CN112730317A - 一种在线式近红外液态食品检测装置 - Google Patents

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梁振楠
田静
齐文良
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    • G01N21/17Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • G01N21/35Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light
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Abstract

本发明公开了一种在线式近红外液态食品检测装置,涉及液态食品检测装置技术领域。利用近红外技术,对液态食品进行在线检测,进而分析其内部指标。在线式近红外液态食品检测装置,该检测装置由原料罐、泵、搅拌罐、搅拌器、缓冲罐、液位传感器、温度传感器、检测箱体、流量计、分流管道、可编程控制器(PLC)和计算机控制平台等组成。本发明检测效果良好,可用于不同液态食品生产加工过程中的在线检测,如白酒的酒精度和其他微量的醇类、酯类;黄酒的酒精度、酸度、糖度;果汁中的糖类、有机酸;茶汤中的茶多酚、氨基酸等等。

Description

一种在线式近红外液态食品检测装置
技术领域
本发明涉及液态食品检测装置技术领域,尤其涉及一套基于近红外光谱技术在线检测的液态食品检测装置。
背景技术
液态食品存在于生活的方方面面,如酒类、醋类、果汁等各种饮品和调味品。液态食品成为了日常生活中不可或缺的食品种类,与人们的身体健康和生命安全息息相关,因此在生产过程中对其内部成分进行快速检测具有重要的意义。比如,对白酒成分的检测,白酒中的杂醇会使饮用者出现头晕、恶心的症状,并且危害身心健康,因此对杂醇信息的获取就显得非常重要;白酒的口感气味与其特征成分密不可分,获取白酒特征成分的信息,可以给白酒划分等级,也能鉴别酒类的掺假。
近红外光谱检测技术具有快速、无损等特点,可以很好的应用在食品领域,在检测时,以无需试剂、快速无损等检测优点越来越受人们的青睐。近些年来,近红外技术在液态食品的生产过程中有了越来越多的应用,获得了良好的效果。
目前缺少一种即能在线式快速无损检测又能同时应用在白酒、黄酒、果汁、茶汤等多种液态食品的设备。
发明内容
针对上述问题,本发明的目的在于提供一种在线式近红外液态食品检测装置,该装置检测速度快,检测效果好。
为实现上述目的,本发明在线式近红外液态食品检测装置,包括原料罐,带有液位传感器和搅拌器的搅拌罐,带有液位传感器和温度传感器的缓冲罐,检测箱体,流量计,分流管道,可编程控制器(PLC)和计算机控制平台。
所述原料罐有多个,分别与独立的泵以乳胶管连接,以上液位传感器和下液位传感器为信号控制上料,可为检测系统提供单一或混合原料。
所述搅拌罐用乳胶管和泵相连接,可以通过搅拌器将几种原料混合,罐内设置有上液位传感器和下液位传感器,此传感器为开关量类型传感器,上液位传感器控制上料最大量,当液位达到上液位时,打开阀F1;下液位传感器控制上料,当液位达到下液位时,PLC控制泵启动,开始上料。
所述搅拌器为电机驱动搅拌器。
所述缓冲罐与搅拌罐用304不锈钢管相连,两罐之间加有电磁阀,在检测时,使混合好的液体在缓冲罐内短暂停留,为下次加料、搅拌混合争取时间,从而保证装置内的液体不断流,设备可以连续工作。
所述检测箱体包括电源、光源、光纤、液体检测流通池、Insion近红外光谱仪(波段:900nm~1700nm)和数据导线。液体检测流通池与缓冲罐后的不锈钢管法兰锁扣连接,液体检测流通池由流通管道和开有检测间隙的石英棒组成。当液体流经石英棒检测间隙时,近红外光线携带液体的光谱信息传输给光谱仪,从而实现液体在线检测。
所述的流量计使用法兰锁扣一端与液体检测流通池连接,另一端与分流管道连接,用来计算分流的流量。
所述可编程控制器PLC,既能接收液位传感器、温度传感器和流量计的信号,又能控制泵、搅拌器和电磁阀工作;另外,与计算机双向通讯,既能将各个元器件的信息传送至计算机,又能接收计算机的指令。
所述计算机控制平台,包括带有USB端口的计算机、显示扩展屏、Windows10操作系统、基于Visual Studio 2019平台使用C#语言编写的控制软件。计算机与光谱仪、PLC进行通讯,实现对光谱的实时处理,根据判断结果向PLC发送指令,从而控制整个检测过程。扩展屏可以动画模拟检测装置的动作。
本发明采用闭环控制设计,以近红外光谱检测数据为反馈信息,利用机器学习算法建立的预测模型进行预测比较,得到控制信息,进而控制整套系统运行,完全实现了液态食品在线检测的自动化,并向智能化方向发展。
附图说明
图1在线式近红外液态食品检测装置结构简图,
图1中:1.原料罐;2.泵;3.搅拌罐;4.搅拌罐上液位传感器;5.搅拌罐下液位传感器;6.搅拌器;7.缓冲罐;8.温度传感器;9.检测箱体;10.流量计;11.分流管道;12.PLC;13.电脑;14.显示屏;F1~F6代表电磁阀。(为简化图片,相同部件的连线用一条代表,不重复连线。)
图2流通池结构简图,
图2中:1.入口;2.加料口;3.石英棒;4.出口;5.出料口;6.检测间隙;
图3流通池接口管道示意图,
图3中:1.入口管道;2.流通池;3.出口管道。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行更加详细的介绍,使本发明的实施方案更加的清晰。任何根据本发明的技术特征进行的等价替换或推理得到的方案都在本发明的保护范围内。
整套检测装置的结构设计如图1所示,原料从原料罐1被泵2抽入搅拌罐3,达到搅拌罐上液位传感器4时停止上料。打开电磁阀F1,液体流入缓冲罐7,待达到缓冲罐上液位时关闭阀F1,停止注入。如此循环,待液位达到搅拌罐下液位传感器5时,另一个泵工作,抽取的另一物料和原来物料经搅拌器6搅拌混合后静置。温度传感器8一直监测液体温度。在开始检测后,打开阀F2和F6液体流通,液体流经检测箱体9的流通池时,其信息被光谱仪获得。光谱信号传送到计算机13,计算机经过预测对比,将控制信息传送给PLC12,进而控制相应电磁阀开闭,完成分流,并通过流量计10计算该类物料体积。
流通池设计如图2所示,入口1和出口4可与管道进行法兰锁扣连接,2为加料口,5为出料口,不使用时用内六角螺栓封闭。3为石英棒,6为检测间隙。在进行建模数据的采集时,无需拆卸,可直接从加料口2加入物料,从出料口5出料,实现光谱数据采集。
流通池与管道的连接如图3所示,流通池2和入口管道1、出口管道3通过法兰使用锁扣连接。出口管道内圆下边缘与检测间隙下边缘相切,确保液体可以流出。
本发明的工作流程如下:
以基酒分级为验证试验,试验中以酒精代替白酒基酒模拟蒸馏过程。先用泵将70%的酒精溶液抽入搅拌罐中,之后逐渐加入蒸馏水稀释酒精溶液,取59%~65%、50%~58%、40%~49%三个范围内的酒精溶液分别从阀F5、F4、F3流出,其余液体从阀F6流出。
在系统启动后,开始上料,泵和搅拌器启动。当液位达到搅拌罐上液位时,PLC控制相应的泵停止上料。
上料完成后,阀F1开启,酒精溶液进入缓冲罐;液位达到搅拌罐下液位时,泵和搅拌器启动,开始加入蒸馏水至搅拌罐上液位,以此类推。
混合液体进入缓冲罐后,当液面达到缓冲罐上液位时,阀F1关闭,阀F2打开,控制流通端口的阀F6打开,酒精溶液在管路内可以自由流通。当液位达到缓冲罐下液位时,阀F1打开,继续向缓冲罐里的放料。
混合液体流经检测箱体时,其信息被光谱仪采集并被传输到计算机控制平台;计算机控制平台根据光谱信息做出判断,将指令发送给PLC,继而控制相应电磁阀开闭,实现不同浓度酒精溶液的分流。
检测前,在线下建立预测模型。配制31份不同浓度的试验样本各1L(浓度范围为10%~70%,梯度间隔为2%),并密封保存。如图2所示,利用流通池采集31个样本的近红外光谱数据,每种样品设置3个平行,共得93条光谱数据。光谱数据经标准正态变量变换预处理结合偏最小二乘回归方法建立预测模型,预测集均方根误差RMSEP为1.9 267,决定系数R2为0.9 854。以该模型为预测依据,对酒精溶液进行在线检测。配制10L70%的酒精溶液,泵入到搅拌罐,然后以蒸馏水稀释,进行在线检测。试验结束后,采用酒精度计测量分流后的三个等级酒精溶液的酒精度,分别为62.8%、54.8%、44.9%,都在等级范围内,说明装置检测效果良好。
本发明使用范围大,使用效果好,可以用于在线检测液态食品的各种指标,如白酒的酒精度和其他微量的醇类、酯类;黄酒的酒精度、酸度、糖度;果汁中的糖类、有机酸;茶汤中的茶多酚、氨基酸等等。

Claims (5)

1.在线式近红外液态食品检测装置,其特征在于包括原料罐,带有液位传感器和搅拌器的搅拌罐,带有液位传感器和温度传感器的缓冲罐,检测箱体,流量计,分流管道,可编程控制器(PLC)和计算机控制平台;
所述原料罐有多个,分别与独立的泵以乳胶管连接,根据泵的工作时间上料,可为检测系统提供单一或混合原料;
所述搅拌罐用乳胶管和泵相连接,可以通过搅拌器将几种原料混合,罐内设置有上液位传感器和下液位传感器,此传感器为开关量类型传感器,上液位传感器控制上料最大量,当液位达到上液位时,打开阀F1;下液位传感器控制上料,当液位达到下液位时,PLC控制泵启动,开始上料;
所述缓冲罐与搅拌罐用不锈钢管相连,两罐之间加有电磁阀,在检测时,使混合好的液体在缓冲罐内短暂停留,为下次加料、搅拌混合争取时间,从而保证装置内的液体不断流,设备可以连续工作。
2.根据权利要求1所述的在线式近红外液态食品检测装置,其特征在于所述检测箱体包括电源、光源、光纤、液体检测流通池、Insion近红外光谱仪(波段:900nm~1700nm)和数据导线;液体检测流通池与缓冲罐后的不锈钢管法兰锁扣连接,液体检测流通池由流通管道和开有检测间隙的石英棒组成;当液体流经石英棒检测间隙时,近红外光线携带液体的光谱信息传输给光谱仪,从而实现液体在线检测。
3.根据权利要求1所述的在线式近红外液态食品检测装置,其特征在于所述的流量计使用法兰锁扣一端与液体检测流通池连接,另一端与分流管道连接,用来计算分流的流量。
4.根据权利要求1所述的在线式近红外液态食品检测装置,其特征在于所述可编程控制器PLC,既能接收液位传感器、温度传感器和流量计的信号,又能控制泵、搅拌器和电磁阀工作;另外,与计算机双向通讯,既能将各个元器件的信息传送至计算机,又能接收计算机的指令。
5.根据权利要求1所述的在线式近红外液态食品检测装置,其特征在于所述计算机控制平台,包括带有USB端口的计算机、显示扩展屏、Windows10操作系统、基于Visual Studio2019平台使用C#语言编写的控制软件;计算机与光谱仪、PLC进行通讯,实现对光谱的实时处理,根据判断结果向PLC发送指令,从而控制整个检测过程;扩展屏可以动画模拟检测装置的动作。
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