Контроль жирности молока в системе автоматизированного мониторинга молочной фермы
На правах рукописи
ТАРАН Елена Николаевна
КОНТРОЛЬ ЖИРНОСТИ МОЛОКА В СИСТЕМЕ
АВТОМАТИЗИРОВАННОГО МОНИТОРИНГА МОЛОЧНОЙ ФЕРМЫ
Специальность 05.20.02. – Электротехнологии и электрооборудование
в сельском хозяйстве (по техническим наук
ам)
Автореферат
диссертации на соискание учной степени
кандидата технических наук Зерноград 2011 2 Диссертационная работа выполнена в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Азово-Черноморская государственная агроинженерная академия».
Научный руководитель – кандидат технических наук, доцент Забродина Ольга Борисовна
Официальные оппоненты – доктор технических наук, профессор Никитенко Геннадий Владимирович доктор технических наук, профессор Краснов Иван Николаевич Ведущие предприятие – Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Кубанский государственный аграрный университет» (г. Краснодар)
Защита диссертации состоится «»2011 года в _ часов на засе дании диссертационного совета ДМ 220.001.01 при ФГОУ ВПО АЧГАА по адре су: 347740, г. Зерноград Ростовской области, ул. Ленина, 21, в аудитории 201 (корпус 5).
Тел./факс (8-86359) 43-3-
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО АЧГАА.
Автореферат разослан «»_2011 г.
Учный секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор Н.И. Шабанов
Общая характеристика работы
Актуальность темы исследования.
Основной тенденцией совершенствования производства молока является со здание новых автоматизированных адаптивных, энерго- и ресурсосберегающих технологий, которые невозможно представить без автоматизированного монито ринга. Одной из важных его составляющих является экспресс-анализ нарушений функции вымени, ведущих к снижению, иногда необратимому, молочной продук тивности коров, изменению состава и свойств молока, что уменьшает конкурен тоспособность продукции.
Исследованиями Ю.И. Бершицкого, К. Блекстера, И.К. Винникова, Ф.Л. Гарькавого, И.И. Грачева, А.И. Ивашура, Л.П. Карташова, В.И. Мутовина, И.И. Черкащенко и др. установлено, что функцию вымени можно оценивать пу тем контроля удоев по каждой доле вымени с одновременным определением по казателей качества молока. На сегодняшний день достаточно отработан контроль удоев по долям вымени, но практически отсутствуют методы и технические сред ства экспресс-анализа показателей качества молока, за исключением контроля его электропроводности. Такой показатель, как содержание жира в молоке, в основ ном определяющий энергетическую ценность молока, не контролируется в про цессе доения. Он зависит от рациона кормления, состояния здоровья коровы, се зона года, периода лактации, породы, возраста, условий содержания. Например, в весенний пастбищный период жирность молока уменьшается более чем на 1%.
При заболевании коров маститом жирность молока из пораженной доли вымени уменьшается на 5–12% в сравнении со здоровыми долями.
Дополнив имеющиеся системы автоматизированного мониторинга новыми методами и техническими средствами контроля жирности молока, непосредствен но по результатам доения можно выявлять на ранней стадии отклонения в кормле нии, уходе и содержании животных, заболевания и своевременно их устранять.
Цель исследования – обоснование метода и технических средств контроля содержания жира в молоке для системы автоматизированного мониторинга мо лочной фермы.
Объект исследования – процесс контроля содержания жира в молоке коров в системе автоматизированного мониторинга молочной фермы.
Предмет исследования – зависимости амплитудо- и фазочастотных характе ристик несинусоидального высокочастотного электромагнитного сигнала, пропу щенного через молоко, от содержания в нем жира.
Методика исследования. При аналитическом исследовании использованы методы математической статистики, теории вероятностей, теоретических основ электротехники с применением современного программного обеспечения и ком пьютерной техники. В экспериментальных исследованиях использованы методы физического моделирования движения молоковоздушной смеси в трубопроводах доильного аппарата и установки.
Научную новизну работы составляют:
– метод и устройство контроля содержания жира в молоке по амплитудо частотным характеристикам пропущенного через молоко несинусоидального пе риодического сигнала;
– зависимости характеристик несинусоидального периодического сигнала, пропущенного через молоко, находящееся в измерительном первичном преобра зователе, от содержания жира;
– алгоритм и программа обработки выходного сигнала измерительного пер вичного преобразователя в эквивалентное содержание жира в молоке;
– алгоритм экспресс-анализа нарушений функции вымени для системы авто матизированного мониторинга молочной фермы.
На защиту выносятся:
– метод и устройство контроля содержания жира в молоке по характеристи кам несинусоидального периодического сигнала, пропущенного через молоко;
– зависимости характеристик электромагнитного сигнала, пропущенного че рез молоко в измерительном первичном преобразователе в статике и динамике, от температуры, расхода молока и глубины вакуума в молокопроводе доильного ап парата;
– алгоритм вычисления содержания жира в молоке по амплитудам гармоник электромагнитного сигнала, пропущенного через молоко, находящееся в измери тельном первичном преобразователе;
– алгоритм экспресс-анализа нарушений функции вымени в системе автома тизированного мониторинга молочной фермы по содержанию жира в молоке.
Практическая ценность работы состоит в создании дополнительных воз можностей системы автоматизированного мониторинга молочной фермы, а имен но возможности выявления на ранней стадии непосредственно по результатам до ения заболеваний, отклонений в кормлении, уходе и содержании животного без предварительного отбора и подготовки проб молока, а также в использовании в исследовательских целях.
Реализация результатов исследования. Разработанное устройство и метод контроля содержания жира в молоке прошли производственную проверку в ОПХ «Экспериментальное» Зерноградского района Ростовской области. Опытный об разец устройства контроля содержания жира в молоке внедрен на МТФ ОАО ПСХ им. А.А. Гречко.
Апробация работы и публикации. Основные результаты исследований доло жены на научно-практических конференциях ФГОУ ВПО АЧГАА в 2005–2011 го дах, ГНУ ВНИПТИМЭСХ в 2005, 2006, 2010 годах, ФГОУ ВПО СтГАУ в 2009 году.
По результатам исследований опубликовано 12 печатных работ, в том числе в изданиях, рекомендованных ВАК, и получено свидетельство на регистрацию программы для ЭВМ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованной литературы, включающего наименований, в том числе 6 на иностранных языках. Основное содержание дис сертации изложено на 167 страницах машинописного текста, включает 50 рисун ков и 44 таблицы.
Содержание работы Во введении отражена актуальность разработки новых методов и техниче ских средств контроля нарушений функции вымени коров для систем автомати зированного мониторинга молочных ферм, в том числе качества молока, важной составляющей которого является содержание жира. Сформулированы цель, объ ект и предмет исследования, научная и рабочая гипотезы, задачи исследований, приведено краткое содержание глав диссертации.
В первой главе «Анализ способов и технических средств определения пока зателей качества молока» рассмотрены известные способы и технические сред ства, позволяющие оценить качество молока, его компоненты и физико химические свойства, обоснована необходимость введения контроля содержания жира в систему автоматизированного мониторинга, получающего распростране ние у крупных производителей молока.
Значительная часть производимого в России молока имеет низкое качество и не пригодно для сыроделия и детского питания. Проблеме контроля качественных показателей молока посвящены труды Н.В. Барабанщикова, И.Ф. Бородина, Т.Т. Грищенко, И.Н. Краснова, П.В. Кугенева, Я.Н. Озола, В.И. Столбова и др.
Вопросами качества молока, извлекаемого из вымени, занимались Э.К. Вальдман, И.Г. Велиток, А.И. Ивашура, В.М. Карташова, Э.П. Кокорина и др. Ими установ лено, что на качество молока оказывают влияние не только состав и качество кормов, но и физическое состояние животного, порода, возраст, стадия лактации, сезон года, условия содержания, наследственность и др., а также и то, что по из менениям удоев и состава молока косвенно можно выявить причины нарушения функции вымени.
На отечественных доильных установках с системами автоматизированного мониторинга для сбора информации о качестве молока устанавливают датчики электропроводности и интенсивности молоковыведения, но на них отсутствуют технические средства, позволяющие отслеживать недопустимые отклонения дру гих показателей молока, в частности содержание жира. В соответствии с требова ниями ГОСТ Р 52054-2003 «Молоко натуральное коровье – сырье» массовая доля жира в молоке должна соответствовать базисным нормам. Устойчивое снижение содержания жира в молоке может быть связано с уровнем и полноценностью пи тания коровы, в рационе которой должно быть оптимальное соотношение различ ных жирных кислот;
с состоянием здоровья коровы, в том числе состоянием здо ровья вымени и условиями содержания.
Поэтому для своевременного выявления нарушений в кормлении, состоянии здоровья коровы, а также для сведения к минимуму потерь жирности по стаду в целом необходимо отслеживать динамику содержания жира в молоке каждой ко ровы по каждой доле вымени в реальном времени.
Анализ известных устройств и методов измерений содержания жира в молоке показал, что большая их часть требует отбора проб молока, применяется в специ ализированных лабораториях и не пригодна для получения оперативной инфор мации в системах автоматизированного мониторинга производителей молока.
Установлено, что наиболее перспективными для контроля содержания жира в мо локе в потоке являются бесконтактные методы, в которых по результатам измене ний электромагнитного сигнала, пропущенного через молоко, можно судить о его жирности. Сформулированы требования к устройствам контроля содержания жи ра в молоке: простота конструкции, эксплуатации, компактность, возможность контроля по каждой доле вымени;
отсутствие сопротивлений и подвижных ча стей в потоке молока;
абсолютная погрешность по жиру не должна превышать 0,5%;
независимость результатов измерений от свойств потока молока (величина разрежения, температура, расход молока). Были выделены также перспективные методы получения информации о молоке по характеристикам пропущенного че рез него электромагнитного сигнала в оптическом и высокочастотном диапазонах (работы В.И. Столбова, Я.Н. Озола и др.).
В связи с вышеизложенным, сформулирована научная гипотеза о возможно сти вычисления содержания жира в молоке непосредственно после окончания до ения коровы, путем сравнения интегральной оценки выходных характеристик электромагнитных сигналов, пропущенных через молоко, движущееся по молоч ному шлангу доильного аппарата, с аналогичными характеристиками электромаг нитных сигналов предыдущих доек.
Собственными предварительными исследованиями отклонен оптический диапазон электромагнитного сигнала (абсолютная погрешность по жиру 1%) и принят к исследованию несинусоидальный периодический сигнал в высокоча стотном диапазоне.
Для достижения поставленной цели потребовали решения следующие задачи:
1. Разработать метод и устройство контроля содержания жира в молоке для си стемы автоматизированного мониторинга при производстве молока.
2. Теоретически и экспериментально исследовать зависимости характеристик выходных электромагнитных сигналов измерительного первичного преобразова теля, в котором движется молоко, от содержания в нем жира, оценить погрешно сти, вносимые изменениями температуры, расхода молока и глубины вакуума в молокопроводе доильного аппарата.
3. Разработать алгоритм оценки содержания жира в молоке по выходным сиг налам измерительного первичного преобразователя.
4. Разработать алгоритм экспресс-анализа нарушений функции вымени для си стемы автоматизированного мониторинга молочной фермы с учетом дополни тельно введенного контроля содержания жира в молоке.
5. Провести производственные испытания предложенных решений и оценить экономический эффект от их применения.
Во второй главе обоснован алгоритм экспресс-анализа (рисунок 1) функ ции вымени коровы с учетом интенсивности молоковыведения и дополнительно введенного контроля содержания жира в молоке по долям вымени для системы автоматизированного мониторинга предприятия по производству молока с аппа ратно-программным комплексом и базами данных. Алгоритм заключается в сле дующем. После идентификации коровы в начале доения в базу данных вводится указание на вечернюю или утреннюю дойку. В период всего доения через молоко каждой доли вымени пропускают электромагнитные периодические сигналы из вестной частоты, выходные характеристики этого сигнала обрабатываются мик ропроцессорным устройством согласно заданному алгоритму и записываются в базу данных. Доение осуществляется в соответствии с Правилами машинного до ения, предусматривается отключение доильного аппарата при снижении интен сивности потока молока qi до значения 0,83 г/с с блокировкой отключения аппа рата в начале доения в виде 40 с выдержки времени. По окончании доения вычис ляются и записываются в базу данных среднее значение удоя Yср, средняя интен сивность молоковыведения qср, среднее содержание жира Gср и количество жира в удое Кж каждой доли вымени.
Рисунок 1 – Алгоритм экспресс-анализа нарушений функции вымени В результате экспресс-анализа за одно доение от животного будет получено следующее количество жира:
G1 q1 G2 qq Gq n t t t t Gi qi, КЖ.... n n (1) 100 100 100 100 где Gi – текущее содержание жира в молоке за период времени t, %;
qi – интенсивность молоковыведения в период времени t, кг/с.
Тогда среднее значение содержания жира в молоке составит:
К КЖ nt Gi qi,%, Gср Ж 100% 100% (2) Tд qср Y qсрTд где Y – удой, кг;
Tд – время доения, с.
Среднее значение содержания жира в молоке в вечернее доение сравнивается со средними значениями содержания жира в молоке предыдущих трех вечерних доений. Результаты утренних доений сравниваются с соответствующими показа телями предыдущих утренних доений. Если значения содержания жира в текущее доение меньше значений содержания жира в молоке предыдущих доений на 0,5%, подается тревожный сигнал в базу данных.
Если удой текущего доения меньше удоя предыдущего доения из этой же до ли вымени, то вычисляется коэффициент Nk, равный отношению удоя левой зад ней (передней) доли к удою соответствующей правой доли. Коэффициент Nk не должен отличаться от коэффициента N, записанному в базу данных для этих до лей вымени коровы в начале лактации, более чем на 10%. Если условие не выпол няется – подается тревожный сигнал в базу данных.
Все отклонения фиксируются, и выдаются рекомендации персоналу для при нятия решения относительно рациона кормления и здоровья коровы.
Предложены и обоснованы метод и устройство контроля содержания жира в молоке по характеристикам электромагнитного высокочастотного сигнала, пропу щенного через молоко. Метод заключается в том, что молоко с различным содер жанием жира, протекающее между обкладками емкостной ячейки, изменяет ампли тудо- и фазочастотные характеристики несинусоидального периодического элек тромагнитного высокочастотного сигнала, подавае u мого на обкладки этой ячейки.
На измерительный первичный преобразователь u u i (в дальнейшем ИПП) (рисунок 2), выполненный из C последовательно включенных активного сопротив ления и емкостной ячейки, между обкладками кото молоко рой находится молоко, с выхода генератора подают высокочастотные несинусоидальные периодические выход 1 выход электромагнитные колебания u:
Рисунок 2 – Схема n u U (1) max sin(t (1) ) U ( k ) max sin(kt ( k ) ), замещения измерительного первичного преобразователя k 2 (3) где U(1)max, (1) – максимальное значение и начальная фаза основной гармоники входного напряжения;
U(k)max, (k) – максимальное значение напряжения и началь ная фаза k-той гармоники;
2f – угловая частота основной гармоники.
Соответственно напряжения, снимаемые с активного сопротивления и ем костной ячейки, также являются несинусоидальными функциями вида:
n u1 U1m(1) sin(t 1(1) ) U1m( k ) sin(kt 1( k ) ), k 2 (4) n u 2 U 2 m(1) sin(t 2(1) 900 ) U 2 m( k ) sin(kt 2( k ) 90 0 ), k 2 (5) где u1 f (i) и u2 f (i, С,, k ) ;
i – мгновенное значение несинусоидального тока измерительного первичного преобразователя.
В свою очередь C f (S, d, * ), (6) * где – комплексная диэлектрическая проницаемость молока;
S и d – площадь электродов и расстояние между ними;
C – электрическая емкость.
Процессы, происходящие в диэлектриках, каким является молоко, в элек трическом поле определяются комплексной диэлектрической проницаемостью o * j, (7) 1 j – диэлектрическая проницаемость, измеренная при высокой частоте;
где o – квазистатическое значение диэлектрической проницаемости (при 0);
– время релаксации.
Выделяя из формулы отдельно активную и реактивную составляющие ди электрической проницаемости, получаем для отдельного измерения o 2 2, (8) ( о ). (9) 1 2 В связи с тем, что молоко представляет собой многокомпонентную смесь со множеством компонентов и включений, молекул различных видов, имеющих раз личное время релаксации, и для всей совокупности измерений можно опи сать следующими выражениями:
р( )d ( 0 ) 1 ( ), (10) р( )d ( 0 ). (11) 1 ( ) где р() – относительная вероятность того, что время релаксации равно.
Из формул (10) и (11) видно, что как активная, так и реактивная составляю щие комплексной диэлектрической проницаемости зависят от частоты. Частотная дисперсия диэлектрической проницаемости молока до частот 10–20 МГц невели ка и наблюдается, в основном, на высших частотах диапазона, где резко сни жается до значения 52,8 вследствие релаксационных процессов поляризации.
Схему замещения диэлектрика, каким является молоко, можно представить ря дом подключенных параллельно к источнику напряжения конденсаторов (рисунок 3).
Рисунок 3 – Эквивалентная схема замещения молока, находящегося между обкладками ИПП, как диэлектрика сложного состава с различными механизмами поляризации Здесь емкость С0 соответствует собственной емкости измерительной ячейки ИПП. Остальные емкости и активные сопротивления характеризуют различные механизмы поляризации.
Электронная поляризация Сэ представляет собой упругое смещение и дефор мацию электронных оболочек атомов и ионов.
При дипольно-релаксационной поляризации (Сдр и Rдр) дипольные молекулы, находящиеся в хаотическом тепловом движении, частично ориентируются под действием поля, что и является причиной поляризации. Поворот диполей в направлении поля требует преодоления некоторого сопротивления, а потому ди польно-релаксационная поляризация связана с потерями энергии на выделение теплоты. Это отражено на схеме в виде последовательно включенного с конденса тором Сдр активного сопротивления Rдр.
Вся емкость конденсаторов эквивалентной схемы шунтирована сопротив лением Rиз, представляющим собой сопротивление молока току сквозной элек тропроводности.
Процесс поляризации диэлектрика происходит в течение некоторого време ни, поэтому величина поляризации связана с частотой воздействующего перемен ного поля, в связи с чем отдельные составляющие поляризации по-разному отзы ваются на изменение частоты электрического поля. Если электрическое поле со временем изменяется по закону е(t) Еm sin t, (12) то изменение поляризации в изменяющемся со временем электрическом поле описывается уравнением 1 Em sin t 0 Em sin(t ), P(t) 4 4 1 ( ) (13) где первое слагаемое уравнения определяет зависимость от времени безынерци онной поляризации;
второе слагаемое представляет собой зависимость от времени релаксационной поляризации.
Поляризация молока вызывает ток смещения (ток потерь) ( )S S U m( k ) k cos kt 0 (cos kt k sin t ) icм U m( k ) 4d 4d 1 (k ) или I см(k) G( k )U ( k ).
(14) В молоке присутствуют свободные и связанные заряды. Перемещение сво бодных зарядов под действием переменного электрического поля с напряженно стью E образует ток проводимости dQ ic, (15) dt где Q – заряд емкостной ячейки измерительного первичного преобразователя, пропорциональный ее емкости С и напряжению на ней UC, то есть Q CU C. (16) В дифференциальной форме плотность тока проводимости для k-той гармоники пр( k) Е ( k ), (17) где – удельная электропроводность молока, 1 / Ом м.
Для k-той гармоники ток проводимости через емкостную ячейку в символи ческом виде приближенно можно вычислить по выражению I C ( k ) jkCU C ( k ) I C ( k ) e j ( kt / 2). (18) Тогда полный ток для k-той гармоники можно записать в виде C I ( k ) ( jk k ) U ( k ) jkCo U ( k ), o (19) где комплексная относительная проницаемость вещества * j, o (20) где и – соответственно коэффициент потерь и относительный коэффициент потерь.
Для бесконтактного метода измерения электроды емкостной ячейки должны быть покрыты изоляционным материалом. Поскольку молоко не является идеаль ным диэлектриком, то посредством введения Rп в схему замещения учитываются диэлектрические потери в нем. Следовательно, для плоскопараллельной формы ИПП имеем систему из трех последовательно включенных емкостей с эквива лентной емкостью S C экв ( k ) 0 (*k ), d (21) где S и d – площадь электродов емкостной ячейки и расстояние между ними.
Коэффициент (k) зависит от площади электродов S, толщины dИ изоляции, выполненной из материала с диэлектрической проницаемостью И, а также от сте пени заполнения межэлектродного пространства молоком. Для полностью запол ненного измерительного первичного преобразователя без учета искажения элек трического поля на краях электродов И (( 0* k)SRп )2 1 ) ( k ) (. (22) 2d* k )d И ( Поскольку диэлектрическая проницаемость молока изменяется в диапазоне 53…80 и зависит не только от содержания жира, но и от содержания в нем белка, СОМО, солей, то изменение полного тока I(k) через емкость и, соответственно, па дение напряжения на активном сопротивлении u1 будут носить вероятностный характер. Однако из формулы (19) видно, что ток через измерительный первич ный преобразователь и, значит, амплитуды основной и высших гармоник выход ных напряжений будут изменяться по закону близкому к линейному при измене нии содержания жира в молоке.
Таким образом, при изменении содержания жира в молоке изменяется ком * плексная диэлектрическая проницаемость молока, что приводит к изменению выходных напряжений измерительного первичного преобразователя: u1 – на актив ном сопротивлении и u2 – на емкости. И, следовательно, разложив выходные напряжения u1 и u2 в гармонические ряды, по амплитудам и начальным фазам напряжений основной и высших гармоник можно судить о содержании жира в мо локе.
Поскольку как (k), так и *(k) величины вероятностные, а форма электродов может быть иной, то окончательно закономерности изменений характеристик вы ходных электромагнитных сигналов измерительного первичного преобразователя от содержания жира в молоке следует установить в результате экспериментов.
В третьей главе «Программа и методики проведения лабораторных и произ водственных экспериментальных исследований» описаны программа, методики исследований и экспериментальные установки.
Экспериментальные исследования проводили с целями: подтверждения тео ретических положений о связи между содержанием жира в молоке и характери стиками пропущенного через него высокочастотного периодического электромаг нитного сигнала;
проверки предложенного метода определения содержания жира в молоке в статике и динамике;
проверки алгоритма вычислений содержания жи ра в молоке по выходным сигналам ИПП и оценки его чувствительности;
оценки влияния температуры молока, степени заполнения ИПП молоком на результат из мерений;
оценки погрешностей контроля;
производственной проверки устрой ства и алгоритма оценки содержания жира по выходным характеристикам ИПП в условиях молочной фермы.
Для определения влияния содержания жира в молоке на характеристики вы ходных сигналов измерительного первичного преобразователя с выхода генерато ра несинусоидальный периодический сигнал прямоугольной формы с несущей частотой 3 МГц подавали на вход ИПП (рисунок 4). Напряжения на активном со противлении u1 и на емкости u2 записывали на компьютер для последующей об работки и анализа.
u1 u1, u u2 Запись ИПП Генератор Осциллограф u2 в память Рисунок 4 – Функциональная схема лабораторного эксперимента В четвертой главе «Результаты лабораторных и производственных экспери ментов» приведены результаты экспериментальных исследований.
На рисунке 5 показан фрагмент записи входного напряжения u, подаваемого на ИИП (канал В), и выходного напряжения u1 на активном сопротивлении ИИП (канал А). Экспериментальные кривые напряжений u1 и u2 разложены в гармони ческие ряды (рисунок 6).
Рисунок 5 – Фрагмент записи Рисунок 6 – Преобразование Фурье входного и выходного напряжений с помощью прикладных программ измерительного первичного цифрового осциллографа преобразователя на цифровом АКТАКОМ осциллографе АКТАКОМ На рисунках 7 и 8 представлены полученные по результатам обработки ос циллограмм значения амплитуд напряжений гармоник выходных сигналов U1m(k) и U2m(k) при различном содержании жира в молоке для всего массива эксперимен тальных данных (k – номер гармоники), а на рисунке 9 – экспериментальные зави симости амплитуд основной гармоники напряжения U1m(1) от содержания жира в молоке для десяти коров.
Амплитуды гармоник выходного напряжения U1m(k), В Содержание жира в молоке, % Рисунок 7 – Значения амплитуд гармоник выходного напряжения U1m(k) при различном содержании жира в молоке Амплитуды гармоник выходного напряжения U2m(k), В Содержание жира в молоке, % Рисунок 8 – Значения амплитуд гармоник выходного напряжения U2m(k) при различном содержании жира в молоке В результате экспериментов установлено следующее. С изменением содер жания жира в молоке в диапазоне от 1 до 6 % амплитуды основной U1(1)max, треть ей U1(3)max и пятой U1(5)max гармоник напряжений на активном сопротивлении из мерительного первичного преобразователя уменьшаются, а значения основной U2(1)max, третьей U2(3)max и пятой U2(5)max гармоник напряжения на емкости увеличи ваются. Амплитуды напряжений второй и четвертой гармоник мало изменяются и имеют значительный разброс значений напряжений (до 0,5 В).
Начальные фазы напряжений u1(k) не коррелируют с жирностью, и в даль нейшем фазочастотные характеристики не рассматривались.
Экспериментальные данные проверены на соответствие их нормальному закону распределения. Рассчи танные коэффициенты корре Амплитуда напряжения, В ляции между амплитудами ос новной, третьей и пятой гар моник выходных напряжений и содержанием жира в молоке принимают значения от 0,93 до 0,98. По критерию Стьюдента коэффициенты корреляции значимы для 5% уровня зна чимости.
Определены средние зна чения амплитуд напряжений гармоник, дисперсии, средние квадратические отклонения Содержание жира, % для сечений разного содержа Рисунок 9 – Экспериментальные зависимости ния жира в молоке. Статисти амплитуд основной гармоники выходного ческая значимость влияния со напряжения u1 от содержания жира в молоке держания жира на амплитуды для десяти коров напряжений гармоник прове рена по критерию Фишера. Отношение общей дисперсии к дисперсиям по сече ниям выходных напряжений U1m(k) лежит в пределах от 5 до 40, U2m(k) – от 8 до в диапазоне изменения содержания жира от 1,5 до 5,5%, при критическом значе нии критерия Фишера 3 для 5% уровня значимости.
При проверке воспроизводимости экспериментальных данных для амплитуд напряжений основной, третьей и пятой гармоник выходного сигнала на активном сопротивлении получены следующие значения критерия Кохрена: 0,2046;
0, и 0,1786 соответственно, а для амплитуд напряжений основной, третьей и пятой гармоник выходного сигнала на емкости получены значения критерия Кохрена:
0,2138;
0,088 и 0,129 соответственно. Критическое значение составляет 0,2659.
Значения критерия позволяют сделать вывод о воспроизводимости опытов и до стоверности их результатов.
Проведенный эксперимент по определению влияния степени заполнения из мерительного первичного преобразователя молоком, как и предполагалось, пока зал сильную зависимость напряжений гармоник от степени заполнения емкостной ячейки молоком. Чувствительность измерительного первичного преобразователя при коэффициентах заполнения 0,25;
0,5;
0,75 и 1 равна 0,24;
0,29;
0,30 и 0,45 со ответственно. Таким образом, наибольшая чувствительность обеспечивается при полностью заполненном преобразователе.
Результаты эксперимента по оценке влияния температуры молока на выход ной сигнал ИПП показали, что температура молока в диапазоне от 27 до 38 оС не влияет на значения амплитуд напряжения гармоник выходного сигнала.
Поскольку изменение содержание жира в молоке приводит к изменению ам плитуд сразу нескольких гармоник выходных напряжений, изучена возможность оценки содержания жира в молоке с помощью комплексного показателя Y. Уста новлено, что для контроля содержания жира в молоке наибольшую чувствитель ность и наименьшую погрешность измерительного первичного преобразователя обеспечивают комплексные показатели Y: произведение амплитуд напряжений основной, третьей и пятой гармоник (1,5 и 5;
абсолютная погрешность составляет 0,4%) и квадрат произведения указанных гармоник (15 и 1150;
абсолютная по грешность составляет 0,35%).
Результаты экспериментов по изучению влияния величины разрежения на выходной сигнал измерительного первичного преобразователя позволяют сделать вывод об отсутствии влияния данного фактора на результат измерений содержа ния жира в молоке, так как изменение величины разрежения от 46 до 54 кПа при водит к изменению среднего значения амплитуд основной, третьей и пятой гар моник выходного сигнала u1 на 3,7%, амплитуд основной, третьей и пятой гармо ник выходного сигнала u2 – на 2,7%.
Изменение расхода молока от 15 до 65 мл/с приводит к изменению среднего значения амплитуд основной, третьей и пятой гармоник выходного сигнала u1 на 3,7%, амплитуд основной, третьей и пятой гармоник выходного сигнала u2 –на 3,2%.
Производственная проверка устройства и алгоритма экспресс-анализа содер жания жира в молоке в потоке проводилась на МТФ ОПХ «Экспериментальное»
Зерноградского района Ростовской области. Записаны временные диаграммы из менения выходных сигналов ИПП при доении 19 коров черно-пестрой породы.
Температура воздуха окружающей среды составляла 19 оС в утреннее доение, и 32 оС – в вечернее.
На рисунках 10 и 11 представлены зависимости изменения комплексного по казателя Y во времени в течение трех последовательных утренних доений (1, 2, 3) и соответствующие им зависимости содержания жира в молоке в течение всего времени доения коровы № 270.
Производственная проверка подтвердила, что единичного измерения содер жания жира в молоке в течение всего доения недостаточно, так как молоко каж дой минуты доения имеет разное содержание жира, молоко утреннего и вечернего удоев также имеет различное содержание жира, содержание жира в молоке теку щего утреннего доения отличается от предыдущего утреннего доения. Обработка результатов измерений содержания жира в молоке по испытуемой группе коров показала, что средняя погрешность экспресс-анализа содержания жира в молоке по группе из 19 коров составила 0,25% жира.
Комплексный показатель Y Время, с Рисунок 10 – Изменение комплексного показателя Y во время трех последовательных утренних доений коровы № Содержание жира, % Время, с Рисунок 11 – Изменение содержания жира в молоке во время трех последовательных утренних доений коровы № Абсолютные погрешности по жиру, полученные в результате производствен ной проверки, позволяют утверждать о достаточной для практических целей по грешности измерений и возможности использовать предлагаемый метод контроля содержания жира в молоке в процессе доения на автоматизированных доильных установках с системой автоматизированного мониторинга, а также для исследова тельских целей.
По результатам лабораторных и производственных экспериментов уточнен алгоритм оценки содержания жира в молоке по интегральному показателю, учи тывающему изменение содержания жира в течение всего доения. Для этого ис пользуется информация об интенсивности молоковыведения, поступающая па раллельно информации о содержании жира в базу данных по каждой доле вымени в системе автоматизированного мониторинга. При отклонениях в содержании жира результаты экспресс-анализа доводятся до зоотехнической службы и руко водителя предприятия.
В пятой главе «Экономическая эффективность использования контроля со держания жира в молоке» представлено технико-экономическое обоснование применения предложенного метода и способствующих его реализации техниче ских средств в системе автоматизированного мониторинга фермы на 200 коров при доении на установке УДМ-12Е (типа «Елочка»). Расчеты подтвердили целе сообразность их применения. Чистый дисконтированный доход за семь лет экс плуатации может составить 75405 рублей.
ВЫВОДЫ 1. Эффективность автоматизированного мониторинга молочной фермы можно повысить введением контроля содержания жира по выходным характеристикам высокочастотных периодических электромагнитных сигналов, пропускаемых через движущееся молоко каждой доли вымени в процессе доения, и последующего экс пресс-анализа нарушений функции вымени, основанного на вычислении отклоне ний содержания жира в молоке текущего доения от аналогичных показателей предыдущих двух доений. Отклонение содержания жира на 0,5% и более свиде тельствует о возможных нарушениях в кормлении, содержании животного или его физиологическом состоянии.
2. При изменении содержания жира от 1 до 6% в молоке, находящемся в ем костной ячейке измерительного первичного преобразователя, на который подает ся несинусоидальный периодический сигнал в виде прямоугольных импульсов частотой 3 МГц, амплитуды нечетных гармоник выходных напряжений, снимае мых с активного сопротивления и емкостной ячейки, изменяются по закону близ кому к линейному.
3. В диапазоне содержания жира от 1 до 6% изменение температуры от 27 до о 38 С не влияет на значения амплитуд напряжений гармоник выходного сигнала.
Изменения расхода молока в диапазоне 15…65 мл/с и разрежения воздуха в диапа зоне 46…54 кПа вносят погрешности в вычисления амплитуд напряжений на ак тивном сопротивлении и емкостной ячейке измерительного первичного преобразо вателя основной, третьей и пятой гармоник, не превышающие 4%.
4. Эквивалентное содержание жира в порции молока в течение времени кон троля 0,005 с можно оценить с абсолютной погрешностью 0,35% по комплексному показателю Y, вычисленному по амплитудам основной, третьей и пятой гармоник выходного напряжения измерительного первичного преобразователя. Оценку со держания жира в удое данной доли вымени следует проводить по интегральному показателю, учитывающему изменения содержания жира и скорости молоковыве дения в течение всего доения, параллельно фиксируемых по каждой доле вымени в базе данных системы автоматизированного мониторинга, а экспресс-анализ нару шений функции вымени – путем сравнения полученных значений содержания жи ра и удоя молока по долям вымени с аналогичными значениями предыдущих доек данной коровы.
5. Производственная проверка измерительного первичного преобразователя на МТФ ОПХ «Экспериментальное» Зерноградского района Ростовской области подтвердила его работоспособность со средней погрешностью оценки содержания жира 0,25%.
6. Применение экспресс-анализа функции вымени коров в системе автомати зированного мониторинга позволяет повысить качество производимого молока.
Общая экономия в год от внедрения результатов исследования может составить 24891 рублей на одну доильную установку УДМ-12Е (типа «Ёлочка») с системой идентификации на 200 голов в ценах 2010 года.
Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:
– в изданиях, рекомендованных ВАК:
1. Чмелва, Е.Н. Пути совершенствования автоматизированного доильного обо рудования / О.Б. Забродина, О.И. Мартыненко, Е.Н. Чмелва // Технологии и ме ханизация агропромышленной сферы / Известия высших учебных заведений. Се веро-Кавказский регион. – Зерноград, 2005. – С. 52–56.
2. Чмелва, Е.Н. Устройство для контроля / С.А. Моренко, Е.Н. Чмелва // Сель ский механизатор. –2007. – № 12. – С. 35.
3. Чмелва, Е.Н. Аппаратно-программный комплекс системы производства молока сельскохозяйственного предприятия / О.Б. Забродина, В.Н. Литвинов, С.А. Морен ко, О.И. Кучеренко, Е.Н. Чмелва, // Труды Кубанского государственного аграрно го университета. – Краснодар, 2008. – №1. –С. 64–66.
4. Система мониторинга энергозатрат предприятия по производству молока. Модуль взаимодействия с датчиком жирности молока: свид. 2011613253 / В.Н. Литвинов, Е.Н. Таран;
заявитель и правообладатель ФГОУ ВПО АЧГАА. – № 2011613253;
за явл. 02.03.11;
опубл. 26.04.11.
– в сборниках научных трудов и научно-практических журналах:
5. Чмелва, Е.Н. К обоснованию разработки системы автоматизированного доения коров с контролем нарушения функции вымени / О.Б. Забродина, Е.Н. Чмелва // Электротехнологии и электрооборудование в сельскохозяйственном производ стве: сборник научных трудов / ФГОУ ВПО АЧГАА. – Зерноград, 2005. – Выпуск 5. – Том 1. – С. 121–125.
6. Чмелва, Е.Н. Анализ показателей качества молока, методов и средств их кон троля/ О.Б. Забродина, Е.Н. Чмелва // Электротехнологии и электрооборудование в сельскохозяйственном производстве: сборник научных трудов / ФГОУ ВПО АЧГАА. – Зерноград, 2005. – Выпуск 5. – Том 2. – С. 36–40.
7. Чмелва, Е.Н. К созданию адаптивного электрооборудования для доения коров / О.Б. Забродина, О.И. Мартыненко, Е.Н. Чмелва // Ресурсосберегающие техно логии и технические средства в животноводстве: сборник научных трудов / ГНУ ВНИПТИМЭСХ. – Зерноград, 2005. – С. 204–210.
8. Чмелва, Е.Н. Результаты исследования прохождения электромагнитного излу чения в оптическом диапазоне длин волн через слой молока/ О.Б. Забродина, Е.Н. Чмелва // Инновационные процессы в развитии животноводства: исследова ниия, реализация, анализ: сборник научных трудов / ГНУ ВНИПТИМЭСХ. – Зер ноград, 2006.– С. 101-107.
9. Чмелва, Е.Н. Влияние некоторых показателей молока на интенсивность его люминесценции в оптическом диапазоне длин волн / О.Б. Забродина, Е.Н. Чмел ва // Инновационные процессы в животноводстве на современном этапе: сборник научных трудов / ГНУ ВНИПТИМЭСХ. – Зерноград, 2007. – С. 97–101.
10. Чмелва, Е.Н. Оценка влияния состава молока на его оптические свойства / Е.Н. Чмелва // Электротехнологии и электрооборудование в сельскохозяй ственном производстве: сборник научных трудов / ФГОУ ВПО АЧГАА. – Зерно град, 2007. – Выпуск 7. – Том 1. – С.159–163.
11. Таран, Е.Н. Результаты исследования емкостного датчика контроля содержания жира в молоке / Е.Н. Таран // Физико-технические проблемы создания новых эко логически чистых технологий в агропромышленном комплексе: сборник научных трудов / ФГОУ ВПО СтГАУ. – Ставрополь, 2009. – С. 199–202.
12. Таран, Е.Н. О способе измерений содержания жира в молоке/ О.Б. Забродина, Е.Н. Таран, С.А. Моренко, А.А. Таран // Вестник аграрной науки Дона. Механи зация и электрификация животноводства, растениеводства: сборник научных тру дов / ФГОУ ВПО АЧГАА. – Зерноград, 2010. – Выпуск 2. – С. 34–38.
ЛР 65-13 от 15.02.99. Формат 6084/ Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 178.
РИО ФГОУ ВПО АЧГАА 347740, г. Зерноград, Ростовская обл., ул. Советская, 15.