Новые решения для обнаружения посторонних включений в пищевых продуктах

Производственный процесс в мясопереработке предусматривает механическую обработку и транспортирование сырья, ингредиентов и готовой продукции. В ходе процесса не исключена возможность попадания в фарш частиц металлов и неметаллов. Более того, попадание посторонних включений в мясную продукцию – не случайное явление. При поточном механизированном производстве оно практически неизбежно.

В нормативной документации (ГОСТы, ТУ) имеются категорические требования о недопустимости наличия посторонних включений в готовой продукции. Продукция с посторонними примесями должна быть обнаружена и отбракована до завершения производственного процесса. Поэтому необходимо включать в состав линий установки для сплошного контроля и автоматического удаления из технологического потока изделий с посторонними включениями без остановки оборудования.

Наиболее часто в настоящее время используются рентгеновские установки и индуктивные металлодетекторы. У каждого из этих типов оборудования имеются свои недостатки: рентгеновские установки являются источником повышенной опасности, а индуктивные способны обнаружить только металлические примеси.

Недостатки существующих устройств исключают возможность их применения для сплошного контроля качества в условиях непрерывного производства. Поэтому возникла необходимость разработки новых эффективных методов и приборов, способных обнаруживать примеси из любых материалов (пластик, бумага, ткани, дерево, стекло и т. д.) и автоматически удалять их из продукта без остановки технологического процесса.

В статье приведены результаты аналитических и экспериментальных исследований обнаружения посторонних включений в мясных продуктах. На основании исследований был разработан и испытан в производственных условиях макет прибора для контроля качества колбасного фарша.

Обзор методов обнаружения посторонних включений

Для обнаружения посторонних включений в продуктах могут быть применены различные методы. Их можно классифицировать, как показано на рис. 1.

Рис. 1. Классификация методов обнаружения

Средства, применяемые для контроля, можно разделить на неразрушающие и разрушающие. При неразрушающем контроле продукт, не имеющий дефекта, сохраняет свои качества, несмотря на то что при контроле на него оказывается определенное воздействие (потоки нейтронов, электромагнитное поле и т. д.)

Перспективными средствами контроля можно считать такие, которые, не изменяя качества, параметров и характеристик контролируемого продукта, позволяют по косвенным, вторичным признакам обнаруживать посторонние включения.

Методы интегральной диагностики дают возможность обнаруживать посторонние включения, но не позволяют однозначно установить причину и локализацию дефекта в продукте. В основе интегральных методов лежит измерение специфических параметров или их совокупности (в статическом или динамическом режиме).

Методы локальной диагностики позволяют установить локальную зону возникновения дефекта, а также выделить одну из многих причин ее возникновения (т. е. локализовать причину).

Рассмотрим некоторые физические методы контроля и оценим их эффективность.

Оптический метод заключается в пропускании через продукт светового излучения и определения оптических показателей инородного включения по степени преломления, поглощения или рассеяния светового излучения. Этот метод непригоден для контроля фарша, потому что фарш оптически непрозрачен.

Магнитометрический метод основан на идее регистрации магнитных потоков рассеяния, вызванных присутствием постороннего тела внутри исследуемого вещества. Различают обнаружение в постоянном и переменном магнитных полях. Этот метод позволяет обнаруживать только металлические частицы.

Рентгеноскопия. В основе метода – большая проникающая способность рентгеновских лучей. Исследуемые лучами участки объекта имеют различные химический состав и плотность, поэтому при прохождении через объект лучи будут ослабляться в разной степени, и эту разницу можно зафиксировать. Использование рентгеновских установок на мясокомбинатах неперспективно, потому что сопряжено с риском для здоровья человека. К тому же организация контроля на всех участках производственной цепочки потребует больших капиталовложений на аппаратуру и специально оборудованные помещения.

Радиоактивный метод схож с рентгеноскопией, только основан на применении гамма-излучения, возникающего в результате ядерных превращений. В пищевой промышленности применение этого метода ограничено, что связано с необходимостью защиты персонала и со специфическими и санитарно-гигиеническими требованиями для пищевых продуктов.

Ультразвуковой метод основан на измерении скорости отражения и поглощения ультразвуковых волн в зависимости от физико-химических свойств исследуемого продукта. Для обнаружений посторонних включений используются «теневой» и «эхо»-способы.

Электрометрические методы основаны на связи между электропроводностью и физико-химическими свойствами объекта. Электрофизические свойства характеризуют физическое состояние, химическую структуру и электрические характеристики продукта, поэтому методы на этой основе можно отнести к универсальным. Они отличаются практически мгновенным преобразованием изменения физических параметров исследуемого объекта в электрический сигнал, что позволяет автоматизировать процесс обнаружения и отбраковки посторонних включений, применяя сравнительно простые технические решения.

Электрические процессы, происходящие в зоне датчика обнаружителя, не оказывают никакого влияния на свойства контролируемых пищевых продуктов и совершенно безопасны для персонала. Они являются наиболее перспективными для применения в мясоперерабатывающей промышленности.

Электрометрические методы подразделяются на индуктивные, емкостные и контактные.

Индуктивный метод основан на переменном магнитном поле. В качестве датчика используется индуктивная ячейка. Аномалии электропроводности обнаруживаются по изменению комплексных сопротивлений или проводимости катушки ячейки. При прохождении через датчик металлической частицы она становится источником вторичного поля, что регистрируется как импульс напряжения. В случае прохождения через датчик неметаллической частицы чувствительность датчика будет низкой.

Емкостной метод основан на применении в качестве датчика конденсатора, через обкладки которого проходит контролируемый продукт. Присутствие в продукте примесей с проводимостью, отличной от проводимости продукта, повлечет за собой изменение общей проводимости емкостной ячейки, что фиксируется измерительной аппаратурой. Однако при работе емкостной ячейки с продуктами высокой проводимости (мясной фарш и др.) ее чувствительность резко снижается, что является ограничением к использованию этого метода для применения в мясной промышленности.

Электроконтактный метод основан на измерении проводимости исследуемого продукта с помощью введенных в него электродов, через которые пропускают постоянный или переменный ток. Если в продукт попадают частицы с иной удельной проводимостью, изменится общая проводимость столба продукта, расположенного между электродами, что фиксируется измерительной аппаратурой.

К достоинствам метода следует отнести высокую чувствительность на продуктах с высокой проводимостью, возможность дифференцировать частицы по размеру, а также классифицировать частицу как диэлектрик или проводник. Этим методом можно обнаруживать ферромагнитные и неферромагнитные частицы, проводники и диэлектрики.

Недостатки метода – изменение проводимости участка между электродами со временем по причине загрязнения и окисления электродов. Ослабить этот процесс можно, используя специальные материалы для электродов, а также регулярно промывая контакты, что в условиях производства обычно не вызывает дополнительных трудностей, так как промывка технологического оборудования является частью производственного процесса.

 Обзор методов и техники удаления обнаруженных посторонних частиц

При обнаружении постороннего включения в продукте появляется необходимость удаления загрязненной части продукции с помощью специальных устройств. Обычно такие устройства монтируются на транспортной линии, по которой перемещаются контролируемые продукты.

Удаление может производиться как с остановкой, так и без остановки технологического процесса. В случае удаления с остановкой технологического процесса (рис. 2): при прохождении в зоне датчика Д продукта П с посторонними включениями с датчика подается сигнал для автоматического отключения питания электродвигателя конвейерной линии. Продукт удаляется из потока вручную. В случае удаления без остановки технологического процесса (рис. 3): при прохождении в зоне датчика Д продукта П с посторонними включениями включается система маркировки М, отмечающая точное местонахождение посторонней частицы (например, на передвигающийся продукт опускается условный знак в виде цветного диска).

Рис. 2. Схема устройства с остановкой технологической линии: Д – датчик; П – продукт

 

Рис. 3. Схема устройства с маркирующим устройством: Д – датчик; П – продукт; М – система маркировки

 При непрерывном транспортировании быстро удалить загрязненный продукт вручную довольно трудно, поэтому необходимы решения для механического удаления загрязненной части продукта без остановки технологического потока, причем действие механических средств удаления должно быть непродолжительным и не прекращать подачи продуктов по конвейеру.

В мясной промышленности находит широкое применение принудительное перемещение по трубам фаршей, бульонов, шквары и т. д. Для трубопроводов используются трубы из различных материалов (стальные, латунные луженые, из нержавеющей стали и пластика). В трубопроводах применяется запорная арматура различной конструкции.

В зависимости от особенностей конструкции запорных кранов и структурно-механических свойств продукта выбираются и сбрасывающие устройства механических отделителей, которые с помощью силового привода переводят загрязненную порцию продукта с основного направления на резервное.

Значительная часть контролируемых объектов в мясоперерабатывающем производстве представляет собой жидкие, тестообразные и вязкопластичные массы, для которых наиболее целесообразно применять переключатели потоков.

Переключатель пробкового типа изменяет направление потоков в трубопроводе путем поворота подвижной части (пробки) на малый угол (рис. 4).

Угловой переключатель потоков представляет собой пробковый кран с осевым каналом на входе и перпендикулярным к нему боковым каналом на выходе. Переключение потока производится поворотом пробки на угол 90 º.

Переключатель с щелевым отверстием переключает поток совмещением щелевого отверстия муфты с щелевым отверстием корпуса переключателя.

Устройство для изменения направления движения вязких продуктов (см. рис. 4) состоит из тройника 2 с поворотным краном 1, имеющим два фиксированных положения: 3 – канал для годного продукта, 4 – канал для загрязненного продукта.

 

Рис. 4. Тройник с поворотным краном: 1 – поворотный кран; 2 – тройник; 3 – канал для годного продукта; 4 – канал для загрязненного продукта; 5 – пробка

 Методы опознавания посторонних включений

Работа любого из известных в настоящее время обнаружителей посторонних включений основана на принципе избирательного выделения так называемого полезного сигнала, образующегося в схеме обнаружителя при прохождении постороннего включения через зону контроля, из всего диапазона сигналов помех различного характера. Применительно к электрометрическим обнаружителям избирательное выделение сигнала базируется на различных электрических параметрах полезного сигнала и сигнала помех. Так как продолжительность нахождения посторонней частицы в зоне контроля невелика, то получаемый в измерительной аппаратуре сигнал носит импульсный характер, который можно охарактеризовать амплитудой, частотой, фазой, длительностью и формой огибающей. Возможна селекция сигнала по любому из этих параметров.

Чаще всего используются обнаружители на основе амплитудной селекции (из-за его сравнительной простоты). Если амплитуда импульса полезного сигнала превышает амплитуды импульсов от различных помех, то, выбрав соответствующий порог срабатывания, можно добиться, чтобы обнаружитель реагировал только на сигналы от посторонних включений.

При селекции сигнала по фазе датчик имеет непосредственный контакт с продуктом и питается от высокочастотного генератора. Установившийся режим в датчике характеризуется определенным распределением поля между контактами, изменяющимся определенным образом при попадании в зону контроля постороннего включения. По отклонению фазы сигнала можно определить тип постороннего включения (диэлектрик, проводник).

Метод селекции сигнала по длительности импульса применяется при известной скорости прохождения продукта через зону контроля. Этот метод позволяет оценить размеры посторонних включений.

Надежное обнаружение посторонних включений может быть достигнуто только при комплексном использовании всех методов селекции.

Экспериментальные исследования

Экспериментальные исследования решали ряд задач, в том числе выбор метода обнаружения и определение оптимальных размеров конструкции.

На первом этапе исследовалось действие электроконтактного датчика в модельных средах (растворы электролитов, молоко, кефир). В результате были получены зависимости величины сигнала для различных тел от расстояния между электродами и размеров частиц.

Были проведены исследования лабораторной модели четырехканального датчика для получения зависимости величины сигнала от положения тела в датчике. Исследовались также различные типы электроконтактных датчиков в целях выбора оптимальной конструкции обнаружителя.

В результате экспериментов был сделан вывод о том, что посторонние включения (как металлические, так и неметаллические) имеют фазы сигналов, отличные как от пищевых контролируемых объектов, так и между собой, что позволяет применять метод фазовой избирательности для селекции сигналов (рис. 5).

Рис. 5. Фазовая диаграмма вторичных полей локальных тел и продукта

На основании результатов аналитических расчетов, основанных на теории электромагнитного поля, и экспериментальных исследований был разработан макет обнаружителя для контроля мясного фарша. Обнаружитель состоит из датчика, совмещенного с устройством удаления посторонних включений, и анализатора (рис. 6).

Рис. 6. Внешний вид обнаружителя

Датчик размещен в металлическом корпусе со съемными крышками. Внутри корпуса расположен пластмассовый трубопровод прямоугольного сечения, в котором равномерно по контролируемому сечению расположены электроды чувствительных элементов. В датчике используется 22 чувствительных элемента.

Трубопровод имеет одно входное отверстие и два выходных. С помощью перепускного клапана, который выполнен в виде пластмассовой шторки, управляемой электромагнитами, продукт может быть направлен в любое из выходных отверстий трубопровода.

Для согласования прямоугольного сечения входного и выходных отверстий трубопровода датчика и круглых отверстий технологических трубопроводов применяются специальные переходники из нержавеющей стали.

Анализатор представляет собой блок электронных элементов, заключенный в металлический корпус со съемными стенками. Все органы управления и индикации вынесены на переднюю стенку корпуса. На задней стенке корпуса расположены разъемы и гнезда для подключения контрольно-измерительной аппаратуры.

С макетом обнаружителя проводились испытания в лабораторных и производственных условиях на Даугавпилском и Алексинском мясокомбинатах.

В лабораторных условиях в качестве продукта использовались мясной фарш и жидкая модельная среда, электропроводность которой близка к электропроводности мясного фарша. В качестве посторонних включений использовались тела сферической и других форм из различных материалов, размерами (0,5÷2)×10^{-3 м. Аппаратура четко фиксировала параметры сигналов при прохождении через датчик различных тел.}

В производственных испытаниях датчик присоединялся к выходу шприца, на выходе датчика устанавливалась цевка. Отвод загрязненного продукта осуществлялся в специальную емкость. При попадании посторонней частицы в фарш, проходящий через датчик, появлялся сигнал, который поступал в блок анализатора, где он фиксировался в соответствующем разряде на световом табло. Одновременно поступала команда на исполнительный механизм удаляющего устройства, которое переводило загрязненную часть продукта в канал выброса, после чего возвращалось в исходное положение. Удаляемая порция продукта составляла 50–70 г (с одним посторонним включением).

При испытаниях было установлено, что уверенно обнаруживаются посторонние включения из различных материалов, при этом анализатор четко различал металлические и неметаллические частицы, что регистрировалось сигналами соответствующих индикаторов. На световом табло высвечивалось их количество.

По результатам испытаний составлялись протоколы.

Практический эффект

Подсчитано, что экономический эффект от внедрения обнаружителя посторонних включений в условиях мясокомбината со средней мощностью 30 т/сут составил в 80-х гг. ХХ столетия не менее 57,6 тыс. руб./год.

Конструкция прибора позволяет с достаточной точностью обнаруживать и автоматически удалять посторонние металлические и неметаллические включения из продукта без остановки технологического процесса.

Анализ технической и научной литературы позволяет сделать вывод о том, что описанная выше методика контроля посторонних включений в продукт, основанная на электроконтактном способе с селекцией сигналов, является в настоящее время наиболее перспективной и универсальной.