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KR100975751B1 - Real-time portable quality determination system of crude oil - Google Patents

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KR100975751B1
KR100975751B1 KR1020080048253A KR20080048253A KR100975751B1 KR 100975751 B1 KR100975751 B1 KR 100975751B1 KR 1020080048253 A KR1020080048253 A KR 1020080048253A KR 20080048253 A KR20080048253 A KR 20080048253A KR 100975751 B1 KR100975751 B1 KR 100975751B1
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Abstract

본 발명은 원유 생산 현장에서 실시간 휴대용 체세포수, 지방, 단백질, 유당 및 무지고형분을 측정하여 원유의 품질을 종합적으로 평가하고 나아가 고품질 원유 생산을 위한 개체별 젖소의 생육 및 저능력우의 관리를 통한 생산성 향상시킬 수 있는 원유의 실시간 휴대용 품질판정 시스템을 개발하는 것을 목적으로 한다. 본 발명의 원유의 실시간 휴대용 품질판정 시스템은 원유 시료를 공급하기 위한 원유 공급장치(1); 유성분과 반응하는 시약을 공급하기 위한 시약 공급장치(2); 원유와 반응시약을 혼합하기 위한 혼합장치(3); 혼합된 시약과 시료의 온도를 조절하기 위한 온도 조절 장치(4); 혼합된 시료를 스펙트럼 측정용 셀에 공급하기 위한 시료 공급장치(5); 측정용 셀에 공급된 원유 시료의 광학적 특성을 측정하기 위한 광원 장치(6); 광 프로브; 가시광선 및 근적외선 분광 검출 장치; 측정된 스펙트럼을 분석하여 모델을 개발하고 각각의 유성분에 대한 품질을 판정하기 위한 품질판정 장치(10); 전체 시스템을 제어하기 위한 시스템 제어 장치와 전체 시스템의 제어 및 모니터링 상태를 표시하기 위한 화면 표시 장치(12)로 구성하여 개발하였다.The present invention measures the real-time portable somatic cell count, fat, protein, lactose and non-solid content at the crude oil production site to comprehensively evaluate the quality of the crude oil, and furthermore, the productivity through the management of cow growth and low-capacity cows for individual high quality crude oil production. The aim is to develop a real-time portable quality determination system for crude oil that can be improved. The real-time portable quality determination system of crude oil of the present invention includes a crude oil supply device 1 for supplying a crude oil sample; A reagent supply device 2 for supplying a reagent that reacts with the dairy component; A mixing device 3 for mixing crude oil and a reaction reagent; A temperature control device 4 for controlling the temperature of the mixed reagent and the sample; A sample supply device 5 for supplying the mixed sample to the cell for spectrum measurement; A light source device 6 for measuring optical characteristics of the crude oil sample supplied to the measuring cell; Optical probes; Visible and near-infrared spectroscopy detection apparatus; A quality judging device 10 for analyzing the measured spectra to develop a model and to determine the quality of each dairy component; A system control device for controlling the entire system and a screen display device 12 for displaying the control and monitoring status of the entire system were developed.

원유, 실시간, 휴대용, 품질판정, 시스템, 흡광도 Crude oil, real time, portable, quality judgment, system, absorbance

Description

원유의 실시간 휴대용 품질판정 시스템{A real-time portable system for predicting raw milk}A real-time portable system for predicting raw milk}

본 발명은 원유 생산 현장에서 실시간 휴대용 체세포수, 지방, 단백질, 유당 및 무지고형분을 측정하여 원유의 품질을 종합적으로 평가 및 관리가 가능한 원유의 실시간 휴대용 품질판정 시스템에 관한 것이다. The present invention relates to a real-time portable quality determination system of crude oil capable of comprehensively evaluating and managing the quality of crude oil by measuring real-time portable somatic cell count, fat, protein, lactose and non-solid content at the crude oil production site.

국내 원유 생산량과 소비량은 각각 연평균 0.5~0.8%, 2~3% 정도로 꾸준히 증가하는 반면에 수입 유제품의 지속적인 증가로 인하여 원유의 자급률은 오히려 하락하여 2011년에는 59.8%에 머무를 것으로 전망되어 원유 수입이 축산산업에 큰 문제로 대두되고 있다(한국농촌경제연구원 농업전망, 2002).Domestic crude oil production and consumption are steadily increasing at an annual average of 0.5 ~ 0.8% and 2 ~ 3%, respectively, while the self-sufficiency of crude oil is expected to drop to 59.8% in 2011 due to the continuous increase of imported dairy products. It is a big problem in the livestock industry (Korea Agricultural Research Institute, Agricultural Outlook, 2002).

원유의 수입량은 1991년부터 꾸준히 증가하여 1996년과 1997년에는 국내 원유 생산량의 25 % 정도가 수입되었고, 매년 증가하여 국내산 원유의 구조적인 수급 불균형 현상을 초래하고 있다. 이러한 현상은 유가공업체에서 이윤추구를 위해 값싸고 품질이 좋은 수입산 원유를 수입하여 피자치즈, 기능성 요구르트, 조제분유 등의 유제품을 생산하기 때문이다. 그러므로 현재 국내에서는 원유의 생산량을 조절하기 위해 비유촉진제의 사용을 금지하고 국제 경쟁력을 높이기 위한 고품질 우 유 생산에 박차를 가하고 있다.Imports of crude oil have increased steadily since 1991, and in 1996 and 1997, about 25% of domestic crude oil production has been imported, increasing annually, resulting in structural supply and demand imbalance of domestic crude oil. This is because dairy companies import low-cost, high-quality imported crude oil to produce profits such as pizza cheese, functional yogurt, and formula. Therefore, in Korea, the ban on the use of non-promoter in order to regulate the production of crude oil, and is spurring the production of high-quality milk to enhance international competitiveness.

고품질 우유란 풍미가 좋고 단백질, 지방과 같은 우유성분 함량이 풍부하며 세균수와 체세포수가 적은 신선한 우유를 말한다. 특히 원유 체세포수의 증가는 유성분 중 지방, 유당, 단백질, 카제인의 감소와 나트륨, 염소의 증가를 가져오는 등의 전반적인 원유 품질에 영향을 미쳐 축산농가의 경제적 손실을 증가시키고, 우유의 경제적 가치를 떨어뜨린다(국립수의과학검역원, 2002).High-quality milk refers to fresh milk that has a good flavor, is rich in milk ingredients such as protein and fat, and has a low bacterial count and somatic cell count. In particular, the increase in the number of crude somatic cells affects the overall quality of the milk, which leads to a decrease in fat, lactose, protein, casein, and an increase in sodium and chlorine, which increases the economic loss of livestock farmers and improves the economic value of milk. Drop (National Veterinary Research and Quarantine Service, 2002).

또한 원유의 체세포수 증가는 유량 감소 이외에 유방염 진단의 지표로도 사용되는데 일반적으로 건강한 유선으로부터 분비되는 원유에는 체세포수가 ㎖당 20만 개 이하이지만, 미생물에 감염되면 면역세포 중에서 호중구의 증가로 인하여 체세포수가 ㎖당 50만 개 이상으로 증가한다. 그러므로 목장별로 체세포수를 측정하여 젖소의 유방염 감염 여부를 판단할 수 있다.  In addition, the increase in somatic cell count of crude oil is used as an indicator of mastitis diagnosis in addition to the decrease in flow rate.In general, crude milk secreted from healthy mammary gland has less than 200,000 somatic cells per ml. The number increases to more than 500,000 pieces per ml. Therefore, it is possible to determine the mastitis infection of cows by measuring the somatic cell count by each ranch.

현재 덴마크, 미국, 일본 등에서는 소득증대와 웰빙시대에 발맞추어 기존의 유대지급 기준인 체세포수, 지방, 단백질 이외에 유당, 총고형분, 수분 등을 추가 하였고, 세균수와 체세포수가 일정 수준을 넘을 때에는 집유를 정지시키고 벌과금을 부과하는 등 고품질 우유 생산에 심혈을 기울이고 있다.Currently, in the Danish, US, and Japanese countries, lactose, total solids, and moisture were added in addition to the existing bond payment standards such as somatic cell count, fat, and protein in keeping with income growth and well-being age. They are working hard to produce high-quality milk, including stopping milk collection and imposing fines.

덴마크는 2001년 원유 ㎖내에 체세포수 30만 개 이하가 약 85%이며, 유질협회에서 우유를 관리하고 있는 일본도 체세포수 30만 개 이하가 74%, 50개만 이하가 92%이다. 또한 미국에서는 낙농가의 원유의 체세포수를 10만 개 이하로 감소시키는 것을 장래의 목표로 삼고 있다.In Denmark, about 85% of somatic cell counts were less than 300,000 soybeans in 2001. 74% of somatic cell counts and less than 500,000 soybeans are 92%. The United States also aims to reduce dairy somatic cell counts to less than 100,000 cells.

국내에서도 위생등급제 실시 이후 일시적으로 체세포수가 개선되었지만 1997 년 이후에는 체세포수 개선 정도가 미진하여 체세포수 50만 개 이상의 3등급 농가 분포율이 전체의 30% 전후로 나타났다. 이러한 체세포수 개선 정도가 부진한 이유는 국내 낙농업이 전업화, 규모화되면서 농가별 평균 사육두수의 증가로 개체별 관리에 한계가 있고, 제한된 공간에서 농후사료 위주의 열악한 사육환경과 예방적인 차원에서 체세포수 관리 프로그램의 적극적인 도입이 되고 있지 않기 때문이다. In Korea, the somatic cell count was temporarily improved after the implementation of the sanitary grading system, but since 1997, the degree of somatic cell count was not improved, and the distribution rate of grade 3 farms with more than 500,000 somatic cell counts was around 30%. The reason for the lack of improvement in somatic cell count is that domestic dairy farming industry is full-scaled and scaled up, and the average number of heads per farmer is increased, which limits the management of individual individuals. This is because the program is not being actively introduced.

국내의 경우 1972년 이전에는 물량 위주로 유대지급을 하였고, 1992년까지는 유지방율을 기준으로 유대를 지급하였다. 1993년 6월부터는 유지방율과 유대 차등지불제를 시작하였고, 1995년 10월부터는 세균수와 체세포수의 등급기준에 따라 위생등급을 나누어 우유값의 차등 지급제로 시행하여 위생적인 우유생산에 큰 효과를 거두었지만, 체세포수 25만 개 이하가 2001년에 약 21%로 다른 선진국에 비하여 뒤쳐져 있는 상황이다. In the case of Korea, ties were paid based on volume before 1972, and until 1992, ties were paid based on the maintenance rate. In June 1993, we started the differential payment system for milk fat and milk, and in October 1995, we divided the sanitary grade according to the germ count and somatic cell count as a differential payment system for milk value. The number of somatic cells below 250,000 is behind that of other developed countries, about 21% in 2001.

공산물의 품질관리 및 안전성에 대한 연구는 많은 국공립연구기관과 기업체연구소 등에서 다양하게 수행되고 있으나, 농산품의 품질관리를 위한 전문연구소 설치 및 전문 인력양성은 미비한 실정이며 국내 농산품의 이공학적 특성에 대한 기초자료의 축적이 부족하고, 품질 판정에 대한 연구 역사가 그리 오래되지 않아 관련기술 개발 실적도 미흡한 상황이다. 그러므로 원유의 품질판정에 관련된 각종 단위 계측장치 및 설비의 국내 개발이 어려운 실정이므로 대부분의 설비를 수입에 의존하고 있다.Research on quality control and safety of industrial products has been conducted in various national and public research institutes and corporate research institutes.However, the establishment of specialized research institutes for the quality control of agricultural products and the cultivation of professional manpower are insufficient. Due to the lack of data accumulation and the short history of research on quality judgment, the development of related technologies is insufficient. Therefore, the domestic development of various unit measuring equipment and equipment related to the quality determination of crude oil is difficult, so most of the facilities are dependent on imports.

원유의 품질검사법은 주로 임상진단과 화학적 진단 등이 있으나 오랜 시간이 소요되며 위험한 시약을 사용하는 등의 복잡한 전처리 과정을 거쳐야 하며, 전문가 를 필요로 하여 일반 낙농농가에서는 사용하기 어렵다.Crude oil quality testing mainly includes clinical diagnosis and chemical diagnosis, but it takes a long time and requires complicated pretreatment process such as using dangerous reagents.

현재 국내,외에서 사용되고 있는 자동화된 원유의 품질측정 장치는 크게 체세포수 측정 장치(Fossomatic)와 단백질, 유당, 지방, 총고형분 등을 측정할 수 있는 장치(Milkoscan)가 있다. 또한, 체세포수와 원유의 품질을 동시에 측정 가능한 장치(Combifoss)가 개발되어 있으나 가격이 비싸 일부 유가공 업체에서만 사용이 가능하고 장비의 규모가 크므로 이동 중에 사용하거나 휴대할 수 없어 응급 시 원유 생산현장에서 실시간 품질측정이 불가능하다. 또한 수입품이므로 국내 축산농가 환경과는 다소 차이가 있어 축산 농가 및 유통현장에 부적합하기 때문에 실시간 측정이 가능한 휴대용 원유 품질판정 장치의 개발이 필요한 실정이다.Automated crude oil quality measuring devices currently used at home and abroad are largely somatic cell counting device (Fossomatic) and a device that can measure protein, lactose, fat, total solids (Milkoscan). In addition, a device (Combifoss) has been developed that can simultaneously measure the somatic cell count and the quality of crude oil, but it is expensive and can only be used by some dairy companies and the equipment is large. Real-time quality measurement is not possible at. In addition, since it is an imported product, it is somewhat different from the domestic livestock farming environment, so it is not suitable for livestock farms and distribution sites. Therefore, it is necessary to develop a portable crude oil quality determination device capable of real-time measurement.

또한 국내 축산농가에서는 원유의 품질과는 상관없이 착유된 원유를 하나의 냉각기에 저장하여 원유 유통업체에 보내 품질에 따른 유대를 지급받고 있다. 원유의 품질이 저하되거나 체세포수가 늘어나면 현장에서 이화학적 방법을 이용하여 품질저하 원인을 찾고 있으나, 이미 품질이 저하된 상태이므로 원인을 찾아 해결하기에는 많은 시간과 노력이 소요된다. 또한 축산농가 자체에서 생산되는 원유에 대한 품질측정이 불가능하기 때문에 원유 유통업체의 등급판정에 의존하는 실정이다. 그러므로 고품질 우유 생산을 위해서는 착유 현장에서 실시간 원유의 품질요인을 측정하는 등의 등급별 원유관리가 필요하다.In addition, in domestic livestock farms, regardless of the quality of crude oil, milked milk is stored in a cooler and sent to a crude oil distributor to receive a bond based on quality. When the quality of crude oil is reduced or the number of somatic cells is increased, the cause of quality deterioration is searched using physicochemical methods. However, since the quality is already deteriorated, it takes much time and effort to find and solve the cause. In addition, since it is impossible to measure the quality of the crude oil produced by the livestock farmers themselves, they rely on the rating of the crude oil distributor. Therefore, for the production of high quality milk, it is necessary to manage crude oil by grade, such as measuring quality factors of real-time crude oil at the milking site.

최근 농산물의 품질검사를 위하여 사용되고 있는 비파괴 검사법은 농산물의 물리적, 전자기적, 광학적 특성 등을 주로 사용하고 있다. 그 중 근적외선 분광분석법은 시료의 광학적 특성을 이용하는 것으로 시료에 빛을 조사(照射)하여 내부의 화학적 성질을 시료에 영향을 주지 않고 비파괴적으로 분석하는 방법이다. 전량분석이 가능하고 하나의 스펙트럼을 가지고 동시에 여러 개의 이화학적 성분 검사가 가능하여 농업, 화학, 제약 산업 등의 현장에서 신속한 선별 및 등급 판정을 위한 온라인 시스템에 적용하기에 적합하다.Recently, nondestructive testing, which is used for quality inspection of agricultural products, mainly uses physical, electromagnetic, and optical characteristics of agricultural products. Near-infrared spectroscopy uses optical characteristics of a sample, and irradiates light onto the sample to non-destructively analyze internal chemical properties without affecting the sample. It is possible to analyze the whole quantity and have several spectrums and simultaneously check several physicochemical components, which makes it suitable for on-line system for rapid screening and grading in the field of agriculture, chemical and pharmaceutical industry.

적외선 분광법의 단점은 분석방법이 경험적이고, 측정값이 임의의 수치이므로 시료의 알고 있는 성분이나 조건을 이용하여 교정(Calibration)하는 작업이 필요하다. 일반적으로 교정은 많은 시간이 걸리며, 필요에 따라 자료의 전처리가 요구되지만 일단 모델이 개발되면 하나의 스펙트럼으로 여러 가지 성분의 실시간 측정이 가능하다. 해외에서는 다중선형회귀(Multiple Linear Regression, MLR), 부분최소자승(Partial Least Squares, PLS), 주성분분석(Principle Component Analysis, PCA), 신경회로망 등을 이용하여 농산물 및 식품의 품질평가를 위한 예측모델을 개발하고 있다. The disadvantage of infrared spectroscopy is that the analytical method is empirical, and the measured value is an arbitrary value, and thus it is necessary to calibrate using a known component or condition of the sample. In general, calibration takes a lot of time and requires preprocessing of data as needed, but once a model is developed, real-time measurements of multiple components in one spectrum are possible. Overseas Prediction Model for Quality Evaluation of Agricultural Products and Foods Using Multiple Linear Regression (MLR), Partial Least Squares (PLS), Principal Component Analysis (PCA), Neural Networks Is developing.

해외에서는 1980년대부터 근적외선 분광법을 이용하여 원유의 품질 예측모델을 개발해 왔으며 원유의 단백질, 지방, 유당, 카제인 등을 측정할 수 있는 품질판정 기술을 개발하고 시작기를 제작하여 상품화하였으나 체세포수 예측모델의 상용화에는 한계가 있어서 이화학적인 전처리를 한 후에 측정하거나 새로운 알고리즘 통한 예측모델을 개발하고 있다. Overseas, we have been developing quality prediction models of crude oil using near-infrared spectroscopy since the 1980s.We have developed quality judgment technology to measure protein, fat, lactose, and casein of crude oil. Commercialization has its limitations, so it is measured after physicochemical pretreatment or developing predictive models through new algorithms.

최근 원유의 품질측정은 기존의 이화학적 방법에서 벗어나 시료의 전기적, 광학적 성질을 이용한 비파괴 검사법에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 현재 사용 중인 근적외선 분광법을 이용한 원유의 품질측정은 장비가 비싸고, 체세포수 측정에 사용되는 세포 염색시약(Ethidium bromide)이 인체에 유해하여 개별 축산 농가에는 보급이 불가능하다. 게다가 착유 후 저장된 원유 시료에 대하여 측정을 하기 때문에 원유의 실시간 품질관리가 어려운 실정이다.Recently, the quality of crude oil has been actively researched for nondestructive testing using the electrical and optical properties of samples. The quality measurement of crude oil using the near-infrared spectroscopy currently used is expensive, and the cell staining reagent (Ethidium bromide) used to measure somatic cell number is harmful to the human body and cannot be distributed to individual livestock farms. In addition, since the milk samples stored after milking are measured, real-time quality control of crude oil is difficult.

본 발명은 원유 생산 현장에서 실시간 휴대용 체세포수, 지방, 단백질, 유당 및 무지고형분을 측정하여 원유의 품질을 종합적으로 평가하고 나아가 고품질 원유 생산을 위한 개체별 젖소의 생육 및 저능력우의 관리를 통한 생산성 향상시킬 수 있는 원유의 실시간 휴대용 품질판정 시스템을 개발함으로써 상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하였다. The present invention measures the real-time portable somatic cell count, fat, protein, lactose and non-solid content at the crude oil production site to comprehensively evaluate the quality of the crude oil, and furthermore, the productivity through the management of cow growth and low-capacity cows for individual high quality crude oil production. By developing a real-time portable quality determination system of crude oil that can be improved, the conventional problems as described above are solved.

본 발명의 목적은 전원 장치; 시료 전처리 장치; 시료 측정 장치; 품질 판정 장치; 시스템 제어 장치; 및 화면 표시 장치로 구성되는 원유의 실시간 휴대용 품질 판정 시스템을 제공하는 것이다. An object of the present invention is a power supply; Sample preparation device; Sample measuring device; A quality judgment device; System control unit; And a real-time portable quality determination system of crude oil composed of a screen display device.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 시스템을 이용한 원유의 실시간 휴대용 품질 판정 방법을 제공하는 것이다. Another object of the present invention is to provide a method for determining the real-time portable quality of crude oil using the system.

본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 전원 장치; 시료 전처리 장치; 시료 측정 장치; 품질 판정 장치; 시스템 제어 장치; 및 화면 표시 장치로 구성되는 원유의 실시간 휴대용 품질 판정 시스템을 제공한다. In order to achieve the object of the present invention, the present invention provides a power supply; Sample preparation device; Sample measuring device; A quality judgment device; System control unit; And a real-time portable quality determination system of crude oil composed of a screen display device.

보다 구체적으로 본 발명의 원유의 실시간 휴대용 품질 판정 시스템에서, 시료 전처리 장치는 원유 공급 장치(1); 시약 공급 장치(2); 원유 공급 장치에 의해 입력된 원유 시료와 시약 공급 장치에 의해 입력된 반응 시약을 혼합하는 혼합 장치(3); 상기 혼합 시료의 온도를 유지하는 온도 조절 장치(4); 및 시료 측정 셀(7)에 혼합 시료를 공급하는 시료 공급 장치(5)로 구성되며, 시료 측정 장치는 시료 측정 셀(7); 가시광선 및 근적외선 영역의 빛을 방출할 수 있는 광원 장치(6); 광원에서부터 나온 빛을 시료 측정 셀(7)에 공급하고 시료를 통해 나온 빛을 다시 가시광선 및 근적외선 분광 검출 장치에 전달하는 광 프로브(Fiber optics); 유성분의 함량에 따라 광원에 의해 조사된 원유의 체세포수, 지방, 단백질, 유당 및 무지 고형분의 흡광도를 측정하는 가시광선 및 근적외선 분광 검출 장치; 및 데이터 수집 장치(9)로 구성되며,More specifically, in the real-time portable quality determination system of crude oil of the present invention, the sample pretreatment apparatus includes a crude oil supply device 1; Reagent supply device 2; A mixing device 3 for mixing the crude oil sample input by the crude oil supply device and the reaction reagent input by the reagent supply device; A temperature control device (4) for maintaining the temperature of the mixed sample; And a sample supply device 5 for supplying a mixed sample to the sample measurement cell 7, wherein the sample measurement device comprises: a sample measurement cell 7; A light source device 6 capable of emitting light in the visible and near infrared region; Optical probes for supplying light from the light source to the sample measuring cell 7 and transmitting the light from the sample back to the visible and near-infrared spectrometer; Visible and near-infrared spectroscopy apparatus for measuring the absorbance of somatic cell count, fat, protein, lactose and solid solids of crude oil irradiated by a light source according to the content of dairy components; And a data collection device 9,

시스템 제어 장치 및 품질 판정 장치는 임베디드(embedded) 장치 및 측정 프로그램으로 구성되며, 품질 판정 장치는 측정된 원유의 흡광도가 도 5의 부분 최소 자승법(PLS; Partial Least Square) 검량식에 입력되도록 하여 체세포수(SCC, Somatic cell count), 지방(Fat), 단백질(Protein), 유당(Lactose), 무지고형분(SNF, Solid Not Fat)의 기준값과의 상관관계를 예측하도록 구성됨을 특징으로 한다. The system control device and the quality determination device are composed of an embedded device and a measurement program, and the quality determination device allows the absorbance of the measured crude oil to be input to the Partial Least Square (PLS) calibration equation of FIG. 5 somatic cells. Somatic cell count (SCC), fat (Fat), protein (Protein), lactose (Lactose), characterized in that it is configured to predict the correlation with the reference value of solid not fat (SNF, Solid Not Fat).

본 발명의 원유의 실시간 휴대용 품질 판정 시스템은 외부 콘센트 또는 충전이 가능한 전원장치(11)를 통해 시스템 각각의 장치에 적합하도록 전압 강하 및 정류를 하여 전원을 공급하게 된다. 본 발명은 90~250 V의 교류를 이용하여 충전하며 DC 12V를 공급하는 충전가능한 리듐 이온 방식의 베터리 셀을 전원장치로서 사용할 수 있어, 기존의 원유 품질판정 장치와 달리 휴대하기 용이하다. The real-time portable quality determination system of crude oil of the present invention supplies power by voltage drop and rectification so as to be suitable for each device of the system through an external outlet or a chargeable power supply device 11. According to the present invention, a rechargeable lithium ion battery cell which is charged using alternating current of 90 to 250 V and supplies DC 12V can be used as a power supply device, which is easy to carry unlike a conventional oil quality determination device.

원유 공급장치(1)와 시약 공급장치(2)는 모두 정량 모터를 사용하여 각각의 반응 조건비(예를 들면, 2:1)에 따라 정확한 양의 공급이 가능하도록 하였다. 시약은 선행 연구의 결과에 따라 미생물 측정을 위한 연료환원 시험법에 사용되는 메틸레드(Methyl red), 메틸렌블루(Methylene blue), 브롬크레솔 퍼플(Bromcresol purple), 페놀술폰프탈레인(Phenosulfonphthalein), 레사주린(Resazurin) 시약 중 각각의 원유 성분과 가장 높은 상관관계를 보이는 레사주린(Resazurin) 시약을 반응시약으로 사용하였다. 이때 염료환원 시험법은 우유의 미생물들이 유성분을 산화 에 이용하면서 발생되는 전자를 산소 또는 염료분자로 전달하여 환원시키는 능력을 이용한 방법으로 환원시간은 우유내의 미생물수와 반비례하며, 체세포수가 많아지면 환원시간이 빨라지는 특징이 있다(이수원, 유가공학, 유한문화사, 2005). 이때 정량모터의 공급량(ml/min)은 시스템 제어장치의 공급전압을 이용하여 제어하였다.Both the crude oil feeder 1 and the reagent feeder 2 were able to supply the correct amount according to the respective reaction condition ratio (for example, 2: 1) using a quantitative motor. Reagents are methyl red, methylene blue, bromcresol purple, phenolsulfonphthalein, which are used in fuel reduction assays for microbial determination, according to the results of previous studies. Resazurin reagent, which shows the highest correlation with each crude oil component of Resazurin reagent, was used as a reaction reagent. The dye reduction test is a method that uses the ability of milk microorganisms to transfer and reduce electrons generated by using milk components for oxidation to oxygen or dye molecules. The reduction time is inversely proportional to the number of microorganisms in milk. It is characterized by faster time (Lee Suwon, Dairy Engineering, Yuhan Culture History, 2005). At this time, the supply amount of the fixed-quantity motor (ml / min) was controlled using the supply voltage of the system controller.

혼합 장치(3)와 온도 조절장치(4)는 50 mm 팬과 열전소자를 사용하여 개발하였으며, 시료와 시약의 혼합을 위하여 별도의 60 mm × 60 mm × 30 mm의 혼합 및 가열 용기를 제작하였다. 혼합 장치(3)는 수작업으로 원유와 반응 시약을 혼합 하는 것을 팬을 이용하여 개발하였으며, 시스템 제어 장치의 공급 전압을 제어하여 팬의 작동과 정지를 번갈아 가며 혼합 성능을 높였다. 또한 원유 시료와 시약의 반응 시간은 최적 반응 시간인 5분 동안 혼합하게 되어 시료공급 장치에 의해 시료 측정 셀에 공급된다.The mixing device (3) and the temperature control device (4) were developed using a 50 mm fan and thermoelectric element, and a separate 60 mm × 60 mm × 30 mm mixing and heating vessel was prepared for mixing the sample and the reagent. . The mixing device (3) was developed using a fan to manually mix crude oil and reaction reagents, and controlled the supply voltage of the system control device to improve the mixing performance by alternately starting and stopping the fan. In addition, the reaction time of the crude oil sample and the reagent is mixed for 5 minutes, which is the optimal reaction time, and is supplied to the sample measuring cell by the sample supply device.

온도 조절 장치(4)는 측온 저항체(PT-100)와 열전소자를 이용하여 개발하였다. 열전소자는 전원 장치의 전압을 입력받아 한쪽 면은 고온을 다른 면은 저온을 발생하고 이때 고온의 열전소자 면을 이용하여 혼합장치(3)를 가열하였다. 원유의 온도는 선행 연구 결과에서 적정 온도인 40 ℃인 경우에 가장 좋은 상관관계를 보이고 있어(Pravdova, V., B. Walczak, D. L. Massart, S. Kawano, K. Toyoda, and R. Tsenkova. Calibration of somatic cell count in milk based on near-infrared spectroscopy. Analytica Chimica Acta. 450:131-141, 2001), 측온 저항체에서 입력되는 원유 시료의 온도를 피드백(Feedback)하여 제어하는 비례 미분 적분 제어기(PID controller, Proportional-Integral-Derivative controller)를 개발하였다. PID 제어기는 시스템 제어 장치에서 On/Off 제어되며, 40 ℃로 맞춰진 온도 조절 장치(4)의 신호는 데이터 수집 장치(9)를 통해 입력된다. 온도 조절 장치(4)의 외기 온도 및 원유 시료의 온도에 따른 제어 시간은 응답이 처음 설정 온도의 50 %가 되는데 걸리는 시간인 지연시간(Delay time)과 10 %에서 90 %까지 상승하는데 걸리는 시간인 상승시간(Rising time)을 모두 10분 이내가 되도록 하여 한번 예열하면 현장에서 무리 없이 사용하도록 설계하였다. The temperature controller 4 was developed by using a resistance thermometer (PT-100) and a thermoelectric element. The thermoelectric element receives the voltage of the power supply and generates one side at a high temperature and the other side generates a low temperature. At this time, the mixing apparatus 3 is heated using the high temperature thermoelectric element surface. The temperature of crude oil showed the best correlation in the case of 40 ℃, which is the optimum temperature in previous studies (Pravdova, V., B. Walczak, DL Massart, S. Kawano, K. Toyoda, and R. Tsenkova. of somatic cell count in milk based on near-infrared spectroscopy.Analytica Chimica Acta. 450: 131-141, 2001), a PID controller that feeds back and controls the temperature of the crude oil input from the RTD. In addition, Proportional-Integral-Derivative controllers have been developed. The PID controller is controlled on / off by the system control device, and the signal of the temperature controller 4 set at 40 ° C is input through the data acquisition device 9. The control time according to the outside temperature of the temperature control device 4 and the temperature of the crude oil sample is the delay time, which is the time taken for the response to reach 50% of the initial set temperature, and the time taken to rise from 10% to 90%. All of the rising time was within 10 minutes, and once preheated, it was designed to be used in the field without difficulty.

시료 공급 장치(5)는 혼합된 원유와 시약을 혼합하여 공급하는 장치로 정량펌프를 사용하였으며, 혼합 작업이 끝난 후에 제어 장치에 의하여 혼합된 시료를 시료 측정 셀(7)에 공급하게 된다.The sample supply device 5 used a metering pump as a device for mixing and mixing the mixed crude oil and the reagent. After the mixing operation is completed, the sample supply device 5 supplies the sample mixed by the control device to the sample measuring cell 7.

시료 측정 셀(7)은 직사각형의 투과용 Flow cell을 설계하였고 원유의 광 투과도를 고려하여 광 투과거리를 1 mm로 하고 광원의 투과성을 좋게 하기 위해 빛이 조사되는 입, 출력부는 석영(Quartz)으로 제작하였다.     The sample measuring cell 7 is designed to have a rectangular flow cell, and the light transmission distance is 1 mm in consideration of the light transmittance of crude oil, and the input and output parts of which light is irradiated to improve the light transmittance are quartz. Was produced.

광원부는 파장 범위(Spectral range)가 360~2,000 nm로 가시광선/근적외선(VIS/NIR) 영역을 광선을 방출할 수 있는 텅스텐-할로겐 램프로 구성하였으며, 이때 광원의 예열 시간은 약 10분으로 현장에서 유성분을 측정하는데 무리가 없도록 설계하였다. 그리고 광 프로브(Fiber optics)는 광원에서부터 나온 빛을 시료 측정 셀(7)에 공급하고 시료를 통해 나온 빛을 다시 가시광선 및 근적외선 분광 검출 장치에 전달한다.The light source consists of tungsten-halogen lamps that can emit light in the visible / near-infrared (VIS / NIR) region with a spectral range of 360 to 2,000 nm, and the preheating time of the light source is about 10 minutes. It is designed so that it is easy to measure the oil content in Fiber optics supply light from the light source to the sample measuring cell 7 and transmit the light from the sample to visible and near infrared spectroscopy.

분광 검출장치(8)는 유성분의 광학적 특성을 고려하여 가시광선 분광장치와 근적외선 분광장치로 구성하였으며 가시광선 분광장치는 400~1,000 nm의 파장영역 을 1 nm 간격으로, 근적외선 분광장치는 900~1,700 nm의 파장영역을 2 nm 간격으로 측정이 가능하도록 구성하였다. 원유 시료에 조사된 광원은 분광 검출장치를 통하여 내장된 초소형 오목 회절발(Grating)에 의해 파장대 별로 분리되어 다중채널 광 다이오드 검출기 및 증폭회로에 의해 전기적인 신호로 변환된다. 이 전기적인 신호는 데이터 수집장치(9)의 아날로그 입력 채널에 의해 디지털 신호로 바뀌어 내장 통신 채널을 통하여 시스템 제어 장치로 전송된다.Spectroscopic detection device 8 is composed of visible light spectroscopy and near infrared spectroscopy in consideration of the optical characteristics of the oil component, the visible light spectroscopy is 400 ~ 1,000 nm wavelength region at 1 nm interval, the near infrared spectroscopy 900 ~ 1,700 The wavelength range of nm was configured to allow measurement at 2 nm intervals. The light source irradiated to the crude oil sample is separated by wavelength band by a micro concave diffraction grating built through a spectroscopic detector and converted into an electrical signal by a multichannel photodiode detector and an amplification circuit. This electrical signal is converted into a digital signal by the analog input channel of the data acquisition device 9 and transmitted to the system control device via the built-in communication channel.

데이터 수집 장치(9)를 통해 수집된 원유의 스펙트럼은 시스템 제어 및 품질 판정 장치에 입력되어 품질 판정 알고리즘에 의해 유성분에 따른 흡광도 차이를 분석하여 체세포수, 지방, 단백질, 유당, 무지고형분을 예측하여 화면표시 장치(12)에 나타내도록 구성하였다. 화면표시 장치는 LCD 모듈과 별도의 전압강하 장치를 사용하여 LCD 장치에 공급하며 마우스 및 키보드 등의 입력 장치 없이 터치 방식으로 직접적으로 화면을 통하여 제어 및 모니터링이 가능하도록 설계하였다.The spectrum of crude oil collected through the data collection device 9 is input to the system control and quality determination device, and the somatic cell number, fat, protein, lactose and non-solid content are predicted by analyzing the difference in absorbance according to the dairy component by the quality determination algorithm. The display device 12 was configured to display. The display device is supplied to the LCD device by using a voltage drop device separate from the LCD module and is designed to be directly controlled and monitored through the screen by a touch method without an input device such as a mouse and a keyboard.

시스템 제어 및 품질판정 장치(10)는 임베디드 장치와 측정 프로그램(도 3)으로 구성하였으며, 시스템 제어 장치는 분광검출 장치(8)의 예열 상태와 원유 공급장치(1), 시약 공급장치(2), 혼합 장치(3), 온도 조절 장치(4), 시료 공급장치(5)를 작동 등을 조정하고 사용자 요구에 따른 시료 측정 횟수, 데이터 수집 방법, 이득(Gain) 등과 같은 파라미터들의 조정하여 원유 시료의 스펙트럼을 측정할 수 있다. 또한 임베디드 장치는 TCP/IP, 시리얼 및 USB 포트가 있어 현장에서 분석된 유성분의 측정값 및 측정환경을 프린터와 연결하여 인쇄가 가능하도록 구성하였다.The system control and quality determination device 10 is composed of an embedded device and a measurement program (FIG. 3). The system control device includes a preheated state of the spectroscopic detection device 8, a crude oil supply device 1, and a reagent supply device 2. The crude oil sample by adjusting the operation of the mixing device 3, the temperature control device 4, the sample supply device 5, etc. and by adjusting parameters such as the number of sample measurements, the data collection method, the gain, etc. according to user requirements. The spectrum of can be measured. In addition, the embedded device has TCP / IP, serial and USB ports, so that the measured values and measurement environment of the oil component analyzed in the field can be connected to the printer for printing.

품질판정 장치는 측정된 스펙트럼을 이용하여 부분최소자승법(PLS, Partial Least Square)으로 체세포수, 지방, 단백질, 유당, 무지고형분의 기준값과의 상관관계를 예측하게 된다. 각 성분의 PLS 예측 모델을 개발은 원시 스펙트럼(Raw spectrum), 분할간격(gap) 및 평활화 간격을 변화시킨 1차 및 2차 미분 스펙트럼을 사용하였고 시료 입자의 비선형성으로 인한 흡광도의 차이를 보정하기 위해 빛의 산란 보정이 가능한 수처리 방법(Mathematical treatment)인 다분산보정(Multiplicative Scatter Correction; MSC)과 표준정규화(Standard Normal Variate and Detrending; SNV & Dtr.)를 이용하였다. PLS 모델은 개발된 모델의 신뢰성을 높이기 위해 교차검증(Cross validation)을 이용하여 개발하였으며, 팩터(Factor)의 수와 PRESS(Prediction Residual Error Sum of Squares)값을 참조하고 상관계수(R)와 교정부 오차(Standard Error of Calibration, SEC)를 비교하여 선정하였다. 팩터의 수가 증가하면 PRESS값은 감소하나 팩터의 수가 너무 많으면 검증시 예측능력이 떨어지므로, F-검증을 수행하고 F-검증의 확률이 0.75 미만이 되는 팩터의 수를 모델의 최적 팩터의 수로 결정하였다. 최적의 PLS 모델은 가장 높은 상관계수와 낮은 교정부 오차 및 팩터수를 고려하여 선정하였다. 각 모델은 검증부 오차(Standard Error of Prediction, SEP)를 이용하여 도 5와 같이 최종 모델을 개발하였다.The quality determination device uses the measured spectrum to predict correlations with reference values of somatic cell count, fat, protein, lactose, and solid content by Partial Least Square (PLS). The PLS prediction model for each component was developed using first and second differential spectra with varying raw spectrum, gap and smoothing intervals to correct for differences in absorbance due to nonlinearity of sample particles. Multiplicative Scatter Correction (MSC) and Standard Normal Variate and Detrending (SNV & Dtr.) Were used for the treatment of light scattering. The PLS model was developed by using cross validation to increase the reliability of the developed model, referring to the number of factors and prediction residual error sum of squares (PRESS), and correlating with the correlation coefficient (R). The standard error of calibration (SEC) was compared and selected. As the number of factors increases, the PRESS value decreases, but if the number of factors is too large, the predictive power is lowered during verification. Therefore, the number of factors that perform the F-validation and the probability of F-validation is less than 0.75 is determined as the optimal number of factors in the model. It was. The optimal PLS model was selected in consideration of the highest correlation coefficient, low correction part error and factor number. Each model developed a final model as shown in FIG. 5 using a standard error of prediction (SEP).

측정 프로그램은 원유의 실시간 휴대용 품질판정 시스템의 각 부분의 작동이 가능하도록 구성하였고 원유의 품질요인과 상관관계가 있는 파장 영역인 400~1,780 nm 영역의 암 스펙트럼(Dark spectrum), 기준 스펙트럼(Reference spectrum)의 빛 의 강도(Intensity)를 측정하여 도 4와 같이 원유의 흡광도(Absorbance)를 계산하여 프로그램에 도시하였으며, 각각의 측정된 스펙트럼의 저장 및 삭제가 가능하도록 개발하였다.The measurement program is designed to enable the operation of each part of the real-time portable quality determination system of crude oil, and the dark spectrum and reference spectrum in the 400 ~ 1780 nm region, which is the wavelength region correlated with the quality factors of crude oil. The intensity of light is measured and the absorbance of crude oil is calculated and shown in the program as shown in FIG. 4 and developed to store and delete each measured spectrum.

또 다른 양태로서, 본 발명은 i) 제 1항의 원유의 실시간 휴대용 품질판정 시스템의 전원을 공급하는 단계; ii) 전원장치를 키고 10분간 광원 장치(6) 및 혼합 장치(3)를 예열하는 시스템 준비 단계; iii) 도 3의 측정 프로그램의 원유 공급 버튼과 시약 공급 버튼을 클릭하여 원유 공급장치(1)와 시약 공급장치(2)의 정량모터에 의해 원유와 반응시약을 혼합장치(3)에 입력하여 5분간 혼합하고 온도조절 장치와 비례 미분적분 제어기(PID controller; Proportional-Integral-Derivative controller)에 의해 혼합시료의 온도를 40 ℃로 유지한 후, 시료공급 장치에 의해 혼합시료를 시료 측정 셀(7)에 공급하는 시료 전처리 단계; iv) 분광 검출 장치의 암 스펙트럼(dark spectrum) 및 기준 스펙트럼(reference spectrum)를 미리 측정하여 저장하는 단계; v) 시료 측정 셀(7)에 공급된 원유 시료에 광원장치(6)에서 빛을 조사(照射)한 후, 400~1,000 nm의 파장 영역을 1 nm 간격으로 측정 가능한 가시광선 분광 장치 및 900~1,700 nm의 파장 영역을 2 nm 간격으로 측정 가능한 근적외선 분광 장치로 구성된 분광 검출 장치로 유성분에 따른 원유의 흡광도를 측정하여 전기적 신호로 변환시키고, 이 전기적 신호를 데이터 수집장치(9)의 아날로그 입력 채널에 의해 디지털 신호로 바꾸어 내장 통신채널을 통하여 시스템 제어장치로 전송하는 시료 측정 단계; 및 vi) 측정된 시료의 원유 흡광도를 도 5의 체세포수, 지방, 단백질, 유당 및 무지고형분의 교정부(Calibration) 부분최소자승법(PLS; Partial Least Squares) 검량식에 입력하여 가시광선 영역에서 예측된 체세포수, 근적외선 영역에서 예측된 지방, 단백질, 유당 및 무지고형분의 예측값을 화면 표시 장치(12)에 출력하여 원유의 품질을 판정하는 단계를 포함하는 원유의 실시간 휴대용 품질 판정 방법을 제공한다. In another aspect, the present invention provides a method for manufacturing a crude oil, comprising the steps of: i) supplying power to a real-time portable quality determination system of crude oil according to claim 1; ii) a system preparation step of turning on the power supply and preheating the light source device 6 and the mixing device 3 for 10 minutes; iii) The crude oil supply reagent and the reagent supply button of the measurement program of FIG. 3 are clicked to input crude oil and reaction reagents into the mixing device 3 by the quantitative motors of the crude oil feeder 1 and the reagent feeder 2. After mixing for a minute and maintaining the temperature of the mixed sample at 40 DEG C by means of a temperature controller and a Proportional-Integral-Derivative controller (PID controller), the mixed sample is transferred to the sample measuring cell (7) by the sample supply device. Sample pretreatment step to supply to; iv) measuring and storing the dark spectrum and the reference spectrum of the spectroscopic detection device in advance; v) Visible light spectroscopy apparatus and 900 ~ that can measure the wavelength region of 400 ~ 1,000 nm at 1 nm interval after irradiating light from the light source device 6 to the crude oil sample supplied to the sample measuring cell 7 Spectroscopic detection device composed of near-infrared spectroscopy device that can measure 1,700 nm wavelength range at 2 nm intervals, and measure the absorbance of crude oil according to the oil component and convert it into an electrical signal, and convert this electrical signal into an analog input channel of the data acquisition device 9 A sample measuring step of converting the digital signal into a digital signal through a built-in communication channel and transmitting the same to a system control apparatus; And vi) Crude absorbance of the measured sample is input to the calibration portion of the somatic cell count, fat, protein, lactose, and non-solid content of FIG. 5 to predict in the visible region. It provides a real-time portable quality determination method of crude oil comprising the step of outputting the predicted values of fat, protein, lactose and non-solid content predicted in the somatic cell number, near infrared region to the screen display device 12.

상기 ii) 단계에서 90~250 V의 교류를 이용하여 충전하며 DC 12V를 공급하는 충전가능한 리듐 이온 방식의 베터리 셀을 전원장치로 사용가능하다.In the step ii) it is possible to use a rechargeable lithium ion type battery cell that charges using an alternating current of 90 to 250 V and supplies DC 12V as a power supply.

상기 iii) 단계에서, 시약은 선행 연구의 결과에 따라 미생물 측정을 위한 연료환원 시험법에 사용되는 메틸레드(Methyl red), 메틸렌블루(Methylene blue), 브롬크레솔 퍼플(Bromcresol purple), 페놀술폰프탈레인(Phenosulfonphthalein), 레사주린(Resazurin) 시약 중 각각의 원유 성분과 가장 높은 상관관계를 보이는 레사주린(Resazurin) 시약을 반응시약으로 사용하는 것이 바람직하다. In the step iii), the reagent is methyl red, methylene blue, bromcresol purple, phenol sulfone used in the fuel reduction test for the determination of microorganisms according to the results of previous studies. It is preferable to use Resazurin reagent, which has the highest correlation with each of the crude oil components of Phenosulfonphthalein and Resazurin reagents, as the reaction reagent.

상기 iii) 단계에서, 시료 측정 셀(7)은 광 투과거리 1 mm의 석영(Quartz) 셀을 사용할 수 있다. In step iii), the sample measuring cell 7 may use a quartz cell having a light transmission distance of 1 mm.

상기 v) 단계에서, 광원 장치(6)는 파장 범위 360~2,000 nm의 텅스텐-할로겐 램프를 사용할 수 있다. In step v), the light source device 6 may use a tungsten-halogen lamp having a wavelength range of 360 to 2,000 nm.

상기 vi) 단계에서, 시스템 제어 장치는 TCP/IP, 시리얼 및 USB 포트를 포함하여 현장에서 분석된 유성분의 측정값을 프린터와 연결하여 인쇄할 수 있다.In step vi), the system controller may print the measured values of the dairy component analyzed in the field, including TCP / IP, serial, and USB ports, by connecting to the printer.

본 발명의 원유의 실시간 휴대용 품질판정 시스템은 현장에서 실시간 원유의 체세포수, 지방, 단백질, 유당 및 무지고형분의 측정을 통해 원유의 품질관리 및 판정이 가능한 장치로서 각각의 유성분에 대한 기준값과 스펙트럼과의 상관관계를 분석하여 예측 모델을 개발한 후, 원유 생산 현장에서 실시간 유성분에 대한 평가를 간단하게 할 수 있어 고품질 우유의 생산에 효과적으로 기여할 수 있다. 또한 본 발명의 원유의 실시간 휴대용 품질판정 시스템은 원유공급, 시약공급, 혼합, 온도조절, 시료공급 등의 자동화된 시료 전처리 장치와 동시에 시스템 제어 및 품질측정이 가능한 임베디드 장치(10)로 구성되어 축산농가에서도 손쉽게 원유 품질측정이 가능하다. 실시간 원유의 품질측정으로 축산농가에서 자체적으로 젖소의 체세포수 및 영양상태를 관리하여 저능력우(원유의 체세포수가 많고 산유량이 적은 소)의 증가를 막고 나아가 고품질 우유 생산으로 국내 원유 수급의 안정화에 효과가 있다. 나아가 원유의 실시간 품질측정은 젖소의 발육과 영양 상태를 파악하여 적절한 급여사료의 단백질 수준을 조절할 수 있으므로 사료비 절감과 혈중 요소 및 암모니아 과잉 등의 질병 예방이 가능하고 나아가 분뇨로 배출되는 질소의 감소로 환경오염 방지에 기여한다. 착유 시 생산현장에서 실시간 원유의 품질판정을 통한 고품질 우유생산 및 공급이 가능하므로 축산농가의 소득증대 및 국민 건강 향상에 기여한다. 본 발명은 휴대가 가능한 원유의 품질판정 개발로 축산농가와 유통업체간의 우유 생산비 계산상의 문제를 해결하여 효율적인 유대지급기준의 기틀을 확립한다. 또한 본 발명의 원유의 품질평가 기술은 농산물의 실시간 품질평가 기술개발에 필요한 기초기술을 제공하여 수입 품질측정 관련 장비를 대체할 수 있다.The real-time portable quality determination system of crude milk of the present invention is a device capable of quality control and determination of crude oil through real-time measurement of somatic cell count, fat, protein, lactose and solid free of crude oil in the field. After developing the predictive model by analyzing the correlation of, it is possible to simplify the evaluation of the real-time dairy components in the crude oil production site can effectively contribute to the production of high quality milk. In addition, the real-time portable quality determination system of crude oil of the present invention is composed of an embedded device 10 capable of system control and quality measurement at the same time as an automated sample pretreatment device such as crude oil supply, reagent supply, mixing, temperature control, and sample supply. It is possible to measure the quality of crude oil easily in farms. By real-time quality measurement of milk, livestock farmers manage their own somatic cell number and nutritional status to prevent the increase of low-capacity cows (cows with high somatic cell count and low milk yield) and stabilize high domestic milk supply. It works. Furthermore, real-time quality measurement of crude oil can identify the growth and nutritional status of cows and adjust the protein level of feed, so it is possible to reduce feed cost and prevent diseases such as excess of urea and ammonia in blood, and to reduce nitrogen released to manure. Contribute to the prevention of environmental pollution. When milking, it is possible to produce and supply high-quality milk through real-time quality determination of milk at the production site, contributing to income raising of livestock farmers and improvement of national health. The present invention solves the problem of milk production cost calculation between livestock farmers and distributors by developing the quality determination of portable crude oil to establish a framework of efficient payment standards. In addition, the quality evaluation technology of crude oil of the present invention can provide the basic technology necessary for the development of the real-time quality evaluation technology of agricultural products can replace the imported quality measurement-related equipment.

이하, 비제한적인 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 이들 실시예에 의하여 본 발명의 범위가 국한되지 않는다는 것은 본 발명이 속하는 기술분야 및 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to non-limiting examples. These examples are only for illustrating the present invention in more detail, and the scope of the present invention is not limited by these examples, which will be apparent to those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains. will be.

실시예Example 1: 원유의 실시간 휴대용 품질판정 시스템 및 이를 이용한 원유의 실시간 휴대용 품질판정 방법 1: Real time portable quality determination system of crude oil and real time portable quality determination method of crude oil

본 발명의 원유의 실시간 휴대용 품질판정 시스템은 사용자가 시스템의 전원을 키면 전원장치(11)에 의해 시스템의 각 부위에 전원이 공급되며, 화면 표시 장치(12)에는 "Initializing"이라는 메시지와 함께 광원 및 혼합 장치(3)의 예열을 위해 10 분이 필요하다는 메시지가 출력된다. 장치의 예열 후에 측정 프로그램(도면 3)의 원유 공급 버튼과 시약 공급 버튼을 클릭하면 원유 공급장치(1)와 시약 공급장치(2)의 정량모터에 의해 원유와 시약은 혼합장치(3)에 입력된다. 혼합장치(3)에 입력된 원유와 시약은 팬의 On/Off에 의하여 5분간 혼합되어 진다. 이때 온도조절 장치(4)는 혼합장치(3)에 부착된 열전소자와 시스템 제어 장치의 PID 알고리즘에 의해 시료의 적정온도인 40 ℃를 유지하게 되며 온도 유지 및 제어 상태는 화면 표시장치에 출력되어 진다. 혼합 작업이 끝나게 되면 사용자는 시료 공급버튼을 클릭하여 시료 공급장치(5)에 의해 원유와 시약을 시료 측정 셀(7)에 공급한 후, 측정 프로그램의 가시광선 및 근적외선 분광검출 장치에 의해 검출된 원유의 광학적 특성 신호는 데이터 수집장치(9)를 통해 전기적 신호로 변환되어 시스템 제어장치에서 흡광도로 변환된다. 이때 사용자는 분광검출 장치의 분광검출 장치 자체의 기계적 특성인 암 흡광도(Dark spectrum)와 공기 중에 투과 성을 고려한 기준 흡광 도(Reference spectrum)를 미리 측정하여 저장한 후 원유의 흡광도를 계산하여 화면표시 장치(12)에 스펙트럼을 표시하고 저장버튼으로 저장할 수 있다. 측정된 시료의 원유 스펙트럼은 전체 영역(400 ~ 1,700 nm)에 대해 데이터 수집장치(9)로 수집되어 미리 개발되어진 체세포수, 지방, 단백질, 유당 및 무지고형분의 PLS 검량식 모델에 입력되어진다. 이때 PLS 검량식은 각각의 유성분에 대한 적정 파장영역(예를 들면, 체세포수의 경우: 400~600 nm)의 모델 계수와 계산한 후, 유성분을 예측하여 화면 표시 장치(12)에 출력하게 된다.In the real-time portable quality determination system of crude oil of the present invention, when a user turns on the system, power is supplied to each part of the system by the power supply device 11, and the display device 12 receives a light source with the message "Initializing". And a message indicating that 10 minutes is required for preheating the mixing device 3. After the preheating of the device, the crude oil supply button and the reagent supply button of the measurement program (Fig. 3) are clicked. The crude oil and reagent are input to the mixing device 3 by the quantitative motors of the crude oil supply device 1 and the reagent supply device 2. do. Crude oil and reagents input into the mixing device 3 are mixed for 5 minutes by turning the fan on and off. At this time, the temperature control device 4 maintains the optimum temperature of the sample 40 ℃ by the PID algorithm of the thermoelectric element and the system control device attached to the mixing device 3 and the temperature maintenance and control state is output to the screen display device Lose. When the mixing operation is completed, the user clicks a sample supply button to supply crude oil and reagents to the sample measuring cell 7 by the sample supply device 5, and then detects the visible and near infrared spectroscopy devices of the measurement program. The optical characteristic signal of the crude oil is converted into an electrical signal through the data collection device 9 and converted into absorbance in the system controller. At this time, the user measures and stores the dark spectrum, which is a mechanical characteristic of the spectroscopic detection device itself, and the reference spectrum considering the permeability in air, and then calculates the absorbance of crude oil. The spectrum can be displayed on the device 12 and saved with the save button. The crude oil spectrum of the measured sample is collected by the data collection device 9 for the entire region (400-1700 nm) and input into a previously developed PLS calibration model of somatic cell count, fat, protein, lactose and solid free. At this time, the PLS calibration equation calculates a model coefficient of an appropriate wavelength range (for example, 400-600 nm for somatic cell counts) for each dairy component, and then predicts the dairy component and outputs it to the screen display device 12.

각각의 유성분 모델의 기준값과 예측값간의 상관관계는 총 100개의 우유 시료에 대해 도 5의 예측 모델을 교정(Calibration)한 결과 체세포수는 가시광선 영역에서, 지방, 단백질, 유당, 무지고형분은 모두 근적외선 영역에서 0.95 이상의 높은 상관관계를 나타내고 있어 원유의 실시간 휴대용 품질판정 시스템을 이용하여 원유의 품질판정이 가능하다. 이때, 상관계수와 교정부 오차는 예를 들어 예측 모델의 정확도와 오차를 의미하며, 체세포수의 경우를 예를 들면, 체세포수 예측 모델의 상관계수는 0.98, 교정부 오차는 10,121이므로 PLS 모델에 의해 예측된 체세포수는 10,121개의 오차로 98 %의 정확도를 갖게 된다.The correlation between the reference value and the predicted value of each milk ingredient model was calibrated with the predictive model of FIG. 5 for a total of 100 milk samples. As a result, the somatic cell count was visible in the visible region, and the fat, protein, lactose, and solid content were all near infrared. The high correlation of 0.95 or more in the area makes it possible to determine the quality of crude oil using the real-time portable quality assessment system of crude oil. In this case, the correlation coefficient and the correction part error mean the accuracy and the error of the prediction model, for example, and in the case of the somatic cell count, for example, the correlation coefficient of the somatic cell number prediction model is 0.98 and the correction part error is 10,121. The estimated somatic cell count is 98% accurate with 10,121 errors.

또한, 미지의 원유 시료 100개의 성분을 본 발명의 원유의 실시간 휴대용 품질판정 시스템으로 실시간 측정한 결과와 현재 상용화되어 사용 중인 고가의 우유 품질 분석 장비(Combifoss, 6500, NIRSystem, USA)로 측정한 결과를 검증(Prediction)한 결과, 체세포수, 지방, 단백질, 유당, 무지고형분의 상관계수는 모두 0.90 이상의 높은 상관관계를 나타내고 있어 상용 중인 우유 품질 분석 장비 와 비교할 때, 90% 이상의 정확도를 갖고 있음을 알 수 있다 (도 5 참조).In addition, the results of real-time measurement of 100 components of the crude milk sample by the real-time portable quality determination system of the crude oil of the present invention and the result of the measurement by the expensive milk quality analysis equipment (Combifoss, 6500, NIRSystem, USA) which is currently commercialized and used. As a result of prediction, the correlation coefficients of somatic cell count, fat, protein, lactose and non-solid content were all higher than 0.90, which is more than 90% accuracy when compared to commercial milk quality analysis equipment. It can be seen (see FIG. 5).

개발된 원유의 실시간 휴대용 품질판정 시스템을 이용하여 상용화되어 사용 중인 고가의 우유 품질 분석 장비와 비교한 결과 약 90% 이상의 예측력을 보여주고 있어 현장에서 실시간 품질판정을 위한 휴대성 및 경제성이 우수하여 축산 농가 및 낙농 현장에서 유용하게 사용될 것으로 판단된다.Compared to the expensive milk quality analysis equipment that is commercialized by using the developed real-time portable quality determination system of crude oil, it shows more than 90% of predictive power, and it is excellent in portability and economic efficiency for real-time quality determination in the field. It is expected to be useful in farms and dairy farms.

이상에서 본 발명을 특정 실시예들을 중심으로 하여 설명하였지만, 본 발명의 취지 및 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 변형, 변경 또는 수정이 당해 기술 분야에서 가능하며, 따라서 전술한 설명 및 도면은 본 발명의 기술사상을 한정하는 것이 아니라 본 발명을 예시하는 것으로 해석되어져야 한다. 본 발명에서 인용된 모든 문헌은 본 발명의 명세서에 참조로서 통합된다.While the invention has been described above with reference to specific embodiments, various modifications, changes or modifications are possible in the art within the spirit and scope of the appended claims, and thus the foregoing description and drawings illustrate the invention. It should not be construed as limiting the technical spirit of the present invention but as illustrating the present invention. All documents cited in the present invention are incorporated herein by reference.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 원유의 체세포수, 지방, 단백질, 유당 및 무지고형분의 품질인자를 측정하는 가시광선 및 근적외선 분광분석 장치의 구성을 나타낸 사시도이다. 1 is a perspective view showing the configuration of a visible light and near infrared spectroscopy apparatus for measuring the quality factors of somatic cell count, fat, protein, lactose and non-solid content of crude milk according to an embodiment of the present invention.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 원유의 실시간 휴대용 품질판정 시스템의 내부 구성 및 흐름을 나타내는 블록도이다. Figure 2 is a block diagram showing the internal configuration and flow of the real-time portable quality determination system of crude oil according to an embodiment of the present invention.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 원유의 실시간 휴대용 품질판정 시스템의 구동 프로그램을 나타낸다. 3 shows a driving program of a real-time portable quality determination system of crude oil according to an embodiment of the present invention.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 원유의 품질요인에 따른 스펙트럼 결과를 나타낸 그래프이다. 4 is a graph showing spectral results according to quality factors of crude oil according to an embodiment of the present invention.

도 5는 본 발명의 일시예에 따른 원유의 체세포수(SCC, Somatic cell count), 지방(Fat), 단백질(Protein), 유당(Lactose), 무지고형분(SNF, Solid Not Fat)의 예측모델을 개발한 결과를 나타낸다. Figure 5 is a prediction model of somatic cell count (SCC, Somatic cell count), fat (Fat), protein (Protein), lactose (Lactose), solid-free fat (SNF, Solid Not Fat) of crude milk according to one embodiment of the present invention The developed result is shown.

- 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 --Explanation of symbols for the main parts of the drawing-

1: 원유 공급 장치 2: 시약 공급 장치1: Crude Oil Feeder 2: Reagent Feeder

3: 혼합 장치 4: 온도 조절 장치3: mixing device 4: thermostat

5: 시료 공급 장치 6: 광원 장치5: sample supply device 6: light source device

7: 시료 측정 셀 8: 가시광선/근적외선 분광장치7: Sample measuring cell 8: visible / near infrared spectroscopy

9: 데이터 수집 I/O 장치 10: 품질판정 및 시스템 제어용 임베디드 장치9: Data Acquisition I / O Device 10: Embedded Device for Quality Assessment and System Control

11: 밧데리 및 전원 장치 12: LCD 화면 표시 장치11: battery and power supply 12: LCD display

Claims (14)

전원 장치; 시료 전처리 장치; 시료 측정 장치; 품질 판정 장치; 시스템 제어 장치; 및 화면 표시 장치로 구성되는 원유(raw milk)의 실시간 휴대용 품질 판정 시스템으로서,Power supply; Sample preparation device; Sample measuring device; A quality judgment device; System control unit; And a real-time portable quality determination system of raw milk composed of a screen display device, 시료 전처리 장치는 원유 공급 장치(1); 시약 공급 장치(2); 원유 공급 장치에 의해 입력된 원유 시료와 시약 공급 장치에 의해 입력된 반응 시약을 혼합하는 혼합 장치(3); 상기 혼합 시료의 온도를 유지하는 온도 조절 장치(4); 및 시료 측정 셀(7)에 혼합 시료를 공급하는 시료 공급 장치(5)로 구성되며, The sample preparation device includes a crude oil supply device 1; Reagent supply device 2; A mixing device 3 for mixing the crude oil sample input by the crude oil supply device and the reaction reagent input by the reagent supply device; A temperature control device (4) for maintaining the temperature of the mixed sample; And a sample supply device 5 for supplying a mixed sample to the sample measuring cell 7, 시료 측정 장치는 시료 측정 셀(7); 가시광선 및 근적외선 영역의 빛을 방출할 수 있는 광원 장치(6); 광원에서부터 나온 빛을 시료 측정 셀(7)에 공급하고 시료를 통해 나온 빛을 다시 가시광선 및 근적외선 분광 검출 장치(8)에 전달하는 광 프로브(Fiber optics); 유성분의 함량에 따라 광원에 의해 조사(照射)된 원유의 체세포수, 지방, 단백질, 유당 및 무지고형분의 흡광도를 측정하는 가시광선 및 근적외선 분광 검출 장치; 및 데이터 수집 장치(9)로 구성되며,The sample measuring device includes a sample measuring cell 7; A light source device 6 capable of emitting light in the visible and near infrared region; Optical probes (Fiber optics) for supplying the light from the light source to the sample measuring cell (7) and transmits the light from the sample back to the visible and near infrared spectroscopy detection device (8); Visible and near-infrared spectroscopy apparatus for measuring the absorbance of the somatic cell count, fat, protein, lactose and solids of crude oil irradiated by a light source according to the content of dairy components; And a data collection device 9, 시스템 제어 장치 및 품질 판정 장치(10)는 임베디드(embedded) 장치 및 측정 프로그램으로 구성되며, The system control device and the quality determination device 10 are composed of an embedded device and a measurement program, 품질 판정 장치는 측정된 시료의 원유 흡광도를 체세포수(SCC, Somatic cell count), 지방(Fat), 단백질(Protein), 유당(Lactose), 및 무지고형분(SNF, Solid Not Fat)의 기준값과 흡광도의 상관관계를 나타내는 부분 최소 자승법(PLS; Partial Least Squares) 검량식에 입력하여 가시광선 영역에서 예측된 체세포수, 근적외선 영역에서 예측된 지방, 단백질, 유당 및 무지고형분의 예측값을 화면 표시 장치(12)에 출력하도록 구성됨을 특징으로 하는 원유의 실시간 휴대용 품질 판정 시스템. The quality determination device measures the absorbance of crude oil in the measured samples by the reference values and absorbances of somatic cell count (SCC), fat (Fat), protein (protein), lactose (Lactose), and solid solid fat (SNF). The predicted values of somatic cell count in the visible region, fat, protein, lactose, and solid content in the near-infrared region are inputted to the partial least squares (PLS) calibration equation that indicates the correlation between A real-time portable quality determination system of crude oil, characterized in that it is configured to output. 제 1항에 있어서, 전원장치는 90~250 V의 교류를 이용하여 충전하며 DC 12V를 공급하는 충전가능한 리듐 이온 방식의 베터리 셀임을 특징으로 하는, 원유의 실시간 휴대용 품질 판정 시스템.2. The system of claim 1, wherein the power supply is a rechargeable lithium ion battery cell that charges using alternating current of 90-250 V and supplies DC 12V. 제 1항에 있어서, 반응시약은 레사주린(Resazurin)임을 특징으로 하는, 원유의 실시간 휴대용 품질 판정 시스템.The system of claim 1, wherein the reaction reagent is Resazurin. 제 1항에 있어서, 온도 조절 장치(4)는 열전소자를 이용하여 혼합장치(3)를 가열하며, 혼합시료의 온도를 비례 미분적분 제어기(PID controller; Proportional-Integral-Derivative controller)에 의해 40℃로 유지함을 특징으로 하는 원유의 실시간 휴대용 품질 판정 시스템.The temperature control device (4) according to claim 1, wherein the temperature control device (4) heats the mixing device (3) using a thermoelectric element, and adjusts the temperature of the mixed sample by means of a Proportional-Integral-Derivative controller (PID controller). A real-time portable quality determination system of crude oil, characterized by maintaining at ℃. 제 1항에 있어서, 시료 측정 셀(7)은 광 투과거리 1 mm의 석영(Quartz) 셀임을 특징으로 하는 원유의 실시간 휴대용 품질 판정 시스템.2. The real-time portable quality determination system of crude oil according to claim 1, wherein the sample measuring cell (7) is a quartz cell having a light transmission distance of 1 mm. 제 1항에 있어서, 광원 장치(6)는 파장 범위 360~2,000 nm의 텅스텐-할로겐 램프임을 특징으로 하는 원유의 실시간 휴대용 품질 판정 시스템.2. The system of claim 1, characterized in that the light source device (6) is a tungsten-halogen lamp in the wavelength range 360-2,000 nm. 제 1항에 있어서, 분광 검출 장치(8)는 400~1,000 nm의 파장 영역을 1 nm 간격으로 측정 가능한 가시광선 분광 장치 및 900~1,700 nm의 파장 영역을 2 nm 간격으로 측정 가능한 근적외선 분광 장치로 구성됨을 특징으로 하는 원유의 실시간 휴대용 품질 판정 시스템.The spectroscopic detection device 8 is a visible light spectrometer capable of measuring a wavelength region of 400 to 1,000 nm at 1 nm intervals and a near infrared spectrometer capable of measuring a wavelength region of 900 to 1700 nm at 2 nm intervals. Real time portable quality determination system of crude oil, characterized in that the configuration. 제 1항에 있어서, 시스템 제어 장치는 TCP/IP, 시리얼 및 USB 포트를 포함하여 현장에서 분석된 유성분의 흡광도 측정값을 프린터와 연결하여 인쇄가 가능하도록 구성됨을 특징으로 하는 원유의 실시간 휴대용 품질 판정 시스템.The apparatus of claim 1, wherein the system control device is configured to connect the printer to an absorbance measurement value of an oil component analyzed in the field, including TCP / IP, serial, and a USB port, so as to print the real-time portable quality of the crude oil. system. i) 제 1항의 원유의 실시간 휴대용 품질판정 시스템의 전원을 공급하는 단계;i) supplying power to the real-time portable quality determination system of the crude oil of claim 1; ii) 전원장치를 키고 10분간 광원 장치(6) 및 혼합 장치(3)를 예열하는 시스템 준비 단계;ii) a system preparation step of turning on the power supply and preheating the light source device 6 and the mixing device 3 for 10 minutes; iii) 원유 공급장치(1)와 시약 공급장치(2)의 정량모터에 의해 원유와 반응시약을 혼합장치(3)에 입력하여 5분간 혼합하고 온도조절 장치와 비례 미분적분 제어기(PID controller; Proportional-Integral-Derivative controller)에 의해 혼합시료의 온도를 40 ℃로 유지한 후, 시료공급 장치에 의해 혼합시료를 시료 측정 셀(7)에 공급하는 시료 전처리 단계;iii) The crude oil and reaction reagent are input to the mixing device 3 by mixing motors of the crude oil supply device 1 and the reagent supply device 2 for 5 minutes, mixed with a temperature controller and a proportional differential controller (PID controller; Proportional). A sample pretreatment step of maintaining the temperature of the mixed sample at 40 ° C. by an integrated-derivative controller, and then supplying the mixed sample to the sample measuring cell 7 by the sample supply device; iv) 분광 검출 장치의 암 스펙트럼(dark spectrum) 및 기준 스펙트럼(reference spectrum)를 미리 측정하여 저장하는 단계;iv) measuring and storing the dark spectrum and the reference spectrum of the spectroscopic detection device in advance; v) 시료 측정 셀(7)에 공급된 원유 시료에 광원장치(6)에서 빛을 조사(照射)한 후, 400~1,000 nm의 파장 영역을 1 nm 간격으로 측정 가능한 가시광선 분광 장치 및 900~1,700 nm의 파장 영역을 2 nm 간격으로 측정 가능한 근적외선 분광 장치로 구성된 분광 검출 장치(8)로 유성분에 따른 원유의 흡광도를 측정하여 전기적 신호로 변환시키고, 이 전기적 신호를 데이터 수집장치(9)의 아날로그 입력 채널에 의해 디지털 신호로 바꾸어 내장 통신채널을 통하여 시스템 제어장치로 전송하는 시료 측정 단계; 및v) Visible light spectroscopy apparatus and 900 ~ that can measure the wavelength region of 400 ~ 1,000 nm at 1 nm interval after irradiating light from the light source device 6 to the crude oil sample supplied to the sample measuring cell 7 A spectroscopic detection device (8) consisting of a near-infrared spectrometer capable of measuring a wavelength region of 1,700 nm at 2 nm intervals measures the absorbance of crude oil according to oil components and converts it into an electrical signal, which is then converted into an electrical signal. A sample measuring step of converting the digital signal into an analog input channel and transmitting the digital signal to the system controller through the built-in communication channel; And vi) 측정된 시료의 원유 흡광도를 체세포수, 지방, 단백질, 유당 및 무지고형분의 기준값과 흡광도의 상관관계를 나타내는 부분최소자승법(PLS; Partial Least Squares) 검량식에 입력하여 가시광선 영역에서 예측된 체세포수, 근적외선 영역에서 예측된 지방, 단백질, 유당 및 무지고형분의 예측값을 화면 표시 장치(12)에 출력하여 원유의 품질을 판정하는 단계를 포함하는 원유의 실시간 휴대용 품질 판정 방법.vi) The crude absorbance of the measured sample is input to the partial Least Squares (PLS) calibration which correlates the absorbance with the reference values of somatic cell count, fat, protein, lactose and solid content. And outputting predicted values of fat, protein, lactose and non-solid content predicted in the somatic cell count, near infrared region to the display device (12) to determine the quality of the crude oil. 제 9항에 있어서, ii) 단계에서 전원장치는 90~250 V의 교류를 이용하여 충전하며 DC 12V를 공급하는 충전가능한 리듐 이온 방식의 베터리 셀임을 특징으로 하는, 원유의 실시간 휴대용 품질 판정 방법.10. The method of claim 9, wherein the power supply unit in step ii) is a rechargeable lithium ion battery cell charged with an alternating current of 90 to 250 V and supplying DC 12V. 제 9항에 있어서, iii) 단계에서 반응시약은 레사주린(Resazurin)임을 특징으로 하는, 원유의 실시간 휴대용 품질 판정 방법.10. The method according to claim 9, wherein the reaction reagent in step iii) is resazurin. 제 9항에 있어서, iii) 단계에서 시료 측정 셀(7)은 광 투과거리 1 mm의 석영(Quartz) 셀임을 특징으로 하는 원유의 실시간 휴대용 품질 판정 방법.10. Method according to claim 9, characterized in that in step iii) the sample measuring cell (7) is a quartz cell with a light transmission distance of 1 mm. 제 9항에 있어서, v) 단계에서 광원 장치(6)는 파장 범위 360~2,000 nm의 텅스텐-할로겐 램프임을 특징으로 하는 원유의 실시간 휴대용 품질 판정 방법.10. Method according to claim 9, characterized in that in step v) the light source device (6) is a tungsten-halogen lamp with a wavelength range of 360 to 2,000 nm. 제 9항에 있어서, vi) 단계에서 시스템 제어 장치는 TCP/IP, 시리얼 및 USB 포트를 포함하여 현장에서 분석된 유성분의 흡광도 측정값을 프린터와 연결하여 인쇄가 가능하도록 구성됨을 특징으로 하는 원유의 실시간 휴대용 품질 판정 방법.10. The method of claim 9, wherein in step vi), the system control device is configured to print the absorbance measurement values of the oil component analyzed in the field, including TCP / IP, serial and USB ports, with a printer. Real time portable quality determination method.
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