Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.
Контроль качество молочного производства напрямую зависит от автоматизации, в основе которой лежат различные сенсорные технологии. Информация о количественном содержании компонентов молока (жира, белков, лактозы, соматических клеток и др.) лежит в основе оценки качества молока, а также диагностики баланса питания и клинического состояния коров. Контроль состава молока в режиме реального времени особенно важен для оперативного реагирования на отклонения параметров физиологического состояния животных и своевременной корректировки рационов при снижении удоев. Очевидно, что эффективность молочного производства можно значительно повысить за счет использования недорогих и компактных приборов для встроенного анализа состава молока в процессе доения. Ввиду рекомендации использовать контрольные устройства, не приводящие к значительному падению давления в молочном шланге, при разработке датчиков качества молока для оборудования молочных ферм в первую очередь перспективны оптические методы диагностики, так как они методы позволяют проводить бесконтактную и неразрушающую диагностику с высокой чувствительностью и скоростью [1–3].
В нашей работе предлагается прототип датчика для определения содержания жира в потоке молока, исполненный в виде цилиндрической геометрии, совместимой с молокопроводами. Датчик основан на измерении углового распределения света, рассеянного молоком, протекающим внутри оптически прозрачной цилиндрической стеклянной трубки, с помощью лазерного диода, работающего на видимой длине волны, вместе с аксиальной фотодиодной матрицей. Наряду с измерением содержания основных компонентов молока актуальной задачей является также выявление крупномасштабных примесей, таких как, например, соматические клетки. Эксперименты показывают, что, начиная с определенного уровня концентрации, наличие в молоке крупных примесей приводит к относительному изменению интенсивности прямого рассеяния по сравнению с чистым молоком. Таким образом, такой тип скаттерометрического датчика также способен указывать на концентрацию крупных примесей выше определённого уровня.
Нами была собрана экспериментальная установка в соответствии с оптической схемой, представленной на рис. 1, которая представляет собой лазерный скаттерометр, измеряющий жирность молока. Излучение лазерного диода с длиной волны 532 нм диффузно рассеивается в молоке, протекающем через прозрачную цилиндрическую кварцевую трубку (внешний диаметр 15 мм, толщина стенки 1 мм). Концы трубки оканчиваются штуцерами для подсоединения молочных шлангов. Угловое распределение интенсивности рассеянного света регистрируется набором из восьми фотодиодов, расположенных по окружности с угловым шагом 18°. Радиус этой окружности выбран таким, чтобы он соответствовал фокусу воображаемой цилиндрической линзы, в которую превратилась бы трубка при заполнении водой. Фотодиоды разделены промежутками на три группы, охватывающие угловые диапазоны прямого рассеяния (0°, 18°, 36°), бокового рассеяния (72°, 90°, 108°) и обратного рассеяния (144°, 162°). Перед попаданием на фотодиоды поле рассеянного света ограничивается прямоугольными диафрагмами шириной 1 мм, выполненными в пластиковом кольце.
Рис. 1. Оптическая схема лазерного рефлектометрического датчика: лазерный диод с длиной волны 532 нм, цилиндрическая трубка диаметром 15 мм, заполненная проточным молоком, аксиальная фотодиодная матрица, кольцо с прямоугольными диафрагмами
Нами были зарегистрированы показания фотодиодов для образцов молока с номинальным процентным содержанием жира 0,05; 0,5; 1,5; 3,2; 6 и 10% при нормальных условиях (температура 20°С). Вычислив медианы фототока, мы фактически получили значения интенсивности рассеянного света при соответствующих углах, где фотодиоды расположены так, как показано на рис. 1. Таким образом, датчик измеряет угловое распределение рассеянного света, которое называется индикатрисой рассеяния. Вначале индикатриса рассеяния для проб молока измерялась в статическом случае, т. е. при нулевой скорости потока в пробирке (рис. 2). Молоко, заполняющее трубку диаметром ~1 см, является многократно рассеивающей средой, так как его оптическая толщина, оцениваемая по данным о коэффициентах рассеяния и поглощения молока в видимом диапазоне [4], превышает 10, а это означает, что выполняется условие преобладания многократного рассеяния [5, 6]. Как следствие, индикатрисы рассеяния, показанные на рис. 2, имеют типичный для многократно рассеивающей среды вид, а именно их значения возрастают от углов прямого рассеяния к углам обратного рассеяния, что согласуется с результатами теоретического моделирования для многократно рассеивающие среды [7].
График (рисунок 2) демонстрирует монотонную зависимость интенсивности рассеяния I от содержания жира при каждом угле рассеяния θ. Также видно, что интенсивности рассеяния при углах обратного рассеяния 144° и 162° практически одинаковы для всех процентных долей жира в измеренных образцах молока.
Наши экспериментальные испытания показали, что использовать имеющиеся в схеме датчика (рис. 1) углы прямого рассеяния θi = {0°, 18°, 36°} для измерения содержания жира нецелесообразно в связи с тем, что на интенсивность рассеяния под этими углами большее влияние оказывают крупные примесные частицы (этот эффект описан далее). Таким образом, измерения содержания жира более стабильны при углах бокового рассеяния θi = {72°, 90°, 108°}.
Далее мы протестировали поведение индикатрисы рассеяния молока с крупномасштабными примесями. С этой целью сравнивались измерения, сделанные для чистого молока жирностью 1,5 % и того же молока, куда были добавлены соматические клетки с конечной концентрацией 106 см–3 (рис. 3).
Отметим, что добавление соматических клеток мало влияет на соотношение интенсивностей бокового и обратного рассеяния на углах (72°, 90°, 108°). Это важный результат, который означает, что измерения содержания жира под этими углами не нарушаются присутствием соматических клеток.
Соотношения интенсивностей при углах прямого рассеяния θi = {0°,18°,36°} могут служить индикаторами наличия в молоке крупных частиц.
Результаты наших экспериментов показали, что, используя измерения светорассеяния в цилиндрической геометрии, можно разработать компактный и быстродействующий датчик процентного содержания молочного жира и уровня концентрации крупномасштабных примесей. Предлагаемый прототип датчика на основе лазерного диода с длиной волны 532 нм и кремниевых фотодиодов имеет относительно небольшие габариты и вес, что позволяет интегрировать его в различные доильные системы. Кроме того, измерение параметров состава молока в режиме реального времени также позволяет молочной промышленности сократить временные и финансовые затраты на подготовку молока. Мы ожидаем, что этот тип датчиков станет оптимальным решением для измерения содержания жира и концентрации крупномасштабных примесей в молоке.
