Способ определения содержания жира, белка и лактозы в молочных продуктах

 

Использование: изобретение относится к контрольно-измерительной технике в молочной промышленности и может быть использовано при создании автоматизированных измерителей процентного содержания жира, и лактозы в молоке, сливках и других молочных продуктах. Существо, изобретения: способ заключается в предварительном определении функциональной зависимости модуля и фазы коэффициента передачи электромагнитного сигнала через в кювету, выполненную в виде отрезка высокоомной линии передачи, включенного в измерительный тракт прибора, обеспечивающего измерение модуля AI и фазы на частоте 100-400 МГц, модуля Аа и фазы на частоте 1-1,5 ГГц, от процентного состава молочного продукта, проведении калибровочных измерений величины AI и Аа при заполнении кюветы дистиллированной водой , выборе значений частот и из условия, чтобы фаза коэффициента передачи кюветы , заполненной водой на этих частотах была кратна 180°, измерении величин AI и А2 на тех же частотах при заполнении кюветы молочным продуктом и определении процентного содержания жира, белка и лактозы в измеряемом продукте путем решения сис-| темы уравнений. Устройство, реализующее способ, содержит прибор 1, к выходу кото-i рого подключен измерительный тройник 2, выход опорного сигнала которого через аттенюатор 3 подсоединен ко входу опорного сигнала прибора 1, а выход измерительного сигнала через последовательно соединенные измеряемый объект 4 и согласующий аттенюатор 5 подключен ко входу измерительного сигнала прибора 1, вход управления которого через интерфейс 6 подключен к управляющевычислительной ЭВМ 7. 1 з.п. ф-лы, f ил, (Л С X Ю XJ х| S

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (s1)s G 01 N ЗЗ/02

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕНТУ (21) 4815038/13 (22) 16,04,90 (46) 23.02.93. Бюл. N 7 (71) Каунасский научно-исследовательский институт радиоизмерительной техники (72) И.И.Чупров и А.-Л.П.Мицкус (73) И.И.Чупров и А-Л,П.Мицкус (56) Авторское свидетельство СССР № 1441308, G 01 N 33/06, 1986.

Авторское свидетельство СССР

¹ 1385050, G 01 N 27/22, 1985.

Automated Festing of Milk — !,Dairy Sci, 1981, ¹6,,р. 1087, (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ ЖИРА, БЕЛКА И ЛАКТОЗЫ В МОЛОЧНЫХ ПРОДУКТАХ (57) Использование; изобретение относится к контрольно-измерительной технике в молочной промышленности и может быть использовано при создании автоматизированных измерителей процентного содержания жира, белКа и лактозы в молоке, сливках и других молочных продуктах, Существо изобретения: способ заключается в предварительном определении функциональной зависимости модуля и фазы коэффициента передачи электромагнитного сигнала через в кювету, выполненную в виде отрезка вы„„Д „„1797708 АЗ сокоомной линии передачи, включенного в измерительный тракт прибора, обеспечивающего измерение модуля А1 и фазы на частоте 100 — 400 МГц, модуля А2 и фазы на частоте = 1-1,5 ГГц, от процентного состава молочного продукта, проведении калибровочных измерений величины А1 и Az npu заполнении кюветы дистиллированной водой, выборе значений частот и из условия, чтобы фаза коэффициента передачи кюветы, заполненной водой на этих частотах была кратна 1800, измерении величин А1 и А2 на тех же частотах при заполнении кюветы молочным продуктом и определении процентного содержания жира. белка и лактозы в измеряемом продукте путем решения сис- темы уравнений, Устройство, реализующее З способ, содержит прибор 1, к выходу кото-1

1 рого подключен измерительный тройник 2, выход опорного сигнала которого через аттенюатор 3 подсоединен ко входу опорного сигнала прибора 1, а выход измерительного сигнала через последовательно соединенные измеряемый объект 4 и согласующий аттенюатор 5 подключен ко входу измерительного сигнала прибора 1, вход управления которого через интерфейс 6 подключен к управляюще- вычислительной 3ВМ 7, 1.. з.п, ф-лы, 1 ил.

1797708

Изобретение относится к контрольноизмерительной технике в молочной промышленности и может быть использовано при создании автоматизированных измерителей процентного содержания жира, белка и лактозы в молоке, сливках и других молочных продуктах.

Известны различные способы определения содержания жира, белка и лактозы в молочных продуктах от способов, реализованных в кислотном (ГОСТ 5867 — 69) и гравиметрическом (ГОСТ 22760 — 77) методах определения содержания жира, и реализованных в методе Къельдаля (ГОСТ 23327 — 78) и колориметрическом методе (ГОСТ 25179—

82) определения белка до способов, основанных на измерении ослабления инфракрасных и световых излучений в молочном продукте, Однако известные способы имеют существенные недостатки с точки зрения создания надежных высокопроизводительных и экологически чистых измерителей молока и молочных продуктов, без которых невозможно успешное решение проблемы контроля качества продуктов, в молочной промышленности.

В частности, известен способ определения содержания жира и белка в молоке, предусматривающий разведение пробы молока раствором CaClz, гомогенизацию и облучение ее световым потоком. Основным недо. статком данного способа является использование раствора СаС4, Если учесть, что в стране ежедневно необходимо проводить порядка 1 млн, измерений молочных продуктов, то внедрение данного способа может создать еще один источник отравления экологической среды. Кроме того, способ не обеспечивает определения содержания лактозы.

Известен (4) способ определения состава и кислотности молока путем замера его электропроводности и диэлектрической проницаемости: Однако известно то, что. электропроводность воды, а значит и молока, сильно зависит от примесей солей и питьевой соды, часто добавляемых в молоко, чтобы предотвратить его описание.

Поэтомуданный способ может быть использован для измерений только молока, заведомо чистого от примесей, что делает его малоперспективным для массового использования.

Наиболее близким к предложенному по технической сущности является способ определения содержания жира, белка и лактозы в молочных продуктах, предусматривающий голюгениэацию молочного продукта, измерение частотной зависимости ослабления (модуля коэффициента передачи) электромагнитного сигнала, пропускаемого через кювету, заполненную голюгенизированным молочным продуктом, включающий предварительно определение

5 функций зависимости модуля коэффициента передачи от частоты используемого электромагнитного сигнала и процентного состава молочного продукта и определение процентного содержания жира (х), белка (у)

"0 илактозы() в молочном продукте по результатам измерений модуля коэффициента передачи на нескольких частотах. Сущность данного способа заключается в том, что измерение зависимости модуля передачи А от

15 частоты в. осуществляется в области инфракрасного излучения (длины волн электромагнитного сигнала около 3 — 6 мкм), в которой находятся частоты релаксационных поглощений электромагнитного сигнала жиром, белком и лактозой. С целью исключения влияния потерь, вносимых водой, содержащейся в молочном продукте, измерение величины А задаваемой функцией

А = F(x,у,z, (с)) (1) производят на четырех частотах в, на одной из которых (в =в ) величина А = А1 не зависят от х,у,z, на другой (в = вр) величина . А = Az зависит только от Х, на третьей

ЗО (в = вз) величина А =- Аз зависит только от у и на четвертой (в = в4) величина А = А4 завйсит только от z. Явный вид функции (1) определяют в результате предварительных измерений величин A1 — А4 для молочных продуктов с известными значениями х, у и z.

Иначе говоря в. результате предварительных измерений составляют систему 4=х уравнений вида

Ai = F (й,х.у,z) при i = 1,2,3,4, (2)

40 определяющую характер зависимости модуля коэффициента передачи А от частоты в и величины х,у,z. Следует однако отметить, что в области инфракрасного излучения величины А .(в 2) зависят не только от x,у,z, но и от размеров жировых шариков в молочном продукте (2). Поэтому обязательной операцией данного способа является голюгенизация измеряемого продукта. Таким образом, известный способ (5) включает следующую последовательность операций:

1. Предварительное определение функций зависимости модуля коэффициента передачи от частоты электромагнитного сигнала и процентного состава молочного продукта с известными значениями x,у,z. в области инфракрасного излучения в соответствии с аыражением (2).

2. Голюгейизацию молочного продукта, 1797708

3. Измерение значений модуля коэффициента передачи электромагнитного сигнала Ai на частотах п при 1 = 1,2,3,4.

4. Определение содержания жира, белка и лактозы в молочном продукте путем 5 решения системы уравнений (2) относительно х,у и z по результатам измерений Аь

Недостаток известного способа (5) заключается в том, что пределы измерения его ограничены процентным содержанием жи- 10 ра и лактоэы на более 10-157;, в то время как в случае измерения сливок и сгущенного молока требуется измерять процентное содержание жира и лактозы (сахарозы) не менее 30-40 . К недостаткам способа следует 15 также отнести технические и технологические сложности реализации его. Указанные недостатки обусловлены использованием электромагнитного сигнала инфракрасной области излучения, где очень сложно со- 2 адать источник сигнала .частот сй в (2) и приемник с большими пределами измеряемых ослаблений. Сравнимость длины волны инфракрасного излучения с размерами жировых шариков в молочных продуктах тре- 2 бует использования при реализации способа технически сложного и дорогого гомогенизатора молочных продуктов.

Целью изобретения является расширение пределов измерения процентного со- 3 держания жира и лактозы в молочных продуктах с одновременным упрощением технической реализации способа.

Поставленная цель достигается за счет того, что в известном способе определения содержания жира, белка и лактозы в молочных продуктах, предусматривающем измерение частотной зависимости модуля коэффициента передачи электромагнитного сигнала, пропускаемого через кювету, за- 4 полненную молочным продуктом, и включающем предварительное определение функций зависимости модуля коэффициента передачи от частоты электромагнитного сигнала и процентного состава 4 молочного продукта, кювету выполняют в виде отрезка высокоомной линии передачи, включенного в измерительный тракт прибора, обеспечивающего измерение модуля А1 и фазы у1 коэффициента передачи на час- 5 тате f = 100-400 МГц, модуля А2 и фазы щ коэффициента передачи на частоте f2 = 11,5 ГГц проводят калибровочные измерения величин А1о, р1о, А2о и р2о при кювете, заполненной дистиллированной водой, при 5 этом значения частот f1 и f2 выбирают из условия, чтобы фазы р1р и pzp на этих часh t х 4-пг у+пз

1 + К1Ч х + К2, у + Кз (3) П112 X + ГП22 g + П132 1

1 +p12х+p22у+p327 (4) где Aoq и Ая — модули коэффициента передачи отрезка линии, выраженные в децибелах, при заполнении его дистиллированной водой и молочным продуктом, соответственно, ро и rpq — фазы коэффициента передачи при заполнении отрезка дистиллированной водой и молочным продуктом на частоте fq прис1=1.2;

niq, K1q и mt2 — пРедваРительно опРеделенные константы зависимости величин Bq и С2 от процентного состава молочного ïðîдукта.

Сопоставительный анализ заявленного способа и прототипа показывает, что заяв5 ленный способ отличается от известного следующим: — использованием электромагнитного сигнала длинноволновой части диапазона

СВ4 (область частот от 100 до 1500 МГц) вместо сигнала инфракрасной области излучения; — выполнением кюветы в виде отрезка высокоомной (волновое сопротивление отрезка линии около 150 Ом) линии передачи, включенного в измерительный тракт прибора, обеспечивающего измерение не только модуля А, ио и фаэы р коэффициента передачи электромагнитного сигнала, пропускаемого через кювету, заполненную молочным продуктом; — для учета влияния потерь и фазовых сдвигов, вносимых водой, содержащейся в молочном продукте. проводятся калибровочные измерения модуля S4q и фазы

5 poq отрезка линии передачи при заполнении ее дистиллированной водой; — c целью уменьшения погрешностей

Рассогласования при измерении Aoq u

+q значения частот f1 и f2, на которых измеРЯют Aoq и q, выбиРают из условиЯ, чтОбы тотах были кратны 180О, затем измеряют величины А1, р1, А2 и pz на тех же частотах при заполнении кюветы молочным продуктом, процентное содержание жира{Х). белка (у) и лактозы (z) определяют путем решения системы уравнений при О=1,2, р; =A -А + д--уу д — я, ч

2 2

С2= ٠— Pn+16

A2 — А02,, уЪг

1797708 фаза р,ч на этих частотах была кратна 180, т.е, равнялась следующей величине

ppч = 180 и, (5) при n = 1,2,3; — вместо измерения 4-х значений Ai npu кювете, заполненной молочным продуктом, измеряются 2-а значения Ai и два значения у на частотах 11 и 12; — процентные содержания жира (х), белка (у) и лактозы (r) в измеряемом продукте определяют путем решения системы уравнений (3), Таким образом, заявленный способ соответствует критериям изобретения "Новизна".

Сравнение его с другими известными способами показывает, что неизвестно проведение измерений с целью определения содержания жира,: белка и лактозы в молочных продуктах на частотах 100 — 1500 МГц и выполнении кюветы в виде отрезка высокоомной линии передачи.

На чертеже представлена блок-схема устройства, реализующая данный способ.

Данный способ определения содержания жира, белка и лактозы в молочных:про. дуктах может быть реализован с помощью выпускаемых серийно измерителей коаксиальных коэффициентов передачи типа Р437 или Х1 — 55, доуком отрезком высокоомной линии передачи, либо путем создания специализированного измерителя.

Заявленный способ предусматривает выполнение следующих операций:

1, Предварительное определение функций зависимости модуля и фазы коэффициента передачи кюветы. выполненной в аиде отрезка высокоомной линии передачи, включенного в измерительный тракт прибора, обеспечивающего измерения модуля А1, и фазы ф1 на частоте fi =100-400 МГц, модуля Az и фазы pz на частоте f2 = 1 — 1,5 ГГц, от процентного состава молочного продукта, т.е, определения значений констант ntq, Ья и miq а выражениях (3).

2. Проведение калибровочных измерений величин Ая и q при заполнении кюветы дистиллированной водой.

3, Измерение величин Ач и ря при заполнении кюветы молочным продуктом.

4, Определение содержания жира, белка и лактозы в молочном продукте путем решения системы уравнений (3)-(4) относительно х, у, z по результатам измерений Aq иф .

Наличие встроенной микропроцессорной системы в приборах Р4-37 и Х1-55 rioзволяет автоматизировать выполнение перечисленных выше операций путем введения соответствующей программы функционирования прибора в его ПЗУ (постоянное запоминающее устройство), Результаты определения х, у и г а этом случае будут выводится в цифровой форме на экран прибора, либо на цифропечать, На этапе проверки возможности практической реализации заявленного способа

10 автоматизация процесса измерения и решения системы уравнений (3) и (4) была обеспечена с помощью внешней ЭВМ

"Электроника МС0507", ДВК вЂ” 3, подключенной ко входу управления прибора Р4-.37, Структурная схема установки, используемой при фактической реализации способа приведена на чертеже.

Установка включает прибор Р4-37 1, к выходу которого подключен измерительный тройник 2, выход опорного сигнала которого

20 через аттенюатор 3 подсоединен ко входу опорного сигнала прибора 1. а выход измерительного сигнала через последовательно соединенные измеряемый объект 4 и согласующий аттенюатор 5 подключен ко входу измерительного сигнала прибора 1. Вход управления прибора 1 через интерфейс 6 подключен к управляюще-вычислительной

ЭВМ 7, Измеряемый объект 4 аыполнен в дачи с герметизированными выходными разьемами на измерительный тракт сечения

16/7 мм, обеспечивающих включение исследуемого объекта 4 в стандартный измерительный тракт одной из модификаций прибора Р4-37/1. Герметизация выходных разъемов исследуемого объекта 4 исключает воэможность показания молока в измерительный тракт прибора 1, Длина аысокоомного отрезка коаксиальной линии составляет около 1 t0 мм, что обеспечивает выполнение условия (5) на частотах кратных

140 МГц. При реализации способа исполь35

50 зовались частоты f< = 140 и f2 = 1260 МГц, Отрезок высокоомной линии имеет отверстия для залива и слива измеряемого молочного продукта.

Установка работает следующим образом. В отрезок линии заливается измеряемый молочный продукт и по команде из

ЭВМ 7 на выходе прибора 1 поочередно устанавливаются сигналы частот и fz. Ha каждой частоте измеряются модуль Aq и фаза исследуемого рц объекта 4, Результаты измерений иэ прибора 1 передаются в ЭВМ

7, которая решает систему уравнений (3), (4) относительно х. у, z и результаты измерений выводит на дисплей и печатающее устройст30 виде отрезка высокоомной (аолновое сопротивление 170 Ом) коаксиальной линии пере10

1797708 во, После чего измеряемый продукт сливается, с помощью воды или вновь измеряемого продукта промывается отрезок линии и заливается вновь измеряемый продукт.

Значение констант и;ч, Ьц и пцг определяют- 5 ся и заносятся в память 3ВМ 7 на этапе разработки установки. Определение констант производится путем измерения А и

pq шести молочных продуктов с известными значениями х, у и z последующим решением 10 системы уравнений (3) относительно констант п я, Ьч и miz длЯ каждой из частот f1 и

fz. В качестве продуктов с известными х, у и

z нами использовались водный раствор лактозы и обезжиренного сухого молока, 35 15 сливки и смеси этих продуктов, Процентное содержание х, у и z для этих продуктов определялось с помощью известных методов.

Значение Аоя и ppq также могут быть 20 измерены и записаны в память ЭВМ на этапе разработки установки, либо перед началом измерений.

Положительный эффект — расширение пределов измерения процентного содержа- 25 ния жира и лактозы в заявленном способе достигается благодаря тому, что потери, выФормула изобретения

1. Способ определения содержания жира, белка и лактозы в молочных:продуктах, предусматривающий установление функци.ональной зависимости модуля коэффициента передачи электромагнитного сигнала, пропускаемого через кювету с молочным продуктом, от частоты сигнала и содержания жира, белка и лактоэы, измерение модуля коэффициента передачи электромагнитного сигнала, пропускаемого через кювету с пробой молочного продукта на фиксированных частотах, и определение содержания жира; белка и лактозы с использованием предварительно установленной функциональной зависимости, о т л и ч à юшийся тем, что, с целью повышения точности, дополнительно измеряют фазу коэффициента передачи электромагнитного сигнала, измерения осуществляют в диапазонах частот 100 — 400 УГц и 1-1,5 ГГц, а

onðåäåëåíèå содержания жира, белка и лакносимые жиром и лактозой в диапазоне частот 100-1500 MГц, даже при 30-40ь содержании их в молочном продукте, не превышают 10 — 20дБ. В то время как прибор

P4 — 37 обеспечивает измерение потерь до

80 дБ. Более того, в указанном диапазоне частот потери, вносимые жиром, настолько малы, что для определения процентного содержания его в молочных продуктах приходится измерять вносимые им изменения рг, а не модуля коэффициента передачи Ац.

Практическая реализация заявленного способа не требует решения целого ряда сложных технологических задач по разработке перестраиваемого по частоте инфракрасного источника излучения, оптических систем передачи и детектирования этого излучения, разработки гомогенизатора молочных продуктов, без чего невозможна реализация известного способа.

Практическая реализация способа с помощью прибора Р4-37 показала, что способ обеспечивает измерение молочных продуктов (цельного молока, сливок, сгущенного молока и др.) при содержании белка до 10;4. жира и лактозы до 507;. тазы осуществляют с использованием предварительно установленной функциональной зависимости модуля с учетом фазы коэффициента передачи электромагнитного сигнала, пропускаемого через кювету с молочным продуктом, от частоты сигнала и содержания жира, белка и лактозы.

2. Способ по п.1, о тл и ч а ю щ и йс я тем, что установление функциональной зависимости модуля и фазы коэффициента передачи электромагнитного сигнала от частоты сигнала и содержания жира, белка и лактозы производят путем калибровочных измерений характеристик сигнала, пропускаемого через кювету с дистиллированной водой, значения частот иэ вышеуказанных диапазонов выбирают из условия, чтобы фазы были крзтны 180О, после чего производят измерение нз выбранных частотах характеристик электромагнитного сигнала, прошедшего через кювету е пробой молочного

nродукта.