体，所述温度监测装置设置在所述第一导电部的空心柱体内。
8.根据权利要求1-5、7中任一项所述的一种肉类熟度监测装置，其特征在于，所述第一导电部远离所述第一绝缘部的一端为锥形。
9.根据权利要求1-5、7中任一项所述的一种肉类熟度监测装置，其特征在于，所述测量电路包括电阻监测电路、模拟数字转换器和微处理器；
所述电阻监测电路用于监测所述第一导电部和所述第二导电部之间的电压；
所述模拟数字转换器用于接收所述电阻监测电路测得的电压值并转换成数字信号发送给所述微处理器；
所述微处理器用于接收所述模拟数字转换器发送的信号，计算得出肉的电阻值并计算肉的生熟度。
10.根据权利要求9所述的一种肉类熟度监测装置，其特征在于，所述电阻监测电路包括参考电压源、电阻R1、电阻R2和电阻R3，所述电阻监测电路与传感器组成惠斯通电桥。
11.根据权利要求10所述的一种肉类熟度监测装置，其特征在于，所述传感器上的电阻值根据下方公式计算得到：
其中，V1为电阻监测电路检测的惠斯通电桥电压差。
12.根据权利要求1-5、7中任一项所述的一种肉类熟度监测装置，其特征在于，所述测量电路包括介电常数测量电路和微处理器，所述介电常数测量电路包括电容数字转换器，
所述电容数字转换器用于监测所述第一导电部和所述第二导电部之间的电容变化，并将监测结果转换成数字信号发生给所述微处理器；
所述微处理器用于接收所述模拟数字转换器发送的信号，转换得出肉的介电常数值并计算肉的生熟度。
13.根据权利要求12所述的一种肉类熟度监测装置，其特征在于，所述电容数字转换器为AD7150芯片，所述芯片的一个通道与所述传感器连通。
14.一种肉类熟度监测装置的控制方法，其特征在于，获得肉类的电阻系数，实时监测第一导电部和所述第二导电部之间的肉的电阻值，根据电阻值计算肉的生熟度，判断生熟度是否大于阈值，若大于阈值则停止加热，若小于阈值则继续加热；
其中计算生熟度的公式为：RSS＝1-RR/KS；
其中：RSS----肉的生熟度；
RR----第一导电体和第二导电体之间的肉的电阻值；
KS----肉的电阻系数。
15.一种肉类熟度监测装置的控制方法，其特征在于，
获得肉类的电容系数和肉类的介电系数，实时监测第一导电部和所述第二导电部之间的肉的介电常数值，根据介电常数值计算肉的生熟度，判断生熟度是否大于阈值，若大于阈值则停止加热，若小于阈值则继续加热；
其中计算生熟度的公式为：
RSS＝1–Kε·ε/KC
其中：
RSS----肉的生熟度；
ε----第一导电部和所述第二导电部之间的肉的介电常数；
Kε----肉类的介电系数；
KC----肉的电容系数。
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