Автоматизированная система определения жирности молока

Automated system of determination of fat content of milk.

Grigory Volkov

student of the magistracy, physics and mathematics faculty, Mari State University, Russia, Yoshkar-Ola

Ksenia Nazarova

student of the magistracy, physics and mathematics faculty, Mari State University, Russia, Yoshkar-Ola

Vladimir Izikov

doctor of Technical Sciences, Professor, Volga State Technical University, Russia, Yoshkar-Ola

Аннотация. В данной статье рассматривается разработка автома­тизированной системы определения жирности молока во время доения оптическим методом. Суть этого способа заключается в том, чтобы измерять емкости конденсаторов без вмешательства человека. Управ­ляющее устройство данной системы реализовано на плате Arduino UNO, соединенной со специальной емкостью из органического стекла. Также в статье представлен анализ аналогов разрабатываемого устройства.

Abstract: In this article development of the automated system of determination of fat content of milk is considered during milking by an optical technique. The essence of this way is in measuring capacities of condensers without intervention of the person. The actuation device of this system is realized on a plateau of Arduino UNO connected to express capacity from organic glass. Also the analysis of analogs of the developed device is presented in article.

Ключевые слова: автоматизированная система; жирность молока; оптический метод; управляющее устройство; плата; емкость из оргстекла.

Keywords: automated system; milk fat content; optical technique; the actuation device; plateau; capacity from Plexiglas.

В настоящее время остро стоит вопрос об автоматизации работы животноводческих ферм. Большинство систем, представленных на рынке, являются импортными, а отечественные аналоги стоят дорого. Поэтому актуальным становится вопрос создания более дешевого и простого в эксплуатации аналога отечественного производства. Необходимо использовать простые и доступные элементы системы, которые в случае поломки могут быть заменены без ущерба для всей системы и бюджета предприятия.

В данной статье будет рассмотрена разработка автоматической системы определения жирности молока во время доения. Определение жирности молока должно соответствовать определенным требованиям. Они изложены в ГОСТе 5867-92 «Молоко и молочные продукты. Методы определения жира». В нем упоминаются два основным метода, которые определяют массовую долю жира в молоке, - это кислотный и оптический. Кислотный метод представляют собой полностью химический способ определения жирности, из-за чего в данном проекте его невозможно использовать. Так как необходимо минимизировать контакт человека с аппаратом, рассмотрим, какие требования предъявляются для оптического метода в ГОСТе. Отчет показаний необходимо производить по шкале или цифровому индикатору с дискретизацией отчетов не более 0,01 % массовой доли жира. Допустимое значение СКО случайной составляющей погрешности метода при измерении одной и той же пробы - 0,02 % по результатам однократных измерений. Систематическая составляющая погрешности прибора должна быть не более 0,10 %, а СКО случайной состав­ляющей погрешности прибора не более 0,05 %. Помимо этого, еще к требованиям разрабатываемого устройства относится создание прибора для автомати­ческого измерения ёмкости конденсаторов без вмешательства человека и возможностью передачи данных на персональный компьютер. Если собрать и использовать измеритель с диапазоном от 5 пФ и разрешение 1 пФ, тогда можно будет применять конденсаторную ячейку для измерения жирности молока небольшого размера и гарантировать необходимую точность измерения. На рисунке 1 подробно представлена схема устройства.

Рисунок 1. Структурная схема

Для создания устройства необходима плата Arduino UNO с измерителем разрешения 1 пФ. Измеряющий конденсатор подключается напрямую к плате. В интернете в свободном доступе находится простейший способ измерения емкостей конденсаторов. Остаётся только сделать соответствующий скетч из имеющейся в свободном доступе программы и измерительный прибор готов. В итоге себестоимость управляющего устройства не будет превышать 900 рублей, которое представлено на рисунке 2.

Рисунок 2. Управляющее устройство на плате Arduino UNO

Данное управляющее устройство необходимо поместить в корпус, который можно изготовить из органического стекла толщиной 3 мм, чтобы рабочее вакуумметрическое давление менее 0,5 атмосфер. Данный материал применяется в остеклении транспорта и медицинского оборудования, так как он имеет устойчивость к действию влаги, микроорганизмов, бактерий. Также необходимо изготовить акриловый аквариум из оргстекла, так как данная емкость не имеет клеевого шва и после склеивания и обжига представляет собой единую монолитную конструкцию. В итоге общая диалектическая проницаемость состав­ляет 3,3-4. Также вся эта емкость устанавливается на пластины из стали AISI 304 толщиной 0,8 мм. В большинстве случаев, в пищевой промышленности используется марки стали AISI 304 и AISI 316, покрытые лаком ЭП-547 консервной марки А. Данный лак входит в перечень материалов, разрешенных организацией здравоохранения для использования в пищевой промышленности. В конечном итоге данной устройство будет стоить в разы дешевле, чем уже имеющиеся аппараты и комплекты на рынке.

Рассмотрим основные аналоги приборов для определения жирности молока. Есть несколько разновидностей прибора Лактан 1-4, которые отличаются своими моделями и функциями. Первый аппарат - это ультра­звуковой анализатор молока Ланктан 1-4 исполнение 500 СТАНДАРТ. В его функционал входит определение жира, белка, плотности молока, сухого обезжиренного молочного остатка (СОМО) и количества добавленной воды. Время измерения составляет 140 секунд. Также данный прибор имеет автоматическую промывку. Аппарат в своей конструкции может быть подключён к компьютеру по средству USB и имеет необходимое программное обеспечение. Присутствует выход на принтер. Диапазон работы находится в пределах от 12В до 220В. Стоимость данного прибора составляет 35 100 рублей.

Следующим аналогом является ультразвуковой анализатор молока Ланктан 1-4 исполнение 500 ПРОФИ. Этот прибор может измерять количество жира, белка, плотность молока, добавленной воды, СОМО и имеет точку замерзания. Время работы такого аппарата составляет всего 90 секунд, что на 50 секунд быстрее, чем у предыдущей модели. Здесь присутствует полностью автоматизированная система промывки. Также данное устройство имеет подключение к компьютеру, программное обеспечение и выход на принтер. Использование данного аппарата не требует подготовки у сотрудника фермы. Работает прибор от 12В до 220В. Его цена на рынке составляет 41 110 рублей.