УСТРОЙСТВО ДЛЯ СЕПАРАЦИИ СЕМЯН

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Полезная модель относится к области анализа материалов с помощью рентгеновского излучения, предназначена для рентгенодиагностики состояния внутренней структуры зерна и семян с целью контроля их качества, в частности, к устройствам очистки семян от примесей, калибровки зерна по комплексу физико-механических свойств и может быть использована в сельском хозяйстве и пищевой промышленности.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Как известно [1], существенную роль в ухудшении посевных и технологических свойств семян играет именно наличие в них различных типов скрытых (внутренних) дефектов. Например, скрытая заселенность и поврежденность насекомыми и грибами, скрытое прорастание, внутренняя трещиноватость и др.
Для решения задачи одновременной сепарации партий семян по внешним признакам, а также всем основным внутренним дефектам может быть использован рентгеновский способ и устройства, его реализующие.
В частности, известны устройства для рентгенодиагностических исследований зерна и семян, содержащие источник рентгеновского излучения, в потоке излучения которого установлен держатель исследуемых образцов, и средство визуализации рентгеновского изображения просвечиваемого образца.
Из уровня техники известно устройство для сортировки продуктов, в частности семян, зерен ([0003]) (DE 102009051641 А1, дата публ. 05.05.2011). Устройство содержит регулируемую систему подачи семян 11 (фиг. 1), источник рентгеновского излучения (13), систему визуализации рентгеновского изображения (12), расположенную напротив, систему отбраковки семян (16), с помощью которых отделяются кондиционные и некондиционные семена (отсеки 17, 18). Система отбраковки семян, источник излучения, детектор и система подачи семян управляются с помощью средства обработки и анализа (14), при этом поток семян облучается «на просвет».
Также известно устройство для сортировки семян растений в соответствии с их плотностью (DD 255097 А1, дата публ. 23.03.1998), включающее источник подачи семян (1), канал, по которому движутся семена, источник рентгеновского излучения (4), детектор (6), устройство обработки и анализа полученных изображений (7).
Другое известное устройство для рентгенодиагностических исследований зерна и семян (RU 85292 U1, дата публ. 10.08.2009) содержит низковольтный микрофокусный источник рентгеновского излучения, установленный в потоке излучения держатель исследуемых образцов и расположенное за ним средство визуализации рентгеновского изображения в виде запоминающего экрана с фотостимулируемым люминофором, заключенные в рентгенозащитную камеру.
В описании заявленных рентгеновских сепараторов не оговариваются ни резкость, ни контраст получаемых рентгеновских изображений или разрешающая способность и чувствительность контроля при обнаружении дефектов конкретных видов семян. Однако, размеры конкретных дефектов имеют принципиальное значение в процессе сепарации, и вероятность обнаружения дефектов определяется именно характеристиками по разрешающей способности и чувствительности сепаратора.
Представляется важным, что интроскопический подход при анализе проблемы неоднородности семян позволяет по-новому сформулировать понятие биологической полноценности семени с учетом как внешних, так и внутренних его структурных особенностей.
Получение семян с минимальным уровнем скрытых дефектов и аномалий и с максимальным ростовым потенциалом является на сегодня задачей крайне актуальной.
Наиболее близким к заявляемой полезной модели устройством является устройство для получения рентгенографического изображения контролируемых семян, раскрытое в RU 2352922 С1 (дата публ. 20.04.2009), в котором имеется низковольтный микрофокусный источник рентгеновского излучения, установленный в потоке излучения держатель исследуемых образцов и расположенное за ним средство визуализации рентгеновского изображения, заключенные в рентгенозащитную камеру. В качестве источника рентгеновского излучения использован микрофокусный рентгеновский аппарат семейства «ПАРДУС» с диапазоном напряжения питания рентгеновской трубки 10÷50 кВ и фокусным пятном не более 0,01 мм, а в качестве средства визуализации рентгеновского изображения (приемника изображения) рентгеновская пленка с собственной нерезкостью не более 0,2 мм. Это позволяет получать высококачественные снимки отдельных семян с увеличением в 20 раз при геометрической нерезкости 0,2 мм или группы до 100 семян с увеличением в 35 раз при качестве изображения, приемлемом для диагностирования дефектов семян.
Однако данное устройство позволяет реализовать способ контроля отдельных семян, что обуславливает низкую производительность работ по диагностике зерна.
Заявляемое техническое решение предназначено для "разбраковки" крупных партий семян, которые гарантированно обеспечивают выявление внутренних дефектов независимо от их размеров.
Результат достигается путем использования специальной методики расчета, в ходе которого определяются принципиальные характеристики конструкции сепаратора: размеры фокусного пятна и пикселя приемника изображения, а также расстояния между фокусным пятном, отдельным семенем (зерновкой) и приемником изображения.
РАСКРЫТИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Задача предлагаемой полезной модели состоит в сепарации крупной партии семян, позволяющей идентифицировать все возможные для данной культуры внутренние дефекты независимо от размера зерновок и геометрического увеличения изображения.
Техническим результатом полезной модели является повышение эффективности сепарации семян зерновых, бобовых, масличных и других сельскохозяйственных культур путем обеспечения оптимальных условий процесса разделения их по внутренним дефектам вне зависимости от их размеров.
Технический результат достигается тем, что устройство для сепарации семян содержит микрофокусный источник рентгеновского излучения и расположенный на одной оси с ним детектор рентгеновского излучения, заключенные в рентгенозащитную камеру, блок обработки и визуализации, выполненный с возможностью анализа полученных от детектора рентгеновского излучения изображений зерновок и выдачи сигнала отбраковки в результате данного анализа, средство для подачи зерна в виде монослойного потока отдельных зерновок перпендикулярно плоскости пучка рентгеновского излучения, снабженное наклонным желобом с параллельными дорожками для направления зерна, пневматическую систему отбраковки, расположенную в нижней части наклонного желоба выполненную с возможностью удаления некондиционных зерновок из потока на основе полученного сигнала отбраковки от блока обработки и визуализации, при этом детектор рентгеновского излучения представляет собой однострочную линейную матрицу рентгеночувствительных фотодиодов, блок обработки и визуализации выполнен с возможностью задания режимов облучения семян микрофокусным источником рентгеновского излучения, а основные геометрические параметры схемы рентгеновской съемки связаны между собой следующими выражениями:
1
2
где а - размер зерновки; А - размер изображения зерновки; Н - нерезкость изображения зерновки; d - размер фокусного пятна микрофокусного источника рентгеновского изображения; f - расстояние от фокусного пятна до зерновки; f - расстояние от фокусного пятна до плоскости входного окна однострочной линейной матрицы рентгеночувствительных фотодиодов; р - размер пикселя однострочной линейной матрицы рентгеночувствительных фотодиодов.
Кроме того, блок обработки и визуализации информации может быть выполнен в виде персонального компьютера или ноутбука.
Кроме того, компьютер может быть снабжен блоком памяти со сформированной в электронном виде базой данных эталонных значений изображений семян.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Сущность заявляемого изобретения поясняется следующими графическими материалами.
На Фиг. 1 представлена схема устройства для сепарации семян.
На Фиг. 2 - рентгенооптическая схема получения рентгеновского изображения зерновки.
На Фиг. 3 - внешний вид действующего макета устройства для сепарации семян.
На Фиг. 4-5 - примеры получаемых в процессе сепарации рентгеновских изображений отдельных зерновок (подсолнечник).
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Схема устройства для автоматической сепарации семян представлена на Фиг. 1. Устройство для сепарации семян состоит из вертикальной стойки, в верхней части которой расположено средство для подачи зерна в виде монослойного потока отдельных зерновок, состоящее из приемного бункера 1 для семян и механической системы 2 распределения семян в составе вибролотка 3, выполненного в виде наклонного желоба с параллельными дорожками для направления зерна, и вибропривода (на чертежах не показано).
Ниже располагается смотровой отсек 4, на противоположных вертикальных стенках которого расположены микрофокусный источник рентгеновского излучения 5 на основе острофокусной рентгеновской трубки и детектор рентгеновского излучения 7, представляющий собой однострочную линейную матрицу рентгеночувствительных фотодиодов. Использование в качестве детектора именно однострочной матрицы в сочетании с узким веерным пучком веерного излучения, во-первых, упрощает алгоритм считывания изображения, что повышает быстродействие сепаратора. Во-вторых, уменьшает интенсивность падающего на детектор рассеянного излучения, что повышает контраст и, соответственно, чувствительность сепаратора
Однострочная линейная матрица рентгеночувствительных фотодиодов представляет собой линейку кремниевых фотодиодов, состоящую из независимых пикселей, смонтированных на единой керамической подложке. Источник 5 и детектор 7 рентгеновского излучения расположены на одной оси и заключены в камеру, которая закрывается рентгенозащитной дверью (на чертежах не показано). Дверь рентгенозащитной камеры снабжена блокировкой, отключающей высокое напряжение на рентгеновской трубке при открывании.
Поток зерновок зондируется узким веерным пучком рентгеновского излучения с шириной меньшей продольного размера зерновки, а рентгеновское изображение регистрируется линейным детектором и передается в компьютер. В этом случае количество рассеянного излучения, пропорциональное объему, охватываемому рентгеновским пучком, становится несущественным. Сканирующий метод регистрации позволяет получать высокое качество рентгеновского изображения при малых дозах, позволяя избежать паразитной засветки детектора, которая накладывается и размывает изображение внутренней структуры объекта.
Источник 5 конструктивно располагают на расстоянии «f1» от наклонного желоба, по которому направляется монослойно поток отдельных зерновок с линейным размером «а» таким образом, что основные геометрические параметры схемы рентгеновской съемки связаны между собой следующими выражениями:
1
2
где а - размер зерновки; А - размер изображения зерновки; Н - нерезкость изображения зерновки, d - размер фокусного пятна микрофокусного источника рентгеновского изображения; f - расстояние от фокусного пятна до зерновки; f - расстояние от фокусного пятна до плоскости входного окна однострочной линейной матрицы рентгеночувствительных фотодиодов; р - размер пикселя однострочной линейной матрицы рентгеночувствительных фотодиодов.
Фокусное расстояние f1 и коэффициент увеличения изображения зерновки при съемке постоянны. Величина напряжения источника рентгеновского излучения регулируется в зависимости от размеров и плотности зерновки, то есть типа культуры.
Из теории телевидения [2] известно, что для уверенной регистрации детали изображения, необходимо, чтобы изображение этой детали проецировалось не менее чем на три чувствительных элемента (пикселя) детектора изображения. Практика показывает, что минимальные размеры известных дефектов внутреннего строения зерновки могут составлять не более 10% от размеров зерновки [1]. Поэтому для визуализации их рентгеновских признаков (деталей изображения) нерезкость изображения Н зерновки не должна превышать десятой доли всего изображения зерновки А, Н≤0,1А. Очевидно, если величина нерезкости на изображении зерновки соизмерима с размерами изображения самой зерновки идентифицировать конкретный дефект его внутреннего строения практически невозможно.
В нижней части вертикальной стойки устройства расположены пневматическая система отбраковки, состоящая из ряда сопел 8 и насоса 9, а также бункер 10 для некондиционных семян. Бункер 10 может состоять из одного или нескольких контейнеров, предназначенных для хранения семян по различным видам внутренних дефектов.
Управление микрофокусным источником рентгеновского излучения осуществляется микроконтроллером, входящим в состав блока обработки и визуализации (не чертежах не показано). Выбор режимов съемки: напряжения, тока и времени экспозиции - производится нажатием на соответствующую кнопку. Информация об установленных режимах, готовности к работе и окончании съемки, а также о возможных неисправностях источника излучения выводится на ЖК-дисплей. Предусмотрена возможность управления источником излучения от внешнего персонального компьютера или ноутбука. В предпочтительном варианте осуществления блок обработки и визуализации выполнен в виде внешнего персонального компьютера или ноутбука.
Блок обработки и визуализации выполнен с возможностью анализа полученных от детектора рентгеновского излучения изображений зерновок и выдачи сигнала отбраковки в результате данного анализа на пневматическую систему отбраковки. При этом компьютер снабжен блоком памяти со сформированной в электронном виде базой данных эталонных значений изображений семян.
Принцип действия рентгеновского сепаратора заключается в следующем. Партия семян поступает в приемный бункер 1. Механическая система распределения 2 дозирует поток семян с помощью вибролотка 3, выравнивает его в монослой и вбрасывает в смотровой отсек 4. Рентгеновское излучение, генерируемое микрофокусным источником рентгеновского излучения 5, проходит сквозь зерновку 6 и неравномерно ослабляется элементами ее структуры. Сформированное за зерновкой теневое рентгеновское изображение регистрируется и преобразуется в цифровой электрический сигнал системы визуализации рентгеновского изображения, состоящей из детектора рентгеновского излучения 7, представляющий собой однострочную линейную матрицу рентгеночувствительных фотодиодов. Персональный компьютер (на Фиг. 2 не указан) с помощью специального программного обеспечения [3] обрабатывает цифровой сигнал каждой зерновки и «отличает» качественные семена от некачественных. Для этих целей существует банк рентгеновских изображений семян (эталонных значений изображений семян), которые были получены при проведении рентгеновской «диспансеризации» партий семян различных сельскохозяйственных культур. Пневматическая система отбраковки, состоящая из сопла 8 и насоса 9, удаляет некондиционные семена из потока зерна и распределяет в зависимости от дефекта в контейнеры бункера 10 для некондиционных семян.
Внешний вид действующего макета устройства для сепарации семян представлен на фиг. 3.
Более подробно рентгенооптическая схема получения рентгеновского изображения зерновки представлена на фиг. 2.
Диагностируемая зерновка 6 с линейным размером «а» в какой-то момент находится на одной оси между микрофокусным источником рентгеновского излучения 5 с диаметром фокусного пятна «d» и цифровым однострочным линейным детектором рентгеновского излучения 7 с размером пикселя «р». Расстояние между фокусным пятном 5 микрофокусного источника рентгеновского излучения и зерновкой 6 составляет f1, расстояние между фокусным пятном и плоскостью входного окна однострочной линейной матрицы рентгеночувствительных фотодиодов 11 - f2. Размер изображения «а» зерновки 6 определяется в соответствии с выражением (1).
На эпюре плотности почернения 12 изображения зерновки 6 нерезкость изображения Н, обусловленная конечными размерами фокусного пятна, определяется в соответствии с выражением (2).
При расчете основных параметров рентгенооптической схемы съемки зерновки задаются ее линейные размеры - «а», а также размер фокусного пятна «d», расстояние f1 и линейный размер пикселя «р». Численные значения «d», «f1» и «р» определяются конструктивными особенностями используемых источника рентгеновского излучения и детектор рентгеновского изображения. Остальные параметры: расстояние f2, размер изображения зерновки «А» - вычисляются.
В результате расчетов рентгенооптической схемы предлагаемого устройства сепарации при выбранных источнике рентгеновского излучения РАП-100 (характерный размер фокусного пятна d≤0,1 мм, минимальный размер фокусного расстояния f1≥100 мм) и детекторе рентгеновского излучения на основе фотодиодной линейки X-Card (размер пикселя р=0,2×0,2 мм), следует:
- допустимая нерезкость изображения зерновки Н составит Н=3р=0,6 мм;
- размер изображения зерновки А=10Н=6 мм;
- расстояние f2=A⋅f1/а=6⋅100/3=200 мм.
На фиг. 4 и 5 представлены получаемые при сепарации рентгеновские изображения отдельных зерновок подсолнечника в потоке.
Использование устройства для сепарации семян позволит получать высокоинформативные изображения от нескольких единиц до нескольких сотен семян в полевых условиях одновременно с увеличением до десяти крат. Рентгенографические исследования изображений семян позволят выявить основные типы дефектов семян: невыполненность, дефекты зародыша, травмированность, скрытую заселенность и поврежденность насекомыми, скрытое прорастание семян и др. Это относится к исследованию семян в статике, а не на потоке.
Более того, методика рентгенографии, благодаря ее неразрушающему характеру, позволяет изучить внутреннюю структуру семян, сохранив при этом весь материал для посева. При этом анализ полученной информации позволяет отследить качество семян в динамике - в процессе вызревания и хранения. Селекционерам создается возможность для индивидуальной работы с каждым семенем, когда при оценке либо силы роста, либо продуктивности растений всегда можно вернуться к рентгеновским изображениям семян, из которых они выросли, проанализировать полученные результаты и найти соответствующие рентгеновские признаки возникших морфобиологических особенностей их развития.
Таким образом, автоматическая сепарация многотонного потока зерна по рентгеновским признакам является важной и перспективной задачей.
Литература
1. Архипов М.В., Потрахов Н.Н. Микрофокусная рентгенография растений. СПб.: «Технолит» / Изд-во «Технолит», 2008. 194 с.
2. Мазуров А.И., Данилов В.А. Цифровое рентгенотелевидение - М.: 1990. 170 с.
3. Желудков А.Г., Белецкий С.Л., Потрахов Н.Н. Теоретические аспекты автоматизации рентгенографического метода анализа качества семян и товарного зерна злаковых культур: Инновационные технологии производства и хранения материальных ценностей для государственных нужд: междунар. сб. науч. / ФБГУ НИИПХ Росрезерва. - М.: Галея Принт, 2014. - С. 106-115.