CN110244605B - 一种中药饮片炒制的在线质量控制设备及方法 - Google Patents

一种中药饮片炒制的在线质量控制设备及方法 Download PDF

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Abstract

本申请涉及一种中药炒制的在线质量控制设备及方法，设备包括锅体、搅拌装置、图像传感器、位移传感器、高度控制器及计算机控制器，计算机控制器与图像传感器、位移传感器及高度控制器通信连接，高度控制器用于控制炒板升降；在线质量控制方法为：于锅体内加入中药进行炒制，通过计算机控制器接收图像信号并转换成均匀度A，将图像传感器与中药之间的距离H、均匀度A输入至炒板高度检测模型中，计算炒板高度L；炒板高度检测模型包含函数：
Figure DDA0002077430410000011
n为小于10的正整数，a、b、ε均为由实验确定的常数；根据计算机控制器输出的炒板高度信号实时控制炒板高度，从而实现对中药炒制过程的在线质量控制。

Description

一种中药饮片炒制的在线质量控制设备及方法
技术领域
本申请属于中药炒制技术领域，尤其是涉及一种中药炒制的在线质量控制设备及方法。
背景技术
在中药的加工生产过程中，通常需要对切制好的中药进行烘炒，该炒制工序采用炒药设备来完成，在中药的炒制过程中炒药设备对其不断翻动，但目前大多数炒药设备对中药的炒制效果不够理想，翻炒不均匀，导致在炒药设备中间的中药材炒焦，在炒药设备边缘的中药材未炒熟，严重影响中药的质量。
目前，多数厂家通过对炒药机的机械结构进行改造，以解决现有炒药机炒制不均匀的问题，例如，专利文献号为CN204275032U的专利公开了一种新型立式中药炒药机，包括控制器、固定在炒锅外表面的电加热器、固定在电加热器上的温度传感器、位于炒锅下方且固定在机架上的电机、以及设在机架上的开关、电源接口、温度调节单元和压力调节单元，所述电机的输出轴通过一联轴器与一搅拌轴固定连接，所述搅拌轴的上端固定有多个位于炒制腔中的搅拌桨，每个搅拌桨的外端均设有一刮片，所述刮片与炒锅的内表面相接触，但是该炒药机的机械结构复杂，且不能够实时控制中药炒制的均匀度。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：为解决现有技术无法在中药的炒制过程中对中药的均匀度进行实时控制以及现有炒药机的机械结构复杂的技术问题，从而提供一种中药炒制的在线质量控制设备及方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种中药炒制的在线质量控制设备，包括：
锅体，具有用于炒制中药的炒制腔；
搅拌装置，包括炒板、传动轴以及电机，所述炒板位于炒制腔内，通过传动轴与电机连接，电机通过控制传动轴带动炒板运动；
图像传感器，设置在炒制腔上方，用于采集不同炒制程度的中药的图像信号；
位移传感器，设置在炒制腔上方，用于采集图像传感器与中药的距离信号；
高度控制器，与电机连接，用于控制传动轴和炒板一同做升降移动；
计算机控制器，与图像传感器、位移传感器及高度控制器通信连接，用于根据接收到的图像传感器的图像信号和位移传感器的距离信号计算出炒板高度，并将炒板高度信号发送给高度控制器；
加热装置，设置在锅体底部，用于加热锅体。
优选地，所述中药炒制的在线质量控制设备还包括气敏传感器，用于采集不同炒制程度的中药的气味信号，所述气敏传感器与计算机控制器通信连接。
优选地，所述中药炒制的在线质量控制设备还包括温度控制器，设置在锅体底部，与计算机控制器通信连接，并与加热装置连接，用于控制加热装置将锅体加热到设定温度。
优选地，所述图像传感器和位移传感器安装在锅体的顶壁，所述位移传感器安装于靠近锅体侧壁的顶壁边缘。
一种中药炒制的在线质量控制方法，步骤如下：
于锅体的炒制腔内加入中药进行炒制；
获取设置在中药上方的图像传感器与中药之间的距离H；
通过图像传感器采集不同炒制程度的中药的图像信号；
通过计算机控制器接收图像信号并转换成中药炒制的均匀度A，并将图像传感器与中药之间的距离H、中药炒制的均匀度A输入至炒板高度检测模型中，计算炒板高度L，所述炒板高度L为锅体的炒制腔底部与炒制腔内的炒板之间的距离；所述炒板高度检测模型包含H、A与L的函数关系，所述函数关系为：
Figure GDA0002120673470000031
其中n为小于10的正整数，a、b、ε均为由相应实验确定的常数；
根据计算机控制器输出的炒板高度信号实时控制锅体的炒制腔底部与炒制腔内的炒板之间的距离，直至中药炒制的均匀度A达到要求；
所述a、b、ε由以下方法确定得到：于炒制腔内加入特定的中药材，选取n组不同的H初始值进行炒制，每隔若干秒采集一组H和A的数据，采集一定时间，然后调整炒板高度使L值改变，并在每个炒板高度处每隔若干秒采集一次H和A的数据，采集一定时间；将上述n次实验采集的H、A和L的数据进行最小二乘法拟合得到a1、a2…an、b、ε各项系数，代入公式
Figure GDA0002120673470000032
得出结果。
优选地，所述均匀度A为将图像进行灰度化后，得到的整张图像的灰度的平均值。
优选地，中药炒制的在线质量控制方法还包括：预先在计算机控制器内建立各类中药对应的色度空间数学判别模型，通过色度空间数学判别模型对图像传感器采集到的图像信号进行数据分析，得到中药炒制的均匀度A。
优选地，中药炒制的在线质量控制方法还包括：预先在计算机控制器内建立各类中药对应的炒制程度数学判别模型，将计算机控制器接收的图像信号和/或气味信号输入至炒制程度数学判别模型，判断中药的炒制程度。
优选地，通过与计算机控制器相连的高度控制器控制锅体的炒制腔底部与炒制腔内的炒板之间的距离。
优选地，通过与计算机控制器相连的、与图像传感器设置在同一高度的位移传感器检测图像传感器与中药之间的距离。
优选地，通过与计算机控制器相连的温度控制器、与温度控制器相连的加热装置控制炒制温度。
本发明的有益效果是：
(1)本发明提供了一种中药炒制的在线质量控制设备及方法，通过中药炒制的均匀度A、图像传感器与中药之间的距离H以及炒板高度L的函数关系，利用高度控制器实时调节炒板的高度，使饮片炒制均匀，从而实现对中药炒制过程的在线质量控制，克服了由于中药材在炒制过程中因药材水分及其他成分的挥发带来的锅体内的中药材高度发生变化而导致的中药搅拌不均匀、受热不均匀的问题，因此，本发明通过实时调整炒板位置，使锅体内中药的运动发生变化，从而使中药加热更加均匀，提高了产品质量和稳定性，为提高中药产品质量稳定和中药现代化提供了新技术。
(2)本发明在计算机控制器接收到炒制过程的中药颜色和/或气味数据时，通过炒制程度数学判别模型，自动分析饮片的炒制程度，从而实时调整加热装置的温度，控制炒制进程，当饮片的颜色和/或气味检测值处于目标范围时，完成炒制过程，保证了炒制中药批次间的一致性。
附图说明
下面结合附图和实施例对本申请的技术方案进一步说明。
图1是本申请实施例1的中药炒制的在线质量控制设备的结构示意图；
图中的附图标记为：1-锅体，11-炒制腔，2-搅拌装置，21-炒板，22-传动轴，23-电机，3-图像传感器，4-位移传感器，5-高度控制器，6-计算机控制器，7-加热装置，8-温度控制器，9-气敏传感器，10-吸风罩。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请的技术方案。
实施例1
本实施例提供一种中药炒制的在线质量控制设备，如图1所示，包括：
锅体1，具有用于炒制中药的炒制腔11；
搅拌装置2，包括炒板21、传动轴22以及电机23，所述炒板21位于炒制腔11内，炒板21安装在传动轴22上，传动轴22穿过锅体1的顶端开口与电机23连接，电机23通过控制传动轴22带动炒板21转动，从而对锅体1内的中药进行翻炒；
图像传感器3，设置在炒制腔11上方，具体安装在锅体1顶壁上，用于采集不同炒制程度的中药的图像信号，比如在锅体1内设置有刻度线，图像传感器3拍摄中药顶部与刻度线的关系即可得知锅体1内中药的高度；
位移传感器4，设置在炒制腔11上方，与图像传感器3位于同一高度，具体安装在锅体1靠近侧壁的顶壁边缘，避免炒板21阻碍中药的光传递，进一步避免对位移传感器4的距离检测造成干扰，所述位移传感器4用于采集图像传感器3与中药的距离信号；
高度控制器5，与电机23连接，用于控制传动轴22和炒板21一同做升降移动；
计算机控制器6，与图像传感器3、位移传感器4及高度控制器5通信连接，其内存储有所述中药对应的炒板高度检测模型，用于根据接收到的图像传感器3的图像信号和位移传感器4的距离信号计算出炒板高度，并将炒板高度信号发送给高度控制器5，高度控制器5根据接收到的炒板高度信号向电机23发出指令，从而使传动轴22和炒板21上下移动，实现炒板高度的调控；
加热装置7，设置在锅体1底部，用于加热锅体1，从而加热锅体1内的中药；
吸风罩10，安装于锅体1上方，用来吸除炒药过程中产生的油烟废气。
应用时，将中药加入到锅体1的炒制腔11内，启动搅拌装置2的电机23，使传动轴22带动炒板21对炒制腔11内的中药进行炒制，通过图像传感器3采集中药的图像信号，通过位移传感器4采集图像传感器3与中药的距离信号，计算机控制器6将接收到的图像信号转换成中药炒制的均匀度A，比如均匀度A可以是将图像进行灰度化后，得到的整张图像的灰度的平均值，并将均匀度A及图像传感器3与中药的距离H输入至其内存储的炒板高度检测模型中，计算锅体炒制腔11底部与炒板21之间的距离L；具体实现时，所述炒板高度检测模型包含H、A与L的函数关系，所述函数关系为：
Figure GDA0002120673470000071
其中n为小于10的正整数，a、b、ε为由实验确定的常数；之后，高度控制器5根据从计算机控制器6接收到的炒板高度信号向电机23发出指令，调整炒板21与炒制腔11底部的距离L，以保证中药炒制的均匀度。
函数关系具体可以由预实验得到，预实验步骤如下：
于炒制腔11内加入特定的药材，选取n组不同的H初始值进行炒制，每隔若干秒采集一组数据(数据包括H和A)，采集一定时间，然后调整炒板21高度使L值改变，并在每个炒板高度处每隔若干秒采集一次H和A的数据，采集一定时间；
在上述n次实验后将采集的H、A和L的数据，将上述数据进行最小二乘法拟合得到a1、a2…an、b、ε各项系数，代入公式
Figure GDA0002120673470000081
得出结果。
进一步，所述中药炒制的在线质量控制设备还包括气敏传感器9，用于采集不同炒制程度的中药的气味信号，所述气敏传感器9与计算机控制器6通信连接。
进一步，所述中药炒制的在线质量控制设备还包括温度控制器8，设置在锅体1底部，与计算机控制器6通信连接，并与加热装置7连接，用于控制加热装置7将锅体1加热到设定温度。
实施例2
本实施例提供一种中药(槐花)炒制的在线质量控制方法，采用实施例1的设备进行，步骤如下：
启动加热装置6对锅体1进行预热，本实施例中采用燃气加热方式，将炒制温度设置为200℃；
待锅体1温度达到180℃时，将净制后的槐花药材加入到锅体1的炒制腔11内；
启动搅拌装置2的电机23，使传动轴22带动炒板21对炒制腔11内的槐花药材进行旋转搅拌炒制，炒板21的转速为50rpm；
开启图像传感器3、位移传感器4和气敏传感器9的电源，使其与计算机控制器6实现通讯连接，通过图像传感器3采集槐花的图像信号，通过位移传感器4采集图像传感器3与槐花的距离信号，通过气敏传感器9采集槐花的气味信号，计算机控制器6通过色度空间数学判别模型对图像传感器3采集到的图像信号进行数据分析，将接收到的图像信号转换成槐花炒制的均匀度A，比如均匀度A可以是将图像进行灰度化后，得到的整张图像的灰度的平均值，并将均匀度A及图像传感器3与槐花的距离H输入至其内存储的炒板高度检测模型中，计算炒板高度L，所述炒板高度L为锅体1的炒制腔11底部与炒板21之间的距离；所述炒板高度检测模型包含H、A与L的函数关系，所述函数关系为：
Figure GDA0002120673470000091
其中n为小于10的正整数，a、b、ε均为由相应实验确定的常数，为了确定a、b、ε，需要进行预实验，预实验步骤如下：
(1)于炒制腔11内加入槐花药材，使H为135mm、L为15mm，在炒板21的转速为50rpm的条件下炒制5min后，每隔5s采集一组数据(数据包括H和A)，采集10min，然后调整炒板21高度使L为12mm、10mm、8mm、6mm、4mm、2mm，并在每个炒板高度处每隔5S采集一次H和A的数据，采集10min，共采集7*120＝840组数据；
(2)于炒制腔11内加入槐花药材，使H为150mm、L为15mm，在炒板21的转速为50rpm的条件下炒制5min后，每隔5s采集一组数据(数据包括H和A)，采集10min，然后调整炒板21高度使L为12mm、10mm、8mm、6mm、4mm、2mm，并在每个炒板高度处每隔5S采集一次H和A的数据，采集10min，共采集7*120＝840组数据；
(3)于炒制腔11内加入槐花药材，使H为165mm、L为15mm，在炒板21的转速为50rpm的条件下炒制5min后，每隔5s采集一组数据(数据包括H和A)，采集10min，然后调整炒板21高度使L为12mm、10mm、8mm、6mm、4mm、2mm，并在每个炒板高度处每隔5S采集一次H和A的数据，采集10min，共采集7*120＝840组数据；
上述三次实验，共采集840*3＝250组H、A和L的数据，将上述数据进行最小二乘法拟合得到：a3＝-2.963*10-8，a2＝-4.444*10-6，a1＝-6.679*10-4，b1＝0.086，ε为0.0135，将a1、a2、a3、b1、ε各项系数代入公式
Figure GDA0002120673470000101
得下方公式：
A＝-2.963*10-8*H3-4.444*10-6*H2-6.679*10-4*H+0.086*L+0.0135；
需要注意的是：气敏传感器9检测不同炒制程度的槐花的气味时，载气一般为合成干燥空气，流速大约在150mL/min，称取0.5g待检样品，放入10mL顶空瓶中，加盖密封，气敏传感器9检测的相关参数：顶空生产时间600s，温度45℃，搅动速度200r/min；顶空注射体积1.5mL，注射速度1.5mL/s，注射体积2.5mL，注射针温度55℃；获取时间120s，延滞时间360s；
开启高度控制器，高度控制器5根据从计算机控制器6接收到的炒板高度信号向电机23发出指令，不断调整炒板高度L，以保证槐花炒制的均匀度；
当图像传感器3检测到槐花表面出现焦褐色，且通过计算机控制器6内的炒制程度数学判别模型识别到图像信号达到目标值，但气敏传感器检测到的气味信号尚未到目标值时，计算机控制器6通过温度控制器8和加热装置7将炒制温度降低至180℃，待气敏传感器9检测到锅体内的气味信号达到目标值时，计算机控制器6发出终止炒制程序的信号；此时，加热装置7停止加热，炒板21停止搅拌，同时控制喷淋器往炒制后的槐花炭上均匀喷淋少许清水，打开锅体1侧门，取出锅体1内的槐花炭。
以上述依据本申请的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项申请技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项申请的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (10)

1.一种中药炒制的在线质量控制设备，其特征在于，包括：
锅体(1)，具有用于炒制中药的炒制腔(11)；
搅拌装置(2)，包括炒板(21)、传动轴(22)以及电机(23)，所述炒板(21)位于炒制腔(11)内，通过传动轴(22)与电机(23)连接，电机(23)通过控制传动轴(22)带动炒板(21)运动；
加热装置(7)，设置在锅体(1)底部，用于加热锅体(1)；
图像传感器(3)，设置在炒制腔(11)上方，用于采集不同炒制程度的中药的图像信号；
位移传感器(4)，设置在炒制腔(11)上方，用于采集图像传感器(3)与中药的距离信号；
计算机控制器(6)，与图像传感器(3)、位移传感器(4)通信连接，用于将接收到的图像传感器(3)的图像信号转换成中药炒制的均匀度A，并将接收到的图像传感器(3)与中药之间的距离H及中药炒制的均匀度A输入至炒板高度检测模型中，计算出炒板高度L；所述炒板高度L为锅体(1)的炒制腔(11)底部与炒制腔(11)内的炒板(21)之间的距离；所述炒板高度检测模型包含H、A与L的函数关系，所述函数关系为：
Figure FDA0002938146730000011
其中n为小于10的正整数，a、b、ε均为由相应实验确定的常数；
高度控制器(5)，与电机(23)连接，并与计算机控制器(6)通信连接，用于根据从计算机控制器(6)接收到的炒板高度信号，控制传动轴(22)和炒板(21)一同做升降移动，直至中药炒制的均匀度A达到要求。
2.根据权利要求1所述的中药炒制的在线质量控制设备，其特征在于，所述中药炒制的在线质量控制设备还包括气敏传感器(9)，用于采集不同炒制程度的中药的气味信号，所述气敏传感器(9)与计算机控制器(6)通信连接。
3.根据权利要求1或2所述的中药炒制的在线质量控制设备，其特征在于，所述中药炒制的在线质量控制设备还包括温度控制器(8)，设置在锅体(1)底部，与计算机控制器(6)通信连接，并与加热装置(7)连接，用于控制加热装置(7)将锅体(1)加热到设定温度。
4.一种中药炒制的在线质量控制方法，其特征在于，步骤如下：
于锅体(1)的炒制腔(11)内加入中药进行炒制；
获取设置在中药上方的图像传感器(3)与中药之间的距离H；
通过图像传感器(3)采集不同炒制程度的中药的图像信号；
通过计算机控制器(6)接收图像信号并转换成中药炒制的均匀度A，并将图像传感器(3)与中药之间的距离H、中药炒制的均匀度A输入至炒板高度检测模型中，计算炒板高度L，所述炒板高度L为锅体(1)的炒制腔(11)底部与炒制腔(11)内的炒板(21)之间的距离；所述炒板高度检测模型包含H、A与L的函数关系，所述函数关系为：
Figure FDA0002938146730000021
其中n为小于10的正整数，a、b、ε均为由相应实验确定的常数；
根据计算机控制器(6)输出的炒板高度信号实时控制锅体(1)的炒制腔(11)底部与炒制腔(11)内的炒板(21)之间的距离，直至中药炒制的均匀度A达到要求；
函数关系由预实验得到，预实验步骤如下：
于炒制腔(11)内加入特定的中药材，选取n组不同的H初始值进行炒制，每隔若干秒采集一组H和A的数据，采集一定时间，然后调整炒板(21)高度使L值改变，并在每个炒板高度处每隔若干秒采集一次H和A的数据，采集一定时间；将上述n次实验采集的H、A和L的数据进行最小二乘法拟合得到a1、a2…an、b、ε各项系数，代入公式
Figure FDA0002938146730000031
得出结果。
5.根据权利要求4所述的中药炒制的在线质量控制方法，其特征在于，所述均匀度A为将图像进行灰度化后，得到的整张图像的灰度的平均值。
6.根据权利要求4或5所述的中药炒制的在线质量控制方法，其特征在于，中药炒制的在线质量控制方法还包括：预先在计算机控制器(6)内建立各类中药对应的色度空间数学判别模型，通过色度空间数学判别模型对图像传感器(3)采集到的图像信号进行数据分析，得到中药炒制的均匀度A。
7.根据权利要求4或5所述的中药炒制的在线质量控制方法，其特征在于，中药炒制的在线质量控制方法还包括：预先在计算机控制器(6)内建立各类中药对应的炒制程度数学判别模型，将计算机控制器接收的图像信号和/或气味信号输入至炒制程度数学判别模型，判断中药的炒制程度。
8.根据权利要求4或5所述的中药炒制的在线质量控制方法，其特征在于，通过与计算机控制器(6)相连的高度控制器(5)控制锅体(1)的炒制腔(11)底部与炒制腔(11)内的炒板(21)之间的距离。
9.根据权利要求4或5所述的中药炒制的在线质量控制方法，其特征在于，通过与计算机控制器(6)相连的、与图像传感器(3)设置在同一高度的位移传感器(4)检测图像传感器(3)与中药之间的距离。
10.根据权利要求4或5所述的中药炒制的在线质量控制方法，其特征在于，通过与计算机控制器(6)相连的温度控制器(8)、与温度控制器(8)相连的加热装置控制炒制温度。
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