Разработка и испытания измерительной камеры для устройства экспресс-анализа качества молока в потоке

В России существует значительный потенциал развития сельского хозяйства в направлении создания и внедрения средств автоматизации. Развитие этой области имеет тренд в направлении использования цифровых и интеллектуальных технологий. В сфере молочного животноводства развитие автоматизации является особенно наукоемким процессом из-за необходимости прямого взаимодействия с животными.

Механизация и роботизация молочных ферм требуют развития технологий оценки качества производимой продукции. Так, для контроля качества молока актуально поточное измерение его компонентного состава в процессе доения.

Получение информации о содержании компонентов молока (жира, белков, лактозы, соматических клеток, прогестерона, аминокислот и др.) лежит в основе оценки пригодности молока к употреблению, диагностики баланса питания и клинического состояния коров. В частности, процентная концентрация жира считается основным критерием, определяющим рыночную стоимость молока.

Для обеспечения контроля качества продукции фермы расширяют использование высокотехнологичных систем экспресс-анализа, которые постепенно заменяют классические дорогостоящие и трудоемкие инвазивные химические методы. Контроль состава молока и длительности доения в режиме реального времени особенно важен для оперативного реагирования на отклонение параметров физиологического состояния животных и своевременной корректировки рационов при снижении удоев.

Из-за необходимости использовать устройства анализа качества продукции, не приводящие к нарушению работы доильной установки и значительному падению давления в молочном шланге, при разработке анализаторов качества молока для оборудования молочных ферм актуальны оптические методы диагностики.

Во встраиваемых в молочные шланги поточных устройствах контроля качества молока наиболее перспективными являются спектральные методы диагностики, работающие в ближнем инфракрасном диапазоне (БИК-спектроскопия).

Применение БИК-спектроскопии в молочной промышленности привело к повышению качества анализа параметров молока. Скаттерометрические устройства анализа качества молока создаются с учетом того, что поток молока в доильной установке представляет собой чередование молочных и воздушных пробок с различными параметрами рассеяния. Из практики известно, что реальное заполнение молочного шланга никогда не является полным и обычно составляет 30–60% его объема.

Для соблюдения условий работы устройства, использующего метод пропускания света, необходимо, чтобы при любых параметрах доения происходило полное заполнение измерительной камеры молоком и было как можно меньше пузырьков воздуха. Присутствие излишков воды в молоке, наличие микро- и макропузырьков газов усложняет БИК-спектроскопический анализ, что снижает точность анализа молока.

Для работы оптических устройств необходимы измерительные камеры с прозрачными стенками для обеспечения пропускания света сквозь поток молоковоздушной смеси.

Принцип работы скаттерометрического устройства поточного анализа полидисперсных жидкостей подробно описан в уже опубликованных научных работах.

В скаттерометрическом устройстве экспресс-анализа качества молока, разработанном Агроинженерным центром ВИМ совместно с ИОФ РАН (Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук, г. Москва, Россия) использовалась стеклянная измерительная камера с простым круглым сечением. Однако в таком случае поток молоковоздушной смеси, который анализируется устройством в измерительной камере, имеет скорость, сходную с потоком в молочном шланге, что усложняет процесс анализа. В нем присутствует большое количество пузырьков воздуха.

Цель исследования — разработать новую измерительную камеру устройства экспресс-анализа качества молока, обеспечивающую ламинарный поток молоковоздушной смеси в зоне измерения.

Материалы и методы исследования

Разработка и испытания измерительной камеры проводились в июне — октябре 2023 года в Агроинженерном центре ВИМ.

В соответствии с требованиями ГОСТ 34496 максимально возможным перепадом давления в доильной системе является 3 кПа, недопуск перепада давления является принципиальным условием разработки устройства экспресс-анализа качества молока. Изменение давления в молочном шланге доильной системы оценивается с использованием вакуумметра (ЧВМЗ, Россия).

Объект исследования — устройство экспресс-анализа качества молока, разработанное Агроинженерным центром ВИМ совместно с ИОФ РАН.

Модернизируемое устройство состоит из двух модулей — модуля измерений, включающего в себя источник излучения, блок приемников излучения, измерительную камеру и кронштейн для крепления, и модуля расчетов, включающего в себя плату управления и кронштейн для крепления.

Разработка новой измерительной камеры должна затрагивать только модуль измерений, при этом должны сохраниться и сходные параметры подключения устройства в молочный шланг с использованием штуцеров, а именно возможность подключения к молочному шлангу с внутренним диаметром 14 мм.

У устройства экспресс-анализа качества молока внутренний диаметр измерительной камеры должен соответствовать производительности доильной системы (до 6 л/мин).

В исследовании использовался шланг молочный прозрачный ПВХ 14 х 24 мм (Terraflex, Израиль). Прокачка жидкости в рабочем режиме в молочных шлангах испытательного стенда проводилась с производительностью от 2,5 до 3,5 л/мин, достигала 6 л/мин для тестов максимальной производительности, минимальный поток был равен 1 л/мин.

В уже разработанном варианте устройства использовалась измерительная камера с круглым сечением, повторяющим форму внутреннего сечения молочного шланга, где не было участков со стабильным ламинарным потоком молоковоздушной смеси.

При разработке измерительной камеры устройства испытания будут проводиться в условиях, приближенных к производственным (будет использоваться лабораторная установка на основе распространенной в России доильной системы «Елочка», адаптированная к замкнутому циклу прокачки жидкости).

В предыдущих работах были описаны влияние условий эксплуатации доильной системы на точность измерения жирности молока устройством и влияние на загрязнение измерительной камеры.

Единственное отличие в данной работе — проведение испытаний с использованием воды вместо молока в качестве рабочей жидкости для упрощения визуальной оценки потока и уменьшения налипания на стенки измерительной камеры. Это допустимо ввиду схожей плотности молока и воды (плотность воды при 20 °С составляет 998 кг/м³, а плотность молока — 1027 кг/м3), поэтому заполнение жидкостью отвода измерительной камеры будет практически идентичным.

В существующем устройстве измерительная камера имеет небольшое уменьшение внутреннего диаметра, но при этом ту же цилиндрическую форму (рис. 1).

В разрабатываемой измерительной камере будет создан специальный отвод, в котором будет происходить замедление потока. Важнейшими условиями разработки остаются уменьшение количества пузырьков воздуха и полное заполнение жидкостью области проведения измерений.

Разработка новой измерительной камеры с отводом будет проводиться в программе «Компас-3D» на основе стандартов ЕСКД, изготовление корпуса устройства — на 3D-принтере из термоустойчивого пластика (PETG Geek Fil/lament, Китай). Для большей устойчивости измерительная камера и штуцеры будут напечатаны из нейлона (ERYONE Nylon Clear, Китай).

Прозрачная вставка в отводе измерительной камеры, обеспечивающая проведение скаттерометрического анализа, изготавливается из кварцевого стекла.

Из литературного исследования известно, что для применения оптического метода поток молока должен быть 10–15 мм в диаметре, поскольку в этом случае выполняется условие преобладания многократного рассеяния и возможно проводить исследования методами спектроскопии рассеяния и пропускания. Поэтому внутренний диаметр рабочей части отвода измерительной камеры, где будет осуществляться измерение параметров качества молока, должен быть не более 15 мм, при этом внутренний диаметр основной части измерительной камеры должен быть большего диаметра.

Результаты и обсуждение

Чтобы добиться ламинарного потока молока в измерительной камере, но при этом сохранить способность измерительной камеры к пассивной промывке одновременно со всей доильной системой, к основной трубке добавили цилиндрический отвод под углом ответвления 45°, так чтобы он имел общую прорезь с основной трубкой.

Для определения параметров протекания жидкости было проведено имитационное моделирование завихрений потока молоковоздушной смеси в среде SolidWorks.

В разработанной модели внутренний диаметр основной части измерительной камеры был равен 14 мм, а отвода, в котором и производится процесс измерения параметров качества молока, — 11 мм. Моделирование проводилось с потоком 6 л/мин. Скорость движения потока в измерительной камере составляла от 0,2 до 1,8 м/с (рис. 2).

Для лабораторного эксперимента, оценивающего результат исследования по созданию отвода в измерительной камере, был создан опытный образец измерительной камеры (рис. 3).

В этом отводе поток молоковоздушной смеси должен становиться ламинарным с меньшим количеством пузырьков воздуха. Сама измерительная камера с отводом изготовлена методом 3D-печати из полиамидного пластика (материал ERYONE Nylon Clear, Китай; принтер Total Z AnyForm 250-G3, Россия), а отвод сделан из кварцевого стекла толщиной 1 мм, чтобы обеспечить измерительной камере прозрачность для лазерного излучения.

Фактически цилиндрический кварцевый отвод, встроенный в измерительную камеру, служит оптической ячейкой для наблюдения углового распределения рассеянного света с помощью полукруглого массива фотодетекторов, установленного концентрично с отводом измерительной камеры.

Жидкость в измерительной камере постоянно обновляется во время работы доильного аппарата. Штуцеры на концах основного канала являются съемными и могут выбираться в зависимости от диаметра используемого молочного шланга.

Были проведены испытания измерительной камеры в лабораторных условиях, результаты которых фиксировали камерой с частотой записи 480 к/сек (OnePlus 8 Pro, Китай). Для первоначального исследования объем протекающей жидкости выставили равным 4 л/мин.

Результаты представлены на рисунке 4. Цифрами 1–3 обозначены моменты протекания воздушных и молочных пробок в молочном шланге доильной системы.

Как видно на рисунках, при таких параметрах измерительной камеры не происходит достаточного заполнения измерительной камеры жидкостью, измерения параметров качества молока скаттерометрическим способом не могут производиться.

По результатам моделирования предполагалось наличие спокойного ламинарного потока в области проведения измерений, а наибольших завихрений — в основной части измерительной камеры. Недостаточное заполнение отвода жидкостью приводит к тому, что завихрения оказываются в области измерений устройством, что приводит к нарушению работы скаттерометрического устройства. При этом можно отметить постоянное обновление жидкости в отводе измерительной камеры и сделать вывод о применимости использования угла перехода к отводу измерительной камеры в 45°.

На основании этих наблюдений было принято решение уменьшить длину отвода измерительной камеры на 35%, при этом был сохранен исходный внутренний диаметр отвода, равный 11 мм. Толщина стеклянных стенок отвода была увеличена до 2 мм для повышения устойчивости крепления в измерительной камере и общей прочности конструкции.

Изображение доработанной измерительной камеры после печати представлено на рисунке 5.

Были сохранены исходные пропорции ответвления, но уменьшен объем отвода измерительной камеры (примерно на 40%). В результате при сохранении объема протекающего в молочном шланге потока молоковоздушной смеси потребуется меньше жидкости для заполнения отвода, но сохранятся параметры завихрений.

Результаты испытаний представлены на рисунке 6. Цифрами 1–3 обозначены моменты работы протекания воздушных и молочных пробок в молочном шланге доильной системы.

Как видно на рисунке 6, в случае доработанного отвода измерительной камеры между тактами работы доильной системы есть периоды ламинарного потока, необходимого для работы скаттерометрического устройства экспресс-анализа качества молока. При этом в области проведения измерений практически отсутствуют пузырьки воздуха, а заполнение отвода жидкостью близко к 100%. Даже в момент прохождения воздушной пробки в отвод попадают пузырьки воздуха, но не происходит его осушения.

Данный результат был признан удовлетворительным, а разработанная измерительная камера была использована при создании нового образца устройства экспресс-анализа качества молока в потоке молоковоздушной смеси.

Выводы

В данном исследовании была разработана модернизированная измерительная камера, обеспечивающая преобразование турбулентного потока молоковоздушной смеси в ламинарный с сохранением объема протекающего потока.

Изменение структуры потока обеспечивается специальным цилиндрическим отводом под углом ответвления 45°, имеющим общую прорезь с основной трубкой измерительной камеры. Внутренний диаметр отвода составляет 11 мм, стенки изготовлены из стекла толщиной 2 мм. Разработка испытана при различных объемах протекающего потока — от 1 до 6 л/мин.

Структура отвода позволяет добиться ламинарного потока в области проведения измерений устройством, при этом обеспечивается заполнение жидкостью всего объема отвода.

В ходе дальнейшей работы измерительная камера была успешно использована при создании устройства экспресс-анализа качества молока в процессе доения.

Об авторах

Артем Рустамович Хакимов; младший научный сотрудник

arty.hv@gmail.com; https://orcid.org/0000-0002-4332-9274

Сергей Сергеевич Юрочка; кандидат технических наук, старший научный сотрудник

yssvim@yandex.ru; https://orcid.org/0000-0002-2511-7526

Семен Сергеевич Рузин; кандидат технических наук, старший научный сотрудник

ruzin.s.s@yandex.ru; https://orcid.org/0000-0001-6870-5486

Фёдор Евгеньевич Владимиров; научный сотрудник

fvladimirov21@gmail.com; https://orcid.org/0000-0003-2480-5754

Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ, 1-й Институтский проезд, 5, Москва, 109428, Россия

УДК 637.112.5
DOI: 10.32634/0869-8155-2024-387-10-165-170