Анализ результатов испытаний сенсоров импедансно-резонансного онлайн-контроля в условиях современного производства молочных продуктов

Ключевые слова: резонансный контроль, сенсорный модуль, модуль, сенсор, трубопровод, импедансно-резонансный контроль, анализ молочных продуктов, анализ молока, интегрированный контроль жидкостей

Применение техники импедансно-резонансного контроля особенно интересно в условиях современного молочного производства, включая и молочно-товарные фермы.

Получение возможности благодаря всевозможным сенсорам и сенсорным системам на базе импедансно-резонансных технологий отслеживать процессы на указанных производствах в режиме реального времени, в значительной мере меняет устоявшиеся технологические стереотипы и открывает дорогу следующей волне инновационных преобразований.

К числу таких инновационных преобразований, которые стоят за этой возникшей возможностью относятся методики онлайн-контроля состояния стада на предмет наличия скрытого мастита и/или мастита с явными признаками проявления типичных симптомов, не заметных при существующих методах контроля и анализа.

Основным параметром, определяющим наличие мастита у коровы, является количество соматических клеток в молоке. Для случаев скрытого мастита, который бывает гораздо чаще, контроля количества соматических клеток как правило недостаточно и необходимо контролировать ещё ряд параметров, определяющих наряду с возросшим количеством соматических клеток ситуацию, при которой возникает и развивается так называемый скрытый мастит.

При такой ситуации:

‒ снижается вязкость молока;

‒ повышается хлор-сахарное число;

‒ повышается электропроводность;

‒ снижается плотность молока до уровня 1,024–1,025 (при норме 1,027);

‒ снижается содержание жира.

Для эвалюации возможностей предложенных технологических приёмов для контроля методами импедансно-резонансной спектроскопии, разработчики в содружестве с практическими специалистами, предложили следующий порядок испытаний.

Образцы молока поставляются в трёх экземплярах от каждого доения от одной коровы — начальный период доения, средний период доения и завершающий период доения.

Образцы отличаются между собой по всем образующим параметрам, поэтому наименее концентрированным является молоко от начального периода доения и наиболее концентрированным является молоко от завершающего периода доения.

Для первой серии экспериментов предложено следующее (по результатам подготавливается аналитический отчёт совместно с ведущими лабораториями):

1. Сравнение трёх образцов молока между собой по интегральному показателю;
2. Добавка к образцам сахара;
3. Добавка к образцам глюкозы;
4. Контроль электрической проводимости;
5. Контроль pH;
6. Контроль содержания жира;
7. Контроль вязкости;
8. Контроль плотности;
9. Добавка карбамида (урея);
10. Добавка крови;
11. Оставление трех образцов при комнатной температуре на 1 день, на 3 дня, на 5 дней и повтор тестов 1–10;

Все указанные эксперименты могут быть проведены до получения специальных лабораторных приборов для контрольных проверок.

Параметры, которые могут быть проверены по изобретённой импедансно-резонансной технологии и которые специалисты в области молочного производства рекомендуют проверить:

На базе этих данных было запланировано предварительное исследование реальной чувствительности технологии импедансно-резонансного контроля при вообще работе с молоком как измеряемым объектом.

На предварительном этапе контроля и оценке чуствительности технологии резонансного контроля были рассмотрены образцы молока нескольких принципиально отличающихся видов:

• взятые в начале процесса доения (наименее концентрированные с кислотностью — 6,7 единиц);
• взятые во время основной фазы доения, средней концентрации, имеющие средний оптимальный уровень концентрации входящих компонентов и кислотность — 6,8 единиц;
• взятые во время завершающей фазы доения, с максимальной концентрацией основных компонентов, с кислотностью — 6,9 единиц;

‒ пробы того же молока, после 24 часов содержания при комнатной температуре;

‒ пробы того же молока, после 24 часов содержания в холодильнике при температуре + 3 градуса по Цельсию;

‒ пробы 4 видов молока с различными характеристиками, полученными в розничной торговой сети;

‒ пробы всех типов молока с добавлением консервированной крови;

‒ пробы всех типов молока с добавлением сахарозы;

‒ пробы всех типов молока с добавлением глюкозы;

‒ пробы всех типов молока с добавлением сахара;

‒ пробы всех типов молока с добавлением и механическим размешиванием молочного жира.

Общая характеристика проведенных измерений, экспериментов и исследований:

‒ Проведено измерение кислотности всех подготовленных образцов молока на стандартных измерительных приборах и такое же измерение проведено на экспериментальной установке по резонансному контролю;

‒ Проведено смешивание с дозой молока точно определённого количества крови и затем произведено измерение возникшего интегрального сигнала на экспериментальной установке по резонансному контролю;

‒ Проведено смешивание с дозой молока точно определённого количества молочного жира и затем произведено измерение возникшего интегрального сигнала на экспериментальной установке по резонансному контролю;

‒ Проведено смешивание с дозой молока точно определённого количества мочевины и затем произведено измерение возникшего интегрального сигнала на экспериментальной установке по резонансному контролю;

‒ Проведено смешивание с дозой молока точно определённого количества глюкозы и затем произведено измерение возникшего интегрального сигнала на экспериментальной установке по резонансному контролю;

‒ Проведено смешивание с дозой молока точно определённого количества сахарозы и затем произведено измерение возникшего интегрального сигнала на экспериментальной установке по резонансному контролю;

‒ Проведено смешивание с дозой молока точно определённого количества фруктозы и затем произведено измерение возникшего интегрального сигнала на экспериментальной установке по резонансному контролю.

Каждый тест проводился в сравнении с показателями воды, при таких же добавках.

Поскольку как уже было сказано выше, по сравнению с водой и водными растворами — наиболее сложным является онлайн-контроль качества молока, выводы по результатам предварительного анализа и экспериментальной проверки были сформулированы по результатам экспериментальной проверки устройств и методики контроля на молоке.

В качестве образцов молока для контроля были выбраны образцы молока полученного на молочно-товарных фермах, где во всём процессе не применяются какие-либо химические реагенты и корм для коров произрастает в природных условиях также без применения удобрений или любых других биологически активных материалов.

Основные полученные в ходе анализа выводы:

1. Технология резонансного контроля способна с необходимой точностью отличать между собой по интегральному комплексному показателю образцы цельного молока в начальной, средней и завершающей фазах процесса доения;
2. Технология резонансного контроля способна с необходимой точностью отличать между собой по интегральному комплексному показателю образцы цельного молока в начальной, средней и завершающей фазах процесса доения и может отличать между собой те же образцы, которые имеют различные сроки хранения при комнатной температуре;
3. Технология резонансного контроля способна с необходимой точностью отличать между собой по интегральному комплексному показателю образцы цельного молока в начальной, средней и завершающей фазах процесса доения и может отличать между собой те же образцы, которые имеют различные сроки хранения при комнатной температуре и в которые дополнительно введены определённые дозы крови, глюкозы, мочевины, молочного жира;
4. Технология резонансного контроля способна с необходимой точностью отличать между собой по интегральному комплексному показателю образцы цельного молока в начальной, средней и завершающей фазах процесса доения, имеющих различные уровни концентрации соматических клеток и может отличать между собой те же образцы, которые имеют различные сроки хранения при комнатной температуре;
5. Технология резонансного контроля способна с необходимой точностью отличать между собой по интегральному комплексному показателю образцы цельного молока в начальной, средней и завершающей фазах процесса доения, имеющих различные уровни концентрации соматических клеток и может отличать между собой те же образцы, которые имеют различные сроки хранения при комнатной температуре и параллельно может оценивать и отличать уровень кислотности тех же образцов молока;
6. Эксперименты подтвердили правильность выбранной для предварительного теста стратегии, заключающейся в как минимум двухступенчатой системе калибрации резонансного сенсора — на первой ступени на уровне интегрального сигнала, основанного на характеристиках эмпидансных явлений в молоке, и на второй ступени на уровне селективно выделенного сочетания резонанса наиболее контрастно проявившихся частотно-ёмкостных и амплитудных комплексных характеристик в исследуемых пробах молока, характерных для каждого из контролируемых параметров и характеристик;
7. В целом система показала высокую восприимчивость к подаваемым сигналам, высокую селективность при разделении и сравнении сигналов, достаточный уровень повторяемости результатов, устойчивую работу по принятой методике, достаточную точность в определении интегральных составляющих сигналов, достаточную автономность и независимость к внешним воздействиям и помехам, возможность для оператора стабильного, устойчивого и уверенного управления системой без формальной специальной профессиональной подготовки;
8. Результаты предварительных исследований дают основания для вывода о возможности на следующем этапе проекта перейти к аппликациям селективного контроля всех необходимых параметров молока и к принципиальному конструированию всех необходимых аппликаций резонансных сенсоров;
9. Результаты по настройке и изменению рабочих параметров сенсоров, общий характер процесса управления и цифрового тестирования сенсора и всей его инфраструктуры, позволяет сделать вывод о возможности уверенного гарантированного дистанционного управления работой сенсоров, групп сенсоров с синхронизацией их основных измерительных и аналитических функций и о возможности адаптации сенсоров в соответствии с спецификой и различными условиями на молочно-товарных фермах и предприятиях молочной промышленности.

В зависимости от модификации, сенсоры могут устанавливаться на наружной поверхности трубопроводов в тех местах, которые по мнению проектировщиков трубопроводов являются наиболее уязвимыми. Для уже проложенных трубопроводов предусмотрена методика сверления или бурения в слое почвы, закрывающем трубопровод, специальных монтажных каналов и установки и монтажа в этих каналах сенсорного модуля, который будет доставлен к месту монтажа и установлен при помощи манипулятора, который также, компания-разработчик импедансно-резонансной технологии, имеющая реальный опыт проектирования, изготовления и монтажа специальной оригинальной робототехники, может разработать и изготовить по отдельному проекту.

Для обеспечения длительного периода работы сенсоров без смены или подзарядки источника электропитания, предполагается специально для этого спроектировать на базе уже существующих образцов, серию топливных батарей, срок непрерывной работы которых превышает 10 лет. Сенсор не требует какого-либо специального обслуживания и регламентных работ, что исключает необходимость какого-либо вмешательства в работу сенсоров после установки.

Передача сигналов от сенсоров может вестись по нескольким вариантам, и все они достаточно надёжно защищены от каких-либо несанкционированнных действий, которые могут нарушить рабочий цикл сенсора или вывести его из строя; при монтаже микроантенна выводится на поверхность почвы, она незаметна и механически прочна. Антенна герметична и не зависит от колебаний температуры; сигналы от сенсора, при помощи антенны могут передаваться по каналам сотовой телефонной связи, или через систему спутниковой связи, или при помощи определённого радиосигнала. При наличии в месте установки сенсоров кабелей телекоммуникаций, сигналы на пульт оператора, могут направляться с использованием этих коммуникаций. Поскольку система передачи сигналов многоканальная и независимая от внешних условий, она обеспечивает полную надёжность в течении длительного времени эксплуатации.

При выполнении проектов предусматривается разработка серии модификаций и исполнений сенсорного модуля, которые позволят в комплексе решить все оперативные вопросы, связанные с особенностями устройства трубопроводов в различных географических зонах, в различных климатических условиях, на значительном удалении от базовых эксплуатационных площадок и не требуют наличия специально подготовленного персонала.

Для наиболее оперативного уровня решения вопросов в экстремальных и острых ситуациях, требующих мгновенной реакции персонала групп чрезвычайных ситуаций, предусмотрена передача специально закодированного сигнала от каждого сенсорного модуля на определённый номер сотового телефона работников мониторинговых подразделений предприятия, владеющего или эксплуатирующего трубопровод.

Система монтажа сенсорных модулей на наружной поверхности труб, в том числе и труб большого диаметра, применяемых на стратегических магистральных трубопроводах, является чрезвычайно гибкой, включает в себя необходимый комплекс операций и конструктивных решений, которые учитывают все особенности условий эксплуатации трубопровода по всей его протяжённости; условия применения сенсорных модулей, которые будут разработаны в вновь создаваемой компании, особенности их технической характеристики и конструктивного устройства, позволяют обеспечить все технические требования и нормы, в соответствии с требованиями действующих стандартов и внутренними техническими условиями предприятий, эксплуатирующих трубопровод.

Технический, технологический и производственный опыт, который будет накоплен за время выполнения вновь созданной компанией проектов, позволит в дальнейшем вести продолжение перспективных разработок, не прибегая к инвестициям, а используя средства, полученные от реализации первого поколения сенсорных модулей.

При разработке конструкций и технологий во вновь созданной для этого компании, предполагается проработка различных смежных технических решений, которые позволят внедрение нано-метрологических принципов и методик в других отраслях и подотраслях трубопроводной техники.

Техника и технология нано-метрологических сенсорных модулей, ввиду их компактности, установки на наружной поверхности трубопроводов, находящихся на относительно большой глубине, герметичности и малого энергопотребления, позволяют предполагать высокую степень защиты от посягательств вандалов, поскольку при установке сенсорных модулей на трубопровод не остаётся никаких внешних признаков такой установки, позволяющих вызвать интерес вандалов.

По вопросу замены источников питания после завершения 10 лет эксплуатации, будет разработана методика замены с использованием того же робототехнического оборудования, которое будет использоваться при установке.

DETERMINATION OF ATTRIBUTES OF LIQUID SUBSTANCES

Abstract

A monitoring unit (100) that determines parameters (p1, p2) of an attribute (P) of a liquid substance flowing (F) through a dielectric conduit (110) includes plural coil members (121, 122) encircling the dielectric conduit (110) that subjects a flow of the liquid substance to plural different electromagnetic fields (B(f)), and under influence thereof measuring circuitry registers corresponding impedance measures (z(f)) of the liquid substance. A processor (130) derives the parameters (p1, p2) of the attribute (P) based on the registered impedance measures (z(f)).

Приложение 2

VIVO DETERMINATION OF ACIDITY LEVELS

Abstract

A bolus for use in a ruminant animal's reticulum includes a cavity (100) configured to receive ruminal fluids present in the stomach. The cavity has walls (110) of a dielectric material and is encircled by a coil member (120), which is configured to subject the ruminal fluids to an electro-magnetic field. A Sensor element (310) measures the electromagnetic field's influence on the ruminal fluids and thus register an electromagnetic property representative of an acidity level of said fluids. A transmitter (410) transmits a wireless output signal (SD) reflecting the acidity measure.

Приложение 3

Abstract

A bolus for use in a ruminant animal's reticulum includes a cavity (100) configured to receive ruminal fluids present in the stomach. The cavity has walls (110) of a dielectric material and is encircled by a coil member (120), which is configured to subject the ruminal fluids to an electro-magnetic field. A Sensor element (310) measures the electromagnetic field's influence on the ruminal fluids and thus register an electromagnetic property representative of an acidity level of said fluids. A transmitter (410) transmits a wireless output signal (SD) reflecting the acidity measure.

Приложение 4

Determination of attributes of liquid substances

Abstract

A monitoring unit (100) that determines parameters (p1, p2) of an attribute (P) of a liquid substance flowing (F) through a dielectric conduit (110) includes plural coil members (121, 122) encircling the dielectric conduit (110) that subjects a flow of the liquid substance to plural different electromagnetic fields (B(f)), and under influence thereof measuring circuitry registers corresponding impedance measures (z(f)) of the liquid substance. A processor (130) derives the parameters (p1, p2) of the attribute (P) based on the registered impedance measures (z(f)).