便攜式牛奶計量取樣器的設計與試驗

高喜銀馬亞賓馬偉男宋強

(1.河北農業大學機電工程學院，河北 保定 071001；2.河北省畜牧良種工作站，河北 石家莊 050000)

引言

目前，奶牛產奶量自動計量技術被國外大企業和研究機構壟斷，如以色列的阿菲金(Afikim)、瑞典的利拉伐(DeLaval)、德國的韋斯伐里亞(Weiss Phalia)、日本的優利農(Unisys Agricultural)等技術和設備[2]。上述國外設備存在價格昂貴、操作繁瑣、移動不便、售后不及時等問題，在國內較大規模的奶牛養殖基地并未大批量引進。而對于較小規模養殖場、養殖散戶使用難度更為巨大，迫使其繼續使用傳統的人工桶裝稱重的計量方式，這種方式雖操作簡單，但存在準確率低、易污染的不足，同時，在取樣環節，采用取樣管桶內取樣的傳統方法，存在生產效率低、取樣工作繁復、樣本單一等問題。

基于此，課題組針對牛奶加工過程中計量與取樣環節，設計了一款便攜式牛奶計量取樣器，并進行樣機試制，于河北省畜牧業協會奶牛生產性能測定(DHI)中心以試驗驗證的方式對牛奶計量取樣器的預設性能進行驗證分析。

1 牛奶加工環節計量取樣的意義

本文所述牛奶是指奶牛產出的生鮮乳，是乳制品生產的原料[3]。在牛奶生產過程中往往需經多重工序對原料奶進行加工，其中，計量和取樣環節是進行奶牛生產性能測定的重要環節。奶牛生產性能測定，即對奶牛泌乳性能及乳成分的測定，是奶牛生產提供基礎數據的主要手段和牛群遺傳改良的基礎，也是提高奶牛生產性能和提高奶牛飼養科技含量的有效措施[4]。

計量是測定每頭奶牛的單日產奶量，快速精準的收集分析產奶量信息對奶牛健康的判斷、疾病防治、飼喂調整等至關重要，是實現奶牛精準飼養的有力依據。取樣是采集原料奶樣本，用于檢測，樣本質量直接影響檢測結果的準確性。通過檢測結果了解奶液中各成分含量，進行產品定價和品質評估，確定奶牛機體能量狀態等，是實現科學養殖的有力保障。

2 便攜式牛奶計量取樣器設計

2.1 整體結構設計

課題組所設計的牛奶計量取樣器結構框圖，如圖1所示。該設備主要由入奶管、出奶管、前處理模塊、計量模塊、取樣模塊以及控制模塊構成。整體來看，新采集的原料奶經入奶管流入、經出奶管流出牛乳計量取樣器，入奶管可連接擠奶器，出奶管可外接主奶箱等設備。

圖1 牛奶計量取樣器結構框圖

前處理模塊主要由靜置沉淀瓶和分流控制器組成，靜置沉淀瓶可去除原料奶流入時產生的浮沫，分流控制器負責對2次分流時原料奶的奶量進行分流控制。計量模塊實現單次單頭奶牛實際產奶量的讀取；取樣模塊完成實時、全程、定量取樣。控制模塊主要由清洗閥門、取樣按鈕、攪拌按鈕、流量調節器組成，以實現對牛奶計量取樣器的控制。

2.1.1 前處理模塊

前處理模塊主要起到對新采集的原料奶進行除浮沫處理和分流控制的作用。

目前臨床上針對粘液腺囊腫的常用治療方法除傳統的手術切除外，還有液氮冷凍、微波切除、碘制劑注射、二氧化碳激光等。各種治療方法都有著各自的優點與不足。

靜置沉淀瓶整體為圓柱狀，高90mm，瓶底直徑70mm，瓶身與瓶底螺紋連接，密封性能良好。瓶體頂部與瓶底正中心位置分別開有進液口與出液口，開口直徑分別為20mm和10mm，可保證同時刻內瓶內注入流量大于流出流量，促使原料奶在靜置沉淀瓶內分層，上層為浮沫層、下層為乳液層，乳液層經出液口流至分流控制器。

分流控制器由2個分流控制單元組成，第1單元、第2單元有其自身設定好的分流定比，經2次分流完成預設的計量和取樣工作。第1次分流是將采奶時的原料奶按定比1∶40分流至計量瓶和出奶管，分流至計量瓶內的原料奶可用于讀取單次單頭奶牛的實際采奶量，可完成計量工作，分流至出奶管的原料奶進入主奶箱以備后序。待采奶和計量工作結束，可按下取樣按鈕開始第2次分流，可將計量瓶內原料奶分流至取樣瓶和出奶管，通過調節流量調節器可確保50mL定量取樣。

2.1.2 計量模塊計量瓶直徑

計量模塊是指瓶身上標有刻度的計量瓶，該刻度并非用于讀取計量瓶內奶液體積，而是對應于實際采奶量，可依據瓶身刻度直接讀取出單次單頭奶牛的實際產奶量。本設計中所涉及到的計算實際采奶量相關公式：

(1)

式中，η為第1次分流時分流定比；v1為第1次分流分流至計量瓶內原料奶奶量，L；v2為第1次分流分流至出奶管內原料奶奶量，L；V為實際產奶量，L。

通過推導可得，V與v1之間的關系：

(2)

通過實際測量計量瓶內奶液體積，據公式(2)對計量瓶上表示實際采奶量的刻度進行標定，最終確定計量瓶瓶身刻度，分別為10、20、30、40，單位為L,精確度為1L。

2.1.3 取樣模塊

取樣模塊所取樣本具有實時、全程特點，是因分流至取樣瓶內的樣本是在采奶過程中經全程實時分流至計量瓶所得。

為確保取樣瓶可定量50mL取樣，課題組研究了計量瓶刻度和流量調節器旋鈕位置之間的關系，并在流量調節器上標有和計量瓶相同的刻度，分別為10、20、30、40。待采奶和計量工作結束，可按下攪拌按鈕，使計量瓶內原料奶充分混合，保證樣本的有效性。將流量調節器旋鈕對應的刻度調節至與計量瓶內奶液容積所對應的刻度相同時，方可按下取樣按鈕，分流控制器開始進行第2次分流，就會有50mL的樣本流入樣本瓶內，完成取樣。

2.1.4 控制模塊

通過對該設備的預設功能和可操作性進行綜合考慮，設計了清洗閥門、取樣按鈕、攪拌按鈕、流量調節器4個操控裝置，以實現在不同工況下對牛奶計量取樣器的有效控制。

清洗閥門選用的球閥規格為DN8，清洗閥門閉合，設備處于計量取樣狀態，清洗閥門開啟，設備處于清潔狀態，分流控制器暫停定比例分流功能，經入奶管進入的清洗溶劑將快速填充靜沉淀瓶、計量瓶、取樣瓶以及各種管路，以實現設備清洗。取樣按鈕位于分流控制器之上，為按壓式操作方式，待采奶和計量工作結束按下取樣按鈕，設備開始進行取樣。攪拌按鈕選用SDPC的二位二通機械閥，型號為MOV-04，按下攪拌按鈕，計量瓶底部的進氣閥打開，因設備內氣壓為負產生大量氣泡，可將計量瓶內原料奶進行充分混合，使得所取樣本更具代表性。流量調節器通過利用液體阻尼器來實現對取樣管道內奶量的調節與控制。

2.2 樣機試制

課題組結合牛奶計量取樣器結構框圖以及設備的功能性與便攜性，進行整體結構的三維建模，確定其尺寸為400mm×200mm×250mm。采用3D打印技術，耗材選用透明樹脂，對牛奶計量取樣器關鍵零部件進行制作并組裝搭建樣機。樣機內部管道及取樣管道選用雷弗(LeadFluid)的硫化硅膠軟管，規格為25#，內徑4.8mm，壁厚1.6mm。入奶管和出奶管選用TPU(熱塑性聚氨酯彈性體橡膠)管，內徑16mm,壁厚1.2mm。便攜式牛奶計量取樣器樣機，如圖2所示。

圖2 便攜式牛奶計量取樣器樣機

3 試驗驗證與結果分析

課題組于河北省畜牧業協會奶牛生產性能測定(DHI)中心對所搭建的便攜式牛奶計量取樣器樣機的預設功能進行試驗驗證，如圖3所示。

圖3 樣機預設功能試驗驗證

對主要功能項進行測試，即計量和取樣功能。為使試驗更具代表性，以單頭奶牛產奶量均值為基準上下浮動8%，設定試驗中單次模擬采奶的實際采奶量，并進行10次隨機性試驗，數據記錄和誤差分析，如表1所示；對非主要功能項進行測試，如清洗閥門、攪拌按鈕，試驗證明其如預期設定。

由表1可知，課題組所設計的便攜式牛奶計量取樣器具有良好的計量和取樣功能，經10組隨機性試驗，計量功能平均誤差為4.2%，取樣功能平均誤差為3.4%，本儀器可較好完成預設功能，本次設計的合理性。

表1 樣機試驗驗證數據和誤差分析

4 小結

針對目前牛奶加工過程計量和取樣環節中存在的弊端，課題組設計了一款便攜式牛奶計量取樣器。該設備可讀取單次單頭奶牛的實際產奶量，實現全程、實時、定量、精準采樣。試驗結果表明，課題組所設計的便攜式牛奶計量取樣器具有良好的計量和取樣功能，輕量便攜，具有高效計量、有效取樣等優點，經10組隨機性試驗，計量功能平均誤差為4.2%，取樣功能平均誤差為3.4%，滿足行業要求，可為同行業加工裝置設計提供技術參考。