一种生鲜肉类水分检测装置的制作方法

本实用新型涉及生鲜肉类水分检测技术，具体涉及一种应用传热学和电学相结合的原理对生鲜肉类水分检测的装置。

背景技术：

在当今社会，肉类已经成为人们主要的动物性食品，因此，做好肉类品质检测，对于保障人民食肉安全，有着重要的现实意义。目前，市场上的猪肉、牛肉、鸡肉等肉类制品存在着质量不合格和污染的问题，尤其是存在人为的往肉类中注水的问题，肉品注水后，不仅影响肉品的质量和味道，而且往往由于所注水质的污染，容易引起肉质腐败，食用后导致食物中毒，严重危害消费者的身体健康。健康的动物在屠宰后肉的表层会很快地形成一种干爽的保护膜，可以防止肉的营养物质流失，并有助于阻止外部细菌的侵入，而注水肉的表层不能形成保护膜，加快了细菌的侵入和繁殖，此外，由于所注入的水，质量不符合饮用水标准，含病原微生物，加上操作过程中缺乏消毒手段，因此，易造成病原微生物的污染。

国家有关部门制定了畜禽肉的水分限量的新标准，新的强制性国家标准畜禽肉水分限量征求意见稿已二年前公布《相对国家标准GB18394－2001》畜禽肉水分限量，新版本对畜禽肉水分限量作出了更加明确的限制：猪肉牛肉鸡肉的水分不能超过76.5％，羊肉含水量不超过77.5％，鸭肉含水量不超过80％。

目前国内外对注水肉的检验方法主要有感官检验法、组织检验法、滤纸检验法、火烧检验法和电导法等。感官检验法主要观察肉品形态学变化，注水肉外观肌肉苍白，肌纤维肿胀，切面湿润，注水量多的肉可见有水分从肉中向外渗出，冬季可见有冰渣，触摸时手感湿润，但不发粘，按压时常有多余水分流出，并且弹性较差，压痕恢复较慢，而由于个体感官的差异，每个人判断的结果也不同，直接影响着检测结果的准确性。组织检验法是用组织切片在放大镜下观察，可见注水肉肌纤维肿胀，排列不整齐，甚至发生断裂，肌纤维组织间隙明显增大，有少量淡红色液体渗出，这种方法所需设备复杂，操作技术要求高。滤纸检验法是在猪肉上割开一个小口，将滤纸条一端贴在肉上，正常肉贴上后另一端不湿，注水肉另一端会逐渐浸湿，该方法简单易行，所需的仪器少，成本低，适用于基层工作，但此方法限于定性判断，灵敏度不高。火烧检验法是将一长条卫生纸贴在肉上，几分钟后取下用火烧，正常的肉易燃烧，火焰呈蓝色，注水肉不易燃烧，火焰呈红色，该方法简单易行，但是仅限于定性判断。电导法的原理是利用肉的阻抗与其含水量有关，通过测量肉的阻抗变化以判断肉的水分含量，例如山东省化学研究所根据电导原理研制了肉类水分检测仪，该仪器用色带刻度盘显示鲜肉的注水程度，但其检验结果存在有假阳性，在测量误差、稳定度、准确度等技术性能方面，还存在许多缺陷，需要进一步的改进提高。此外，现有技术对于肉类是否存在注水的检测，基本上还是依靠市场检疫员的现场检测，其现场检验的主要手段又是靠检疫员的感官检验，存在误差大的缺陷，效果很不理想。

技术实现要素：

本实用新型的目的是，克服现有技术对生鲜肉类水分检测所存在的判定速度慢、判定结果可靠性不高甚至只能定性而不能定量判断的问题，提供一种应用传热学和电学的原理相结合的全新的方法，以期准确、可靠、快速和安全地检测生鲜肉类水分的方法和装置。

本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的：

一种生鲜肉类水分检测装置，该装置利用肉类中所含的水分与其热导率之间呈现线性关系的原理而通过测定肉品的热导率以间接地测定肉品的含水量，从而判断肉品是否注水；该装置的检测工具包括作为插入肉品的热探针，热探针与精密电阻箱及稳压电源连接，精密电阻箱的输出电压通过数据取样系统与计算机连接，并通过计算机运算得出结论。

稳压电源通过精密电阻箱对插进生鲜肉类样品中的特制的热探针准确可控地供电进行微加热，在生鲜肉类中建立温度场，再通过测量在温度场中的热探针由于温度变化造成其电阻发生变化而引起的输出电压的变化，间接地测出生鲜肉类的导热率的变化，再利用肉类中所含的水分与其热导率之间呈现线性关系的原理通过数学分析进而求得被测肉品的含水量。

优选方案，所述热探针为无磁的热探针。

优选方案，热探针的构成包括细长的一端为尖头的金属管和铜线，铜线表面包覆绝缘漆；漆包的铜线按照每段长度略短于金属管的要求经若干次反复折转组成一扎铜线，该扎铜线包含有偶数段；将该扎铜线导入金属管中，并用真空硅脂填充空隙，金属管的前端用环氧树脂胶密封，金属管的后端用环氧树脂胶密封并从中导出引线。所述铜线兼具电热丝的作用。

若干次反复折转的结构类似于回形针的结构，偶数段铜线在通电后，电磁效应恰好全部抵消，构成内部无磁的热探针。真空硅脂导热性能优良且绝缘。

优选方案，所述检测装置配置有可调恒温箱。对于体积太小的生鲜肉类样品提供恒温的环境，避免外界气流对样品温度造成影响。

优选方案，热探针的两电极分别通过精密电阻箱内的精密电阻Rs以及通过串联的精密电阻R₁和精密电阻R₂以连接电热丝引线，电热丝引线与稳压电源连接；从精密电阻R₁和精密电阻R₂的连接点以及热探针与精密电阻Rs的连接点引出取样电压△V，再经热电偶引线连接至数据取样系统，数据取样系统包含有直流放大器，直流放大器的输出信号传输至计算机的信号记录装置，通过计算机进行数据处理和显示；有一触发器通过精密电阻R₃及电热丝引线连接稳压电源和热探针，触发器控制热探针的加热和检测。

优选方案，检测装置设有抗干扰措施，包括静电屏蔽和磁场屏蔽，热探针的外接线为屏蔽线，屏蔽线的外套接地；所述直流放大器用高导磁率和高导电率的材料制作成的屏蔽罩屏蔽，屏蔽罩妥善接地；直流放大器的输入线与输出线，交流电源线分开走线，且不可平行走线；选用高质量的稳压电源，稳压电源中的电源变压器原副边之间加屏蔽层；交流地线和直流地线分开且只有交流地线接大地；选用精密电阻器件以及完善的接地技术。

优选方案，金属管由食品级奥氏体不锈钢管制成。食品级不锈钢是指符合《中华人民共和国国家标准/不锈钢食具容器卫生标准》GB 9684-88规定的不锈钢材料，奥氏体不锈钢无磁，并为热探针提供对外界的磁屏蔽。

优选方案，热探针的长径比大于10。根据导热基本定律，当实际导热物体中某一个方向的温度变化率远远大于其他两个方向的变化率时，导热问题的分析可以采用一维模型。对于圆柱体结构的探热针，当符合其长径比大于10的条件，则可认为其是无限长的，即可按一维模型进行传热分析和计算，而不考虑轴向传热的影响。

优选方案，热探针按长度划分规格，有小号和大号两种规格，其长度分别为，小号10mm，大号30mm；分别适用于待测生鲜肉类样品的厚度为，小号15—35mm；大号35mm以上。

一种采用上述任一项生鲜肉类水分检测装置对生鲜肉类进行水分检测的方法，包括以下步骤：

1)、热探针标定：利用热探针直接插入高纯水进行热导率测试，并与高纯水的标准热导率对比，计算出热探针的仪器常数：

A＝0.005a₀R₀/L，Ω/(m·K·s)

式中：a₀——0℃时的铜电阻温度系数,1/K；

R₀——0℃时的铜电阻的电阻,Ω；

L——探针长度,L；

仪器常数A仅与热探针本身材料和长度有关，而与加热功率、测试温度无关；

测试时要在同一条件下测试6次，且每次偏差小于±2％，然后求得其平均值作为该热探针仪器参数的标定值；

标准样品纯水的电阻率18.4MΩ·cm。

2)、制定检验标准：用传统的检测方法(例如恒温干燥法)对同一样品进行热导率测试，用于检验用热探针法测定不同水分含量的生鲜肉类热导率值的参照值，并比较所得的测试值与文献值之间的相对误差值进行适当的修正，最后以此修正值作为判定待测生鲜肉类样品是否为注水肉的依据并备案；

具体是，通过研究不同水分含量的生鲜肉类样品的热导率，包括分别选50％、60％、70％、80％及90％水分含量的生鲜肉类样品，在大量实验数据及数学分析的基础上，得到生鲜肉类组织水分含量与热导率之间的对应关系，随后对线性时段进行拟合处理，得到输出电压差随时间自然对数的线性变化关系；

3)、待测肉品的取样规则：

a).取样规则的理论依据，生鲜肉类样品的厚度需满足大于热探针的热扩散半径的条件，

R＝2/5(στ/2)^0.5，

式中：R——热扩散半径，mm；

σ——肉品的热扩散系数，m²/s；

τ——加热时间，s；

b).生鲜肉类样品的尺寸规格：对于体积较大的肉块，将其上下面切平，厚度要大于热扩散半径；对于体积特别小的肉块，将其上下面切平，再用圆形套切刀割出圆柱状的样品，将几片样品对齐堆叠，堆叠后的总厚度要大于热扩散半径，圆柱的半径大于热扩散半径；

4)、选用热探针型号：对于满足条件的大体积的肉块采用大号热探针，对于满足条件的较小体积的肉块采用小号热探针，适当处理后，采用全埋入式，该热探针由于全埋入被测肉品内，并且热扩散半径小于实际样品的尺寸，可以减少外界环境对测试的影响；对于体积特别小的肉块，采用小号热探针，适当堆叠样品并采用半埋入式处置；

对于体积较小，温度扩散距离大于实测样品尺寸的微型肉品，由于被测样品边界与外界对流换热的情况会影响热导率的测量，本方法采用将微型尺寸的肉品测试置于相对稳定的可调恒温箱中，可以抵消测试环境温度波动对其热导率参数的影响；

5)、测试待测肉品：包括以下工艺流程；

a).按拟定的取样规则将待测肉品取样；

b).将待测肉品的样品放置在可调恒温箱内24小时，待其内部温度均匀后再进行热导率测试；

c).将热探针插入肉质均匀的待测肉品样品中，稳定温度0.5小时；

d).调节精密电阻Rs的电阻值，使电路输出的电压信号ΔV接近于零；

e).调节稳压电源的电压，对热探针施以恒定功率，使电路输出电压为U，对热探针加热，此时检测装置进入自动运行状态，检测、运算和输出结果；

f).通过计算机输出检测结论，由于热探针内部铜线受热升温，同时使热探针的金属管和待测肉品样品也随之升温，引起铜线的电阻发生变化，从而使输出电压差随之发生变化，由数据取样系统的直流放大器将采集到的输出电压信号ΔV以及加热时间t输入计算机的信号记录装置并由计算机进行处理，得到输出电压差随时间自然对数的线性变化关系d(ΔV)/d(Lnt)，根据公式

λ_m＝(AU²/R_b²)/{d(-ΔV)/d(Lnt)}

式中：λ_m——待测肉品的热导率,W/(m·K)；

A——热探针的仪器常数,Ω/(m·K·s)；

U——稳压电源的电压,V；

R_b——探针的初始电阻，Ω；

ΔV——输出电压差，V；

t——加热时间,s；

可以求得被测试样品的热导率；

g).对上述单项检测对照检验标准进行预判检测结果。

目前市场上正常生鲜肉的水分含量大约为65％，国标规定例如猪肉的水分含量，不能超过76.5％，待热探针标定完成后，分别测出当水分含量达到65％和76.5％时所对应的生鲜肉类热导率值，即得到了当猪肉肉品水分含量达到临界时所对应的热导率值，简称“临界值”。在大量实验数据及数学分析的基础上，利用水分含量与热导率呈正相关的关系，若待测样品的热导率值大于临界值(即水分含量高于76.5％时对应的热导率值)，则待测样品为注水肉；

6)、对每个待测样品在同一条件下重复测量6次，且当每次测试偏差小于±2％时，取其平均值。对采集的输出电位差ΔV与时间的对数Int用Excel进行线性时段拟合处理，按相关度最大的原则，计算出d(ΔV)/d(Int)，即可得到待测样品的热导率。

本实用新型的有益效果是：

1、利用传热学和电学相结合对生鲜肉类水分检测，原理新颖且清晰、抓住本质特征，测试结果准确可信；

2、特制热探针内部无磁，外部隔磁，防止干扰；

3、精密电阻箱以电桥取样、高档稳压电源和控制器相结合，测试准确，操作方便；

4、数据取样系统包含有直流放大器，直流放大器的输出信号传输至计算机进行自动数据处理和显示，快速准确直观；

5、包括静电屏蔽和磁场屏蔽的多种抗干扰措施，抗干扰能力强；

6、备有大小规格的热探针，广泛适应不同种类和不同体积的生鲜肉类测试；

7、配置有可调恒温箱，提供恒温的环境，避免外界气流影响。

附图说明

附图1是本实用新型的一种实施例装置结构的原理示意图；

附图2为本实用新型利用热探针测量生鲜肉和注水肉热导率的测试系统中热探针的结构示意图；

附图3为针对较大体积的肉块采用大号热探针及全埋入式处置的样品取样和检测方法示意图；

附图4为针对较小体积的肉块采用小号热探针及全埋入式处置的样品取样和检测方法示意图；

附图5为针对体积特别小的肉块采用小号热探针及半埋入式处置的样品取样和检测方法示意图。

图中，热探针1；管11；铜线12；真空硅脂13；环氧树脂胶14；引线15；小号热探针16；大号热探针17；稳压电源2；数据取样系统3；计算机4；可调恒温箱5；精密电阻Rs 61；精密电阻R₁ 62；精密电阻R₂ 63；精密电阻R₃ 64；电热丝引线65；取样电压△V 66；触发器7；肉类毛胚81；规则样品82；体积特别小的肉块91；圆形套切刀92；圆柱状的样品93。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方案对本实用新型作进一步描述。

实施例1：如图1所示，一种生鲜肉类水分检测装置，该装置包括作为插入肉品的热探针1，热探针1与精密电阻箱及稳压电源2连接，精密电阻箱的输出电压通过数据取样系统3与计算机4连接，并通过计算机4运算得出结论。其应用原理是利用肉类中所含的水分与其热导率之间呈现线性关系的原理而通过测定肉品的热导率以间接地测定肉品的含水量，从而判断肉品是否注水。

稳压电源2通过精密电阻箱对插进生鲜肉类样品中的特制的热探针1可控地供电进行微加热，在生鲜肉类中建立温度场，再通过测量在温度场中的热探针1由于温度变化造成其电阻发生变化而引起的输出电压的变化，间接地测出生鲜肉类的导热率的变化，进而利用肉类中所含的水分与其热导率之间呈现线性关系的原理通过数学分析求得被测肉品的含水量。

热探针1的构成包括细长的一端为尖头的金属管11和包覆绝缘漆的铜线12，漆包的铜线12按照每段长度略短于金属管11的要求经若干次反复折转组成一扎铜线，将该扎铜线导入金属管11中，并用真空硅脂13填充空隙，金属管11的前端用环氧树脂胶密封，金属管11的后端用环氧树脂胶14密封并从中导出引线15，尖头一端可顺利地刺入肉品中。由于包含有偶数段铜线，所以在通电后，电磁效应恰好全部抵消，构成内部无磁的热探针。金属管11由食品级奥氏体不锈钢管制成，奥氏体不锈钢无磁，也为热探针1提供对外界的磁屏蔽。热探针1的长径比大于10。根据导热基本定律，当实际导热物体中某一个方向的温度变化率远远大于其他两个方向的变化率时，导热问题的分析可以采用一维模型。对于圆柱体结构的探热针，当符合其长径比大于10的条件，则可认为其是无限长的，即可按一维模型进行传热分析和计算，而不考虑轴向传热的影响。具体结构还包括，热探针按长度划分规格，有小号热探针16和大号热探针17两种规格，其长度分别为，小号10mm，大号30mm；分别适用于待测生鲜肉类样品的厚度为，小号15-35mm；大号35mm以上。热探针的结构如附图2所示。

检测装置配置有可调恒温箱5。对于体积太小的生鲜肉类样品提供恒温的环境，避免外界气流对样品温度造成影响。当然，对于较大体积的生鲜肉品也可以置于可调恒温箱5中，对提高测试精度也是有意义的。

热探针1的两电极分别通过精密电阻箱内的精密电阻Rs 61以及通过串联的精密电阻R₁ 62和精密电阻R₂ 63以连接电热丝引线65，电热丝引线与稳压电源2连接；从精密电阻R₁ 62和R₂63的连接点以及热探针1与精密电阻Rs 61的连接点引出取样电压△V，再经热电偶引线连接至数据取样系统3，数据取样系统3包含有直流放大器，直流放大器的输出信号传输至计算机4的信号记录装置，通过计算机4进行数据处理和显示；有一触发器7通过精密电阻R₃ 64及电热丝引线65连接稳压电源2和热探针1，触发器7控制热探针1的加热和检测。

检测装置设有抗干扰措施，包括静电屏蔽和磁场屏蔽，热探针1的外接线为屏蔽线，屏蔽线的外套接地；直流放大器用兼具高导磁率和高导电率的材料制作成的屏蔽罩屏蔽，屏蔽罩必须妥善接地；直流放大器的输入线与输出线，交流电源线分开走线，且不可平行走线；选用高质量的稳压电源，稳压电源2中的电源变压器原副边之间加屏蔽层；交流地线和直流地线分开，必须有且仅仅只有交流地线接大地；选用精密电阻器件以及完善的接地技术。

由于电路信号是mV量级微弱信号，易受干扰，为提高测试精度及抗干扰能力，还采取如下措施：①与被测的DC信号相比，较大的AC电压会产生一误差信号，可能使数据测试系统产生额外的偏置电压，因此，为减小AC的影响，电路应被屏蔽。②为了减少磁场的干扰，应使电压源和数据测试系统远离强交变磁场源。由于磁场变化而感应出的电压是与输入导线所形成的回路面积成正比。因此，要尽量减小输入导线所形成的回路面积，并采用单点连接。③为减小热电势造成的测量误差，用铜线来连接电路和数据测试系统，因为铜的热电势最小。同时被测线路外面加屏蔽盒，可减小空气的流动从而减小温漂。对于固定的偏置电压，可采用REL功能来消除。④选用高质量的稳压电源和精密电阻器件以及完善的接地技术。

实施例2：一种采用实用新型内容中所述的任一项生鲜肉类水分检测装置对生鲜肉类进行水分检测的方法，包括以下步骤：

1)、热探针1标定：利用热探针1直接插入高纯水进行热导率测试，并与高纯水的标准热导率对比，计算出热探针的仪器常数：

A＝0.005a₀R₀/L，Ω/(m·K·s)

式中：a₀——0℃时的铜电阻温度系数,1/K；

R₀——0℃时的铜电阻的电阻,Ω；

L——探针长度,L；

仪器常数A仅与热探针本身材料和长度有关，而与加热功率、测试温度无关；

测试时要在同一条件下重复测试6次，且每次偏差小于±2％，然后求得其平均值作为该热探针仪器参数的标定值；

2)、制定检验标准：用传统的检测方法(例如恒温干燥法)对同一样品进行热导率测试，用于检验用热探针法测定不同水分含量的生鲜肉类热导率值的参照值，并比较所得的测试值与文献值之间的相对误差值进行适当的修正，最后以此作为判定待测生鲜肉类样品是否为注水肉的依据并备案；

具体是，研究通过不同水分含量的生鲜肉类样品的热导率，包括分别选50％、60％、70％、80％及90％水分含量的生鲜肉类样品，在大量实验数据及数学分析的基础上，得到生鲜肉类组织水分含量与热导率之间的对应关系，随后对线性时段进行拟合处理，得到输出电压差随时间自然对数的线性变化关系；

3)、待测肉品的取样规则：

a).取样规则的理论依据，生鲜肉类样品的厚度需满足大于热探针1的热扩散半径的条件，

R＝2/5(στ/2)^0.5，

式中：R——热扩散半径，mm；

σ——肉品的热扩散系数，m²/s；

τ——加热时间，s；

b).生鲜肉类样品的尺寸规格：对于体积较大的肉块，将其上下面切平，预留的厚度要大于热扩散半径；对于体积特别小的肉块91，将其上下面切平，再用圆形套切刀92割出圆柱状的样品93，将几片圆柱状的样品对齐堆叠，堆叠后的总厚度要大于热扩散半径，圆柱的半径大于热扩散半径；

4)、选用热探针型号：对于满足条件的大体积的肉块采用大号热探针，对于满足条件的较小体积的肉块采用小号热探针，适当处理后，采用全埋入式，该热探针由于全埋入被测肉品内，并且热扩散半径小于实际样品的尺寸，可以减少外界环境对测试的影响。

如附图3及附图4所示，附图3中的虚线区域A及附图4中的虚线区域B，示意实际温度扩散区域。

关于附图4的流程说明：

第一步，割肉类毛胚81；

第二步，上下表面切平成规则样品82；

第三步，插入大号热探针17；

图中的箭头示意流程方向。

5)、测试待测肉品：包括以下工艺流程；

a).按拟定的取样规则将待测肉品取样；

b).将待测肉品的样品放置在可调恒温箱内24小时，待其内部温度均匀后再进行热导率测试；

c).将热探针插入肉质均匀的待测肉品样品中，稳定温度0.5小时；

d).调节精密电阻Rs 61的电阻值，使电路输出的电压信号ΔV接近于零；

e).调节稳压电源2的电压，对热探针1施以恒定功率，使电路输出电压为U，对热探针加热，此时检测装置进入自动运行状态，检测、运算和输出结果；

f).通过计算机4输出检测结论，由于热探针内部铜线受热升温，同时使热探针的金属管11和待测肉品样品也随之升温，引起铜线的电阻发生变化，从而使输出电压差随之发生变化，由数据取样系统3的直流放大器将采集到的输出电压信号ΔV以及加热时间t输入计算机4的信号记录装置并由计算机4进行处理，得到输出电压差随时间自然对数的线性变化关系d(ΔV)/d(Int)，根据公式

λ_m＝(AU²/R_b²)/{d(-ΔV)/d(Lnt)}

式中：λ_m——待测肉品的热导率,W/(m·K)；

A——热探针的仪器常数,Ω/(m·K·s)；

U——稳压电源的电压,V；

R_b——探针的初始电阻，Ω；

ΔV——输出电压差，V；

t——加热时间,s；

可以求得被测试样品的热导率；

g).对上述单项检测对照检验标准进行预判检测结果。

目前市场上正常生鲜肉的水分含量大约为65％左右，国标规定猪肉的水分含量，不能超过76.5％，待热探针标定完成后，分别测出当水分含量达到65％和76.5％时所对应的生鲜肉类热导率值，即得到了当猪肉肉品水分含量达到临界时所对应的热导率值，简称“临界值”。在大量实验数据及数学分析的基础上，利用水分含量与热导率呈正相关的关系，若待测样品的热导率值大于临界值(即水分含量高于76.5％时对应的热导率值)，则待测样品为注水肉。

6)、对每个待测样品在同一条件下重复测量6次，且当每次测试偏差小于±2％时，取其平均值。对采集的输出电位差ΔV与时间的对数Int用Excel进行线性时段拟合处理，按相关度最大的原则，计算出d(ΔV)/d(Int)，即可得到待测样品的热导率。

实施例3：对于满足条件的小体积肉块采用小号热探针，以提高灵敏度；但对于尺寸不满足热扩散半径条件的微型肉品，如鸡翅，鸡肝，鸡心等，可适当堆叠样品并采用半埋入式处置，其检测结果也具有一定的参考意义，具体如附图5所示。

对于体积较小，温度扩散距离大于实测样品尺寸的微型肉品，由于被测样品边界与外界对流换热的情况会影响热导率的测量，本方法采用将微型尺寸的肉品测试置于相对稳定的可调恒温箱5中，可以抵消测试环境温度波动对其热导率参数的影响。其余结构和测试方法同实施例1和实施例2。

本实用新型生鲜肉类水分检测装置及方法，具有原理新颖且清晰，数据自动处理和显示，测试结果准确可信，抗干扰能力强，操作方便，且适用性广的优点。本领域的技术人员如果对上述实用新型内容作简单的修改或替换，这样的改变不能认为是脱离本实用新型的范围，所有这样对所属领域的技术人员显而易见的修改将包括在本实用新型的权利要求的范围之内。