устройство для определения массовой доли жира и сухого обезжиренного остатка в молоке

Формула изобретения

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МАССОВОЙ ДОЛИ ЖИРА И СУХОГО ОБЕЗЖИРЕННОГО ОСТАТКА В МОЛОКЕ, содержащее измерительную ячейку с нагревательным элементом, датчик температуры, источник и приемник ультразвука, блок обработки и управления, автоциркуляционный блок, последовательно соединенные источник опорных напряжений, ключ, элемент сравнения, усилитель тока, выход которого через нагревательный элемент подключен к измерительной ячейке, первый и второй выходы автоциркуляционного блока соединены соответственно с входом источника ультразвука и с первым входом блока обработки и управления, второй вход которого подключен к выходу элемента сравнения, второй вход которого соединен с выходом датчика температуры, расположенного на поверхности измерительной ячейки, при этом первый и второй выходы блока обработки и управления подключены соответственно к управляющему входу ключа и к второму входу автоциркуляционного блока, первый вход которого соединен с выходом приемника ультразвука, отличающееся тем, что, с целью расширения диапазона измерений при обеспечении устойчивой работы устройства, автоциркуляционный блок выполнен в виде последовательно соединенных компаратора напряжения, инвертора, регулируемого источника опорного напряжения и последовательно соединенных элемента И, одновибратора и усилителя, при этом выход регулируемого источника опорного напряжения подключен к второму входу компаратора, выход последнего связан с первым входом элемента И, причем первый и второй входы автоциркуляционного блока представляют собой соответственно первый вход компаратора и второй вход элемента И, а первый и второй выходы автоциркуляционного блока представляют собой соответственно выходы усилителя и одновибратора.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что регулируемый источник опорного напряжения выполнен в виде последовательно включенных цепочки диодов и резистора, к общей точке которых подсоединен конденсатор, второй выход последнего связан с общей шиной устройства.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в сельском хозяйстве, на предприятиях молочной промышленности, при заготовке и приемнике молока, его переработке, при селекционной работе.

Известное устройство [1] содержит измерительную ячейку, в торцах которой размещены источник и приемник ультразвука. На поверхности измерительной ячейки расположены датчик температуры и нагревательный элемент. Кроме того, устройство содержит автоциркуляционный блок, источник опорных напряжений, ключ, элемент сравнения, усилитель тока, блок обработки и управления. Автоциркуляционный блок (фиг. 1) выполнен на последовательно соединенных компараторе напряжения, элементе И, одновибраторе, усилителе мощности, а также втором источнике опорного напряжения, выход которого соединен с вторым входом компаратора напряжения. Конкретное выполнение автоциркуляционного блока в описании в авт.св. N 1612259 не приведено, а только указано, что он выполнен по схеме генератора с внешней акустической связью, в качестве которой используется измерительная ячейка. На фиг. 1 приведена структурная схема автоциркуляционного блока, применяемого в изделии "Лактан-1, изготавливаемом по авт.св. N 1612259. Конкретное выполнение автоциркуляционного блока прототипа является новым (неизвестно неопределенному кругу лиц).

Недостатком прототипа является ограниченный диапазон измерения контролируемых компонентов при устойчивой работе устройства, что приводит к повышению погрешности измерения. Это обусловлено тем, что электрический сигнал с приемника ультразвука содержит "полезный" сигнал, амплитуда и расположение которого на временной диаграмме определяются процентным содержанием компонентов в пробе молока, и "мешающий" сигнал, обусловленный многократным отражением ультразвукового сигнала от боковых и торцевых частей ячейки (т.е. от конструкции ячейки, крепления пьезокерамики и т.п.), в связи с этим "мешающий" сигнал может быть переменной амплитуды и иметь различное расположение на временной диаграмме, что не позволяет использовать временную фильтрацию "полезного" сигнала. Сигнал с приемника ультразвука в компараторе сравнивается с фиксированным значением опорного напряжения, выбором которого определяется устойчивая работа устройства в необходимом диапазоне измерения, а именно значение порогового напряжения должно быть выше возможных значений амплитуды "мешающего" сигнала и ниже минимально возможного значения первого импульса "полезного" сигнала приемника ультразвука, что неосуществимо во всем диапазоне возможных значений измеряемых параметров при известном конкретном выполнении автоциркуляционного блока.

Целью изобретения является расширение диапазона измерения при сохранении устойчивой работы устройства.

Это достигается тем, что в устройстве для определения массовой доли жира и сухого обезжиренного остатка в молоке, содержащем измерительную ячейку, источник и приемник ультразвука, нагревательный элемент, датчик температуры, блок обработки и управления, автоциркуляционный блок, последовательно соединенные источник опорных напряжений, ключ, элемент сравнения, усилитель тока, выход которого через нагревательный элемент подключен к измерительной ячейке, при этом первый и второй выходы автоциркуляционного блока соединены соответственно с входом источника ультразвука и с первым входом блока обработки и управления, второй вход которого подключен к выходу элемента сравнения, второй вход которого соединен с выходом датчика температуры, расположенного на поверхности измерительной ячейки, при этом первый и второй выходы блока обработки и управления подключены соответственно к управляющему входу ключа и к второму входу автоциркуляционного блока, первый вход которого соединен с выходом приемника ультразвука, автоциркуляционный блок выполнен на последовательно соединенных компараторе напряжения, инверторе, регулируемом источнике опорного напряжения и на последовательно соединенных элементе И, одновибраторе и усилителе, при этом выход регулируемого источника опорного напряжения подключен к второму входу компаратора, первый вход которого является первым входом блока, а выход компаратора соединен с первым входом элемента И, второй вход которого является вторым входом автоциркуляционного блока, а выходы усилителя мощности и одновибратора являются соответственно первым и вторым выходами автоциркуляционного блока. Кроме того, регулируемый источник опорного напряжения автоциркуляционного блока выполнен в виде последовательно соединенных цепочки диодов и резистора, к точке соединения диода и резистора подключен конденсатор, второй вывод которого соединен с общей шиной устройства.

Заявляемое устройство отличается от известного изобретения тем, что автоциркуляционный блок выполнен на последовательно соединенных компараторе напряжения, инверторе, регулируемом источнике опорного напряжения и на последовательно соединенных элементе И, одновибраторе и усилителе, при этом выход регулируемого источника опорного напряжения подключен к второму входу компаратора, первый вход которого является первым входом блока, а выход компаратора соединен с первым входом элемента И, второй вход которого является вторым входом автоциркуляционного блока, а выходы усилителя мощности и одновибратора являются соответственно первым и вторым выходами автоциркуляционного блока.

Кроме того, регулируемый источник опорного напряжения выполнен в виде последовательно соединенных цепочки диодов и резистора, к точке соединения диодов и резистора подключен конденсатор, второй вывод которого соединен с общей шиной устройства. Таким образом, заявляемое техническое решение соответствует критерию "Новизна".

В заявляемом техническом решении конкретное выполнение автоциркуляционного блока в связи с остальными элементами устройства для определения массовой доли жира и сухого обезжиренного остатка в молоке проявляет новые свойства, а именно позволяет расширить диапазон измерения контролируемых параметров при сохранении устойчивой работы устройства. Достигается это обеспечением в блоке автоматического регулирования порога срабатывания в необходимом диапазоне измерения контролируемых параметров при устойчивой работе устройства, исключающей ложное срабатывание от сигнала, обусловленного многократным отражением от боковых и торцевых частей ячейки.

Сравнение заявляемого решения с другими техническими решениями показывает, что из объектов аналогичного назначения только прототип содержит автоциркуляционный блок, выполняющий функцию, присущую только данному объекту и который не может быть применен в других областях техники, т.к. характеризует часть объекта, не являющуюся самостоятельной и не проявляющую самостоятельной функции, в связи с этим невозможна дополнительная классификация отличительных признаков, и их поиск в отрыве от других узлов устройства не может быть осуществлен. Это позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критерию "Существенные отличия".

На фиг. 1 приведена структурная схема прототипа; на фиг. 2 структурная схема устройства; на фиг. 3 структурная схема автоциркуляционного блока.

Устройство (фиг. 2) содержит измерительную ячейку 1, в торцах которой размещены источник 2 и приемник 3 ультразвука. На поверхности измерительной ячейки 1 расположены датчик температуры и нагревательный элемент 5. Кроме того, устройство содержит автоциркуляционный блок 6, источник 7 опорных напряжений, ключ 8, элемент 9 сравнения, усилитель 10 тока, блок 11 обработки и управления, содержащий индикатор 12, "ввод/вывод" 13, регистр 14 адреса (РА), регистр 15 управления (РУ), арифметико-логический преобразователь (АЛП) 16, оперативный запоминающий элемент (ОЗЭ) 17, постоянный запоминающий элемент (ПЗЭ) 18. Автоциркуляционный блок 6 выполнен на последовательно соединенных (фиг. 3) компараторе 19 напряжения, инверторе 20, регулируемом источнике 21 опорного напряжения и на последовательно соединенных элементе И 22, одновибраторе 23, усилителе 2 мощности. Регулируемый источник опорного напряжения выполнен в виде последовательно соединенных диодов VD₁.VD_n и резистора R1, к точке соединения диодов и резистора R1 подключен конденсатор С1, второй вывод которого соединен с общей шиной устройства и с одним выводом R2, второй вывод которого объединен с выводом R1 и является вторым входом компаратора 19. При этом выход регулируемого источника 21 подключен к второму входу компаратора 19 напряжения, первый вход которого является первым входом автоциркуляционного блока 6, а выход компаратора 19 соединен также с первым входом элемента И 22, второй вход которого является вторым входом автоциркуляционного блока 6, а выходы усилителя 24 мощности и одновибратора 23 являются соответственно первым и вторым выходами автоциркуляционного блока 6. Первый выход автоциркуляционного блока 6 соединен с входом источника 2 ультразвука, второй выход автоциркуляционного блока 6 соединен с первым входом блока 11 обработки и управления. Выходы источника 7 опорных напряжений через соответствующие входы ключа 8 поочередно подключаются на один из входов элемента 8 сравнения 9, к другому входу которого подключен выход датчика 4 температуры. Выход элемента 9 сравнения соединен с вторым входом блока 11 обработки и управления и входом усилителя 10 тока, выход которого подключен к входу нагревательного элемента 5. Управляющий вход ключа 8 соединен с первым выходом блока 11 обработки и управления, второй выход которого подключен к одному входу автоциркуляционного блока 6, второй вход которого соединен с выходом приемника 3 ультразвука. Все элементы блока 11 обработки и управления соединены параллельно между собой шиной управления и адреса. Кроме того, выходы АЛП 16 соединены с соответствующими входами РА 14 и РУ 15, а один из выходов портов 13 соединен с входом и индикатора 12, другие входы и выходы портов 13 подключены соответственно к выходу элемента 9 сравнения, управляющему входу ключа 8, одному из выходов и одному из входов автоциркуляционного блока 6.

Подготовка блока 11 обработки и управления к работе. В постоянный запоминающий элемент (ПЗЭ) 18 блока 11 обработки и управления вводятся значения коэффициентов К₁.К₆ [I] предварительно определенные экспериментальным путем при калибровке устройства, и значение приращения скорости ультразвука, при котором будут фиксироваться значения скорости ультразвука. В ПЗЭ 18 также вводится программа работы устройства. Пробу молока вводят в измерительную ячейку 1, включают устройство не измерение. Работа устройства выполняется по программе, записанной в постоянном запоминающем элементе 18.

Этап 1. Пуск устройства. При поступлении сигнала "Пуск" осуществляется начальная установка регистров 14 и 15 адреса и управления соответственно в нулевое состояние. В дальнейшем в регистр 1 адреса и в регистр 15 управления будет переписываться из АЛП 16 код числа, соответствующий коду адреса устройства и коду сигнала управления. Начальный код адреса и код сигнала управления поступают через шину управления и адреса на соответствующие входы ПЗЖ 18.

Этап 2. С выхода ПЗЭ 18 через шину данных в АЛП 16 поступает команда, записанная в начальном адресе ПЗЭ 18. АЛП 16 формирует и перезаписывает в РУ 15 и РА 14 коды сигнала управления и адреса, поступающие в порты "ввод/вывод" 13, по которым с выхода одного из портов сигнал управления переключает ключ 8 в первое положение, соответствующие температуре 41^оС.

Этап 3. Нагрев пробы до значения 41^оС. При переключении ключа 8 в первое положение с выхода источника 7 опорных напряжений на один из входов элемента 9 сравнения поступает напряжение U₁, соответствующее напряжению с выхода датчика 4 температуры при температуре на поверхности измерительной ячейки 1, равной 41^оС, на другой вход элемента 9 сравнения поступает напряжение с выхода датчика 4 температуры, которое при введении пробы молока в измерительную ячейку 1 отличается от напряжения на первом входе элемента 9 сравнения, т. к. температура пробы, а следовательно, и температура датчика ниже 41^оС. На выходе элемента 9 сравнения формируется разностный сигнал, который через усилитель 10 тока поступает на нагревательный элемент 5. Происходит нагрев в измерительной ячейке 1. При достижении температуры на поверхности измерительной ячейки 41^оС напряжение с источника 7 опорных напряжений, поступающее на первый вход элемента 9 сравнения, и напряжение с выхода датчика 4 температуры, поступающее на второй вход элемента 9 сравнения, станут равными, на выходе элемента 9 сравнения формируется нулевой разностный сигнал, и нагрев измерительной ячейки 1 прекратится. При понижении температуры на поверхности ячейки 1 на выходе элемента 9 сравнения формируется разностный сигнал, который через усилитель 10 поступает на нагревательный элемент 5 и таким образом будет поддерживаться температура на поверхности измерительной ячейки 1 равной 41^оС. При достижении температуры 41^оС на поверхности измерительной ячейки 1 нулевой разностный сигнал с выхода элемента 9 сравнения через один из входов порта "ввод/вывод" 13 и шину данных поступает в АЛП 16 и воспринимается как сигнал достижения требуемой температуры на поверхности измерительной ячейки 1. АЛП 16 формирует и перезаписывает в регистр 14 адреса и регистр 15 управления соответствующие коды, по которым на одном из выходов портов "ввод/вывод" 13 формируется импульс, который поступает на один из входов автоциркуляционного блока 6, а именно на второй вход элемента И 22 (фиг. 3) для первоначального запуска автоциркуляционного блока 6. С выхода элемента И 22 сигнал поступает на одновибратор 23, где нормируется по длительности 100 нс, и поступает на усилитель 24 мощности, где усиливается по амплитуде до значения 30-50 В, и поступает на источник 2 ультразвука. В источнике 2 ультразвука электрический сигнал преобразуется в ультразвуковой сигнал, который, пройдя через пробу молока, в приемнике 3 ультразвука преобразуется вновь в электрический сигнал и поступает на первый вход автоциркуляционного блока, а именно на первый вход компаратора 19, на второй вход которого поступает напряжение с выхода регулируемого источника 21 опорного напряжения. При превышении амплитуды сигнала, поступающего с приемника 3 ультразвука, над значением уровня напряжения с выхода регулируемого источника 21 опорного напряжения на выходе компаратора 19 напряжения формируется импульс отрицательной полярности, который, пройдя через логический элемент И 22, одновибратор 23 и усилитель 24 мощности, преобразуется в источнике 2 ультразвука в ультразвуковой сигнал, который, пройдя через измерительную ячейку 1 в приемнике ультразвука преобразуется в электрический сигнал, который поступает на вход компаратора 19 напряжения и вновь сравнивается с уровнем напряжения с выхода регулируемого источника 21 опорного напряжения и т.д.

Установка уровня напряжения регулируемого источника 21 опорного напряжения осуществляется следующим образом. Первый импульс полезного сигнала с приемника 3 ультразвука преобразуется компаратором 19 в сигнал логической единицы, которым заряжается конденсатор Сl до напряжения

U_Cl= U_вых.-(U_VD n), где U_вых уровень логической единицы компаратора 19, значение, определяемое эмпирическим путем, >2,4 B<5 B;

U_VD падение напряжения на диоде, например, для кремневого диода, равное 0,7 В;

n количество диодов в группе.

Учитывая, что время заряда конденсатора Cl определяется последовательно соединенным сопротивлением, в данном случае выходным сопротивлением компаратора, имеющим малое сопротивление, заряд конденсатора Cl происходит по первому импульсу. Напряжением заряда конденсатора определяется значение напряжения на втором входе компаратора 19. При увеличении напряжения на втором входе компаратора (напряжение на конденсаторе Cl) более чем амплитуда первого импульса полезного сигнала на выходе компаратора 19 прекращается формирование двоичного цифрового сигнала логической единицы, осуществляется разряд конденсатора через резисторы R1 и R2, что приводит к снижению величины напряжения на втором входе компаратора 19 до значения менее величины первого импульса полезного сигнала, при этом на выходе компаратора 19 формируется сигнал логической единицы, и происходит последующий дозаряд конденсатора Cl и т.д. Таким образом, на выходе автоциркуляционного блока 6 формируется непрерывная последовательность импульсов, частота которых определяется скоростью распространения ультразвука в молоке. Одновременно АЛП 16 формирует и перезаписывает в регистр 14 адреса и регистр 15 управления следующие значения адреса и управления, по которым из ПЗЭ 18 поступает следующая команда, и начинается анализ приращения частоты.

Этап 4. Анализ приращения частоты F. Так как нагревательный элемент расположен на поверхности измерительной ячейки 1, выполненной из тонкостенного материала с хорошей теплопроводностью, нагрев и термостабилизация температуры измерительной ячейки 1 происходят по времени быстро. Нагрев и термостабилизация температуры пробы молока осуществляются несколько медленнее. Поэтому при стабилизации температуры на поверхности измерительной ячейки 1 температура пробы некоторое время изменяется, что приводит к изменению частоты следования импульсов с выхода автоциркуляционного блока 6.

Анализ приращения частоты осуществляется следующим образом. С выхода автоциркуляционного блока 6 импульсы через один из входов портов "ввод/вывод" 13 и шину данных поступают на АЛП 16, где происходит их обработка. В обработке участвуют АЛП 16, регистр 14, регистр 15 управления, ОЗЭ 17, ПЗЭ 18. Процесс обработки осуществляется по программе, записанной в ПЗЭ 18, следующим об разом.

1. Осуществляется подсчет числа импульсов за определенный интервал времени (например, 5-10 с). Код числа импульсов записывается в первую ячейку ОЗЭ.

2. Осуществляются повторный подсчет числа импульсов за такой же интервал и перезапись кода числа во вторую ячейку ОЗЭ.

3. В АЛП 16 осуществляется вычитание предыдущего числа импульсов из последующего, находящихся в соответствующих ячейках ОЗЭ 17. Код числа, соответствующий разности первого и второго числа, т.е. приращение частоты записывается в третью ячейку ОЗЭ 17.

4. В АЛП 16 осуществляется сравнение кода числа третьей ячейки ОЗЭ 17 с кодом числа определенной ячейки ПЗЭ 18, в которой записан код числа необходимого приращения.

5. Если приращение частоты не соответствует требуемому значению операции, то п.п. 1,2,3,4 повторяются.

Этап 5. Запись F₁. Если приращение частоты соответствует требуемому значению, то код числа, соответствующий последнему значению отсчета (значению частоты импульсов автоциркуляционного блока), перезаписывается в четвертую ячейку ОЗЭ 17, АЛП 16 формирует и перезаписывает в регистр 14 адреса и регистр 15 управления коды, по которым из ПЗЭ 18 поступает команда на выполнение следующего этапа алгоритма.

Этап 6. Включение нагревателя на режим Т₂. Работа устройства осуществляется аналогично этапу 2, но ключ 8 переключен во второе положение.

Этап 7. Нагрев пробы до значения 65^оС. Работа устройства осуществляется аналогично этапу 3, но ключ 8 находится во втором положении, и нагрев стабилизации температуры осуществляется до значения 65^оС.

Этап 8. Анализ приращения частоты F. Работа устройства осуществляется аналогично этапу 3.

Этап 9. Запись F₂. Работа осуществляется аналогично этапу 5, но перезапись кода числа (значение частоты импульсов автоциркуляционного блока) производится в пятую ячейку ОЗЭ 17.

Этап 10. Вычисление процентного содержания жира и СОМО. В работе участвуют блоки АЛП 16, РА 14, РУ 15, ОЗЭ 17. ПЗЭ 18. Процесс обработки осуществляется по программе, записанной в ПЗЭ 18. В расчетах используются значения F₁ и F₂, находящиеся в четвертой и пятой ячейках ОЗЭ 17, и коэффициенты К₁.К₆, значения которых записаны в соответствующих ячейках ПЗЭ 18. Результаты вычисления записываются в шестую и седьмую ячейки ОЗЭ 17.

Этап 11. Индикация АЛП 16 формирует и перезаписывает в регистр 14 адреса и регистр 15 управления коды, по которым результаты вычислений из шестой и седьмой ячеек ОЗЭ 17 через шину данных и один из портов "ввод/вывод" 13 поступают на индикатор1 2.

Этап 12. Стоп. В АЛП 16 формируется и перезаписывается в регистр управления код 1 числа, по которому прекращается работа устройства по программе.

Техническим преимуществом предлагаемого устройства по сравнению с прототипом является расширение диапазона измерения контролируемых параметров при сохранении устойчивой работы устройства. Это достигается за счет конкретного выполнения автоциркуляционного блока, обеспечивающего автоматическое регулирование порога срабатывания в необходимом диапазоне измерения массовой доли жира и сухого обезжиренного молочного остатка при устойчивой работе устройства, исключающей ложное срабатывание от сигнала, обусловленного многократным отражением от боковых и торцевых частей ячейки.