CN114814128A - 一种葡萄酒发酵在线实时监测系统 - Google Patents

一种葡萄酒发酵在线实时监测系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种葡萄酒发酵在线实时监测系统，包括数据监测模块、数据处理模块、异常监测模块及终端模块；数据监测模块包括温度传感器、酒精浓度传感器及比重测量单元，比重测量单元包括电子测距仪和浮杆；数据处理模块包括比重计算单元及还原糖浓度转化单元；所述异常监测模块包括数据对比单元和数据异常警示单元；终端模块接收异常监测模块输出的数据，并对接收的数据进行曲线拟合绘制发酵曲线。本发明具有测量方法简单快捷、能够实时在线监测多种数据、可远程监测且监测数据可视化等优点。

Description

一种葡萄酒发酵在线实时监测系统
技术领域
本发明涉及酒类酿造过程监测技术领域，具体为一种葡萄酒发酵在线实时监测系统。
背景技术
在葡萄酒发酵过程，温度是保证葡萄酒正常发酵的重要条件，比重、酒精浓度、还原糖浓度是衡量葡萄酒是否正常发酵的重要参数，因此，在葡萄酒发酵的过程中，通常需要监测温度、比重、酒精浓度、还原糖浓度在发酵过程中的变化。
传统测定还原糖的滴定法、测定酒精的蒸馏法及比重计测量比重法均较为复杂，需要花费的时间较多，而且多批次发酵，整体工作量很大，在发酵过程中每天均需要测量5-6次，人工测量时，为保证白天晚上均能监测发酵情况，需将工作人员分成两班，才能完成监测任务，耗时耗力。而现行的在线快速测定的仪器不仅价格昂贵，测定成本也较高，不利于成本的控制，难以大规模推广使用。
因此，我们需要开发出一种测量方法简单快捷、能够实时在线监测多种数据、可远程监测且监测数据可视化的系统以满足市场需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种葡萄酒发酵在线实时监测系统，以解决上述背景技术中提到现有的葡萄酒发酵监测技术存在的问题。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明提供一种葡萄酒发酵在线实时监测系统，其特征在于，包括数据监测模块、数据处理模块、异常监测模块及终端模块，
所述数据监测模块包括温度传感器、酒精浓度传感器及比重测量单元，所述比重测量单元包括电子测距仪和浮杆；
所述数据处理模块包括比重计算单元及还原糖浓度转化单元；
所述异常监测模块包括数据对比单元和数据异常警示单元；
所述终端模块接收所述异常监测模块输出的数据，并对接收的数据进行曲线拟合绘制发酵曲线。
优选地，所述温度传感器为接触式传感器、非接触式传感器中的任一种。具体地，温度传感器检测到葡萄酒发酵液的温度，酒精浓度传感器监测葡萄酒发酵液的酒精浓度，达到在脱离人工的条件下，实时监测发酵过程中温度及酒精浓度变化的目的。
优选地，所述电子测距仪为激光测距传感器、红外测距传感器、超声测距传感器中的任一种，通过电子测距仪测量其距离液面的距离，用于计算葡萄酒发酵液的比重。使用电子测距仪可以自动读数，减少了对人工依赖的同时，降低了人工肉眼读数造成的误差。
进一步地，所述电子测距仪信号输出端与所述数据处理模块电性连接，具体地，电子测距仪测得的数据传输至数据处理模块中的比重计算单元，比重计算单元根据阿基米德原理智能快速的计算出葡萄酒发酵液的比重。达到自动测试葡萄酒发酵液比重的目的。
进一步地，所述温度传感器、所述酒精浓度传感器及所述数据处理模块信号输出端与所述异常监测模块电性连接。优选地，所述数据对比单元设定了葡萄酒发酵过程中温度、比重、酒精浓度、还原糖浓度随时间变化的各个时间节点对应的正常浮动范围。传感器测得的数据及经过计算或转化得到的数据均传输至异常监测模块，异常监测模块能够自行判断葡萄酒的发酵是否正常，在减少工作人员工作量的基础上，也达到了在线实时监测的目的。
进一步地，所述还原糖转化单元包括构建完成的葡萄酒正常发酵过程中比重与还原糖变化关系的数学模型。
具体地，所述葡萄酒正常发酵过程中比重与还原糖变化关系的数学模型构建方法如下：
获取葡萄酒在正常发酵情况下比重、还原糖浓度随时间变化的数据；
对各时间节点对应的比重、还原糖浓度进行曲线拟合；
选择拟合效果最好的曲线，作为葡萄酒正常发酵过程中比重与还原糖变化关系的数学模型。
优选地，在构建比重与还原糖变化关系的数学模型时采集至少50组不同批次的葡萄酒发酵全过程的各时间节点对应的比重、还原糖浓度变化的数据，以提高数学模型的准确性。
优选地，所述拟合效果最好的曲线为多项式拟合。具体地，对采集的数据进行多种曲线拟合，根据相关系数R2选取拟合效果最好的拟合曲线。
进一步地，所述终端模块为计算机软件、手机APP中及小程序的任一种，开发与系统相适配的计算机软件、手机APP中及小程序等，用于显示系统监测所得的相关数据，在实现监测数据可视化的同时，也达到了远程监控的目的，如此，工作人员上班时间可通过电脑对葡萄酒发酵情况进行查看，下班后，不需要坚守在发酵装置前，通过手机端远程即可掌握葡萄酒发酵情况。
优选地，所述异常监测模块信号输出端与终端模块采用有线和/或无线连接。设计有线及无线接口可实现多种情况的监测数据传输，拓宽该系统的应用范围。
由上述技术方案可知，本发明与现有技术相比至少具备以下优点和积极效果：
(1)本发明采用传感器监测葡萄酒发酵过程中温度、酒精浓度、比重的变化，能够同时对多种数据进行监测，且监测方法更加简单、方便快捷，大大提高了工作效率和精确度，降低了工作人员的工作强度，且能达到实时监测的目的。
(2)本发明通过采集大量葡萄酒在正常发酵情况下比重、还原糖浓度随时间变化的数据，构建葡萄酒正常发酵过程中比重与还原糖变化关系的数学模型，监测所得的比重代入数学模型即可得到葡萄酒发酵液的还原糖浓度，不需通过化学的方法，即可测得还原糖浓度，进一步提高了工作效率，减少了葡萄酒发酵过程中监测工作的工作量。
(3)本发明设置有异常监测模块，能对监测所得的数据进行分析，并对异常情况进行警示，方便工作人员及时发现并处理异常情况。
(4)本发明开发了与系统相适配的计算机软件、手机APP中及小程序等，监测数据在其上显示，实现了数据的可视化的同时，也满足了远程监控的需求。
本发明应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：
图1为本发明在线实时监测系统架构示意图；
图2为本发明比重计算单元计算比重方法的流程框图；
图3为本发明比重转化成还原糖浓度方法的流程框图；
图4为本发明葡萄酒正常发酵过程中比重与还原糖变化关系的数学模型构建方法的流程框图；
图5为本发明葡萄酒发酵在线实时监测仪结构示意图。
附图中，各标号所代表的部件如下：
1.温度传感器、2.酒精浓度传感器、3.电子测距仪、4.浮杆、5.数据处理模块、6.异常监测模块、7.挂环、8.终端模块、61.信号灯、62.蜂鸣器。
具体实施方式
为了更加清楚的阐述本发明的目的、技术方案和优点，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本发明将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。
此外，所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本发明的实施例的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本发明的技术方案而没有特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、装置、步骤等。在其它情况下，不详细示出或描述公知方法、装置、实现或者操作以避免模糊本发明的各方面。
附图中所示的方框图仅仅是功能实体，不一定必须与物理上独立的实体相对应。即，可以采用软件形式来实现这些功能实体，或在一个或多个硬件模块或集成电路中实现这些功能实体，或在不同网络和/或处理器装置和/或微控制器装置中实现这些功能实体。
附图中所示的流程图仅是示例性说明，不是必须包括所有的内容和操作/步骤，也不是必须按所描述的顺序执行。例如，有的操作/步骤还可以分解，而有的操作/步骤可以合并或部分合并，因此实际执行的顺序有可能根据实际情况改变。
下面结合具体实施例对本发明进行详细的说明：
实施例1
如图1所示，示例性的呈现了一种葡萄酒发酵在线实时监测系统，包括数据监测模块、数据处理模块、异常监测模块及终端模块；
进一步地，数据监测模块包括温度传感器、酒精浓度传感器及比重测量单元，比重测量单元包括电子测距仪和浮杆；
为了达到减少工作人员工作量的目的，在本实施例中，优选地，温度传感器为接触式传感器、非接触式传感器中的任一种；具体地，温度传感器检测到葡萄酒发酵液的温度，酒精浓度传感器监测葡萄酒发酵液的酒精浓度，实现实时监测发酵过程中温度及酒精浓度变化。
采用传统的比重仪使用人工肉眼读数，存在一定的人为误差，为了实现自动检测并减少误差，在本实施例中，优选地，电子测距仪为激光测距传感器、红外测距传感器或超声测距传感器中的任一种。通过电子测距仪测量其距离葡萄酒发酵液液面的距离，用于计算葡萄酒发酵液的比重。
使用本系统制作监测仪时，由于需要测量葡萄酒发酵液的比重，监测仪必须漂浮在液面上，因此所使用的传感器材质必须都是由轻质材料构成，为了保证监测仪能够平稳漂浮在液面上，整个监测仪的重心必须落在其中心轴线上，以确保各部件间保持重量平衡。
数据处理模块包括比重计算单元及还原糖浓度转化单元；
对电子测距仪测得的数据进行计算得到比重，比重进一步转化后得到还原糖浓度。在本实施例中，优选地，所述电子测距仪信号输出端与所述数据处理模块电性连接，具体地，电子测距仪测得其距离葡萄酒发酵液液面的距离，将该数值传输至数据处理模块中的比重计算单元，如图2所示，示例性的呈现了一种比重计算单元根据阿基米德原理智能计算比重的过程，具体如下：
S10：已知电子测距仪与监测仪最下端的距离为l1，测得电子测距仪距离葡萄酒发酵液液面的距离为l2；
S11：监测仪相对于葡萄酒发酵液液面下沉的距离为(l1-l2)；
S12：结合该系统比重测量单元的外形，可计算得到排开葡萄酒发酵液的体积V＝(l1-l2)×S，其中S为与发酵液接触的浮杆的底面积。
S13：已知检测计总质量为m，常数g＝9.8N/kg，根据阿基米德原理：F浮＝G排＝ρgV，计算得葡萄酒发酵液的比重。
需要说明的是，步骤S12中呈现的排液体积计算公式V＝(l1-l2)×S，适用于规整的圆柱体或长方体外形的计算，当比重测量单元外形不是圆柱体或长方体，需要对体积的计算公式进行变形，如为球形时，排液体积计算公式为：
Figure BDA0003618851440000081
其中R为球的半径。故设计不同形状的比重测量单元及对应求解排液体积的方法也在本发明的保护范围内。
在本实施例中，还原糖转化单元包括构建完成的葡萄酒正常发酵过程中比重与还原糖变化关系的数学模型，还原糖浓度通过比重转化得到。如图3所示，示例性的呈现了比重转化成还原糖浓度的方法，具体如下：
S20：还原糖浓度转化单元从比重计算单元获取葡萄酒发酵液的比重；
S21：得到的数据自动代入葡萄酒正常发酵过程中比重与还原糖变化关系的数学模型中，得到该比重下对应的还原糖浓度。
异常监测模块包括数据对比单元和数据异常警示单元；
异常监测模块主要用于对葡萄酒发酵情况进行监管，在本实施例中，优选地，所述数据对比单元设定了葡萄酒发酵过程中温度、比重、酒精浓度、还原糖浓度随时间变化的各时间节点对应的正常浮动范围。
进一步地，温度传感器、酒精浓度传感器及所述数据处理模块信号输出端与所述异常监测模块电性连接。
具体地，传感器测得的温度、酒精浓度及经数据处理模块处理得到的比重和还原糖浓度传输至异常监测模块，在异常监测模块内，数据对比单元将监测得到的数据与设定的正常浮动范围进行比对，对偏离正常浮动范围的数据进行标记并警示。相应地，系统内还设置了警示模块，可采用信号灯、蜂鸣器以及两者的结合，让工作人员更加直观的了解本系统当前工作状态。当出现异常数据时，异常监测模块向警示模块传递信号，信号灯发光，蜂鸣器发出声音，提醒工人员发酵存在异常现象，需要进行处理。
终端模块接收异常监测模块输出的数据，并对接收的数据进行曲线拟合绘制发酵曲线。
为了达到监测数据可视化、监测过程可远程进行的目的，在本实施例中，优选地，终端模块为与系统相适配的计算机软件、手机APP中及小程序的任一种，用于显示系统监测所得的相关数据。如此，工作人员上班时间可通过电脑对葡萄酒发酵情况进行查看，下班后，不需要坚守在发酵装置前，通过手机端远程即可掌握葡萄酒发酵情况。
进一步地，为了拓宽该系统的应用范围，设计有线及无线接口实现多种情况的监测数据传输，异常监测模块信号输出端与终端模块采用有线和/或无线连接。优选地，有线接口包括USB、HDMI、VGA、DVI等的一种或多种，无线接口包括WIFI、蓝牙等的一种或多种。
具体地，传感器测得的温度、酒精浓度及经数据处理模块处理得到的比重和还原糖浓度经异常监测模块比对后，传输至终端模块，在终端显示。
优选地，工作人员通过终端操作，设定取样的时间间隔，控制监测仪在指定时间间隔进行数据测量并实时传输至终端。
进一步地，在终端显示的数据分表格数据及曲线图两种模式，表格数据中显示采样的时间及对应时间测得的温度、酒精浓度、比重、还原糖浓度，并自动对异常数据进行标记，可以将异常数据标红、加粗进行突出显示；在曲线图中，以时间t为横坐标，分别以温度、酒精浓度、比重、还原糖浓度4个参数为纵坐标，在规定的时间测得的数据以黑点的形式显示在坐标轴中，当监测结果出现两个及以上的点后，系统自动用平滑的曲线将点连接起来，最终形成4条各参数随时间变化的曲线，并对异常的点进行标记，可以用红色的三角符号代替异常数据对应的黑点进行突出显示。
实施例2
如图4所示，示例性的呈现了葡萄酒正常发酵过程中比重与还原糖变化关系的数学模型构建方法，具体如下：
S30：获取葡萄酒在正常发酵情况下比重、还原糖浓度随时间变化的数据；
为了提高数学模型的准确性，在本实施例中，优选地，采集至少50组不同批次的葡萄酒发酵全过程的比重、还原糖浓度随时间变化的数据。
S31：对各时间节点对应的比重、还原糖浓度进行曲线拟合；
具体地，以各时刻对应比重为自变量，以还原糖为因变量，分别进行线性拟合、指数拟合、对数拟合及多项式拟合。
S32：选择拟合效果最好的曲线，作为葡萄酒正常发酵过程中比重与还原糖变化关系的数学模型。
当对数据进行曲线拟合时，数据与拟合函数之间的吻合程度，用相关系数R2来评价，R2越接近1，吻合程度越高，越接近0，则吻合程度越低。一般应该在0.99以上，才具有较好的可行度和线性关系。据此，选取S31中相关系数R2最接近1的为拟合效果最好的曲线，为多项式拟合曲线，对应的葡萄酒正常发酵过程中比重与还原糖变化关系的数学模型为：
y＝800.41x2+634.11x-1425.6
R2＝0.993
实施例3
如图5所示，示例性的呈现了一种葡萄酒发酵在线实时监测仪，包括温度传感器1、酒精浓度传感器2、电子测距仪3、浮杆4、数据处理模块5、异常监测模块6、信号灯61、蜂鸣器62、挂环7及终端模块8。
温度传感器1、酒精浓度传感器2测得的数据传输至异常监测模块6进行比对和预警、电子测距仪3测得的数据传输至数据处理模块5得到葡萄酒发酵液的比重及还原糖浓度，数据处理模块5将处理所得数据传输至异常监测模块6进行比对，出现异常数据时，信号灯61发光，蜂鸣器62发出声音，进行警示，然后异常监测模块6将数据传输至终端模块8，在终端显示监测所得的数据表格及曲线图，工作人员通过终端的电脑软件、手机APP及小程序可随时随地查看葡萄酒发酵情况。优选地，设计挂环7可以将监测仪固定或用于手持，
在本实施例中采用接触式温度传感器，温度传感器1及酒精浓度传感器2的探头均直接接触葡萄酒发酵液，传感器系统、数据处理模块5、异常监测模块6及内部电路由密封在浮杆4内，确保各部件不会因为进水而损坏。
优选地，在本实施例中为了保证监测仪能够平稳漂浮在液面上，因此所使用传感器材质及其他封装材料均是由轻质材料构成，且整体结构构成平衡，整个监测仪的重心落在其中心轴线上，以确保各部件间保持重量平衡。
需要说明的是，本实施例展示的是利用本系统制成的葡萄酒发酵在线实时监测仪的一种情况，在本实施例的基础上，还可利用本系统制成球形或其他形状。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由权利要求指出。应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (10)

1.一种葡萄酒发酵在线实时监测系统，其特征在于，包括数据监测模块、数据处理模块、异常监测模块及终端模块；
所述数据监测模块包括温度传感器、酒精浓度传感器及比重测量单元，所述比重测量单元包括电子测距仪和浮杆；
所述数据处理模块包括比重计算单元及还原糖浓度转化单元；
所述异常监测模块包括数据对比单元和数据异常警示单元；
所述终端模块接收所述异常监测模块输出的数据，并对接收的数据进行曲线拟合绘制发酵曲线。
2.根据权利要求1所述的一种葡萄酒发酵在线实时监测系统，其特征在于，所述温度传感器为接触式传感器、非接触式传感器中的任一种。
3.根据权利要求1所述的一种葡萄酒发酵在线实时监测系统，其特征在于，所述电子测距仪为激光测距传感器、红外测距传感器及超声测距传感器中的任一种。
4.根据权利要求1所述的一种葡萄酒发酵在线实时监测系统，其特征在于，所述电子测距仪信号输出端与所述数据处理模块电性连接，所述温度传感器、所述酒精浓度传感器及所述数据处理模块信号输出端与所述异常监测模块电性连接。
5.根据权利要求1所述的一种葡萄酒发酵在线实时监测系统，其特征在于，所述还原糖转化单元包括构建完成的葡萄酒正常发酵过程中比重与还原糖变化关系的数学模型。
6.根据权利要求5所述的一种葡萄酒发酵在线实时监测系统，其特征在于，所述葡萄酒正常发酵过程中比重与还原糖变化关系的数学模型构建方法如下：
获取葡萄酒在正常发酵情况下比重、还原糖浓度随时间变化的数据；
对各时间节点对应的比重、还原糖浓度进行曲线拟合；
选择拟合效果最好的曲线，作为葡萄酒正常发酵过程中比重与还原糖变化关系的数学模型。
7.根据权利要求6所述的一种葡萄酒发酵在线实时监测系统，其特征在于，所述拟合效果最好的曲线为多项式拟合曲线。
8.根据权利要求1所述的一种葡萄酒发酵在线实时监测系统，其特征在于，所述数据对比单元设定了葡萄酒发酵过程中温度、比重、酒精浓度、还原糖浓度随时间变化的各时间节点对应的正常浮动范围。
9.根据权利要求1所述的一种葡萄酒发酵在线实时监测系统，其特征在于，所述终端模块为计算机软件、手机APP及小程序中的任一种。
10.根据权利要求1所述的一种葡萄酒发酵在线实时监测系统，其特征在于，所述异常监测模块信号输出端与终端模块采用有线和/或无线连接。
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