[发明专利]用于乳液实时流速计量的红外流量计

说明书

本发明公开了一种用于乳液实时流速计量的红外流量计，涉及乳液实时流速检测设备领域，本发明采用非接触式红外流量计的结构，选择波长为820nm的红外发射管作为红外发射器，使其既能精确检测大颗粒的牛奶、水牛奶流量，又能精确检测小颗粒的羊奶、骆驼奶流量，应用更加广泛；重新设计了乳液流量的计算算法，采用分段线性拟合的方式，计量精确，牧场实际称量数据与流量计计量数据之间的平均误差≤5%，完全能够满足牧场误差≤10%的生产需要，使用普通单片即可实现，既解决了原有非接触式红外流量计计量误差大的问题，又无需承担更换带有浮点运算功能的微处理器带来的高于原价数倍的制作成本，低成本获得高性能，适合大规模推广应用。

技术领域

本发明涉及乳液实时流速检测设备领域，具体的说是一种用于乳液实时流速计量的红外流量计。

背景技术

目前在奶牛养殖领域中普遍采用差异化精准养殖方式，即根据奶牛产奶量的不同投放不同配方的饲料进行喂养。对于高产奶量的优质高产奶牛投放高价格的精饲料进行喂养，对于平均产奶量的普通奶牛投放价格成本略低的普通饲料进行喂养，对于产奶量较少的病奶牛或等待处理的劣质奶牛则投放价格成本更低的饲料进行喂养。差异化精准养殖方式能够有效提高奶牛养殖的投入产出比，饲料的转化率高，经济效益显著。

差异化精准养殖方式的关键点在于精确的测量出每一头奶牛的产奶量，急需高精度的牛奶流量计完成这项功能。现有的国产牛奶流量计工作原理均为接触式，其中以涡轮式和容积式为主。因牛奶富含脂肪和蛋白质等营养成分，容易在接触面形成沉积奶垢难以清洗，会导致细菌滋生严重影响牛奶的质量。

非接触式计量方式在输奶管道两侧分别安装发射/接受器，利用光、红外线、超声波等发射信号穿过奶液时产生的强度(或幅度)衰减或者频移等变化，可以推算出管道中浓度相同的奶液厚度，然后综合管道的尺寸和形状以及奶液的流速等信息即可换算出奶液的流量。这种测量方式不需要接触奶液即可实现精确计量，不存在活动部件无需维护，具有安装方便、结构简单、免维护、牛奶卫生质量高、计量准确等优点，是未来牛奶计量发展的方向。

目前为止，国内外已有多家公司和科研机构开展了相关的研究工作并取得了一定的成果。国内以山东农业大学、河北农业大学、内蒙古大学和东南大学等高校为主，分别研制成功以红外线/超声波为信号的非接触式牛奶流量计。国外公司如利拉伐、阿菲金等也各自开发出了自己的非接触式牛奶流量计，性能与国内高校的基本一致。

虽然国内外已研发出多种非接触式牛奶流量计,但是它们都存在一定的问题,均需要做重大改进才能满足实际需要。以山东农业大学王明江基于近红外线牛奶流量实时检测系统为例，其在实验室中测量结果极好(误差在4％左右)，但是进入牧场后实际挤奶4次的误差已达8％左右，而根据我们对150头奶牛累计多次在牧场实地测量的结果，实际误差在15％左右。国外公司的产品同样是在设备优良的牧场对训练良好的奶牛测量误差较小，在负压不稳或经常被奶牛踩掉挤奶器的牧场中也是测量误差较大。

以山东农业大学王明江基于近红外线牛奶流量实时检测系统为例，牛奶流量计算公式是直接将管道中牛奶的横截面积S与一个确定的流速值V相乘得到瞬时流量值q,再通过累加求和得到单头奶牛的总产奶量Q。通常情况下，在较细的管道中且流速较慢的条件下，基本上都是这样计算水、油、奶等各种液体流量。这种计算方法的优点是简单、快速，缺点是精确度不很高。而牛奶在管道中实际的流速分布比较复杂，单一的流速值V不能准确的反应牛奶的实际流速。牛奶进入挤奶器后，处于负压状态向前流动，经U形管后牛奶处于塞状流状态。在进入流量计后，奶流先是处于入口效应(因胶管套接产生的变径所导致)，然后处于短暂的旋涡状态。因为牛奶含有脂肪和蛋白质等高分子颗粒，在流动过程中存在内部摩擦力。在负压、重力、内部摩擦力和管道表面摩擦力的联合作用下，牛奶处于完全湍流状态。到目前为止尚未有关于湍流流速分布的理论推导公式，现有的只是根据实践经验总结出来的近似流速分布公式。