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用于检测奶中的异常物质的光学器件

阅读：614发布：2020-05-13

专利汇可以提供用于检测奶中的异常物质的光学器件专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且提供了一种用于检测流体的颜色变化的装置，其包括用于检测特定颜色频率强度的光学装置。该光学装置包括白色光发光器(410)以及被配置成生成代表所检测到的红色光、蓝色光、绿色光和白色光的强度的信号的检测器(420)。处理器(440)接收这些信号并计算表示检测的红色光与白色光的比率、蓝色光与白色光的比率以及绿色光与白色光的比率的值。该处理器进一步将这些比率与参考值进行比较并在比较结果指示这些比率与参考值不同时生成信号。通过生成每一个接收到的颜色强度与接收到的白色光强度的比率，导致这些值是实际上自补偿导致的，并因此在很大程度上对温度的改变和随着时间的经过可能由于组件老化发生的强度的改变不敏感。，下面是用于检测奶中的异常物质的光学器件专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种用于检测流体的颜色变化的装置，包括：
光学装置(40)，用于检测特定颜色频率的强度，所述光学装置被布置成用于耦接至适于盛载流体的容器(30)，
其特征在于：
所述光学装置包括白色光发光器(410)和检测器(420)，所述检测器(420)被布置成检测来自在所述容器(30)中容纳的流体的光并生成表示检测到的红色光、蓝色光、绿色光和白色光的强度的信号，
所述光学装置进一步包括处理器(440)，其被连接至所述检测器(420)并被布置成接收所述信号和计算代表检测到的红色光与检测到的白色光的比率、检测到的蓝色光与检测到的白色光的比率，以及检测到的绿色光与检测到的白色光的比率的值，
将获得的代表所述比率的值与参考值比较，以及
当所述比较的结果表明代表所述比率的值与所述参考值不同时生成信号。
2.如权利要求1所述的用于检测流体的颜色变化的装置，其中，所述处理器(440)被布置成将代表所述比率的值与从参考流体样本或来自同一或不同源的以前流体样本获得的参考值比较。
3.如权利要求1或2所述的用于检测流体的颜色变化的装置，其中，所述白色光发光器(410)和所述检测器(420)被并排地布置，使得由所述发光器发射的光将被所述容器(30)中的流体反射并由所述检测器检测。
4.如权利要求1或2所述的用于检测流体的颜色变化的装置，其中，所述白色光发光器(410)为广角发光器。
5.如权利要求4所述的用于检测流体的颜色变化的装置，其中，所述广角发光器为广角LED。
6.如权利要求1或2所述的用于检测流体的颜色变化的装置，其中，所述发光器(410)和检测器(420)被布置在印刷电路板(430)的同一侧上。
7.如权利要求6所述的用于检测流体的颜色变化的装置，其中，温度传感器(450)被布置在所述印刷电路板(430)的同一侧上以测量所述白色光发光器(410)和所述检测器(420)周围的环境温度。
8.如权利要求1或2所述的用于检测流体的颜色变化的装置，其中，所述检测器包括检测元件的阵列，所述阵列包括被布置成检测红色光的至少一个元件、被布置成检测绿色光的至少一个元件、被布置成检测蓝色光的至少一个元件，以及被布置成检测白色光的至少一个元件。
9.如权利要求8所述的用于检测流体的颜色变化的装置，其中，所述阵列包括数量相等的红色、蓝色、绿色和白色光检测元件。
10.如权利要求8所述的用于检测流体的颜色变化的装置，其中，每一个检测元件包括被布置成检测白色光的光电二极管，并且其中所述检测红色光的至少一个元件进一步包括红色滤波器，所述检测绿色光的至少一个元件进一步包括绿色滤波器，且所述检测蓝色光的至少一个元件进一步包括蓝色滤波器。
11.如权利要求8所述的用于检测流体的颜色变化的装置，其中，至少所述用于检测红色和白色光的检测元件进一步包括红外滤波器。
12.如权利要求8所述的用于检测流体的颜色变化的装置，其中，所述检测器进一步包括布置成放大从每一个检测元件(421)接收的信号的至少一个放大器，被布置成对从每一个检测元件接收的所述信号求积分的至少一个积分器，以及被布置成数字化从每一个检测元件接收的所述信号的至少一个模数转换器，并且其中，所述处理器被布置成改变所述放大器的放大倍数和所述积分器的积分时间中的至少一者，以修改所述检测器(420)的动态范围。
13.如权利要求1或2所述的用于检测流体的颜色变化的装置，其中，所述容器被布置成盛载流动的或静止的奶或由奶衍生的产品。
14.一种挤奶装置，包括用于连接至动物的奶头的多个奶杯，所述多个奶杯具有用于将奶从至少一个奶杯运输至存储容器的至少一个奶管线，其中，所述挤奶装置进一步包括如权利要求1至13中任一项所述的用于检测流体的颜色变化的装置。
15.如权利要求14所述的挤奶装置，进一步包括奶量计(30)，其被连接至所述奶管线(20)，其中，所述奶量计(30)中包括所述用于检测流体的颜色变化的装置。
16.如权利要求14或15所述的挤奶装置，进一步包括控制器(80)，其被布置成与所述处理器(440)通信并被布置成控制奶分离器机构(50)，其中，所述控制器(80)被布置成控制所述奶分离机构以响应于所述处理器生成的所述信号来分离奶。
17.如权利要求16所述的挤奶装置，进一步包括动物识别装置(90)，其被布置成与所述控制器(80)通信，其中，所述控制器进一步被配置成存储关于每一个被识别的动物的数据，该数据包括关于来自所述动物的奶的颜色的数据。
18.一种奶量计，包括依据权利要求1至13中任一项所述的用于检测流体的颜色变化的装置。
19.如权利要求18所述的奶量计，进一步包括用于输送奶的至少一个通道以及位于所述通道上方的窗口(310)，其中，所述光学装置被布置在所述窗口(310)上方与所述通道相邻，以用于检测在所述通道中输送的奶的颜色变化。
20.一种用于检测流体的颜色改变的方法，包括以下步骤：
用白色光照射所述流体，
检测来自所述流体的光，并确定红色光的强度、蓝色光的强度、绿色光的强度以及白色光的强度，
确定所述检测的红色光与白色光的强度的第一比率、所述检测的蓝色光与白色光的强度的第二比率，和所述检测到的绿色光与白色光的强度的第三比率，
将所述比率与参考值进行比较，并在所述比率与所述参考值不同时生成信号。
21.如权利要求20所述的方法，其中，所述检测来自所述流体的光的步骤包括检测由所述流体反射的光。
22.如权利要求20或21所述的方法，进一步包括将所述比率与从参考流体样本或来自同一个或不同源的一个或多个以前的流体样本获得的所述参考值进行比较的步骤。
23.如权利要求20或21所述的方法，其中，所述比率的所述比较步骤包括将所述比率与参考范围进行比较，并且其中，生成信号的步骤包括在所述比率落到所述参考范围外时生成信号。
24.如权利要求20或21所述的方法，进一步包括将奶杯(10)连接至动物的奶头并对所述动物进行挤奶的步骤，其中，所述照射步骤包括照射由被连接至所述奶杯的一个或多个奶管道(20)输送的奶，并进一步包括在所述比较步骤指示所述比率与所述参考值不同时自动丢弃奶的步骤。
25.如权利要求24所述的方法，进一步包括获得每一个动物的唯一标识并与所述唯一标识相关联地存储关于所述比较步骤的结果的数据的步骤。

说明书全文

用于检测奶中的异常物质的光学器件

技术领域

[0001] 本发明涉及能够检测流体的颜色变化的光学装置，这种颜色变化指示了例如血液等污染物的存在。本发明尤其涉及用于在半自动和机器人技术挤奶系统中实时检测奶的颜色变化的光学装置。

背景技术

[0002] 奶作为许多产品的初始原材料以及作为最终成品均为一种重要的食料。奶生产过程的一重要部分是确保奶具有良好的质量且特别是不含细菌和其它病原体或可能对奶的质量产生影响的污染物。当牛奶场动物罹患乳房感染时，最早的外在迹象通常是奶的变化。具体而言，奶中可能含有少量的血、脓或改变奶的颜色的其它污染物。许多国内和国际的法规都规定所有这样的奶都要分离出去而不能用于人类消费。在自动挤奶系统中，奶杯是自动连接至动物的奶头上的，对奶进行视觉检查是不切实际的，但是需要对奶进行质量核查和可能需要将奶分离出去，对于防止不合格的奶被混入健康动物生产的奶中以免造成对大批量牛奶的质量的损害是极为重要的。

[0003] DE 27 59 126描述了一种分离奶的装置，其包括光源和检测奶颜色的光敏二极管。当奶的颜色指示其包含血和脓时，将这些奶转移至一单独的容器。该系统，虽然其能够确定出一定程度的颜色变化，但不能提供任何高精度且因此存在将不合格的奶混入大批量奶中或将好奶废弃掉的风险。

[0004] WO 98/30084描述了一种自动挤奶装置，其配备有颜色传感系统，其对于红色、绿色和蓝色的光的频带较敏感。将来自每一种色带的强度信号相互比较并与参考值进行比较以确定颜色的变化。这些参考值可以是近来在以前进行的许多轮挤奶中针对每一个动物所确定的值的平均值，或从所有动物的奶中获取的公值。虽然这一系统能够通过检测不同颜色更精确地确定颜色变化，但是其仍需要仔细校准以保持这种精确性以及补偿温度的改变和不同组分的老化，这终将使其难于在实际中可靠地使用。

[0005] 本发明的目的是克服现有技术中的问题并提供一种能够检测出指示奶、奶产品以及其它流体中存在一定污染物的颜色变化的传感器装置，并且这种传感器装置是内在精确的并且随时间的过去仍是可靠的。

发明内容

[0006] 这一目的以及其它的目的以如随附的权利要求书中限定的检测流体中颜色变化的装置、挤奶装置、奶量计以及检测流体中颜色改变的方法来实现。

[0007] 更具体地，依据本发明的一方面，提出一种用于检测流体中颜色变化的装置，其包括用于检测流体中特定颜色频率的强度的光学装置，该光学装置被布置成耦接至适于盛载流体的容器。该光学装置包括白光发光器和检测器，该检测器被布置成检测来自容器中包含的流体的光并生成表示检测到的红色光、蓝色光、绿色光和白色光的强度的信号。该光学装置进一步包括处理器，其被连接至检测器，并被布置成接收信号和计算代表检测到的红光与检测到的白光的比率、检测到的蓝光与检测到的白光的比率和检测到的绿光与检测到的白光的比率的值。该处理器进一步被配置成将获得的比率与参考值进行比较，并在比较的结果指示这些比率与参考值不同时生成信号。

[0008] 通过生成每一个接收到的颜色的强度与接收到的白光的强度的比率或分数，致使这些值实质上是自补偿的，因此这些值在很大程度上对温度的改变和由于组件老化可能随时间发生的强度的改变不敏感。因此校准非常简单或者甚至不需要，这取决于所需要的准确度。

[0009] 可将光学装置耦接至容纳流体的容器。为了本说明书的目的，术语“容器”旨在表示任何器皿、接受器，或能够保留或引导流体的导管，并且涵盖了样本腔室或杯以及被设计成保留通过导管的一部分流体的管子或软管或在导管内的坑或袋。结果，通过这种方法被测试的流体可被基本静止地保留在该容器中、或可处于运动中、流过容器，或临时由该容器保存。

[0010] 优选地，处理器被配置成将比率与参考值进行比较，例如根据参考流体样本或之前从同一个或不同源获取的流体样本得到的参考值。这些参考值可以是针对每一个颜色比率的各自的值，或值的范围，生成的比率若在该范围以外则指示在流体中存在污染物，例如在奶中有血或脓。

[0011] 在优选的实施例中，白光发光器和检测器被并排布置，使得发光器发出的光将被容器中的奶反射并且被检测器检测。通过检测反射光而不是被吸收或的光或发出的光，测量可对任意流体厚度执行，并因此在很大程度上与容纳流体的容器的直径以及流过该容器或在其中所保存的流体量无关。

[0012] 在具有特定优点的装置中，白光发光器为广角发光器，优选地是广角LED。这使得即使在发光器和检测器被布置成非常接近彼此的情况下检测器也能够检测到反射信号。因此该光学装置的总体大小可以非常小，这意味着其可内置到各种不同的容器内，例如挤奶装置的奶管线、奶量计或奶杯中、在处理工厂中用于流体食料的其它管线或容器或甚至是用于容纳流体的纸盒或包装中。在发光器和检测器被布置在印刷电路板的同一侧时，这种尺寸优势进一步增强。

[0013] 同时，使用强度比率来确定流体中每一个颜色的比例意味着在这些比率中的所有变化对于温度变化并不敏感，随着温度将呈现微小的改变。为了实现对颜色变化的特别准确的判定，从而确定非常小的浓度的污染物的存在性，因此可能有利的是提供被布置在印刷电路板的同一侧上的温度传感器，用于测量白光发光器和检测器周围的环境温度，并因此提供这些组件的操作温度的信息，测量的温度可被用于纠正比率。

[0014] 在本发明的特定有利的实施例中，检测器包括检测元件的阵列，阵列包括至少一个被布置成检测红色光的元件、至少一个被布置成检测绿色光的元件、至少一个被布置成检测蓝色光的元件，和至少一个被布置成检测白色光的元件。优选地，阵列包括相等个数的红色、蓝色、绿色和白色光检测元件，以确保均匀分散和分布所检测到的颜色。

[0015] 优选的是，当检测元件包括被布置成检测白色光的光电二极管时，并且其中至少一个红色检测元件进一步包括红色滤波器，至少一个绿色检测元件进一步包括绿色滤波器且至少一个蓝色检测元件进一步包括蓝色滤波器。通过为每一个检测元件使用相同的基本组件，即用于检测白光的光电二极管，这些组件将具有相同的电气特征并且这些特征将趋向于随着老化以同样的方式改变。这有利于颜色变化检测装置随时间经过的自补偿属性。

[0016] 同样有利的是，将红外滤波器放置在所有检测元件之前，尤其是在用于红色和白色光的检测元件之前，以消除可由阳光冲击流体或其容器而导致的乱真信号。

[0017] 在本发明的优选实施例中，检测器进一步包括被布置成放大从每一个检测元件接收到的信号的至少一个放大器、被布置成对从每一个检测元件接收到的信号求积分的至少一个积分器，以及被布置成将从每一个检测元件接收到的信号数字化的至少一个模-数转换器，并且其中将处理器布置成改变所述放大器的放大和所述积分器的积分时间中的至少一者以改变所述检测器的动态范围。积分时间相当于检测器对于被照射流体的暴露时间。改变应用于每一个颜色强度信号的放大和/或暴露或积分时间的能力意味着可将光学装置调节成在任意系统和状态下最适宜地进行响应而不需要改变照射强度。

[0018] 依据本发明的装置适于检测任意流体中的颜色变化，但尤其适于检测流体食料中的颜色变化，以确定其中污染物的存在性，并且在用于检测奶中或由奶衍生的产品中的颜色变化以推断存在血、脓或标志着健康问题或质量下降的其它成分时是尤其有优势的。用于盛载流体的容器因此优选地被配置成盛载奶，无论该容器的形式为在两点之间运输奶的导管还是至少临时保存奶的盛载物。

[0019] 在本发明的进一步的实施例中，检测颜色变化的装置结合在挤奶装置中并由于检测奶中的颜色变化。该装置包括多个奶杯，用于连接至动物的奶头，具有用于将奶从奶杯运输至存储容器的至少一个奶管线。在这种情况下，光学装置被耦接至的容器可以是奶杯、奶管线的一部分，或甚至是存储容器，例如收集瓶。将检测颜色变化的装置结合在挤奶装置中以检测奶的优点在于：可立即地，即，在奶流动过程中或当奶在收集瓶中时实时地获得奶的质量的指示。这使得系统能够警告农场主在牧群中有潜在的健康问题，并还可使得农场主能够将这种奶分离，使得其不会污染大批量奶和影响整体奶产品的质量。

[0020] 优选地，挤奶装置包括被连接至奶管线的奶量计，并且用于检测奶中特定物质的装置包括在奶量计中。这具有的进一步的优点在于能够基本上在奶流开始处检测颜色变化。通过使用这样的装置，还可以确定来自单个乳房部分的奶的质量，即，从单个奶头产出的奶的质量。因此，任何破损或感染都可被尽早识别出并报告，还在并非全部乳房部分都存在乳腺炎时将奶的损失最小化。

[0021] 为了保护由一个或多个动物生产的奶的质量，当挤奶装置包括被配置成与处理器通信并被配置成控制奶分离机构的控制器时，是尤其有利的，其中该控制器被配置成控制奶分离机构以响应于由处理器产生的信号而分离奶。因此所有可能不合标准的奶都可以基本上在奶源处并完全自动地与大批量奶分离开，以防止与剩余奶混合并因此防止对剩余奶的潜在污染。

[0022] 在进一步有利的实施例中，挤奶装置进一步包括动物识别工具，其被配置成与控制器通信，其中该控制器进一步被配置成存储关于每一个被识别的动物的数据，包括关于来自所述动物的奶的颜色的数据。因此，颜色分析的结果与关于动物的其它数据(例如奶产量、哺乳期阶段、年龄、治疗等)存储在一起，使得农场主能够确定发生颜色变化的频率以及这是否与破损或感染有关。

[0023] 依据本发明的进一步的方面，用于测量颜色变化的装置包括在奶量计中。由于奶量计已经提供了关于奶流动的数据以及在一些情况下还提供关于奶的质量的数据，这在将颜色传感器装置结合在该器件中所需的连接和简化安装方面均是有利的。

[0024] 优选地，奶量计包括至少一个用于输送奶的通道和位于所述通道上方的窗口，其中光学装置被布置成在窗口上与通道相邻，用于检测通道中输送的奶颜色的变化。该至少一个通道可以是横截面基本一致的管道，或者可以由被布置成存放流过该奶量计的一部分奶的某种存放装置构成，或配备有这种存放装置。

[0025] 依据本发明的进一步的方面，推荐了一种检测流体的颜色改变的方法，包括以下步骤：用白色光照射被容纳在容器中的流体，检测来自所述流体的光并确定红色光的强度、蓝色光的强度、绿色光的强度以及白色光的强度，确定检测的红色光与白色光的强度的第一比率、检测的蓝色光与白色光的强度的第二比率，以及检测的绿色光与白色光的强度的第三比率，将这些比率与参考值比较，并在这些比率与参考值不同时生成信号。

[0026] 如以上所提及的，生成每一个颜色频率强度与白色光强度的比率，并使用该比率确定颜色的变化，使该方法能够实际上进行自补偿并因此减少了对温度和发光器强度改变的敏感性。

[0027] 优选地，检测来自流体的光的步骤包括检测由该流体反射的光。检测由流体反射的光的优点在于与传输方法相比，所测试的流体的厚度并不关键，而光的吸收取决于液体样本的厚度。相似地使用反射光还意味着传感器装置既可被用在静止的流体也可被用在流动的流体上，例如奶管道中的奶，以及在任何其它的奶产品物质上。

[0028] 具有优势地，该方法包括将比率与从来自同一个或不同的奶源的参考奶样本或一个或多个以前的流体样本获得的参考值进行比较的步骤。当要被测试的流体为奶时，这意味着这些奶是来自同一动物、同一牧群或一定范围的不同动物的奶。通过比较类似的东西，可排除可能由于地点或生产或放牧实际情况以及给予动物的饲料不同而产生的颜色改变。这因此使其更易于识别由于例如血或脓的特定污染物导致的颜色变化，这种特定污染物指示了牛奶场动物的破损或感染并且对于奶的质量是有害的。

[0029] 对于明显的颜色变化的确定优选地通过将比率与参考范围进行比较来实现，其中，生成信号的步骤包括在这些比率落到参考范围外时生成信号。这使得对由于例如生产运行或挤奶进行至下一步导致的颜色改变具有一定的容差，并且因此在必然发生最小颜色变化时，例如季节变换、不同的喂养习惯，以及牛奶场动物可能的哺乳期阶段，避免发生误报。

[0030] 该方法在被用于挤奶装置中以在挤奶过程中或仅在挤奶后识别奶中颜色变化时尤其是有利的。该方法因此优选地包括将奶杯连接至动物的奶头并对该动物挤奶的步骤，其中照射的步骤包括照射流过一个或多个连接至奶杯的奶管道的奶，并进一步包括在比较步骤指示比率与参考值不同时自动丢弃奶的步骤。

[0031] 当将关于所有检测到的颜色变化的信息与各个动物相关联并针对最近的诊断进行存储时，可改进对牛奶场牧群的总体管理。因此，在优选的实施例中，该方法进一步包括获取每一个动物的唯一标识的步骤，并与该唯一标识相关联地存储关于比较步骤的结果的数据。附图说明

[0032] 根据以下参考附图作为示例给出的优选实施例的说明，本发明的进一步的目的和优点将变得显而易见。附图中：

[0033] 图1示出了带有颜色传感器装置的用于挤奶动物的挤奶系统的一部分的示意图，[0034] 图2示意性地示出了在操作中颜色传感器的结构，

[0035] 图3是颜色传感器中检测器的示意图，

[0036] 图4是描绘了颜色传感器的检测部件的功能装置的框图，

[0037] 图5示出了针对本发明的颜色检测器中的四类检测器元件，信号强度与波长的关系，以及

[0038] 图6示出了说明依据本发明的颜色传感器的操作的流程图。

具体实施方式

[0039] 以下示例中，检测流体中颜色变化的装置是通过参考其在挤奶系统中的应用来说明的。但是将理解的是该装置可等同地应用于其它系统，例如生产车间，或者甚至用于例如奶和其它流质食料的包装。在以下说明中，术语“用于检测颜色变化的装置”与术语“光学传感器”可互换使用，并且二者都是指同一装置。

[0040] 现在转向图1，示出了对用于对牛奶场动物进行挤奶的挤奶系统的一部分的图示，该挤奶系统装备有依据本发明的颜色传感装置。在图示中示出了用于连接至动物的奶头的奶杯10，奶杯10耦接至奶管线20。为了清楚起见，在图中仅示出了一个奶杯10，但是，应理解的是在要挤奶的动物的所有奶头上均存在奶杯，每一个奶杯10耦接至各自的奶管线20。用于测量由奶杯10收集的奶的流动和数量的奶量计30连接至每一个奶管线20。所示出的这种能够确定奶开始流动和奶的流速和/或奶的数量的奶量计是挤奶领域内技术人员所熟知的，因此在此将不进一步说明此器件的配置和操作。在所示出的实施例中，奶量计30配备有光学传感器40，其能够确定奶的颜色变化。此后该光学传感器被称为颜色传感器。更具体地，奶量计30配备有与奶量计的上游和下游的奶管线20连通的通路或室(未示出)，并且奶可从其中流过。在一个位置处提供有孔径或窗口310(见图2)，该孔径或窗口是由例如能够使可见光以最小衰减通过的玻璃或塑料的全透明材料制成的。颜色传感器40被布置在通道外面的窗口310上并检测该通道内包含的奶的颜色。虽然能够使奶量计配备有基本全透明的壁，从而使得能够从外面看到奶，但是这样的装置会使周围的光照射奶，这会使得颜色传感器数据处理变得复杂。在所示出的实施例中，颜色传感器40以这样的方式被连接至，或结合至，奶量计的壁，即，颜色传感器40完全覆盖窗口310并因此阻挡全部外部光。奶量计30被连接至控制器80，该控制器80优选地为具有相关的内存、例如键盘、鼠标、和/或触摸屏的输入装置，以及例如显示器、打印机和类似装置的输出装置的计算机。该控制器80可由连接在一起的多个计算机或可能连接至例如LAN、WAN或互联网的通信网络的单个计算机提供。在所示出的实施例中，在奶量计30和控制器80之间示出了两条线，其表示无线的或有线的连接。为了图示的目的，这些连接中的一个在奶量计30的主体和控制器80之间，并且代表关于奶量计功能的数据(例如奶流和奶速的数据)的交换。在控制器80和颜色传感器40之间的另一条线，代表关于奶的颜色传感的数据的交换。应理解的是：当将颜色传感器40结合在奶量计30中时，可在公共的有线或无线连接中发生这种数据交换。

[0041] 在操作中，控制器80接收来自奶量计的奶速和/或数量的数据以及来自颜色传感器40的指示奶的颜色或颜色变化的数据。控制器80还仅在奶流过奶量计30时，基于从奶量计或有可能是从挤奶系统接收的数据，向颜色传感器40发送控制信息来控制颜色传感器40的操作。该控制器还可修改颜色传感器操作的各种参数，正如将在下面说明的。控制器80经由有线或无线连接进一步连接至识别器件90。当牛奶场动物进入挤奶室时，该识别器件90询问牛奶场动物携带的图中未示出的应答器，以获得分配给该动物的唯一的识别码。该识别码使控制器能够唯一地分配和存储关于每一个被挤奶的动物的奶产量、奶质量和健康状况的数据。在奶量计30的下游，奶管线20被连接至三向阀50。该阀50具有两个输出，一个连接至大批量奶管线60，其有可能经由中间收集瓶将奶从所有奶杯10运至大批量奶罐(未示出)，另一个输出连接至分离罐管线70，其将所有不合标准的奶引至分离罐以便后续处置。控制器80经由有线或无线连接控制该三向阀50的操作。

[0042] 如以上所提及的，参考图1说明的装置将包括用于挤奶的动物的剩余两个或四个奶头的奶杯。类似地，也将为每一个单独的奶杯提供奶管线20、奶量计30、颜色传感器40和三向阀50。这些装置使得能够对来自每一个奶头或乳房四分之一处的奶分别进行检验，并且在需要时进行分离。这样不仅阻止不合标准的奶污染健康奶，而且还能够隔离感染或识别出一个或多个奶头中的破损，并且如果需要，经由打印输出，通过将有问题的动物的细节存储在报告文件中用于以后研究，或通过发出可听的或可视的告警信号，通知农场主。由于乳房感染可能在治疗和奶损失方面均成本很高，所以在早期识别出所有的感染并迅速治疗是具有优势的。

[0043] 现在将参考图2至图4解释颜色传感器40的结构和操作。图2示出了在窗口310对面适当位置处附接奶量计30颜色传感器40的横截面图。颜色传感器40包括在PCB 430上与发光器410相邻放置的检测器420。发光器410发出白光，并且发光器410优选地由在整个可视频谱上，即在400nm-700nm波长范围内操作的广角LED构成。如图2中虚线所示，从发光器410发射出的光反射出流过奶量计孔径30的奶100。检测反射的光而不是发射光的优点在于奶量计30或奶管线20中奶的厚度并不关键。依靠广角LED，光分散在较宽的区域内并因此，即使在LED被定位成非常接近于检测器420，也会有足够的光被反射和接收，从而提供对强度和色度的准确而可靠的检测。这使得颜色传感器的尺寸能够缩小并且奶量计30的窗口310可同样保持较小，并优选地具有20mm2的量级。检测器420和发光器410经由PCB连接至位于PCB 430后表面上的处理器440。处理器440优选地由微处理器构成并包括相关程序和数据内存以处理来自检测器的信号并控制发光器410的操作。在PCB 430上还提供有温度传感器450，并且温度传感器450连接至处理器440以提供关于组件410、420的环境温度的信息，从而在必要时能够针对温度的改变来调节各个值。

[0044] 图3中更详细地示出了检测器420的结构。该检测器包括多个独立的检测器元件421，其优选地由光电二极管422构成(见图4)。每一个检测器元件421被布置成检测可见光频谱内的特定频带。更具体而言，检测器元件中的一些，在图3中标记为“R”，仅检测红色频谱内的光强度，图3中标记为“B”的一些检测器元件仅检测蓝光，在图3中标记为“G”的一些检测器元件仅检测绿光，而剩下的检测器元件，在图3中标记为“W”，检测白光，即，覆盖
400nm至700nm的整个可见光频谱的频带并因此也包括红色、蓝色和绿色频谱。检测器元件
421被布置成阵列，该阵列优选地为二维阵列，不同的红色、绿色、蓝色和白色光检测器元件
421均匀地分布在整个阵列中以确保对光的强度和色度的分布读数(spread reading)准确而完全。由于同样的原因，检测器40优选地包括数目相同的红色、绿色、蓝色和白色光检测器元件421。在图3中示出的示例实施例中，检测器包括成8×2阵列的16个检测器元件421。
但是，对于那些本领域技术人员将显而易见的是，这些检测器元件421可被布置成不同的阵列结构，以便适合其被应用于的特定应用和位置。

[0045] 在图4中示出了检测器420的电气结构。如图4示意性示出的，在图左侧示出了起到检测器元件421作用的四个光电二极管422。这四个光电二极管422代表组成检测器40的四组R、G、B和W检测器元件421。这些装置分别被连接至放大器510，放大器510放大信号。然后经放大的信号分别在框520中被积分并进行模-数转换。来自每一个框520的数字信号然后经由接口530被发送至处理器440。接口530进一步将控制信号从处理器440中继至放大器510并中继至积分和A/D功能块520。更具体地，处理器440，在控制器80的控制下，能够调节对来自每一个检测器元件421的信号的放大，还能够调节信号的积分时间。积分时间基本上就是曝光时间，因此该后续调节影响为了每一次读取将发光器410和检测器420通电的时间。通过这样的方式，无需改变发光器410的强度就可以获得较大的动态范围。更具体地，该动态范围能够检测出奶中低至500ppm至高达20,000ppm的浓度的血。通过依据本发明的装置可获得的较高的准确度意味着其可能在非常早期的阶段就检测出动物乳房的感染或破损，因此能够迅速治疗，同时降低已污染的奶被通过以及质量好的奶被错误地拒绝的风险。

[0046] 在本发明的优选实施例中，每一个检测器元件421包括光电二极管422(见图4)，其响应于白色光，即在基本上整个可见光频谱上，生成信号。为了确定落入红色、绿色或蓝色中一者内的入射光比例，用于红色光的检测器元件421还包括红色滤波器540，用于绿色光的检测器元件421包括绿色滤波器550并且用于蓝色光的检测器元件421包括蓝色滤波器560。用于白色光检测器元件421的光电二极管422具有无色滤波器或透明滤波器(未示出)。
每种类型的检测器元件421使用相同类型的光电二极管确保它们表现出相似的电气特征，其更进一步增强颜色传感器40的自补偿和自校准功能。红外滤波器(未示出)还可被放置在光电二极管之前以防止由于太阳光导致的读取错误，尤其是红色和白色检测器元件421的读取错误。

[0047] 图5示出了每一个检测器元件421的信号响应或强度对波长的关系。该图示出了四条被标记为W、B、G和R的曲线。这些曲线代表对于用于白色、蓝色、绿色和红色光的每一个检测器的信号响应。可清楚看到的是白色光检测器元件对整个可见光波长范围内的光作出反应，而红色检测器元件421检测较低的波长，绿色检测器元件421检测可见光范围的中间部分，并且蓝色检测器元件421检测可见波长范围的较高部分。

[0048] 从检测器420接收的这些信号在处理器440中以使这些信号自补偿并因此对温度变化和组件(尤其是构成发光器410的LED)的老化实质上不敏感的方式进行处理。根据本发明这通过使用来自白光检测器元件421的信号作为控制值实现。更特别地，处理器440将源于红色、绿色和蓝色检测器元件的经放大的数字信号的值除以源于白色检测器元件的值。换一种表达法，当值Ri表示所检测到的红色光的强度、Gi表示所检测到的绿色光的强度、Bi表示检测到的蓝色光的强度，且Wi代表所检测到的白色光的强度时，处理器计算红色、绿色和蓝色强度值与白色强度值的比率，以按如下这样获得绿色光的分数值Gf、红色光的分数值Rf和蓝色光的分数值Bf：

[0049]

[0050] 由于检测器元件421具有相同的环境温度以及近似的电气性质，分数值基本消除了由于温度改变和老化的影响所产生的变化。因此致使确定颜色改变的处理简单得多，并且还便于校准甚至不需要校准。

[0051] 在两次实验中演示了分数值的自补偿属性，其结果在下列表1和表2中示出。

[0052] 表1示出了在4℃和22℃环境温度下关于包含10000ppm血的奶，检测出的不同颜色的强度值Gi、Ri和Bi，以及分数值Gf、Rf和Bf。

[0053] 表1

[0054]温度[℃] Gi Ri Bi Wi Gf Ri |Bi
4 6961 8274 5946 22603 0.308 0.366 0.263
22 6621 7856 5649 21562 0.307 0.364 0.262
变化[％] -5.13％ -5.31％ -5.24％ -4.83％ -0.29％ -0.46％ -0.40％[0055] 由该表可见，在温度改变18℃时，强度值改变约5％，而分数值变化仅约0.4％。

[0056] 表2示出了在发光LED正常强度下以及在温度不变的条件下在三分之一正常强度下(用于模仿发光LED随时间的老化)所检测出的不同颜色的强度值Gi、Ri和Bi以及分数值Gf、Rf和Bf的结果。

[0057] 表2

[0058]强度 Gi Ri Bi Wi Gf Ri Bi
正常 1753 1893 1916 5472 0.320 0.346 0.350
三分之一 570 605 631 1777 0.321 0.340 0.355
变化[％] -67.48％ -68.04％ -67.07％ -67.53％ 0.13％ -1.58％ 1.41％[0059] 在这种情况下，与强度值的变化相比，分数的变化同样非常小，低于2％，而强度值的平均变化为约67.5％。

[0060] 以上实验证明每一个颜色频带内的比率或分数强度值是基本上自补偿的，并因此在很大程度上对温度改变和由于老化导致的发光LED的强度降低都不敏感。经过一段时间后强度的所有剩余变化产生的影响可通过使用参考值或范围进一步减轻，该参考值或范围是从对于同一个动物在前几天或几周的固定时间段内的挤奶过程中获取的先前获得的分数值的连续平均值导出的。如果需要提高准确度，则可使用由温度传感器450提供的关于环境温度的数据标准化所有读数或校准颜色传感器40。

[0061] 然后从该计算中获得的颜色分数值被用于确定奶的绝对颜色，或者奶中颜色的相对变化，以便确定奶是否包含不能接受的水平的污染物，例如血或脓。在本发明的优选实施例中，通过将各分数值相互比较，以便确定奶中检测到的颜色混合，即，在反射光中红色、蓝色和绿色的比例，并将该相对比例与正常奶的相对比例进行比较。但是，绝对分数值也可与表示正常奶的颜色混合的参考水平相比较。正常奶的水平，或者参考水平，可以是固定存储值、从一只以上的动物的奶的混合物获得的值，或者从作为样本奶的同一只动物的奶获得的值。该参考水平还可从最近取得的多个样本的平均值推导出，例如在最近10至20次挤奶过程中确定的连续平均值，使得由于饮食、哺乳期变化等引起的奶组成物中的逐步变化在很大程度上被排除。参考水平还可由值的范围来表示，在该值的范围以上或以下的颜色被认为是异常的并且表示存在异物。该处理优选地在处理器440中执行，但可使用例如从控制器80接收到的所存储的参考值或水平这样的数据。当参考水平是针对每一个动物分别存储的且针对每一次新的挤奶样本连续生成的时，将这些水平作为值存储在控制器80或相关联的数据库中以及将这些参考值提供给处理器440是有利的，在控制器80或相关联的数据库中保存了动物的其它数据，例如奶产量、哺乳期阶段、喂养要求等。

[0062] 图6示出了使用颜色传感器40确定流体颜色变化所需的方法。该方法从步骤100开始，在步骤110使用发光器410照射流体。同时，在步骤120检测器420检测在白色、红色、绿色和蓝色频谱内的反射光的强度作为强度信号。在步骤130，处理器440计算红色、绿色和蓝色光强度值中的每一个对于白色光强度值的分数或比例值。然后在步骤140将这些值与参考值或范围比较，可能在相互比较之后。在步骤150如果比较示出测量值在参考范围内，则该方法在步骤170终止。但是如果分数或比例在参考范围外，则该方法转至步骤160并且生成具有这种意义的信号，该信号指示已经出现颜色变化或被测试的流体具有不允许的颜色。

[0063] 当对动物的挤奶开始时，三向阀50处于排放的位置，即，在该位置中从奶杯10和奶管线20获得奶被引导至分离罐管线70。经由识别器件90来识别动物，并且在控制器80的控制下开始挤奶。当奶在奶量计30中或更确切地说与窗口310相邻时，颜色传感器40由控制器80控制进行操作。换句话说，在处理器440的控制下，发光器410和检测器420的操作由控制器80编程为与奶量计30中奶的存在同步，奶的存在因此由奶量计30检测到并告知控制器
80。当奶流数据不可得到时，例如当颜色传感器40被置于沿奶管线的其它位置时，颜色传感器操作可与脉动真空的施加同步。处理器440对来自检测器420的数据进行分析并将代表所检测到的颜色分布的数据发送至控制器80以用于存储和后续处理。当处理器440确定被检测的奶的颜色落到参考范围以外时，这可能指示异物的存在，其还向控制器80发射信号指示该事实。在这种情况下，控制器80将三向阀50保持在丢弃位置以确保来自该乳房部分的奶不会与来自剩余乳房部分的好奶混合。控制器80还生成告警消息以提醒农场主注意颜色的读数，使得该动物可以被检查以及，必要时被治疗，而不会有延误。还可在离开挤奶区域后立即隔离该动物，可能通过使用由控制器80控制的自动门禁来实现该操作。如果所检测的奶的颜色落入参考范围内，这也可特定地由处理器440通知控制器80。然后控制器80将三向阀50转至大批量罐管线。

[0064] 在图1中示出了实施例，颜色传感器40检测流过奶量计40的奶的颜色。因此颜色传感器仅在奶正在流动从而出现在与奶量计30的窗口310相邻的区域中的时候工作。在这种布置中，奶量计30或更确切地说牛奶所流过的通路或腔室起到颜色传感器40朝向的容器的作用。但是，同样可能将颜色传感器40定位成与盛载或引导奶的其它容器相邻，例如沿奶管线的其它地方，或甚至在奶杯中。在这种情况下，颜色传感器40可被置于与例如电导传感器或温度传感器这样的流动传感器相邻，并仅在流动传感器指示存在奶的时候工作。此外可以将颜色传感器连接至样品袋，该样品袋或者是作为奶被移至并保存一段较短的时间的单独腔室提供的，或是作为通道中或奶管线中的袋提供的，该通道中或奶管线中的袋临时保存奶直到奶被后续的流替换。在备选的装置中，颜色传感器可被耦接至收集瓶，在其中收集来自动物一个奶头或所有奶头的奶。

[0065] 在以上描述的实施例中，颜色传感器40被用于在挤奶过程中检测原料奶中指示了例如血或脓的污染物的存在的颜色变化，并因此提供关于奶的质量和奶牛状况的信息。但是，本发明的颜色传感器可同等地被用于控制其它食料的质量，包括由奶获得的产品，例如检测在处理过程中可能引入的污染物，或确定可预示着产品的劣化的颜色的所有变化，并因此提供了关于密封包装完整性以及关于产品消费安全性的信息。在后者的情况下，颜色传感器可作为手持器件或甚至作为电池供电元件提供，其可被附接或内置到包装并例如通过按下按钮这样手动地操作。

[0066] 参考编号列表

[0067] 奶杯 10

[0068] 奶管线 20

[0069] 奶量计 30

[0070] 颜色传感器 40

[0071] 三向阀 50

[0072] 大批量罐管线 60

[0073] 分离罐管线 70

[0074] 控制器 80

[0075] 识别器件 90

[0076] 奶 100

[0077] 奶量计孔径 310

[0078] 发光器 410

[0079] 检测器 420

[0080] 印刷电路板 430

[0081] 处理器 440

[0082] 温度传感器 450

[0083] 检测器元件 421

[0084] 光电二极管 422

[0085] 放大器 510

[0086] 积分器/A/D 520

[0087] 接口 530

[0088] 红色滤波器 540

[0089] 绿色滤波器 550

[0090] 蓝色滤波器 560

标题	发布/更新时间	阅读量
一种挤奶杯	2020-05-08	746
挤奶装置	2020-05-08	478
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一种可精准定位牛乳头的转盘式挤奶机	2020-05-11	300

用于检测奶中的异常物质的光学器件

用于检测奶中的异常物质的光学器件

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