Датчик, или прибор, — это устройство для измерения величины физической переменной. Датчики играют важную роль в пищевой промышленности. Они необходимы для предоставления исходных данных в системы мониторинга и управления технологическими процессами. Датчики могут быть контактными или бесконтактными устройствами. Автоматизация пищевой промышленности требует надежных датчиков для измерения таких параметров процесса, как давление, температура, расход, влажность, цвет и вязкость.
Датчики также необходимы в пищевой промышленности для обеспечения качества и безопасности пищевых продуктов, а также для повышения производительности и решения экологических/ энергетических проблем. Встроенные датчики помогают производить более однородные пищевые продукты, одновременно повышая производительность и снижая производственные затраты. Из-за их разнообразия предприятиям по производству пищевых продуктов требуются различные датчики для обнаружения и измерений. Датчики являются глазами и ушами производственных процессов [1]. Таким образом, это интерфейсные модули между физическим миром и компьютерами.
Все датчики основаны на физическом измерении явлений. На развитие сенсоров большое влияние оказал прогресс в области твердотельной электроники. Твердотельная электроника и технология микросхем способствовали миниатюризации различных сенсоров. Например, колонка для газовой хроматографии выпускается на небольшой кремниевой пластине [2]. Человеческое суждение всегда труднее всего воспроизвести в любой машине. Однако преимущества встроенных датчиков включают [3] анализ и управление технологическим процессом в режиме реального времени, повышение однородности и качества продукта, а также преобразование пакетных операций в полунепрерывные или полностью непрерывные процессы.
Датчики и их установка должны соответствовать санитарным нормам Кодекса федерального регулирования, действующей надлежащей производственной практики в области производства, упаковки или хранения пищевых продуктов (FDA GMPs) [4]. Использование и типы термометров, манометров давления и датчиков температуры должны соответствовать требованиям частей 113 и 114, глава 1 21 CFR, касающимся безопасной обработки продуктов с низким содержанием кислоты и подкисленных продуктов.
Датчики и их установка в молочной промышленности также должны соответствовать стандартам 3A Комитета молочной промышленности, Международной ассоциации специалистов по охране молока, пищевых продуктов и окружающей среды, Службы общественного здравоохранения США, Министерства сельского хозяйства США (USDA) и Ассоциации поставщиков молочной и пищевой промышленности. Вибрация, пыль, влага, широкий диапазон температур, а также химическая обработка и чистка влияют на производительность датчиков и срок их службы [4].
Многие процессы производства пищевых продуктов связаны с суровыми или труднодоступными условиями окружающей среды. Поэтому при выборе и разработке новых датчиков для пищевой промышленности следует учитывать эти ситуации. Датчики должны быть надежно герметизированы, чтобы выдерживать суровые условия эксплуатации и многократные стирки. На датчиках не должно быть щелей, из которых во время стирки было бы трудно извлечь пищевые материалы. При установке на оборудование датчики должны быть устойчивы к ударам и вибрации. Для управления процессом приготовления пищи необходимо контролировать физические параметры — температуру, давление, массовый расход — и химические параметры — состав (жир, белок, влажность, витамины, минералы) и т.д. Методы и датчики, основанные на инфракрасном и ближнем инфракрасном излучении (БИК), рефрактометрии, машинном зрении, рентгеновских лучах, волоконной оптике, спектроскопии ядерного магнитного резонанса, реологии и т.д., используются в пищевой промышленности для мониторинга процессов и контроля качества продукции.
Терминология
1. Диапазон: диапазон измеряемых величин, который может быть измерен датчиком.
2. Наименьшее значение: наименьшая разница в измеряемой переменной, которая может быть обнаружена датчиком.
3. Считываемость: точность, с которой шкала датчика может быть считана на аналоговом выходе. Датчик с 30-сантиметровой шкалой будет иметь более высокую читаемость, чем датчик с 15-сантиметровой шкалой и таким же диапазоном. При цифровом выводе читаемость будет определяться относительным размером букв.
4. Чувствительность: изменение выходного сигнала датчика при изменении единицы измерения входной переменной, подлежащей измерению; например, если регистратор на 1 мВ имеет длину шкалы 5 см, его чувствительность составит 5 см/мВ.
5. Точность: отклонение выходного сигнала датчика от известного измеренного входного сигнала. Точность обычно выражается в процентах от показаний полной шкалы; например, датчик давления на 100 кПа с точностью 1% будет иметь точность в пределах ± 1 кПа во всем диапазоне.
6. Точность: способность датчика воспроизводить определенные выходные данные с заданной точностью. Разница между точностью и безошибочностью: Рассмотрим измерение известной температуры в 100°C с помощью определенного датчика. Записано пять наблюдений, и указанные значения составляют 103, 105, 103, 105 и 103°C. Эти значения показывают, что точность датчика составляет 5% (5°C), а его погрешность составляет ±1%, поскольку максимальное отклонение от среднего значения 104°C составляет всего 1°C. Датчик может быть откалиброван и затем может измерять температуру в пределах ± 1°C. Таким образом, точность может быть повышена путем калибровки до точности датчика, но не выше ее.
7. Порог: Если входное значение датчика постепенно увеличивается от нуля, то будет некоторое минимальное значение, ниже которого выходной сигнал не может быть обнаружен. Это минимальное значение и есть пороговое значение датчика.
8. Разрешение: увеличение входного сигнала, которое приводит к небольшому, но определенному численному изменению выходных данных датчика. Таким образом, разрешение — это наименьшее измеримое изменение, в то время как порог — это наименьший измеримый входной сигнал.
9. Гистерезис: Датчик демонстрирует гистерезис, когда есть разница в показаниях в зависимости от того, приближаются ли значения измеряемой переменной сверху или снизу.
10. Линейность: максимальное отклонение любой точки калибровки от линейной зависимости. Это может быть выражено в процентах от фактического значения или в процентах от полного значения шкалы.
11. Погрешность, отклонение измеряемой величины от истинного значения. Погрешности делятся на три основных класса — грубые, системные и случайные [5]. Грубые ошибки — это в основном человеческие ошибки, такие как неправильные показания, настройка и применение приборов. Воздействие нагрузки, вызванное неправильным сопротивлением цепи, также приводит к возникновению такого рода ошибок. Системные ошибки связаны с функционированием приборов и их механической или электрической структурой, ошибками калибровки, а также с влиянием окружающей среды на работу оборудования. Этих ошибок, связанных с прибором, можно избежать или уменьшить путем правильной калибровки прибора и выбора подходящего прибора. Погрешности, связанные с окружающей средой, уменьшаются при использовании прибора в рекомендуемых условиях (температура, относительная влажность, давление и т.д.). Случайные ошибки возникают по неизвестным причинам. Их можно уменьшить при правильной конструкции прибора, а также путем получения большего количества показаний и использования статистических методов для корректировки результатов наблюдений.
Преобразователи
Преобразователи — это устройства, преобразующие значения физических величин в эквивалентные электрические сигналы, например, термопары и тензометрические датчики. Датчики делятся на две большие категории: пассивные и активные. Пассивный преобразователь обеспечивает выходную энергию полностью или почти полностью за счет своего входного сигнала — например, от термопар. С другой стороны, активному преобразователю требуется дополнительный источник питания для подачи большей части выходного сигнала, в то время как входной сигнал подает лишь незначительную часть — например, тензометрические датчики.
Температура
В пищевой промышленности температура является наиболее распространенным физическим параметром, который необходимо измерять. В компьютерных системах управления обычно используются следующие датчики температуры.
Термопары
Термоэдс Зеебека — это напряжение, возникающее между двумя соединениями из разнородных металлов в цепи, когда они находятся при разных температурах. Генерируемое напряжение зависит от разницы температур и материалов соединений. Таким образом, для измерения температуры требуется известная эталонная температура.
Датчик температуры сопротивления
Резистивный датчик температуры (RTD) и терморезистор основаны на изменении электрического сопротивления определенных материалов в зависимости от температуры. RTD — это платиновая или никелевая проволока с положительным коэффициентом удельного сопротивления. Платина выдерживает высокие температуры и отличается высокой воспроизводимостью, стабильностью, чувствительностью и дороговизной. Ее температурный коэффициент составляет около 0,4%/°C. Никель также очень чувствителен, но менее дорог, однако его стабильность не столь высока. Платиновые RTD также выпускаются в виде тонких пленок на керамических материалах, что обеспечивает меньший размер, меньшую стоимость и повышенную прочность.
Термистор
Подобно RTD, терморезистор также является термочувствительным резистором. Они изготовлены из полупроводниковых материалов, и большинство из них имеют отрицательный температурный коэффициент. Они изготовлены из полупроводниковых материалов, и большинство из них имеют отрицательный температурный коэффициент. Его выходной сигнал сильно нелинейный. Обычные формы термисторов включают диски, шарики и стержни различных размеров. Они изготавливаются из оксидов никеля, железа, меди, кобальта, марганца, магния, титана и других металлов. Термисторы имеют небольшие размеры, чувствительны и быстродействующие, а также обеспечивают стабильную мощность.
Оптическая пирометрия
Оптические пирометры — это бесконтактные датчики, в которых излучаемая объектом энергия пропорциональна T4, где T — температура объекта в К. Таким образом, температура измеряется путем измерения излучаемой энергии. Эти датчики измеряют излучаемую энергию, в частности излучение в инфракрасной части спектра излучаемого излучения [8]. Диапазон электромагнитного спектра от 0,5 до 20 мкм используется для измерения температуры в инфракрасном диапазоне. Инфракрасные термометры позволяют измерять температуру большинства охлажденных и замороженных продуктов с точностью ±2,5°C [12]. При определенных сочетаниях продуктов и приборов эта точность составляет ±1°C. Для охлажденных продуктов достигается более высокая точность, чем для замороженных. Значение коэффициента излучения, равное 1, обеспечивает точные показания. Инфракрасные термометры не подходят для измерения низких температур фольги и других упаковочных материалов с низким коэффициентом излучения.
Твердотельный датчик температуры
Твердотельный датчик температуры представляет собой интегральный преобразователь температуры; он доступен как с выходным напряжением, так и с выходным током. В обоих типах выходные сигналы линейно пропорциональны абсолютной температуре. Когда на выходе имеется ток и его полное сопротивление высокое, можно использовать длинные провода без ошибок, связанных с падениями напряжения или индуцированными помехами напряжения.
Тензометрические датчики взвешивания
Тензометрический датчик измеряет усилие косвенно, измеряя прогиб (деформацию), который он создает в откалиброванном носителе. Преимуществами являются хорошая частотная характеристика, высокая производительность, хорошее разрешение и точность, а также низкое сопротивление. Тензометрические датчики бывают резистивного типа, полупроводниковые и пьезоэлектрические. Тензорезистор — это резистор, сопротивление которого изменяется в зависимости от приложенной нагрузки. Несвязанные датчики представляют собой проволоку, натянутую между двумя точками. Широко используемые несвязанные датчики изготавливаются из сетки из очень тонкой проволоки или фольги, прикрепленной к подложке или несущей матрице. Они имеют низкую стоимость, могут быть изготовлены из проволоки или фольги небольшой длины, незначительно подвержены перепадам температур, имеют небольшие физические размеры и массу, а также довольно высокую чувствительность к деформации. Эти датчики типа фольги изготавливаются методом фототравления. Они имеют большое отношение площади поверхности к площади поперечного сечения, что позволяет измерительному прибору следить за температурой образца и способствует отводу самоиндуцированного тепла. Они более стабильны при высокой температуре и длительной нагрузке. Измерительные сопротивления варьируются от 30 до 3000 Ом, при этом наиболее часто используются значения 120 и 350 Ом.
Давление
Все устройства для измерения давления определяют изменение перепада давления между измеряемым и эталонным. В качестве исходного значения может использоваться абсолютное нулевое давление или атмосферное давление. Большинство датчиков давления требуют преобразования давления в объем. Для этой цели используются упругие элементы, такие как диафрагмы, сильфоны или их комбинации.
Поток
Устройства/приборы/датчики для измерения расхода необходимы при технологических операциях, связанных с перекачкой жидкости любого типа. Для измерения расхода по трубам доступно множество типов расходомеров. Как правило, эти расходомеры подразделяются на измерители перепада давления, объемного перемещения, скорости и массы. Датчики расхода, которые можно использовать с компьютеризированными системами управления, более подробно рассматриваются в этой главе. Обычно используются ротаметры и электронные массовые расходомеры. Показания ротаметров зависят от температуры и давления; однако их можно точно откалибровать. Электронные массовые расходомеры более точны (±1% от полной шкалы) и не подвержены влиянию температуры и давления.
Уровень воды или продукта
Датчики уровня необходимы для обнаружения и передачи информации о содержимом резервуара контроллерам. Регуляторы уровня контролируют и регулируют уровень токопроводящих жидкостей и используются при розливе напитков, где необходимо проводить различие между пеной и жидкостью.
Относительная влажность и активность воды
Датчики электролитического и диэлектрического типа используются уже давно, но их реакция медленная, а срок службы короткий. Они обладают хорошей стабильностью, но чувствительны к загрязнениям. Твердотельные устройства больше подходят для измерения относительной влажности в режиме реального времени. Изменение относительной влажности приводит к изменению сопротивления или диэлектрической проницаемости гигроскопичной соли, такой как хлорид лития. Другими материалами для датчиков относительной влажности являются углеродные ленты, оксид алюминия, элементы с электростатической проводимостью (пятиокись фосфора), керамические элементы, силиконовые полимеры, элементы из поливинилхлорида, кристаллы и т.д. Например, при анодировании поверхности алюминиевой ленты образуется тонкий слой оксида алюминия. Снаружи этого оксидного слоя наносится тонкий слой алюминия или золота, который действует как один из электродов. Другим электродом является алюминиевая лента. Для расчета относительной влажности измеряется изменение импеданса оксидного слоя из-за изменения относительной влажности.
pH и другие ионы
Химические датчики подразделяются на ионоселективные электроды, ионно-чувствительные полевые транзисторы и газовые датчики на основе оксидов металлов. Ионоселективные электроды (например, рН-зонды) измеряют концентрацию ионных соединений. Ионно-чувствительные полевые транзисторы представляют собой полупроводниковые чипы, на которые нанесена ионоселективная мембрана. Они более гибкие, чем ионоселективные электроды [25], из-за их небольшого размера, прочности и менее сложной калибровки. Полупроводниковые газовые датчики основаны на свойствах поверхности оксидов олова или цинка.
Цвет
Цвет продукта очень важен для рентабельности, выхода и удовлетворенности потребителей. Цвет является хорошим показателем степени выпечки, обжаривания или запеченного мяса. Приборы для измерения цвета основаны на принципах колориметра или спектрофотометра. Спектрофотометр измеряет отношение отраженного или прошедшего от изделия света к свету эталонного образца [30]. Волоконно-оптические системы распознавания цвета могут распознавать и классифицировать цвета по значению коэффициента отражения, а также по оттенку и цветности или относительной яркости. Большинство датчиков цвета излучают световой луч из зонда, собирают отраженный свет от продукта и разбивают его на спектр.