赵玲
光明乳业股份有限公司 上海市闵行区 201111
摘要： 本文设计了一种高效的基于凝固点降低的牛奶自动检测仪。该检测器具有效率高、稳定性好、精度高、自动化程度高等特点。其主要部件包括集成电路温度传感器、齿轮齿条机构、曲柄摇杆机构和电子控制系统。通过小齿轮齿条机构和温度传感器机电一体化设计，可以实时监测牛奶冻结曲线的变化，提高取样效率。结果表明，该方法能够快速、准确、自动地检测出牛奶中的掺假情况。该检测器还可用于检测牛奶以外的液体食品。
关键词：机械自动化;乳制品生产;实践应用
引言
冰点检测作为一种食品安全控制技术，近年来引起了人们的重视。该技术的目的是保证原料奶的质量，防止掺假，维护公平和自由的市场规则[1]。目前，这种检测器在国内市场上很少见，而且人工检测增加了检测成本，自动化程度低。国外产品由于采用旋转取样机构和热敏电阻检测装置，检测效率低，成本高，进口检测器维修不便。因此迫切需要一种快速、有效和自动化的检测液体凝固点的装置。该设计为快速、有效地监测原料奶质量提供了一种高效、自动的冰点检测仪，并实现了冰点检测的高效自动化。
一、机械自动化的分类
1.1 生产的自动
生产自动化就是指在实际生产的过程中，由系统根据既定的参数或数据实现自我操控，以代替人工操作的一种生产模式。在整个机械自动化中，生产自动化是最关键的技术。通过系统自我操控，生产过程从原料的添加、产品的生产、成品抽样调查，最后到产品的包装，全部由系统操作完成，如此大大节约了企业的人力成本[1]。此外，由于生产自动化将由机器代替人工进行生产，所以减少了很多人为因素对生产过程的影响，使最终成产的产品质量得到有效提升。
1.2 装配设备的自动化
对生产设备而言，装配设备自动化也是机械自动化的重要内容。结合机械自动化控制技术，将生产过程中的相关设备进行自动化装配，将设备的参数、形态和规格等进行统一调试，形成一条组装完成的流水生产线。
二、凝固点检测原理及机电一体化系统概述
1.1操作原理
纯水的凝固点温度为0℃，但原料奶的凝固点低于纯水。国际公认的原料奶的冰点为 -0.533 ℃，范围为 -0.516℃至 -0.533℃。在水或其他不明物质掺假的情况下，牛奶的冰点会发生变化。而且更多的掺假物质可能会导致其凝固点的变化。各种检测数据表明，牛奶中脂肪和蛋白质的变化对牛奶凝固点的变化影响不大。如果牛奶是偶然或故意加入额外的水，其冰点将高于正常值。牛奶中水的含量或比例可以用下面的公式计算出来：
其中: W是要检测的牛奶中水的重量百分比，C是正常牛奶的真正冰点或参考冰点，d 是牛奶的冰点，S是牛奶中总固体的百分比。因此，通过检测牛奶的冰点，可以发现牛奶中是否有水或其他物质掺假，以及水的含量 。
1.2检测方法
图1示出了液体凝固点曲线。 主要检测程序包括：（Ⅰ）将牛奶样品冷冻至低于0 ℃的特定温度； （Ⅱ）样品温度低于0 ℃后开始进行结晶和放热； （Ⅲ）使样品温度回升至较高的温度（D），并持续保持较短的时间（DE），此时将DE处的稳定温度视为牛奶的冰点。
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图 1 测定液体凝固点的时-温曲线
1.3机电一体化系统结构
检测器的工作顺序如下: (Ⅰ)采用制冷和冷却系统，使样品槽内保持在合理的低温(约 -6 ℃) ; (Ⅱ)搅拌机构和检测单元在样品通过采样机构进入样品槽时开始结晶和原位温度检测; (Ⅲ)温度曲线和凝固点以 CPU (中央处理器)图像信号模式显示; (Ⅳ)通过废物处理单元排放牛奶。
1.4牛奶凝固点测定标准
国际公认的原料奶的冰点为 -0.533℃至 -0.516 ℃。中国标准建议的冰点范围为 -0.546 ℃至 -0.508 ℃。超出范围的被视为不合格。
三、制冷、制冷和冰点检测装置分析
3.1 制冷装置。
目前，用于微型仪器的制冷方法主要有蒸汽压缩制冷、吸收式制冷、热电制冷。蒸气压缩制冷具有制冷量大、制冷效果好、成本低等优点，但使用氟利昂等制冷剂会破坏臭氧层，对环境产生毒性影响。吸收式制冷使用天然水或氨作为制冷剂，对环境无害; 利用废热或太阳能作为驱动能源，但存在制冷量小、成本高、能耗大、机组体积大等问题。本设计选用热电制冷，因为这种制冷具有温度调节范围大、重量轻、体积小、无毒、无污染等特点。
3.2 冷却装置
半导体制冷是目前研究的热点，其制冷方式包括自然空气对流制冷、强制风冷、水冷、热管换热器制冷和沸腾相变制冷等。自然空气对流允许一个简单的结构，也就是说，只是在半导体冷却片的热端安装一个散热器，但受到冷却效率和效果低的影响。水冷却具有良好的冷却效果，但存在结构笨重、泵噪声大的缺点。热管换热器具有体积小、重量轻、导热能力强、冷却效果好等优点，但重力敏感性差，成本高。沸腾相变具有较好的冷却效果，但对冷却介质有严格的要求。选用强制风冷方式，具有冷却效果好、结构简单、体积小、成本低、使用方便等特点。
3.3 冰点检测装置
常用的温度检测传感器包括: 热敏电阻温度传感器、热电偶温度传感器、 PN (正负)结集成电路、光纤、辐射和石英谐振器。热电偶具有结构简单、大批量生产、热惰性小等优点，但由于热交换要求较高，反应速度较慢。辐射式测温仪可以实现非接触式的精确测温，但成本较高。热敏电阻器体积小、响应快、灵敏度高，但存在线性度低、稳定性差的缺点。光纤传感器结构简单，但其传输和灵敏度的生产要求使其只能在特殊情况下使用。石英谐振器具有谐振曲线清晰、稳定，能将温度转换为频率，并以高分辨率、高精度的数字形式输出，但成本过高。选择 PN 结集成电路是因为它体积小、重量轻、硬件简单、成本低、正常工作范围 -50℃ー150℃、在0ー20℃范围内灵敏度可达1.06 LA/℃、线性误差小于 ± 0.2℃、稳定性为0.02 ℃/4h。
四、样品搅拌注射系统的设计
搅拌系统可根据工作要求选择齿轮齿条、蜗轮蜗杆、曲柄摇杆和磁力搅拌机构。齿轮齿条机构具有精确的传动装置，但需要精密的多级减速器。蜗轮蜗杆机构在工作过程中产生较高的热功率，只适用于大型机械。采用磁力搅拌机构，速度可调，操作方便，但容易受到磁子的损坏。曲柄摇杆机构体积小，结构简单，维修方便，是该机构的理想选择。
采用齿轮齿条机构取样的原因是: (Ⅰ)该机构适用于内部空间小、样品槽与管道适应性要求高、精度高、易于精确电子控制的冰点检测器。(Ⅱ)抽样导管同时自动水平和垂直移动，可让下一个样本在检测样本时保持良好状态。
样品通过取样单元进入样品槽，搅拌均匀冷却。其主要设计目的是缩短搅拌和采样时间，以及整个检测时间，提高检测效率。采样过程由中央处理器控制。完整的采样过程根据先前的输入过程自动工作。在进入检测单元之前，将样品温度视为室温，延迟了检测时间，在样品槽的上部外设置了预制冷却装置，使所有被检测样品提前冷却，缩短了检测时间。
在对检测器进行总体设计和各部分选择后，单个样品的最大检测时间计算为2.1分钟，远远少于大多数商业样品的3分钟。但实际检测时间比计算时间长，原因分析如下: (Ⅰ)在流动过程中，结构表面的牛奶粘结面积大于重力作用下的计算面积，从而增加了阻力，在动粘度保持不变的情况下，影响了样品的流动速度。(Ⅱ)当样品通过各种管道时没有考虑水头损失。(Ⅲ)由于样本处于冰点，排放延迟。
五、小结
本文研究了凝固点检测仪的工作原理和检测系统，并通过实验对机电系统、样品搅拌和注入系统的总体结构进行了设计和评价。通过设计制冷、冷却、样品搅拌、样品注射和自动控制装置，达到缩短注射时间、提高检测效率和无需人工操作的全自动检测的目的。通过对实验结果的分析，提高了探测器的性能。采用集成电路温度传感器，使单个样品的检测时间缩短到2.1 min，实现了机电自动控制，提高了线性度和准确度。
参考文献：
[1]唐赋斌. 湖南农业科技创新的金融支持研究[D].中南林业科技大学,2019.
[2]丁慧媛. 沿海地区小规模兼业农业向适度规模现代农业转化的方向与机制研究[D].中国海洋大学,2012.
[3]韩剑锋. 农机购置补贴政策的有效性及运行机制研究[D].西北农林科技大学,2012.
作者简介：赵玲，身份证号:341281xxxxxxxx9509