Analizzatore a infrarossi del grado di tostatura per torrefattori di caffè: 13 passaggi (con immagini)

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:03

introduzione

Il caffè è una bevanda consumata in tutto il mondo sia per le sue proprietà sensoriali che funzionali. Il gusto, l'aroma, la caffeina e il contenuto di antiossidanti del caffè sono solo alcune delle qualità che hanno decretato il successo dell'industria del caffè. Mentre l'origine, la qualità e la specie dei fagiolini influiscono sulla qualità del prodotto finale, la tostatura del caffè è il fattore più influente.

In genere, durante la tostatura, il mastro torrefattore (un individuo altamente qualificato) utilizza le proprietà dei chicchi come temperatura, consistenza, odore, suono e colore per valutare e regolare di conseguenza la tostatura. Dopo la tostatura, i chicchi di caffè vengono valutati per garantire la qualità del chicco. L'Agtron Process Analyzer è uno strumento standard del settore utilizzato per misurare il grado di tostatura dei chicchi di caffè utilizzando la spettrofotometria abbreviata nel vicino infrarosso. Il grado di tostatura è essenzialmente una misura della qualità del caffè basata sull'entità del calore trasferito durante la tostatura e classifica il caffè in tostature chiare, medie e scure.

Recentemente c'è stata una crescita di piccole aziende di torrefazione che offrono arrosti interni personalizzati. Queste aziende sono alla ricerca di alternative meno costose all'assunzione e alla formazione di un maestro di torrefazione o all'utilizzo del costoso Agtron Process Analyzer. L'analizzatore a infrarossi del grado di tostatura per torrefattori di caffè, come descritto in questo documento, è pensato per essere un mezzo economico per misurare il grado di tostatura dei chicchi di caffè. Il Degree of Roast Infrared Analyzer utilizza un tryer, uno strumento che si trova sui torrefattori utilizzati per campionare il caffè durante la tostatura, per contenere un campione di caffè. Il tester viene inserito nell'analizzatore dove viene utilizzato il sensore spettrale NIR AS7263 per misurare 6 diverse bande infrarosse (610, 680, 730, 760, 810 e 860 nm). Le misure di riflettanza vengono trasmesse via Bluetooth e possono essere poi correlate al grado di tostatura. L'analizzatore deve essere prima calibrato premendo un pulsante all'interno della scatola in cui il PVC viene utilizzato come bilanciamento del bianco in quanto ha una riflettanza relativamente piatta nella gamma spettrale rilevata dal sensore.

Passaggio 1: materiali

Elenco dei materiali

1. Scudo SparkFun Qwiic (https://www.sparkfun.com/products/14352)
2. Connettore SparkFun Qwiic (https://www.sparkfun.com/products/14427)
3. Sensore spettrale NIR SparkFun AS7263 (https://www.sparkfun.com/products/14351)
4. 4 x lampade VCC 6150 5V.06A (lampadine a incandescenza) (https://www.mouser.com/)
5. 2 x pulsanti momentanei
6. 2 resistenze da 10kOhm
7. DC Barrel Jack Femmina (https://www.sparkfun.com/products/10288)
8. Modulo Bluetooth HC-05 (https://www.amazon.com/)
9. Interruttore di alimentazione
10. Relè a stato solido (AD-SSR6M12-DC-200D) (https://www.automationdirect.com/)
11. Cappuccio in PVC da 1/2"
12. Tee in PVC da 1/2" x 1/2" x 3/4"
13. Scatola artigianale (ingresso hobby)
14. Arduino Uno
15. Tryer
16. Alimentazione 5V 2A (https://www.adafruit.com/product/276)

17. Cavo USB - Standard A-B (cavo di programmazione)

Note sui materiali

Lampade VCC 6150 - Si tratta di lampadine a incandescenza scelte per la loro elevata emissione di infrarossi. Le lampadine a incandescenza vengono utilizzate al posto della luce LED fornita sul modulo AS7263 perché il LED di bordo non emette l'uscita infrarossa necessaria per riflettere i chicchi di caffè e per essere successivamente misurata dal sensore. Inoltre, è importante notare che in questo design le lampadine a incandescenza sono alimentate dalla fonte di alimentazione 5V 2A e controllate da Arduino tramite un relè. SparkFun fornisce due pin di saldatura integrati sul modulo AS7263 allo scopo di alimentare e controllare una sorgente di luce ausiliaria, tuttavia questi pin non vengono utilizzati perché non forniscono abbastanza tensione o amperaggio per alimentare sufficientemente le lampadine a incandescenza scelte.

SparkFun Qwiic Shield - Questo scudo viene utilizzato per la sua capacità di connettersi facilmente al sensore AS7263 tramite un connettore Qwicc. Lo shield fornisce inoltre sia lo spostamento del livello logico a 3,3 V che un'ampia area di prototipazione.

Relè a stato solido - Questo tipo di relè è stato scelto per le sue capacità di commutazione rapida e silenziosa, tuttavia è costoso e non necessario in quanto funzionerebbe anche un relè elettrico standard. Se si utilizza un relè elettrico standard, potrebbe essere necessario modificare il codice per rallentare il processo di campionamento e calibrazione.

Dimensione del PVC - La dimensione del PVC è stata scelta a causa del diametro del dispositivo di prova a portata di mano e dovrebbe essere modificata se si utilizza un dispositivo di prova di dimensioni diverse.

Modulo Bluetooth HC-05 - È stato utilizzato un instructables (https://www.instructables.com/id/How-to-Set-AT-Command-Mode-for-HC-05-Bluetooth-Mod/) per modificare il baud velocità del modulo da 9600 a 115200 per corrispondere alla velocità di trasmissione dell'AS7263.

Passaggio 2: schema elettrico

S1 -- Interruttore di alimentazione

SSR1 -- Relè a stato solido

B1 -- Pulsante di campionamento

B2 -- Pulsante di calibrazione

R1 -- Resistenza 10kOhm

R2 -- Resistenza 10kOhm

L1, L2, L3, L4 -- Lampadine a incandescenza

Passaggio 3: montaggio delle lampadine a incandescenza sull'AS7263

È stato realizzato un anello di montaggio stampato in 3D (fornito in STL) per tenere le lampade attorno al sensore. Le lampade sono state cablate in parallelo ed è stata utilizzata la colla a caldo per evitare che i cavi delle lampade si toccassero. L'isolamento in gomma liquida può essere utilizzato al posto della colla a caldo. Successivamente, sono stati utilizzati piccoli fili per fissare l'anello di montaggio al sensore legando i fili attraverso i fori previsti sul sensore.

Passaggio 4: assemblare la porta del dispositivo di prova

È stato praticato un foro nella parte posteriore del cappuccio in PVC per ospitare il pulsante momentaneo. Il lato da 3/4 della maglietta in PVC è stato tagliato e sono state utilizzate delle fascette per fissare il sensore alla porta del dispositivo di prova. Potrebbe essere necessario regolare la lunghezza della maglietta per adattarsi alle dimensioni del dispositivo di prova. È stata inserita una tacca il lato sinistro del raccordo a T in PVC per allineare il campione di fagioli nel tester con il sensore.

Passaggio 5: cablaggio del relè a stato solido e dell'interruttore di alimentazione

Le luci del erano cablate in serie con relè a stato solido e il jack a barilotto DC.

Il Vin sullo scudo Qwiic era collegato al jack a barilotto CC tramite un interruttore di alimentazione.

La massa sullo scudo Qwiic era collegata alla terra del jack a barilotto DC.

Passaggio 6: cablaggio del pulsante di calibrazione

Il pulsante di calibrazione è stato collegato all'alimentazione, al Digital 2 e alla massa tramite un resistore.

Passaggio 7: cablaggio del pulsante di campionamento

Il pulsante di campionamento è stato collegato all'alimentazione, al Digital 3 e alla massa tramite un resistore.

Passaggio 8: cablaggio dell'INGRESSO al relè a stato solido

Il lato di ingresso del relè a stato solido è stato collegato a Digital 5 ea massa.

Passaggio 9: cablaggio del modulo Bluetooth

Il modulo Bluetooth è stato cablato secondo lo schema elettrico fornito.

VCC - 5V

RXD - Digitale 11

TXD - Digitale 10

GND - GND

Passaggio 10: codice

Carica il codice fornito su Arduino Uno utilizzando il cavo di programmazione.

Come riferimento, SparkFun fornisce una guida di avvio per AS726x (https://learn.sparkfun.com/tutorials/as726x-nirvi)

ATTENZIONE!! Quando si esegue il test del codice, assicurarsi che Arduino non riceva alimentazione sia dall'alimentatore 5V CHE dal cavo di programmazione. Questo friggerà Arduino

Passaggio 11: visualizzazione dei risultati tramite Bluetooth

Per visualizzare i risultati Bluetooth, scarica Bluetooth Electronics di keuwlsoft dal Google Play Store. Salva il file DegreeOfRoastInfraRedAnalyzer.kwl nella cartella keulsoft nella memoria interna del dispositivo Bluetooth. Usa l'icona di salvataggio nell'app per caricare il file kwl. Quindi, connettiti al modulo Bluetooth HC-05 ed esegui il file caricato.

Fase 12: Conclusioni

Legenda lunghezza d'onda:

• R - 610 nm
• S-680nm
• T - 730nm
• U - 760nm
• V - 810 nm
• W - 860 nm

Il sensore NIR AS7263 è stato utilizzato per misurare la riflettanza spettrale dei chicchi di caffè a 6 diverse lunghezze d'onda per caffè non tostato e tostature chiare, medie e scure. I risultati del sensore mostrano che la riflettanza a infrarossi diminuisce con gradi più elevati di tostatura su tutte le lunghezze d'onda testate. La lunghezza d'onda con la variazione maggiore in base al grado di tostatura è risultata essere 860 nm. Questo sistema fornisce una base rapida e facile da usare per la misurazione offline del grado di tostatura dei chicchi di caffè. I dati di questo sensore forniranno ai torrefattori un ulteriore metodo di controllo della qualità garantendo tostature ripetibili e riducendo l'errore umano. È necessario ulteriore lavoro per correlare i dati a infrarossi agli standard del settore.

Passaggio 13: un ringraziamento speciale a…

• Dr. Timothy Bowser -- Consulente
• Dr. Ning Wang -- Membro del Comitato
• Dr. Paul Weckler -- Membro del Comitato
• Dan Jolliff -- US Roaster Corp.
• Connor Cox -- Oklahoma Center for the Advancement of Science and Technology
• Il Dipartimento di Biosistemi e Ingegneria Agraria presso l'Oklahoma State University, Stillwater, OK
• Il Centro per i prodotti alimentari e agricoli dell'Oklahoma State University, Stillwater, OK