阅读说明：本技术 用于测量奶中脂肪的方法及设备 (Method and apparatus for measuring fat in milk ) 是由 斯特凡·普夫吕格尔 沃尔夫冈·德拉赫姆 朱浩 于 2018-12-10 设计创作，主要内容包括：一种用于连续确定具有可变固体分数并且在管线中流动的有可变气体含量的奶的脂肪含量的方法和系统(400),包括：基于布置在管线(410)中的密度计(430)的测量管的至少两个弯曲振动期望模式的本征频率,查明在管线中流动的奶的声速值和平均密度值；借助连接到管线的压力传感器(440)来查明管线中的静压力值；基于声速值、平均密度值和压力值来查明气体体积分数值；基于平均密度值和气体体积分数值来查明在管线中流动的没有气体含量的奶的密度值；借助布置在管线中的微波传感器(420),基于测量奶中微波的传播速度和/或吸收中的至少一种,来查明在管线中流动的奶的介电常数值；以及,基于管线中流动的没有气体含量的奶的密度值和有效介电常数值来计算脂肪分数。(A method and system (400) for continuously determining the fat content of milk having a variable gas content and flowing in a pipeline with a variable solids fraction, comprising: ascertaining a sound velocity value and an average density value of milk flowing in the pipeline based on eigenfrequencies of at least two expected modes of bending vibrations of a measuring tube of a densitometer (430) arranged in the pipeline (410); ascertaining a static pressure value in the pipeline by means of a pressure sensor (440) connected to the pipeline; ascertaining a gas volume fraction value based on the sound velocity value, the average density value, and the pressure value; ascertaining a density value of the milk flowing in the pipeline without the gas content based on the average density value and the gas volume fraction value; ascertaining a value of a dielectric constant of the milk flowing in the pipeline based on measuring at least one of a propagation velocity and/or an absorption of microwaves in the milk by means of a microwave sensor (420) arranged in the pipeline; and calculating the fat fraction based on the density value and the effective dielectric constant value of the milk flowing in the pipeline without the gas content.)

用于测量奶中脂肪的方法及设备

技术领域

本发明涉及一种用于乳脂测量的方法和设备：

背景技术

奶和由其获得的中间体可以被描述为各种成分，主要是水、乳脂和固体的混合物，其中固体基本上包含蛋白质、碳水化合物(其中尤其是乳糖)和少量矿物质。

在从原料奶并且延伸到奶产品制造的加工链中，这些成分的百分比是用于控制过程、进行过程和质量检查以及平衡产品流的重要参数。通常的实践用于使用实验室样品和标准方法来确定百分比。这意味着仅可以评估少量样品，并且仅在取样后获得具有显著延迟的分析结果。

确实，在红外区域中通过自动采样进行与过程相关的光谱分析是可能的，然而，这首先是非常昂贵的，其次，仅基于在相对大的时间间隔内采集少量样品。因此，对于过程控制，这种分析仅仅是有条件地适用的。

密度测量，例如借助科里奥利流量计，确实适合连续过程监测的在线测量，并且当脂肪、碳水化合物(尤其是乳糖)、蛋白质等的固体百分比的给定比率的假设是合理时，也可以用于确定奶的脂肪含量或固体百分比。随着该假设的有效性的下降，测量结果相应地变得不准确。

用科里奥利流量计确定脂肪含量的另一个困难来自于分布在奶中分布的空气微气泡，这一方面减小了有效密度，并且另一方面由于现在可压缩的奶与测量管相比的振荡，导致流量计的振荡测量管的本征频率与测量管中的被测物质的密度之间的关系改变。用于确定含气液体的成分的科里奥利质量流量计的有限适用性例如在US7,363,800B2中描述。该专利教导了一种装置，该装置首先具有用于查明介质的介电参数的微波传感器，其次是科里奥利质量流量计，第三是用于确定介质的气体成分的独立传感器，以及第四是用于处理不同传感器的信号处理单元。然而，这是复杂且昂贵的设备。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种方法和相应的测量装置，用于在可变固体分数和可变气体含量的情况下也能可靠地、连续地测量奶的脂肪分数。

根据本发明，该目的通过独立权利要求1中限定的方法和独立权利要求8中限定的测量装置来实现。

本发明的用于连续确定具有可变固体分数且在管线中流动的有可变气体含量的奶的脂肪含量的方法，包括：

基于布置在管线中的密度计的测量管的至少两个弯曲振动期望模式的本征频率，查明管线中流动的奶的声速值和平均密度值；

借助连接到管线的压力传感器来查明管线中的静压力值；

基于声速值、平均密度值和压力值来查明气体体积分数值；

基于平均密度值并且基于气体体积分数值来查明管线中流动的没有气体含量的奶的密度值；

借助布置在管线中的微波传感器，基于测量所述奶中的微波的传播速度和/或吸收中的至少一种，来确定在所述管线中流动的奶的介电常数值；以及

基于在管线中流动的没有气体含量的奶的密度值和有效介电常数值来计算脂肪分数。

在本发明的进一步发展中，奶被建模为三成分系统，其中成分包括脂肪、水和无脂肪固体。

在本发明的进一步发展中，固体包括蛋白质和碳水化合物，其中尤其是乳糖。

在本发明的进一步发展中，将在管线中流动的无气体含量的奶的密度建模为以纯成分的密度值作为加权因子的、包含在奶中的成分的浓度的函数，例如线性函数；其中，考虑气体含量，管线中流动的奶的有效介电常数建模为包含在奶中的成分的浓度和纯成分的介电常数值的函数；并且其中查明所述成分的浓度，这得出所查明的奶的密度值和有效介电常数。

在本发明的进一步发展中，在存在至少一个高于1GHz，尤其高于2GHz，例如2.45GHz的频率的情况下发生确定介电常数。

在本发明的进一步发展中，该方法进一步包括测量在管线中流动的奶的温度；以及查明包含在奶中的成分的密度和/或介电常数的温度相关值。

在本发明的进一步发展中，密度计包括科里奥利质量流量计，其中该方法进一步包括：

查明管线中的质量流量、体积流量和/或脂肪流量。

本发明的用于确定管线中的奶的脂肪含量，尤其是用如前述权利要求中的一项所述的方法的测量装置，包括：

密度计，具有至少一个可振动测量管，其用于基于至少两个弯曲振动期望模式的至少期望模式本征频率来查明包含在测量管中的介质的密度测量值和声速测量值；

压力传感器，其用于测量介质的绝对压力；

微波传感器，其用于查明微波信号在介质中的吸收和/或传播速度；以及

计算机单元，其用于基于密度计、压力传感器和微波传感器的测量值来计算脂肪含量。

在本发明的进一步发展中，密度计、压力传感器和微波传感器安装在管线中。

在本发明的进一步发展中，密度计包括科里奥利质量流量计。

附图说明

现在将基于附图中所示的实施例的示例更详细地解释本发明。附图的图示如下：

图1：本发明的方法的实施例的示例的流程图；

图2：本发明的方法的第一子过程的实施例的示例的更详细流程图；

图3：本发明的方法的第二子过程的实施例的示例的更详细流程图；以及

图4：本发明的设备的实施例的示例的示意图。

具体实施方式

奶的成分基本上可以被概括为四组，即水、脂肪、蛋白质和碳水化合物，其中碳水化合物包括例如超过95％的乳糖和小部分的葡萄糖和半乳糖。此外，根据物理过程条件，尤其是根据现有流动条件，夹杂空气可以以微气泡的形式存在，在分析中需要考虑该微气泡。下表通过示例呈现了成分和空气的物理性质：

通过这些变量的帮助，在每种情况下，根据成分的分数a_i，混合物的有效密度和介电常数如下给出：

ρ_{有空气的奶}＝f((1-a_空气)a_水，(1-a_空气)a_脂肪，(1-a_空气)a_SNF，a_空气)

ε′_eff＝f((1-a_空气)a_水，(1-a_空气)a_脂肪，(1-a_空气)a_SNF，α)

空气分数a_空气可以借助密度计和辅助变量压力来查明，并且在等式中被考虑作为已知参数。这些关系在多种过程的情况下自然也成立，其中空气分数是过程相关的，不存在(a_空气＝0)。

由于碳水化合物和蛋白质的密度以及介电常数几乎相同，因此它们基本上可以毫无疑问地组合为一种成分，无脂肪固体(即Solids-NonFat(SNF))，并通过计算平均密度和介电常数来考虑，这是使用在奶中两种成分的典型混合比例得到的。在牛奶的情况下，根据***，这将是大约58％的碳水化合物(其中96％是乳糖)和42％的蛋白质。

平均密度基本上可以作为单个密度的加权平均值来计算。

为了确定多种成分的混合物中的ε’_eff，典型的混合等式是布鲁格曼公式：

在这种情况下：

ε_MG：ε’_eff

ε_h：基质相(水)介电常数

ε_n：添加剂(脂肪、无脂肪固体、空气)的介电常数

f_n：各种成分的体积分数

[公式取自V.Markel——Introduction to the Maxwell GarnettApproximation(麦克斯韦·加内特近似导论)，Journal of the Optical Society ofAmerican A]

结果：

ρ_奶＝f(a_水，a_脂肪，a_SNF) (等式1)

ε’_eff＝f((1-a_空气)a_水，(1-a_空气)a_脂肪，(1-a_空气)a_SNF，a_空气) (等式2)

其中，a_空气是气体含量的体积分数。

第三个等式由体积分数的总和得到：

a_水+a_脂肪+a_SNF＝1 (等式3)

得到三个具有三个未知数的等式，用这些等式可以在没有其它假设的情况下确定水、脂肪和无脂肪固体的分数。

特别地，密度和介电常数取决于温度，且介电常数取决于测量频率。在上述等式组的解中考虑到材料特性的温度依赖性的温度测量可以实现所需的精度。

如图1所示，方法100开始于确定不含空气分数的奶的密度ρ_奶的第一步骤110。这通过查明平均密度因此查明含有空气的奶的密度ρ_{有空气的奶}，查明空气成分a_空气，并通过去除空气成分以校正密度来执行。

在第二步骤120中，接着确定有效介电常数ε’_eff，这通过测量奶中电磁波的传播特性来实现。

在第三步骤130中，求解等式组等式1、等式2、等式3，以便确定脂肪分数，并且在给定情况下，确定其他成分的分数。

如图2a所示，步骤110细分为以下步骤：

在步骤111中，发生确定科里奥利质量流量测量传感器的f₁-弯曲振动模式和f₃-弯曲振动模式的本征频率，该本征频率在此也应用于密度测量。为此，尤其是可以同时激励f₁-弯曲振动模式和f₃-弯曲振动模式。通过变化激励频率，使振动振幅与模式特定激励功率的比率最大化，可以查明所寻求的本征频率。

基于所查明的本征频率f_i，在步骤112中，初始密度值ρ₁和ρ₃被确定为：

其中c_0i、c_1i和c_2i是模式相关系数。

在步骤113中，发生确定含气液体的声速，并且在给定情况下，确定密度测量的校正项。

然后，在步骤114中，借助声速和压力测量值，计算气体体积分数a_空气，并且计算奶减去空气的密度，如下文更详细地说明。

如图2b所示，步骤113包括确定校正项，首先，在步骤1131中，计算初始密度值的比率V，因此例如，将初始密度值ρ₁和ρ₃相除以形成V：＝ρ₁/ρ₃。

然后，在步骤1132中，确定声速c的值，其与测量的弯曲振动模式的本征频率f₁和f₃在以下等式中得出观察到的初始密度值的比率V：

其中r例如为0.84，b＝1，且g是测量管相关的声速和谐振频率之间的的比例因子，例如，其可以假定值为10/m。满足上述等式的声速值是含气液体的声速的寻求值。

基于所查明的声速值，然后在图2b中的方法的步骤1133中，可以计算谐振器效应的模式特定校正项K_i：

最后，在步骤1134中可以计算含空气的奶的密度值ρ_{有空气的奶}如下：

在步骤114中确定空气分数和计算不含空气的奶的密度在图2C中更详细地示出，并且基于含气液体的声速与附加参数之间的以下关系：

在这种情况下，a_空气是空气体积分数，c_空气是空气中的声速，c_奶是不含空气的奶中的声速，γ是空气绝热系数，p是含空气奶的当前压力，而ρ_奶是不含空气的奶的密度。

含空气奶的密度是各个密度的加权总和。在标准压力下的空气密度例如比纯奶的密度低三个数量级，并且空气的体积分数为几个百分比的数量级内，则含空气的奶的密度可以估算如下：

ρ_{有空气的奶}＝ρ_奶(1-a_空气)+ρ_gα

ρ_{有空气的奶}≈ρ_奶(1-a_空气) (M2)

于是，声速的等式C1可以写为：

通过忽略a_空气中的平方项，得到：

求解a_空气给出了空气体积分数的值

实际上，在与奶加工相关的压力范围内，分母基本上由第三项主导，从而得到以下近似结果：

这里，参考值可用于不含空气的纯奶中的声速c_奶。

如图2c所示，为了在步骤1141中确定空气分数，查明含气液体的压力值，该压力值在测量本征频率f₁和f₃的时间点位于奶中，以便用等式M1，可以查明密度ρ_{有空气的奶}，以及利用等式C1，可以查明含空气的奶的声速c_{有空气的奶}。

对于绝热系数γ，可以认为：

γ＝c_p/c_v＝(f+2)/f，其中，f是气体的分子自由度的数量，例如对于氮气和干燥空气，其在室温下等于1.4。

在步骤1142中，然后基于压力测量值、上述查明的含空气的奶的密度ρ_{有空气的奶}以及上述查明的含空气的奶的声速c_{有空气的奶}，用等式A1计算空气体积分数a_空气。

在步骤1143中，接着计算用于不含空气的奶所寻求的密度ρ_奶：

这提供了第一测量变量，以便求解等式组等式1、等式2、等式3。

现在将描述第二步骤120，其中查明第二测量变量，即相对介电常数。

这样的基础是在以间距d分开的发射天线和接收天线之间的管线中的介质内的电磁波的传播特性(接收信号相对于发射信号的幅度和相位)的测量121。可以用不同频率f的电磁波执行该测量121，使得在122处查明在例如2GHz-4GHz的频带内的频域S(f)中的传递函数。

在实际的测量系统中，测量的频谱S(f)不仅仅包含发射天线和接收天线之间的距离中的(介质相关的)传播特性，而且确实还包含天线的衰减和相位旋转、连接电缆以及过渡位置。在给定的情况下，为此添加了连接电缆区域中多重反射的影响。通过适当的参考测量，可以很大地表征这些影响，并且结果，在123处对测量进行补偿，使得仅保留发射天线与接收天线之间的传递函数的相关部分。

根据使用逆傅立叶变换的传递函数S(f)，在124处可以计算时域中的脉冲响应。由于对受限频带区域的测量，然后这里还存在系统对具有频带受限脉冲的激励的脉冲响应，其形式来自应用于逆傅立叶变换的窗函数的形式。从该延迟脉冲的最大值相对于时间轴的位置，在125处可以查明在所测量的频带受限区域内的组传播时间τ_g。由此，在126处可以以简单的方式估计信号的传播速度：

在许多极性介质中，发生色散(介电常数和传播速度取决于电磁波的频率)。因此，上述估计的平均传播时间在组传播时间的意义上仅有限地适合于直接确定介质特性。为了能够进行精确测量，在127处可以通过计算在测量的频带中作为频率的函数的相位传播时间以利用相位响应：

可通过选择n以使τ_ph和τ_gr之间的偏差最小来移除由中整数n可描述的相位响应的模糊性。以这种方式，在128处，现在相位响应，以及通过

传播速度对频率的精确响应可确定。衰减d的行为直接从S(f)的幅度响应中得知。

根据以下两个等式表示的C和α的现在已知行为，在129处，这些可以直接转换成介质的复值介电常数的物理变量：∈^*＝∈′+j∈″

其中：

ω：角频率(ω＝2πf)

μ：磁导率，μ＝μ₀μ_r

μ₀：磁场常数，

μ_r：相对磁导率

ε₀：电场常数，

现在，通过使用在较早定义的测量频率的值或通过处理等式2中的总测量数据矢量，根据测量确定的∈^*和∈′的值可以在等式2中使用。

基于以上，一切准备就绪，以便求解等式组等式1、等式2、等式3，并因此确定奶中的成分的分数，尤其是脂肪分数。

最后，图4示出了本发明的用于——尤其是借助本发明的方法的——确定乳脂分数的测量装置400。测量装置400包括：安装在管线400中的测量设备，即微波传感器420；用于记录在管线410中流动的介质的密度和质量流量的科里奥利质量流量计430，尤其是具有两个弯曲测量管的科里奥利质量流量计；以及绝对压力传感器440，其具有测量值输出，该测量值输出连接到科里奥利质量流量计的辅助信号输入。测量装置400还包括计算机单元450，该计算机单元450连接到微波传感器420和科里奥利质量流量计430的信号输出。微波传感器420适于基于信号传播时间来记录管线中流动的介质的介电常数值和/或吸收，并将其输出到计算机单元450。科里奥利质量流量计430适于查明除了质量流量

之外的密度、空气分数a_空气和介质温度T，并将这些输出到计算机单元450。计算机单元450适于基于这些输入变量来查明在管线中流动的介质的成分，并且在假定介质是奶的情况下输出该成分。