Надвисокочастотний вимірювач жирності молока

МІЖ6 G01N33/06 G01N22/00 Надвисокочастотний вимірювач жирності молока Винахід відноситься до області аналізу складу матеріалів за допомогою надвисокочастотного (НВЧ) випромінювання і може бути використаний для виміру жирності молока в закритому молокопроводі на молокозаводах і молочних фермах. Діелектричні властивості молока визначаються співвідношенням молочного жира і води (сиворотки). По мірі збільшення кількості жира в молоці від 0.1% (обрат) до 12% діелектрична проникність молока знижується від 70 до 55 одиниць. На кордоні розділу повітря - молоко НВЧ випромінювання зазнає відбивання із-за відмінності діелектричних проникностей повітря і молока. При цьому найбільше значення коефіцієнта відбивання спостерігається від обезжиреного молока, а коефіцієнт стоячої хвилі по напрузі (КСХН) досягає 70 - 75. При підвищенні жирності молока до 10... 12% змінюється і коефіцієнт відбивання, зменшуючись із збільшенням жирності молока. Відповідно цьому КСХН знижується до 50-55. Відомий надвисокочастотний вимірювач жирності молока (см Моик И. Б., Рогов Н. А., Горбунов А. В. Термо- и влагометрия пищевых продуктов : Справочник.- М.: Агропромиздат, 1988,- с. 266), що містить послідовно з'єднані НВЧ генератор, регульований НВЧ атенюатор, два направлених відгалужувача і вимірювальну клітинку, виконану у вигляді хвильоводного трійника, одне з плечей якого, відділене тефлоновою пробкою, використовується в якості короткозамкнутої частини хвильоводного тракта, а через два інших перекочуєтся молочний продукт, що досліджується. Вихід одного направленого відгалужувача через регульований НВЧ атенюатор і перший НВЧ детектор підключений до одного з входів блоку порівняння, вихід другого направленого відгалужувача через другий НВЧ детектор з'єднаний з другим входом блоку порівняння, вихід якого через підсилювач підключений до вимірювального приладу. До недоліків відомого пристрою слід віднести значний вплив на результат виміру зміни характеристик НВЧ детекторів, що веде до виникнення сутґєвих похибок. Крім того, використання двох регульованих НВЧ атенюаторів значно ускладнює процес виміру, а їх невірне регулювання також може призвести до виникнення значних похибок. Відомий також надвисокочастотний вимірювач жирності молока (А.с. СССР № 367383, МКИ G01N33/06, G01N23/12,) що містить послідовно з'єднані блок живлення, НВЧ генератор 2 і регульований НВЧ атенюатор, подвійний хвильоводний міст, до одного виходу якого підключений НВЧ детектор, до іншого виходу - погоджене навантаження, приймальнопередаюча антена і реєструючий прилад. Крім того він містить механізм переміщення антени, що включає двигун з редуктором, з'єднаний через кривошипно-шатунний механізм з рухомим відрізком хвильоводу, що спільно з антеною вчиняє зворотно-поступове переміщення. В результаті коливальних рухів антени по відношенню до молокоп роводу на реєструючий прилад після детектування надходить модульована з частотою вагань антени напруга, глибина модуляції якої зворотнопропорційна жирності молока. Недоліком відомого пристрою є його низька надійність через наявність механічних вузлів. Крім того, його показання зростають по мірі зменшення жирності молока, що вносить незручність при контролі і ускладнює можливість використання відомого пристрою в системі автоматичного регулювання. Нестабільність НВЧ потужності, що генерується, і непостійність параметрів НВЧ детектора також впливають на показання реєструючого приладу, що знижує точність виміру жирності молока. В основу винаходу покладена задача створення такого вимірювача жирності молока, в якому за рахунок введення нових елементів і зв'язків забезпечувалася б можливість отримання пропорційної залежності між напругою, що вимірюється, і жирністю молока, завдяки чому підвищилася б точність і надійність безконтактної експресної реєстрації жирності молока. Поставлена задача вирішується тим, що в відомий надвисокочастотний вимірювач жирності молока, що містить послідовно з'єднані блок живлення, НВЧ генератор і регульований НВЧ атенюатор, подвійний хвильоводний міст, до одного виходу якого підключений НВЧ детектор, до іншого виходу - погоджене навантаження, приймальнопередаюча антена і реєструючий прилад, згідно винаходу введеш генератор низької частоти, послідовно з'єднані диференціальний підсилювач і інтегратор, дільник напруги, додатковий регульований НВЧ атенюатор, фільтр нижніх частот, послідовно з'єднані фільтр верхніх частот, підсилювач низької частоти і фазочутливий випрямляч, послідовно з'єднані перший направлений відгалужувач, НВЧ ключ і другий направлений відгалужувач, при цьому вхід першого направленого відгалужувача з'єднаний з виходом регульованого НВЧ атенюатора, керуючий вхід якого з'єднаний з виходом інтегратора, вихід другого направленого відгалужувача з'єднаний з входом-виходом приймально-передаючої антени, другий вихід першого направленого відгалужувача з'єднаний через додатковий регульований НВЧ атенюатор з одним входом подвійного хвильоводного мосту, другий вхід якого з'єднаний з другим виходом другого направленого відгалужувача, вихід НВЧ детектора з'єднаний з входом фільтру верхніх частот і входом фільтру нижніх частот, вихід якого з'єднаний з одним з входом диференціального підсилювача, інший вхід якого через дільник напруги підключений до блоку живлення, а генератор низької частоти з'єднаний з керуючим входом НВЧ ключа і керуючим входом фазочутливого випрямляча, до виходу якого підключений реєструючий прилад. Саме введення двох направлених відгалужувачів з включеним між ними НВЧ ключем, що управляється напругою низької частоти, поєднання виходів направлених відгалужувачів з входами подвійного хвильоводного мосту, автоматичне регулювання коефіцієнта передачі НВЧ атенюатора через диференціальний підсилювач, на один вхід якого надходить частина напруги від блоку живлення, а на інший вхід - постійна складова лродетектованих НВЧ коливань, підсилення змінної складової вихідної напруги НВЧ детектора підсилювачем низької частоти і наступне фазочутливе випрямлення, розподіл постійної і змінної складових продетектованої напруги фільтрами нижніх і верхніх частот забезпечили отримання вихідної напруги, пропорційної жирності молока і її незалежність від рівня НВЧ потужності, що генерується і нестабільності параметрів елементів вимірювальної схеми, завдяки чому підвищується точність і надійність безконтактної експресної реєстрації жирності молока. На кресленні показана функціональна схема надвисокочастотного вимірювача жирності молока. Вимірювач містить блок живлення 1, до якого підключені послідовно з'єднані НВЧ генератор 2, регульований НВЧ атенюатор 3, направлений відгалужувач 4, НВЧ ключ 5, направлений відгалужувач 6 і приймально-передаюча антена 7, яка опромінює молокопровід 8. До виходів подвійного хвильоводного мосту 9 підключено погоджене навантаження 10 і НВЧ детектор 11. Генератор 12 низької частоти з'єднаний з керуючим входом НВЧ ключа 5. Один вхід подвійного хвильоводного мосту 9 з'єднаний з виходом направленого відгалужувача 6, інший вхід через НВЧ атенюатор 13 з'єднаний з виходом направленого відгалужувача 4. До виходу НВЧ детектора 11 через фільтр 14 низьких частот підключений одним входом диференціальний підсилювач 15, інший вхід якого через дільник напруги 16 підключений до блоку живлення 1, а вихід через інтегратор 17 підключений до керуючого входу регульованого НВЧ атенюатора 3. До виходу НВЧ детектора 11 підключені також послідовно з'єднані фільтр 18 верхніх частот, підсилювач 19 низьких частот, фазочутливий випрямляч 20, регульований генератор 12 і реєструючий прилад 21. Надвисокочастотний вимірювач жирності молока працює таким чином. НВЧ коливання від генератора 2 через послідовно з'єднані регульований НВЧ атенюатор 3, направлений відгалужувач 4, відкритий НВЧ ключ S і направлений відгалужувач 6 надходять на приймально-передаючу антену 7. НВЧ коливання, що випромінюються по 4 нормалі до поверхні молокоп роводе 8 частково поглинаються молоком, а частково відбиваються від кордону розділу повітря-молоко. Відбиті НВЧ коливання приймаються антеною 7 і через направлений відгалужувач 6 надходять на один з входів подвійного хвильоводного мосту 9. Частина коливань поглинается в погодженому навантаженні 10, а частина надходить на НВЧ детектор 11. Вихідну напругу детектора 11 можна уявити в вигляді де: Ро - НВЧ потужність генератора 2; р0 - коефіцієнт відбивання від обезжиреного молока; Ар - зміна коефіцієнта відбивання, пропорційна кількості жира в молоці; К3 - коефіцієнт передачі регульованого атенюатора 3; К6 - коефіцієнт передачі направленого відгалужувала 6; К9 - коефіцієнт передачі подвійного хвильоводного мосту 9; Sn - чутливість НВЧ детектора 11. Роботою НВЧ ключа 5, виконаного, наприклад, на р- і-п - діоді, керує прямокутна напруга генератора 12 низької частоти. Позитивні і негативні імпульси змінної напруги генератора 12 відкривають або закривають р-і-п - діод НВЧ ключа 5, Якщо діод відкритий, то НВЧ коливання минають приймально-передаючу антену 7. Якщо діод закритий, то НВЧ коливання повністю відбиваються від нього і через направлений відгалужувач 4 надходять на регульований НВЧ атенюатор 13 і далі влучають на інший вхід подвійного хвильоводного мосту 9. Вихідна напруга НВЧ детектора 11 при цьому приймає значення U 2 ~ SnK9Kt3K4K3P0, де: Кп - коефіцієнт передачі регульованого НВЧ атенюатора 13; К4 - коефіцієнт передачі направленого відгалужувача 4. При періодичному відкритті і закритті ключа 5 з низькою частотою на виході НВЧ детектора 11 формується послідовність видеоімпульсів з амплітудами Uj і U2 . Постійна складова послідовності видеоімпульсів виділяється фільтром 14 нижніх частот і надходить на один з входів диференц іального підсилювача 15. На інший вхід диференціального підсилювача надходить частина напруги від блоку живлення 1 через дільник напруги 16. Вихідна напруга диференціального підсилювача 5 15 заряджає інтегратор 17, вихідна напруга якого регулює коефіцієнт передачі Къ НВЧ атенюатора 3. Процес автоматичного регулювання коефіцієнта передачі Кг продовжується до тих пір, доки напруги на входах диференціального підсилювача не зрівняются. В режимі, то встановився де: С/о - постійна напруга на виході дільника напруги 16; К14 - коефіцієнт передачі фільтру 14 нижніх частот. З отриманої рівності слідує, що коефіц ієнт передачі НВЧ атенюатора З приймає значення V t -Ap)-KJ Змінна складова послідовності відеоімпульсів виділяється фільтром 18 верхніх частот. Ця напруга посилюється підсилювачем 19 низької частоти і випрямляється фазочутливим випрямлячем 20, що управляється від генератора 12 низької частоти Ub = Kl9 Kl9U4 , де: КІВ - коефіцієнт передачі фільтру 18 нижніх частот; Кі9 - коефіцієнт підсилення підсилювача 19 низької частоти. Змінна складова U4 з урахуванням значення коефіцієнта передачі НВЧ аттенюатора З, що встановився, приймає вигляд U = 2S u 2S 4 В схемі вимірювача жирності використовуються однотипові направлені відгалужувачі відбитих коливань 4 і 6. Тому можна вважати, що КА = К6 > Коефіцієнт передачі НВЧ аттенюатора 13 встановлюється в процесі калібровки по обезжиреному молоку і відсутності змінної складової (U4 = 0). Цьому відповідає співвідношення К1Ъ = fa. З урахуванням останнього напруга, що вимірюється к 2 Ро - Ар А14 Якщо вибрати фільтри 14 і 18 з однаковими коефіцієнтами передачі (К н врахувати, що при жирності молока до 10... 12% Ар « pot то Таким чином, вихідна напруга U5i що реєструється приладом 21, пропорційна відносній зміні коефіцієнта відбивання Ар НВЧ вагань від молокопровода. При цьому напруга, що реєструється, не залежить від рівня НВЧ потужності, що генерується (Ро \ чутливості НВЧ детектора (Su ) і параметрів вимірювальної схеми (К$,К4 ,К6 ,К9 ), Вплив товщини стінок молокопровода на р0 враховується при калібровці вимірювача відповідною зміною коефіцієнта передачі НВЧ атенюатора 13. Результат виміру визначається не абсолютною зміною коефіцієнта відбивання р, а його відносним значенням Ар/ р0 , тому значно знижений вплив змін температури і інших чинників, що впливають на результати виміру. Жирність молока оцінюється через відношення кількості молочного жира до об'ємної кількості молока і являє собою відносну величину. Тому і відносна зміна коефіцієнта відбивання Ар/ р() зв'язана лінійною залежністю з жирністю молока, як відносною величиною. При цьому нульове показання реєструючого приладу відповідає нульовій жирності молока. Експериментальні дослідження, проведені з молоком різної жирності (0.1...12 %), довжині вільного НВЧ випромінювання 3 см і частоті переключення 1 кГц, на трьох межах виміру показали наступне. Лінійна залежність має місце на межі виміру від 0.1 до 3% при абсолютнії похибці виміру не більш 0.05%. На межі виміру З...6% похибка стає декілька більшою, але не перевищує 0.1 %. На межі виміру 6... 12% виявляється методична похибка від впливу Ар на р0 в знаменникові вираження для напруги U$ і похибка збільшується до 0.2%. Зміна межі виміру в розглядуваному надвисокочастотному вимірювачі жирності здійснюється зміною коефіцієнта підсилення Кі% підсилювача 18 низької частоти без зміни інших елементів схеми.______________________ . — —_ — — —— — — — — Надвисокочастотний вимірювач жирності молока Автори: Скрипник Ю.О. Шевченко К. Л. Осадчий В.П.