CC BY
56
УДК 637.116:681.121.8
ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СХЕМА И АЛГОРИТМ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ДАТЧИКА-СЧЕТЧИКА ПОТОКА И ИНДИВИДУАЛЬНЫХ НАДОЕВ МОЛОКА, УДОВЛЕТВОРЯЮЩЕГО ТРЕБОВАНИЯМ ICAR
Ю.А. Цой, член-корреспондент РАН, зав. отделом В.В. Кирсанов, доктор технических наук, зав. лабораторией E-mail: kirvv2014@mail.ru Д.Ю. Павкин, аспирант
Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства E-mail: femaks@bk.ru
Аннотация. Проанализированы существующие способы и устройства, рассмотрены направления исследований и дальнейшего совершенствования камерных датчиков-счетчиков, совмещающих функции потокомера и измерителя индивидуальных надоев молока для управления доильным аппаратом и молочной фермой в целом. В настоящее время на отечественных доильных установках в основном применяются пропорциональные механические счетчики молока типа УЗМ-1, поплавковые пневмодатчики или лотковые автоматические датчики-счетчики весового типа (на установках типа «Елочка»). Для линейных установок у нас нет автоматического датчика-счетчика, что сдерживает их модернизацию. В результате проведенного анализа счетчиков-датчиков молока за основу для последующих исследований был выбран проточно-камерный преобразователь, используемый в доильном аппарате «Дуовак-300» или «Нурлат» отечественного производства с дальнейшей модернизацией под ранее разработанный нами алгоритм измерения. Предлагаемый счетчик-датчик был проверен на колебания вакуумного режима; по требованиям ICAR допустимые колебания не должны превышать ±3kPa. При помощи прибораpulsotest фирмы SAC были записаны колебания вакуума (максимальные и минимальные) за одну минуту на разных скоростях молокоотдачи, которую регулировали дросселями разного диаметра; расхождения получились в пределах нормы (156). Были проведены испытания счетчика с уточненным алгоритмом измерения на лабораторном стенде, включающем имитатор вымени, емкость, установленную на весы, и фрагмент доильной установки. Скорость молокоотдачи регулировали в пределах от 1 до 6 л/мин. Результаты исследований показали, что погрешность не превышает 5% при скорости потока 5л/мин, что удовлетворяет предъявляемым требованиям.
Ключевые слова: погрешность измерения, счетчик-датчик молока, молоковоздушная смесь, пенообразование, скорость молокоотдачи.
Введение. Доильная машина взаимодействует в процессе доения непосредственно с живым организмом на основе обратной связи, строящейся, как правило, на измерении интенсивности молокоотдачи животного. Поэтому задача совершенствования счетчиков-датчиков молока является актуальной в связи с появлением новых автоматов доения и необходимости настройки режимов их работы адекватно физиологическому состоянию животных [1].
К потокомерам предъявляют достаточно жесткие требования: относительная погрешность измерения не более 5%; устройство не должно влиять на вакуумный режим и хоро-
шо очищаться при циркуляционной промывке; съем информации должен обеспечиваться электронным способом с возможностью цифровой обработки [3,4]. Анализ устройств для измерения количества жидкости, газа и пара в других отраслях производства [5,6] показал, что ни один из известных классов учетных приборов не пригоден для использования в поточно-технологической линии доения в связи с особыми условиями: наличие двухфазных молоковоздушных потоков и случайный характер их изменения; интенсивное многократное механическое воздействие на молоко, сопровождающееся обильным пенообразованием [2].
Методы исследований. Исследования основных параметров разрабатываемого устройства проводили в соответствии с требованиями международного стандарта ИСО «Установки доильные для коров. Конструкция и техническая характеристика».
Классификация современных типов оборудования включает следующие виды устройств регистрации молока:
1. Пропорциональные счетчики, отбирающие определенную порцию от всего надоя в измерительную колбу с визуальным контролем уровня молока или путем передачи через электроды на цифровой дисплей.
2. Счетчики, определяющие порции постоянной массы или объема путем разделения потока на элементарные порции и их суммирования механическим или электронным дисплеем. Счетчики постоянного объема с одиночной или составной измерительной камерой измеряют уровень молока поплавком или сенсорными электродами, связанными с клапаном или электрическим мотором, отображая надой на цифровом дисплее.
3. Счетчики, определяющие порции переменного веса, отражают скорость молоко-отдачи, а количество молока подсчитывает-ся измерением времени прохождения молочного потока.
4. Измерители скорости молокоотдачи, основанные на измерении гравитационных сил, возникающих при изменении направления потока молока. Расчеты надоя основываются на вращательном моменте.
5. Измерители текущего уровня определяют скорость потока в соответствии с уровнем молока в разделительной камере, а количество молока получают интегрированием скорости потока по времени.
Экспериментальная база, ход исследований. В настоящее время на отечественных доильных установках в основном применяются пропорциональные механические счетчики молока типа УЗМ-1, поплавковые пнев-модатчики или лотковые автоматические датчики-счетчики весового типа (на установках типа «Елочка»). Для линейных установок у нас нет автоматического датчика-
счетчика, что сдерживает их модернизацию. Некоторые фирмы (Де Лаваль, ГЕА ФАРМ Технолоджиз и др.) предлагают использовать переносные (передвижные) доильные аппараты с инфракрасными, электродными и другими устройствами, которые имеют малые габариты и не создают препятствий измеряемому потоку, однако значительная стоимость и высокая погрешность измерений (до 10-12%) ограничивают эффективность их применения. К тому же большинство из них не измеряют поток, а сигнализируют его предельное состояние (да-нет) с последующим отключением доильных стаканов.
В доильных залах для получения более точной информации об индивидуальных надоях молока могут использоваться порционные камерные молокомеры, которые имеют более сложную конструкцию, большую массу и габариты, однако это не является критичным для данных систем доения.
Поэтому задача создания усовершенствованного камерного датчика-счетчика предполагает его актуализацию в части применения как в переносных автоматизированных доильных аппаратах для доения коров в стойлах, так и в доильных залах. При этом счетчик-датчик должен иметь небольшую массу и габариты, приемлемую погрешность измерения потока молока для управления доильным аппаратом, а также регистрировать и передавать сведения по индивидуальным надоям в АСУ фермы (рис. 1).
В результате проведенного анализа счетчиков-датчиков молока за основу для последующих исследований был выбран проточно-камерный преобразователь, используемый в доильном аппарате «Дуовак-300» или «Нурлат» отечественного производства, с дальнейшей модернизацией под ранее разработанный нами алгоритм измерения [2].
В качестве основных задач исследований следует отметить:
- исследование и установление закономерностей динамики пульсирующих двухфазных молоковоздушных потоков в доильном аппарате с разработкой методов, алгоритмов и технических средств их контроля, измерения и управления;
Journal of VNHMZH №1(17)-2015
93
Рис. 1. Технологическая схема счетчика-датчика потока молока 1 - корпус стакана; 2 - приемный патрубок; 3 - выходной патрубок; 4 - успокоитель потока; 5 - полый шток-клапан; 6 - пазы-проходы; 7 - кольцевой магнит; 8 - электромагнитная катушка; 9 - поплавок; 10 - плоский магнит; 11 - направляющие стойки; 12 - контроллер доения;
13 - нижний датчик Холла;
14 - верхний датчик Холла
- разработка алгоритма управления f процессом доения при изменяющихся те- * кущих значениях величины молочного потока по отдельным четвертям вымени с разработкой алгоритма и мехатронных средств его реализации на основе синхронизации физиологически безопасного выдаивания и отключения от вакуума отдельных долей вымени.
Результаты исследований. Предлагаемый счетчик-датчик был проверен на колебания вакуумного режима (рис. 2), по требованиям ICAR допустимые колебания не должны превышать ±3kPa. При помощи прибора pulsotest фирмы SAC были записаны колебания вакуума (максимальные и минимальные) за одну минуту на разных скоростях молокоотдачи, которую регулировали дросселями разного диаметра; расхождения получились в пределах нормы.
В известном способе измерения количества молока в потоке [2] количество молока определяется по формуле:
Q = у (£н±£п} (1)
41 40,5 40 39,5 39 38,5 38 37,5 37 36,5 36
-min, kPa max, kPa
3,9
Скорость потока
Рис. 2. Изменение вакуумного режима в зависимости от скорости молокоотдачи
При этом объем регулируемой массы молока в молокоприемнике Ур принят в качестве постоянной величины, однако в процессе исследований было установлено, что данная величина не остается постоянной (рис. 3) и растет с увеличением скорости молочного потока. Полученное уравнение регрессии можем подставить в формулу (1):
С = 0Д269Х0'037 X (2)
Рис. 3. Зависимость цикловой порции молока от скорости молокоотдачи
1,3
2,9
4,6
6,5
Были проведены лабораторные испытания по уточненному алгоритму для проверки погрешности измерений, которая, по требованию 1СЛЯ, не должна превышать 5%. Измерения проводили на лабораторном стенде, включающем имитатор вымени, емкость, установленную на весы, и фрагмент доильной установки с испытываемым устройством. Скорость молокоотдачи регулировали в пределах от 1 до 6 л/мин, определяя разность показаний весов в начале и конце, а также время опыта. С контроллера доения снимались показания по измерению количества молока. В результате исследований (рис. 4) погрешность не превышает 5% при скорости потока 5 л/мин, что удовлетворяет предъявляемым требованиям.
* з
Рис. 4. Зависимость погрешности от скорости молокоотдачи
Выводы. Таким образом, предлагаемый датчик-счетчик молока, ввиду малых габаритов, может использоваться для измерения потока и количества молока при управлении процессом доения на автоматизированных доильных установках как при доении в залах, так и на линейных установках в составе автоматизированных доильных аппаратов.
Литература:
1. Методы и модели создания новых типов автоматизированных и роботизированных доильных аппаратов / Кирсанов В.В. и др. // Энергосбережение и энергообеспечение в сельском хозяйстве. 2012. Т. 3. С. 8-15.
2. Способ измерения количества молока в потоке: пат. / Цой Ю.А. и др. Опубл. 03.07.00.
3. Кирсанов В.В., Игнаткин И.Ю. Обоснование адаптивного алгоритма измерения молока от доильного аппарата // Агрожурнал МГАУ. 2011. №16.
4. Универсальное устройство для индивидуального разделения молока в потоке: пат. Опубл. 10.10.14.
5. Расходомеры и счетчики количества. Л., 1989.
6. Микропроцессоры и управление потоками жидкости и газа. М.: Наука, 1984.
Literatura:
1. Metody i modeli sozdaniya novyh tipov avtomatizirovan-nyh i robotizirovannyh doil'nyh apparatov / Kirsanov V.V. i dr. // Ehnergosberezhenie i ehner-goobespechenie v sel'skom ho-zyajstve. 2012. T. 3. S. 8-15.
2. Sposob izmereniya koliche-stva moloka v potoke: pat. / Tsoi Y.A. i dr. Opubl. 03.07.00.
3. Kirsanov V.V., Ignatkin I.Y. Obosnovanie adaptivnogo algoritma izmereniya moloka ot doil'nogo apparata // Ag-rozhurnal MGAU. 2011. №16.
4. Universal'noe ustrojstvo dlya individual'nogo razdele-niya moloka v potoke: pat. Opubl. 10.10.14.
5. Raskhodomery i schetchiki kulichestva. L., 1989.
6. Mikroprocessory i upravlenie potokami zhidkosti i gaza. M.: Nauka, 1984.
л
V, НГ'МИН
TECHNOLOGICAL SCHEME AND ALGORITHM OF THE FLOW AND INDIVIDUAL MILK YIELDS' SENSOR AND COUNTER FUNCTIONING THAT MEET THE ICAR REQUIREMENTS Y.A. Tsoi, corresponding member of the Russian Academy of Sciences, Head. department V. V. Kirsanov, PhD, Head. laboratory D.Y. Pavkin, a graduate student
All-Russian Research Institute for Electrification of Agriculture
Abstract. Existing methods and devices are analyzed, the directions of research and further chamber of sensors and counters development, combining the functions of the flowmeter and the milking machine control measurer for individual milk yields and whole dairy farm management are discussed. At present, the national milking machines mainly use proportional mechanical milk counters of type UZM-1, the float pneumatici sensors or tray automatic weight type counters (for "Elochka" units type). We've no automatic sensor-counter for linear installations, that hinders their modernization. As a result of the milk sensors and counter analysis, as the subsequent studies basis was selected flow-chamber conventer, used in "Duovac-300" milking apparatus or national industrial product "Nurlat" with further modernization under our developed previously algorithm. The proposed counter and sensor was checked as vacuum fluctuations mode, so ICAR requirements permissible variations shall not exceed ± 3kPa. By the firm SAC pulsotest device, were recorded vacuum fluctuation (maximum and minimum) in one minute, at different milk flow speeds, which by the chokes of different diameter was regulated, the differences turned out to be within normal limits (156). Counter and sensor tests were held for algorithm refining on a laboratory bench, including udder imitator, the installed scales capacity and a milking machine fragment. Milking speed was regulated in the range from 1 to 6 liter/min. The results of research showed that the error does not exceed 5% at a _ flow rate of 5liter/min, that satisfies the requirements.
Keywords: measurement error, the milk sensor and counter, airmilk mixture, foam appearance, milking .speed.
Journal of VNIIMZH №1(17)-2015
95
