奶的分析的制作方法

本发明涉及奶的分析，尤其是涉及用于此的装置、组件和方法。

背景技术：

1、生牛奶是重要的食品并且是食品工业的重要原料。为了保护消费者、为了技术可加工性并且为了市场控制，生牛奶必须符合一定的国家和国际质量要求。

2、在挤奶设备和方法中，一般来说并且尤其是在使用半自动和全自动挤奶系统进行自动和自动化挤奶时，扩展功能起到重要作用。尤其是确保奶的质量标准，尤其是检查明显改变的奶是重点。

3、已知在挤奶过程之后，间接或直接地对挤得的奶的成分进行光谱分析。在此利用成分的特征吸收光谱。如果将特定波长的光引导到奶中，只要奶中含有吸收该波长的成分，该波长的光就会被奶吸收。

4、从现有技术中已知使用具有固定波长的led用于光谱分析。这可以利用简单的构件实现，这些构件除了单个led之外仅需一个光传感器和简单的评估电子器件。但这种构件仅对一种特定成分灵敏。因此，在设计部件时就已经需要确定这应该是哪种成分。根据现有技术，分析多种不同成分需要较高的费用，例如通过进行实验室检查。作为替代方案，必须使用具有不同led的多个构件。在多个led的情况下，需要单独依次接通这些led并且因此彼此分开地分析波长。为每个led记录一个光谱值。

技术实现思路

1、本发明的任务是在所述现有技术的基础上提供以低费用分析奶中的不同成分的可能性。

2、该任务通过根据独立权利要求所述的装置、组件和方法来解决。在从属权利要求中说明了其它有利的实施方式。

3、根据本发明，提出一种用于分析奶的装置。该装置包括：

4、-用于奶的管路区段，

5、-光源单元，其将光发射到管路区段中，

6、-检测单元，用于光谱分辨地检测从管路区段射出的光，

7、和尤其是

8、-评估单元，其设置用于基于检测单元的信号分析奶的成分。

9、所描述的装置用于分析挤得的奶、尤其是牛奶，该奶在挤奶过程之后被间接或直接分析。“奶”在此不仅应理解为纯奶，而且也应理解为被污染的奶。由纯奶和血液或化学制品如清洁剂或浸渍剂形成的混合物构成被污染的奶并且在此也称为“奶”。“分析”应理解为检查奶的组成。在此可以关于成分如脂肪、蛋白质和乳糖等或关于污染物如抗生素、浸渍剂、清洁剂或水来检查奶。也可以确定奶中是否包含固体颗粒、絮状体、泡沫和气泡。分析可以包括区分某些物质是否存在，而不确定其量。因此可以确定奶是否被污染。替代或附加地，例如可以确定奶中的脂肪含量。

10、特定成分的不存在尤其是可以通过如下方式确定：该成分以不能用所述装置测量的量存在于奶中。例如可以检查奶是否包含血液和/或尿素。然后可以将被血液和/或尿素污染的奶分离出来，优选在其与其它奶混合之前。此外，奶中的血液可以表明奶所来源的动物受伤。如果检测到血液，则可以对相关动物进行检查，以验证动物的健康状况。此外，分析还包括对成分进行量化。例如可以确定蛋白质、脂肪和/或乳糖的含量。

11、所述装置可有助于过程监控。例如该装置可以用于识别牛奶组成随时间的变化。这尤其是与奶中的清洁剂的浓度有关。该装置可以识别动物的泌乳周期或妊娠期。此外，该装置可以用于流量识别。因此，例如可以区分挤奶过程和清洁过程。优选该装置设置用于响应于所确定的结果输出操作指令，例如以警报或警告的形式。

12、所述装置包括用于奶的管路区段。管路区段应理解为奶可以流动通过的管路的一部分。管路区段例如可以是管或软管的一部分。管路区段具有至少一个入口和至少一个出口，奶可经由该入口进入管路区段中，奶可经由该出口从管路区段中流出。所述至少一个入口和所述至少一个出口彼此不同。管路区段不必与管路的其余部分分开界定。尤其是管路区段不必在正好一个管构件上延伸。所述至少一个入口和所述至少一个出口仅分别定义管路区段的起点和终点并且不必例如与相邻放置的管构件之间的接头重合。管路区段只在所述装置设置用于分析管路区段中的奶的范围内在物理上被定义。这意味着，管路区段至少在测量区域上延伸，在该测量区域内可以分析奶。但测量区域不必包含整个管路区段。尤其是测量区域可以不在整个管路横截面上延伸。

13、所述装置还具有光源单元和检测单元。通过光源单元可以将光引导到管路区段中，例如经由管路区段边界中的窗口。通过检测单元可以检测从测量室射出的光，例如经由管路区段边界中的另一个窗口或上述窗口。检测单元优选与光源单元协调。特别优选检测单元覆盖由光源单元发射的整个光谱范围。检测单元和光源单元优选这样设置，使得从管路区段射出的、源自光源单元的光可以被检测单元检测到。检测单元具有一个或多个检测器。光源单元和检测单元用于对奶进行光谱分析。这通过将检测单元设置用于光谱分辨地检测光来实现。这意味着，检测单元可以根据波长检测光强度。即，检测单元可以记录多个光谱单值，尤其是从管路区段射出的、源自光源单元的光的整个波长光谱。为了光谱分辨地检测光，检测单元优选包括用于光谱分解光的器件，例如干涉仪或色散元件、如光栅或棱镜。在色散元件的情况下，其优选可旋转地支承。作为替代方案，可以使用空间分辨检测器、如ccd芯片，借助空间分辨检测器可以在测量时刻测量光谱分解的光。在这种情况下，测量精度尤其是取决于ccd芯片的分辨率。

14、优选检测单元具有检测器和干涉仪。干涉仪是一种通过将光束分成两个部分光束并将具有光程差的这两个部分光束合并来产生干涉的装置。干涉仪和检测器这样构造和设置，使得从管路区段射出的光可以被干涉仪光谱分解，然后被检测器检测。通过使用干涉仪光谱分解光，检测单元可以光谱分辨地检测光。即，干涉仪使得能够在从管路区段中射出的光中确定光源单元的优选连续的波长光谱内的多个光谱单值。干涉仪例如可以是迈克尔逊干涉仪或法布里-珀罗干涉仪。这两种干涉仪都具有可移动的反射镜。优选干涉仪具有一个、尤其是正好一个柔性元件，其产生光源单元的总光谱的不同部分光谱。

15、检测单元可以通过参考值反馈而自动调整和/或校准。检测单元可以客户和/或畜群特定地进行适配。此外，可以补偿光源单元随时间的变化。

16、通过将光源单元和检测单元对准管路区段，所述装置设置用于分析管路区段内的奶。由光源单元和检测单元形成的、用于分析奶的测量区域由此属于该管路区段。就此而言，管路区段相对于其它管路区段不同。

17、所述装置优选包括微机电系统，简称mems。mems是具有可移动微结构的构件。它可以通过机械应力或通过施加电压来操作。因此，检测单元可以由此实现，即实现具有可移动反射镜作为这种微结构的干涉仪。光源单元可以相对于mems以固定的定向设置，例如以共同构件的形式或在共同的壳体中。光源单元和检测单元优选相对于彼此以固定的位置和定向设置。这种装置特别小、坚固且易于集成并且能够在实验室外进行比较简单的分析。此外，这种装置可以相对简单地和低成本地大量生产。

18、“所述装置具有光源单元”意味着设置一个或多个光源单元。光源单元优选包括一个或多个光源。如果光源单元具有多个光源，则这些光源优选构造成彼此相同的。作为替代方案，可以通过相互协调的led作为光源来获得连续光谱，其覆盖期望的光谱范围。多个光源可以这样设置，使得整个测量区域被均匀地照射。光源可以是同类的或不同的。通过组合不同的光源可以获得特别宽的波长光谱。还可以想到，光源单元具有多个不连续的光源，如蒸汽灯、尤其是钠蒸汽灯或汞蒸汽灯。光源单元也可以由此构造，即，外部辐射源(例如通过光纤)耦入。在这种情况下，光源单元仅由光纤形成。

19、利用所描述的装置可以分析导管区段中的奶。即，当奶流过导管区段时，可以对奶进行分析。不需要提取和分析样本。一方面，样本的提取比在被穿流的管路区段中的分析更昂贵。另一方面，样本分析的结果通常在延迟的情况下得到。如果在取样后奶已经与其它奶混合，则所有奶可能因此需要被处理掉。相反，通过在管路区段中的分析，例如能够特别快速且简单地分离出被污染的奶，尤其是在这些奶与其它奶混合之前。此外，所述装置能够对奶进行全面分析，而不仅仅是对样本进行分析。例如所述装置可以用于在挤奶后直接分析奶，然后再将这些奶与其它奶在奶罐中混合。

20、优选光源单元将具有连续的波长光谱的光发射到管路区段中。“连续的波长光谱”应理解为，其给出一个波长范围，这个波长范围的每个波长包含在由光源单元发射的光中。波长光谱至少具有一个无空隙的区段。这不排除波长光谱具有多个连续的区段，在这些区段之间存在相应的空隙。但优选波长光谱总体上没有空隙。波长光谱优选是宽带连续的波长光谱。术语“宽带”应相对于检测单元的检测范围来理解。波长光谱优选具有彼此分开至少200nm、尤其是至少500nm的波长。在这种情况下，波长光谱至少覆盖200nm或500nm宽的波长范围，该波长范围包含光中的每个波长。特别优选波长光谱至少覆盖1350至2500nm范围内的波长。波长光谱优选在近红外范围和/或中红外范围内。在这种情况下，奶的分析就是红外光谱分析。但也可以想到，波长光谱完全或全部覆盖可见光范围和/或完全或全部覆盖紫外线范围。特别优选波长光谱覆盖可以用于激发待分析的奶中的化学键的波长范围。因此，可以确定奶的所谓的光谱指纹。由光源单元发射的光的波长光谱优选至少在一个区段中是连续的。例如波长光谱可以是如在黑体辐射中存在的普朗克光谱。

21、通过具有连续光谱的光源单元，可以对奶的不同成分进行分析。这尤其是可以以色散光谱的方式来进行。因此，所述装置不限于分析单一成分。因此，在设计该装置时，不需要确定到特定成分。就此而言，所述装置特别灵活。

22、此外，所述装置优选具有评估单元。评估单元设置用于基于检测单元的信号分析奶的成分。评估单元可以与光源单元和检测单元一起设置在壳体中。

23、作为将评估单元用作装置的一部分的替代或补充，奶的分析也可以在装置之外进行，例如通过中央服务器和/或通过云应用。所述装置优选具有接口，检测单元的信号能够经由该接口输出、尤其是输出到评估单元，该评估单元设置用于基于检测单元的信号识别奶的成分。所述装置和评估单元可以通过电缆、无线连接和/或互联网连接相互连接。

24、为了尤其是借助于评估单元分析奶，可以以色散光谱的方式评估由检测单元发送的信号。为此优选使用一种复杂的评估算法，借助该评估算法可以计算奶的成分的存在以及可选地还有浓度。评估算法使用测量的光谱信息作为输入参数并由其计算期望的、待确定的特征变量或值。

25、评估算法可以由独立系统借助参考数据和/或使用机器学习程序来获得。由检测单元发送的信号包含关于由检测单元检测到的光的信息。尤其是在具有连续光谱的光源单元的情况下，所述装置可以特别简单地调整，以便分析其它成分。尤其是无需为此改变硬件。取而代之，只需改变评估算法。也可以通过调整评估单元的软件来调节测量精度，例如通过与测量持续时间相互配合的方式。即，可以通过改变软件、如通过软件更新来改变分析。通过软件更新尤其是可以扩展评估的功能范围，例如通过启用先前禁用的功能或功能扩展(实际添加功能)。因此，可以在不改变结构的情况下改变评估的工作原理。

26、优选以傅里叶变换光谱法、尤其是傅里叶变换红外光谱法(简称ftir)进行评估。在由此获得的光谱上可以识别奶中存在哪些成分。例如可以确定光谱在特定成分的特征波长中是否具有峰值。也可以确定成分的量。为此可以确定峰值的高度。

27、可以借助被奶反射和/或吸收的光分析奶。为了使用反射光，光源单元和检测单元的至少一个检测器设置在管路区段的同一侧上。因此，来自光源单元的光可以进入管路区段中，被管路区段中的奶反射并且从管路区段进入检测单元的所述至少一个检测器中。光源单元和检测单元可以并排设置，例如设置在共同的壳体内。基于这种紧凑结构方式的可能性，该实施方式是优选的。尤其是在该实施方式中优选所述装置包括mems。

28、为了使用吸收光，光源单元和检测单元的至少一个检测器设置在管路区段的彼此相对置的侧面上。在这种情况下，管路区段设置在光源单元和检测单元的所述至少一个检测器之间。因此，来自光源单元的光可以被导入管路区段中并且只要它不被管路区段中的奶吸收，它就可以从管路区段进入检测器。

29、如果检测单元具有多个检测器，则优选这些检测器全部设置在管路区段的同一侧。即，要么可以用所有检测器检测反射光，要么可以用所有检测器检测吸收光的不存在。但也可以想到，检测单元在光源单元侧和相对置侧上都分别具有一个或多个检测器。在这种情况下，既可以考虑反射光又可以考虑吸收光。

30、由光源单元发射的光谱可以随时间改变。因此，优选以规则的间隔测量由光源单元发射的光谱作为参考。特别优选在每次用于分析的测量之前直接记录相应的参考光谱。如果借助反射光进行分析，则可以将为了分析而测量的光谱与用理想反射器测量的参考光谱进行比较。如果借助吸收光进行分析，则可以将为了分析而测量的光谱与在管路区段为空的情况下测量的参考光谱进行比较。

31、在一种优选实施方式中，所述装置还具有主管路，管路区段从主管路分支出并通入主管路。

32、管路区段并行于主管路延伸。因此，在该实施方式中，尽管不是所有的奶都被分析。但与检查单个样本相比，所述装置能够对奶进行更全面的分析。最后，利用所述装置可以用于连续地检查一部分奶流。

33、术语“主管路”在与术语“支线”区分时仅涉及下述情况，即，在分支的管路区段中并且因此在单独的管路部件中进行奶的分析。主管路不必具有比分支的管路区段更大的流动横截面。

34、在测量区域的上游，管路区段优选具有滤网。该滤网例如可以设置在分支点处，在该分支点处支线从主管路分支。滤网可以将相应最小尺寸的固体颗粒阻挡在管路区段之外。由此可以防止管路区段堵塞。

35、在所述装置的另一种优选实施方式中，支线经由第一开口和第二开口通入主管路，第一开口和第二开口在高度方向上彼此间隔开地设置。

36、高度方向涉及所述装置在符合规定的使用中的定向。由于所述开口在高度方向上彼此间隔开，因此设置得更靠下的开口可优先用于管路区段中的液体组分，而气体组分可优先通过开口中的上部开口进入主管路中。通过这种分离，液体组分可以特别不受干扰地在管路区段的下部区域中流动。因此，可以以特别高的测量精度来分析奶。在光源单元和检测单元设置在管路区段下半部高度上的优选实施方式中，情况尤其如此。特别优选光源单元和检测单元设置在管路区段之下。这分别涉及光源单元和检测单元在高度方向上的布置。

37、在另一种优选实施方式中，这样确定管路区段的入口和/或出口的尺寸，使得奶通过管路区段的流动被延迟。

38、在该实施方式中，管路区段内的流动低于其上游和/或下游。流动的延迟有利于测量并且与此相关有利于精度。尽管如此，仍发生持续的液体交换。

39、在另一种优选实施方式中，管路区段尤其是可通过管路区段内的截止元件截止。

40、在该实施方式中，奶可以完全被限制流动，以便进行分析。分析不连续地进行。由此可以实现特别高的测量精度。

41、在该装置的另一种优选实施方式中，光源单元包括热电子发射源。

42、热电子发射源发射连续的波长光谱。此外，它们相对便宜。热电子发射源优选是卤素灯。这种灯具有高的和定向的强度。

43、作为本发明的另一方面提出一种组件。该组件包括：

44、-挤奶设备；

45、-用于分析奶的装置，该装置包括

46、-用于奶的管路区段，

47、-光源单元，其将光发射到管路区段中，

48、-检测单元，用于光谱分辨地检测从管路区段射出的光，

49、-和尤其是评估单元，其设置用于基于检测单元的信号分析奶的成分。

50、所述挤奶设备与装置的管路区段连接。

51、所述装置的优点和特征可应用于或转移到所述组件，反之亦然。包含在该组件中的装置优选如上述装置构造。

52、所述组件优选用于对奶牛挤奶。挤奶设备优选构造为挤奶杯组。优选所述组件具有一个奶罐，该奶罐通过管路区段与挤奶设备连接。所述组件优选包括多个挤奶设备，它们与奶罐连接。在奶从挤奶设备之一进入奶罐之前，至少对一部分奶进行分析。如有必要，可以在奶与其它奶在奶罐中混合之前将其分离出来。为了进行分析，所述组件包括上述装置。装置的管路区段在此可以设置在动物和奶罐之间的任意位置处。

53、优选所述组件具有奶罐，该奶罐通过管路区段与挤奶设备连接。这意味着，奶罐和挤奶设备之间的连接包括管路区段。然而，管路区段不必从奶罐延伸至挤奶设备。甚至优选在挤奶设备和奶罐之间设置其它元件，如奶闸。此外，奶罐和挤奶设备不必仅通过管路区段相互连接。甚至优选主管路与奶罐和挤奶设备连接并且管路区段设置在从主管路分支出并且再次通入主管路的支线中。

54、例如管路区段可以这样设置，使得可以分析特定乳头的奶。优选在这种情况下为每个奶头分别设置一个装置，从而可以奶头特定地分析动物的奶。在奶牛的情况下，该分析也可以被称为四分之一特定的(viertelindividuell/quarter-specific)。替代或附加地，可以在奶收集器下游设置具有管路区段的装置，从而可以动物特定地分析奶。替代或附加地，可以将具有管路区段的装置设置在挤奶站和奶罐之间。替代或附加地，可以将具有管路区段的装置设置在多个挤奶站的奶汇合的区域中。替代或附加地，可以将具有管路区段的装置直接设置在奶罐处。也可想到，将具有管路区段的装置设置在自动清洁机和挤奶站之间。具有管路区段的装置也可以设置在用于不可销售的奶的管路中。

55、管路区段优选是可截止的。“奶罐通过管路区段与挤奶设备连接”应独立于相应截止阀的位置来判断。因此，管路区段不会因关闭截止阀而失去其特性，即奶罐通过该管路区段与挤奶设备连接。

56、作为本发明的另一方面提出一种用于分析管路区段中的奶的方法。该方法包括：

57、a)将光引导到管路区段中，

58、b)光谱分辨地检测从管路区段射出的光，

59、c)基于根据步骤b)检测到的光，分析奶的成分。

60、所述装置和组件的优点和特征可应用于并转移到该方法，反之亦然。该方法优选通过所述装置并且尤其是通过所述组件来实施。所述装置和组件优选适于实施所述方法。

61、步骤a)至c)各执行一次即可。由此可以获得瞬间记录。但优选步骤a)至c)分别执行多次。因此，可以记录并且分别评估一系列光谱。因此，尤其是可以以恒定的时间间隔分析奶。由此可以检测在挤奶过程期间随时间的发展。

62、在所述方法的一种优选实施方式中，在步骤c)之前通过机器学习创建评估算法，在步骤c)中使用所述评估算法来分析奶。

63、为了创建评估算法，将检测单元的信号与相应的参考值一起输入机器学习程序。参考值可以通过附加地例如借助实验室检查分析如上所述分析的奶而获得。在此识别检测单元的信号的特征与参考值之间的模式。

64、机器学习程序可以是独立设备的部分。尤其是机器学习程序可以安装在计算机上，该计算机不是本文描述的装置的一部分。机器学习程序例如可以安装在开发工具上。

65、评估算法可以由独立设备创建并且随后——如果所述装置具有评估单元——被传输到评估单元。作为替代方案，由独立设备创建的评估算法可以由独立设备传输到用于分析奶的服务器。为此不需要在独立设备和评估单元或服务器之间的永久联系。检测单元的信号可以以不同方式、例如通过因特网或电缆连接传输到独立设备。如果所述装置具有评估单元，则所创建的评估算法可以以相同的方式传输到评估单元。独立设备可以与评估单元在空间上分离或与评估单元一起设置在共同的壳体中。

66、评估算法可以通过机器学习由评估单元或用于分析奶的服务器本身来创建或改变，例如通过使用人工智能。

67、评估算法创建一次即可。因此例如可以在学习阶段中利用分别相应的参考值来处理检测单元的多个信号。优选尤其是以规则的时间间隔修改评估算法。为此可以在新的学习阶段中创建新的评估算法或更新到目前为止的评估算法。所述组件优选包括用于由检测单元的信号和相应的参考值来创建评估算法的设备。该设备优选具有机器学习程序。在这种情况下，评估单元设置用于基于检测单元的信号在使用评估算法的情况下来分析奶。所述设备也可以是服务器，其同时用于分析奶。

68、此外，该方法优选包括：

69、d)如果在步骤c)中识别的成分超过相应的极限值，则输出信号。

70、通过步骤d)例如可以向奶农给出如何对特定成分的存在做出反应的操作指示。例如所述组件可以具有显示装置，通过该显示装置响应于在步骤d)中输出的信号显示操作指示。替代或附加地，在步骤d)中输出的信号可以自动实现。例如如果检测到奶中的血液，则可以通过响应于在步骤d)中输出的信号切换相应的阀而自动分离出被污染的奶。此外，可以向奶农显示检查相关母牛是否受伤的操作指示。

71、在该方法的一种优选实施方式中，将从挤奶设备出来的奶引导通过管路区段。

72、在该实施方式中，可以特别全面且快速地分析奶。这尤其是基于光源单元的连续的波长光谱来实现。

73、在该方法的另一种优选实施方式中，在步骤c)中确定奶中的至少一种预定成分是否超过相应的极限值。

74、在该实施方式中，检查一种或多种特定成分的存在或不存在。这例如对于血液和尿素作为成分是有利的。在此基于预定的极限值区分存在和不存在。

75、在该方法的另一种优选实施方式中，改变在步骤c)中使用的评估算法。

76、在该实施方式中，首先借助第一评估算法，然后借助第二评估算法对奶进行所述分析。例如可以通过软件更新将评估算法从第一评估算法改变为第二评估算法。第一评估算法和第二评估算法例如在奶的可检测成分方面和/或在可实现的测量精度方面彼此不同。

77、在该方法的另一种优选实施方式中，循环执行以下步骤：

78、a)在管路区段中聚集奶，

79、b)根据步骤a)至c)分析位于管路区段中的奶，

80、c)将在步骤b)中分析过的奶从管路区段排出。

81、在该实施方式中，不连续地分析管路区段中的奶。为此将奶引入管路区段中并且这样截止管路区段，使得奶聚集在管路区段(步骤a))。这例如可以通过关闭管路区段下游的截止阀来实现。一旦在管路区段中聚集了期望量的奶，就可以分析这些奶(步骤b))。这可以特别可靠地进行，因为在测量期间奶是静止的。步骤b)优选仅在步骤a)结束之后才开始。测量时间优选在0.5秒和5秒之间、尤其是在1秒和2秒之间。在测量时间期间管路区段优选被截止。奶在测量时间内相应地静止。在分析后，可以将奶从管路区段中排出(步骤c))。为此例如可以再次打开截止。步骤c)优选仅在步骤b)结束时才开始。然后，重复步骤a)至c)。在此一个循环的步骤c)可以与下一个循环的步骤a)同时进行。因此，可以将分析过的奶从管路区段导出，在这个过程中将在下一个循环中待分析的奶导入到管路区段中。

82、如果改变在步骤c)中使用的评估算法，则这在该实施方式中优选在两个循环之间进行。

83、步骤a)至c)可以如上所述依次实施。就此而言，可以不连续地分析奶。在一种替代实施方式中，连续地分析奶。为此可以连续地聚集和排出奶。因此，这相应于限制奶的流动。为此，可以这样确定管路区段的入口和/或出口的尺寸，使得延迟奶通过管路区段的流动。由此可以实现特别高的测量精度。