RU2790807C1 - Method and flow device for determining percentage concentrations of milk components in a flow - Google Patents
Method and flow device for determining percentage concentrations of milk components in a flow Download PDFInfo
- Publication number
- RU2790807C1 RU2790807C1 RU2022109279A RU2022109279A RU2790807C1 RU 2790807 C1 RU2790807 C1 RU 2790807C1 RU 2022109279 A RU2022109279 A RU 2022109279A RU 2022109279 A RU2022109279 A RU 2022109279A RU 2790807 C1 RU2790807 C1 RU 2790807C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- milk
- flow
- photodetectors
- glass tube
- emitters
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к молочной и пищевой промышленности для определения процентных концентраций компонентов молока в потоке на предприятиях агропромышленного комплекса.The invention relates to the dairy and food industries to determine the percentage concentrations of milk components in the flow at the enterprises of the agro-industrial complex.
В качестве видов молока, которые предполагается тестировать предлагаемым устройством, могут выступать любые виды молока, например, сырое коровье молоко, пастеризованное молоко, ультрапастеризованное молоко. Важнейшие параметры молока, которые необходимо измерять на предприятиях молочной промышленности – это содержание жира и белка, поскольку, в первую очередь, от них зависит пищевая ценность и рыночная стоимость молока. Вдобавок, также важно определять содержание соматических клеток и клетки крови в молоке, которое является индикатором состояния здоровья молочного животного.The types of milk that are supposed to be tested by the proposed device can be any kind of milk, for example, raw cow's milk, pasteurized milk, ultra-pasteurized milk. The most important parameters of milk that need to be measured in the dairy industry are the content of fat and protein, since, first of all, the nutritional value and market value of milk depend on them. In addition, it is also important to determine the content of somatic cells and blood cells in milk, which is an indicator of the health status of a dairy animal.
Известно устройство для определения содержания жира и белка в молоке и молочных продуктах (RU 2071056 C1, МПК G01N 33/06), содержащее последовательно расположенные источник оптического излучения, линзу, а также приемники рассеянного излучения, соединенные через блок измерения с блоком индикации.A device for determining the content of fat and protein in milk and dairy products (RU 2071056 C1, IPC G01N 33/06) is known, containing a source of optical radiation, a lens, and scattered radiation receivers connected through a measurement unit with an indication unit.
Преимуществом известного устройства является более точное измерение процентной концентрации белка и наличие учета информации о степени гомогенизации молочных продуктов.The advantage of the known device is a more accurate measurement of the percentage concentration of protein and the availability of information on the degree of homogenization of dairy products.
Недостатками известного устройства является невозможность проводить поточный анализ молока, необходимость отбора проб, всего один источник излучения и, соответственно, меньший охват диапазона длин волн, а также меньший охват фотоприемниками угловой зависимости интенсивности рассеянного излучения. The disadvantages of the known device is the impossibility to carry out in-line analysis of milk, the need for sampling, only one source of radiation and, accordingly, a smaller coverage of the wavelength range, as well as a smaller coverage of the angular dependence of the scattered radiation intensity by photodetectors.
Известный способ определения процентных концентраций компонентов молока в потоке, заключающийся в облучении потока молока, протекающего в стеклянной трубке, попеременно несколькими лазерными полупроводниковыми излучателями с заранее заданной длиной волн, одновременную регистрацию угловой зависимости интенсивности рассеянного излучения, проходящего сквозь поток молока при помощи фотоприемников и обработку полученных данных для определения процентных концентраций содержания сухого вещества в молоке. US 7236237 B2 (вкл. G01N 21/00, G01N 1/10, 26.06.2007 - прототип).A well-known method for determining the percentage concentrations of milk components in a flow, which consists in irradiating a flow of milk flowing in a glass tube, alternately with several laser semiconductor emitters with a predetermined wavelength, simultaneous registration of the angular dependence of the intensity of the scattered radiation passing through the milk flow using photodetectors and processing the obtained data to determine the percentage concentrations of dry matter in milk. US 7236237 B2 (incl. G01N 21/00, G01N 1/10, 06/26/2007 - prototype).
Недостатками известного патента на изобретение являются нарушающая движение потока молока в молочной трубке кювета, а также охватывающие меньшую часть ближнего инфракрасного диапазона длины волн источников излучения, что негативно влияет на качество анализа молока.The disadvantages of the known patent for the invention are the cuvette that disrupts the movement of milk flow in the milk tube, as well as covering a smaller part of the near infrared wavelength range of radiation sources, which negatively affects the quality of milk analysis.
Известное устройство содержит ударопрочный влагозащищенный пластиковый корпус с пазами для фиксации стеклянной трубки, запрессованной в манжеты из упругого материала, лазерные полупроводниковые излучатели и фотоприёмники. US 7236237 B2 (вкл. G01N 21/00, G01N 1/10, 26.06.2007 - прототип).The known device contains an impact-resistant waterproof plastic case with slots for fixing a glass tube pressed into cuffs made of elastic material, laser semiconductor emitters and photodetectors. US 7236237 B2 (incl. G01N 21/00, G01N 1/10, 06/26/2007 - prototype).
Технической задачей изобретения является повышения качества поточного анализа параметров молока, снижение времени анализа, а также увеличение количества анализов за единицу времени.The technical objective of the invention is to improve the quality of the in-line analysis of milk parameters, reduce the time of analysis, as well as increase the number of analyzes per unit of time.
Расширение области применения поточного анализа состава молока достигается за счет применения типовых для доильных аппаратов креплений и молочных шлангов, позволяющих упростить интеграцию устройства в доильные установки различных моделей, а также современных износостойких материалов для повышения надежности и долговечности устройства.The expansion of the scope of in-line analysis of the composition of milk is achieved through the use of fixtures and milk hoses typical for milking machines, which make it possible to simplify the integration of the device into milking machines of various models, as well as modern wear-resistant materials to increase the reliability and durability of the device.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение качества анализа продукта, в частности, содержания жира, белка и лактозы в молоке.The technical result of the invention is to improve the quality of the analysis of the product, in particular, the content of fat, protein and lactose in milk.
Технический результат достигается тем, что в способе для определения процентных концентраций компонентов молока в потоке, заключающимся в том, что облучают поток молока, протекающий в стеклянной трубке, попеременно несколькими полупроводниковыми излучателями, одновременно регистрируют угловую зависимость интенсивности излучения, рассеянного двигающимся внутри трубки потоком молока, при помощи фотоприемников, обработку полученных данных проводят с помощью программного обеспечения для определения процентных концентраций компонентов молока, согласно изобретению, предварительно выбирают длины волн лазерных полупроводниковых излучателей в диапазоне 280–850 нм, регистрируют угловую зависимость интенсивности рассеянного излучения для каждого из попеременно включаемых лазерных излучателей, посредством сигналов, полученных от фотоприемников в максимально широком диапазоне углов рассеяния от 0° до 360о, расположенных вокруг трубки с шагом 18°, после чего данные об угловой зависимости интенсивности рассеянного излучения передают на микроконтроллер, суммирующий их, затем на компьютер, который осуществляет автоматизированную обработку измеренных данных.The technical result is achieved by the fact that in the method for determining the percentage concentrations of milk components in the flow, which consists in irradiating the flow of milk flowing in a glass tube alternately with several semiconductor emitters, simultaneously registering the angular dependence of the intensity of the radiation scattered by the flow of milk moving inside the tube, using photodetectors, the processing of the obtained data is carried out using software for determining the percentage concentrations of milk components, according to the invention, the wavelengths of laser semiconductor emitters are preselected in the range of 280–850 nm, the angular dependence of the scattered radiation intensity is recorded for each of the alternately switched on laser emitters, by means of signals received from photodetectors in the widest possible range of scattering angles from 0° to 360 ° , located around the tube with a step of 18°, after which data on the angular dependence of the intensity The awns of scattered radiation are transmitted to a microcontroller that sums them up, then to a computer that performs automated processing of the measured data.
Технический результат достигается тем, что в устройстве для определения процентной концентрации компонентов молока в потоке, содержащим ударопрочный влагозащищенный пластиковый корпус с пазами для фиксации стеклянной трубки, запрессованной в манжеты из упругого материала, а также каналы, дополнительно заполненные герметиком, внутри которых установлены полупроводниковые излучатели и фотоприемники, согласно изобретению, стеклянная молочная трубка выполнена с круглым сечением, излучатели выполнены в виде лазерных полупроводниковых диодов с коллимирующей линзой на каждом, диоды и фотоприёмники, расположенные вокруг стеклянной трубки с шагом 90° и 18°, соответственно, запрессованны в манжеты из упругого материала и зафиксированы герметиком. The technical result is achieved by the fact that in a device for determining the percentage concentration of milk components in a flow, containing an impact-resistant waterproof plastic case with grooves for fixing a glass tube pressed into cuffs made of elastic material, as well as channels additionally filled with sealant, inside which semiconductor emitters and photodetectors, according to the invention, the milky glass tube is made with a circular cross section, the emitters are made in the form of laser semiconductor diodes with a collimating lens on each, diodes and photodetectors located around the glass tube with a step of 90° and 18°, respectively, are pressed into cuffs made of elastic material and sealed with sealant.
Устройство определения процентных концентраций содержания компонентов молока в потоке поясняется чертежом, на котором изображен общий вид устройства.The device for determining the percentage concentrations of milk components in the flow is illustrated by a drawing, which shows a General view of the device.
Устройство для определения процентных концентраций компонентов молока в потоке содержит ударопрочный влагозащищенный пластиковый корпус 1, в котором закреплены штуцер 2 для крепления молочного шланга, лазерные полупроводниковые излучатели (диоды) 3, оснащенные коллимирующими линзами 4, фотоприемники 5, расположенные в специальных пазах корпуса 1 и круглая стеклянная трубка 6, осуществляющая функцию собирающей оптической линзы. Коллимирующие линзы 4 крепятся в корпусе 1 перпендикулярно лучу диода 3 в манжеты из упругого материала (например, резины) и зафиксированы герметиком для исключения вибрационных и ударных воздействий. Аналогично, стеклянная трубка 6 запрессована в манжеты для герметизации и предотвращения протечек в корпусе 1 и дополнительно зафиксирована герметиком (силиконовым, водонепроницаемым).A device for determining the percentage concentrations of milk components in a flow contains an impact-resistant moisture-proof
Лазерные полупроводниковые излучатели 3 представляют собой четыре лазерных диода с разными длинами волн. Для диодов 3 выбраны длины волн в диапазоне 280-850 нм. Данный диапазон обладает наибольшей экстинкцией частиц исследуемых компонентов. Предпочтительными (показавшими оптимальные результаты в экспериментальных исследованиях) являются длины волн в 280, 405, 532 и 850 нм. Все диоды оснащены коллимирующими линзами 4, поскольку расходящийся пучок света лазерных диодов 3 после коллимирующей линзы 4 становится узконаправленным, что повышает точность работы прибора.
Фотоприемники 5 расположены в корпусе 1 устройства с шагом в 18° вокруг круглой стеклянной трубки 6 для обеспечения регистрации угловой зависимости интенсивности излучения, рассеянного потоком молока в диапазоне углов рассеяния от 0° до 360°, с пропуском прямых углов 0°, 90° и 180°, 270°. Пропуск прямых углов целесообразен по причине низкой информативности регистрации угловой зависимости интенсивности рассеянного излучения на этих углах. Таким образом вокруг трубки размешено шестнадцать фотоприемников 5.
Для определения процентных концентраций компонентов молока в потоке используется метод спектральной оптической скаттерометрии. Spectral optical scatterometry is used to determine the percentage concentrations of milk components in the flow.
Экспериментально установлено, что на длине волны 280 нм в области прямого рассеяния имеет место монотонная зависимость индикатрисы рассеяния от процентного содержания жира, по которой можно построить градировочные кривые второго порядка зависимости значений жирности от значений интенсивности рассеяния на каждом измеряемом угле прямого рассеяния (): It has been experimentally established that at a wavelength of 280 nm in the forward scattering region there is a monotonic dependence of the scattering indicatrix on the percentage of fat, from which it is possible to construct second-order calibration curves for the dependence of fat content on the values of scattering intensity at each measured forward scattering angle ( ):
, ,
где - коэффициенты градуировочной матрицы; для и для - значения интенсивности излучения на углах прямого рассеяния, нормированные на значения интенсивностей, измеренных на двух крайних углах обратного рассеяния, принадлежащих соответствующим полуокружностям (): и . Where - coefficients of the calibration matrix; For And For are the values of the radiation intensity at the angles of forward scattering, normalized to the values of the intensities measured at the two extreme angles of backscattering, belonging to the corresponding semicircles ( ): And .
С целью сглаживания флуктуаций вследствие неоднородности потока молока в трубке, итоговое значение жирности определяется как среднее арифметическое по всем углам прямого рассеяния:In order to smooth out fluctuations due to the heterogeneity of the milk flow in the tube, the final fat content is defined as the arithmetic mean over all forward scattering angles:
Полученный выходной сигнал в виде электрического тока, преобразуют в набор цифровых данных с помощью микроконтроллера (на фиг. не показан) и последовательно передают на содержащий необходимое программное обеспечение компьютер (на фиг. не показан) для вычисления процентных значений концентраций компонентов молока путем решения обратной задачи разложения измеренных зависимостей интенсивности рассеяния света от угла рассеяния по набору известных теоретических зависимостей, заранее рассчитанных для каждой из дисперсных компонент молока. Также как в случае жира, измерение содержания белка предполагается производить путем полиномиальной аппроксимации концентрационной зависимости интенсивности света, принимаемого фотоприемниками 5, при облучении потока молока, движущегося в трубке 6, на длине волны 280 нм, где белковые молекулы обладают сильным поглощением и, соответственно, фотоприемники 5 должны детектировать рассеяние флуоресцентного излучения.The resulting output signal in the form of an electric current is converted into a digital data set using a microcontroller (not shown in the figure) and sequentially transmitted to a computer containing the necessary software (not shown in the figure) to calculate the percentage values of the concentrations of milk components by solving the inverse problem expansion of the measured dependences of the intensity of light scattering on the scattering angle according to a set of known theoretical dependences calculated in advance for each of the dispersed components of milk. As in the case of fat, the protein content is supposed to be measured by polynomial approximation of the concentration dependence of the light intensity received by the
Устройство определения процентных концентраций компонентов молока в потоке работает следующим образом. The device for determining the percentage concentrations of milk components in the stream works as follows.
Поток молока, протекающий через круглую стеклянную трубку 6, облучают попеременно четырьмя диодами 3 с установленными на них коллимирующими линзами 4. Одновременно проводится регистрация угловой зависимости интенсивности рассеянного излучения, текущего в круглой стеклянной трубке 6 потока молока при помощи шестнадцати фотоприемников 5, установленных вокруг круглой стеклянной трубки 6, содержащей поток молока, для обеспечения регистрации угловой зависимости интенсивности света, рассеянного потоком молока.The flow of milk flowing through a
Пример 1. Измерение параметров сырого коровьего молока.Example 1. Measurement of the parameters of raw cow's milk.
Устанавливают устройство для определения процентных концентраций компонентов молока в потоке в доильную установку. Сопряжение устройств осуществляется путем подключения штуцера 2 предлагаемого устройства к молочному шлангу. Затем, после начала доения, поток молока попадает в трубку 6, осуществляющую функцию собирающей оптической линзы, где её попеременно облучают четыре диода 3 с установленными коллимирующими линзами 4 с предварительно выбранными длинами волн в 280, 405, 532 и 850 нанометров, установленными равномерно вокруг круглой стеклянной трубки 6 с шагом в 90°. Диоды 3 и фотоприёмники 5 установлены герметично в манжеты из резины и зафиксированы герметиком. Одновременно проводится регистрация угловой зависимости интенсивности рассеянного излучения, текущего в трубке 6 потока молока шестнадцатью фотоприемниками 5 (фотодиоды ФД-263-1), установленными в корпусе 1 устройства с шагом в 18° вокруг трубки 6 для обеспечения регистрации угловой зависимости интенсивности света, рассеянного потоком молока излучения в диапазоне углов рассеяния от 0° до 360°, с пропуском прямых углов 0°, 90° и 180°, 270°. Полученный выходной сигнал фотоприемников 5 в виде электрического тока преобразуется в набор цифровых данных с помощью микроконтроллера и последовательно передаётся на содержащий необходимое программное обеспечение компьютер для вычисления процентных значений концентраций компонентов молока путем решения обратной задачи разложения измеренных зависимостей интенсивности рассеяния света от угла рассеяния зная о монотонной зависимости индикатрисы рассеяния от жирности молока, заранее рассчитанных для каждой из дисперсных компонент молока. Выходной результат содержит процентное значение жирности молока в 2,9%, лактозы – 4,6%, белка – 3,8 с точностью в 0,1%, наличие соматических клеток и клеток крови – не обнаружено.A device is installed to determine the percentage concentrations of milk components in the flow to the milking machine. Pairing devices is carried out by connecting fitting 2 of the proposed device to the milk hose. Then, after the start of milking, the milk flow enters the
Пример 2. Измерения параметров ультрапастеризованного молока.Example 2 Measurements of parameters of UHT milk.
Устанавливают устройство для измерения параметров молока в систему прокачки жидкости. Сопряжение устройств осуществляется путем подключения штуцера 2 предлагаемого устройства к шлангу. Поток молока попадает в трубку 6, осуществляющую функцию собирающей оптической линзы, где ее попеременно облучают четыре диода 3 с установленной коллимирующей линзой 4 с предварительно выбранными длинами волн в 280, 405, 532 и 850 нанометров. Одновременно проводится регистрация угловой зависимости интенсивности рассеянного излучения, текущего в трубке 6 потока молока шестнадцатью фотоприемниками 5, установленными в корпусе 1 устройства с шагом в 18° вокруг трубки 6 для обеспечения регистрации угловой зависимости интенсивности света, рассеянного потоком молока излучения в диапазоне углов рассеяния от 0° до 360°, с пропуском прямых углов 0°, 90° и 180°, 270°. Полученный выходной сигнал фотоприемников 5 в виде электрического тока, преобразуется в набор цифровых данных с помощью микроконтроллера и последовательно передаётся на содержащий необходимое программное обеспечение компьютер для вычисления процентных значений концентраций компонентов молока путем решения обратной задачи разложения измеренных зависимостей интенсивности рассеяния света от угла рассеяния по набору известных теоретических зависимостей, заранее рассчитанных для каждой из дисперсных компонент кефира. Выходной результат содержит процентное значение жирности молока в 1,6% с точностью 0,1%.A device for measuring milk parameters is installed in the liquid pumping system. Pairing of devices is carried out by connecting fitting 2 of the proposed device to the hose. The flow of milk enters the
Возможность адаптации предлагаемого устройства позволит встраивать его в большинство существующих доильных установок, модернизируя существующие молочные фермы. Предлагаемая концепция применения прибора предоставит возможность повышать качество производимой молочной продукции без дорогостоящего переоборудования фермы, а с помощью модернизации существующих систем.The ability to adapt the proposed device will allow it to be integrated into most existing milking machines, upgrading existing dairy farms. The proposed concept of using the device will provide an opportunity to improve the quality of dairy products produced without expensive re-equipment of the farm, but by modernizing existing systems.
Использование способа и устройства позволит повысить качество анализа продукта.Using the method and device will improve the quality of product analysis.
Claims (2)
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2790807C1 true RU2790807C1 (en) | 2023-02-28 |
Family
ID=
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2067301C1 (en) * | 1992-12-10 | 1996-09-27 | Лев Николаевич Бритвин | Process of determination of percentage composition of fat, protein and lactose in milk and device for its implementation |
RU2071056C1 (en) * | 1992-09-18 | 1996-12-27 | Научно-производственное объединение "Диполь" | Device for assaying milk and dairy products for content of fat and protein |
RU2196985C2 (en) * | 2000-02-03 | 2003-01-20 | Закрытое акционерное общество Научно-производственное объединение "Диполь" | Method determining composition of milk |
US7132660B2 (en) * | 2001-03-16 | 2006-11-07 | Miris Ab | Mid infra red analysis |
US7236237B2 (en) * | 2001-11-08 | 2007-06-26 | S.A.E. Afikim Computerized Dairy Management System | Spectroscopic fluid analyzer |
RU2688954C2 (en) * | 2015-06-01 | 2019-05-23 | ФОСС Аналитикал А/С | Spectral analysis of a fluid inhomogeneous medium in the middle infrared range |
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2071056C1 (en) * | 1992-09-18 | 1996-12-27 | Научно-производственное объединение "Диполь" | Device for assaying milk and dairy products for content of fat and protein |
RU2067301C1 (en) * | 1992-12-10 | 1996-09-27 | Лев Николаевич Бритвин | Process of determination of percentage composition of fat, protein and lactose in milk and device for its implementation |
RU2196985C2 (en) * | 2000-02-03 | 2003-01-20 | Закрытое акционерное общество Научно-производственное объединение "Диполь" | Method determining composition of milk |
US7132660B2 (en) * | 2001-03-16 | 2006-11-07 | Miris Ab | Mid infra red analysis |
US7236237B2 (en) * | 2001-11-08 | 2007-06-26 | S.A.E. Afikim Computerized Dairy Management System | Spectroscopic fluid analyzer |
RU2688954C2 (en) * | 2015-06-01 | 2019-05-23 | ФОСС Аналитикал А/С | Spectral analysis of a fluid inhomogeneous medium in the middle infrared range |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
AU769396B2 (en) | Method and apparatus for detecting mastitis by using visible light and/or near infrared light | |
US7236237B2 (en) | Spectroscopic fluid analyzer | |
US8446582B2 (en) | System and method for analyzing fluids | |
JP5474929B2 (en) | System and method for on-line analysis and classification of milk coagulability | |
US6748251B2 (en) | Method and apparatus for detecting mastitis by using visual light and/or near infrared lights | |
KR100935703B1 (en) | Device and method analyzing milk for field | |
CN1146011A (en) | Spectrometry and optical measuring method and apparatus | |
US20030098969A1 (en) | Spectroscopic fluid analyzer | |
da Silva Dias et al. | A NIR photometer prototype with integrating sphere for the detection of added water in raw milk | |
NL1013805C2 (en) | Device for analyzing products and dedicated sensor. | |
IWEKA et al. | Online milk quality assessment during milking using near-infrared spectroscopic sensing system | |
JP4714822B2 (en) | Non-destructive measuring device for light scatterers | |
RU2790807C1 (en) | Method and flow device for determining percentage concentrations of milk components in a flow | |
CN112955742A (en) | Blood sample analysis method and blood coagulation analyzer | |
Morita et al. | Real-time near infrared spectral monitoring of mammary gland for inflammation diagnosis in dairy cows | |
KR100859131B1 (en) | Analyzer for estimating milk freshness by using NIR | |
Iweka et al. | Development of a near-infrared spectroscopic sensing system for milk quality evaluation during milking. | |
Marinoni et al. | Quantification of casein fractions and of some of their genetic variants in phosphate buffer by near infrared spectroscopy | |
JP2001041882A (en) | Egg testing apparatus | |
JP3268449B2 (en) | Milk ingredient continuous measurement device | |
US20240138363A1 (en) | Analysing a cleaning fluid in a milking machine | |
CA3211486A1 (en) | Analysis of milk | |
Giangiacomo et al. | Analysis of dairy and eggs | |
Tsenkova et al. | Near-Infrared Spectra of Urine for Mastitis Diagnostics | |
Tsenkova et al. | Measurement of Somatic Cell Count in the 700–1,100 nm Short Wavelength Region Using PLS Regression and Referenced Data |