СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКАЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ ГОЛОВКА ДЛЯ УБОРОЧНЫХ И ДРУГИХ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ МАШИН
SPECTROMETRIC MEASURING HEAD FOR HARVESTING AND OTHER AGRICULTURAL MACHINES

Изобретение относится к устройству для измерения компонентов убранной сельскохозяйственной продукции, причем измерения могут быть проведены как статически, так и в потоке материала. Спектрометрическая головка предназначена при этом для использования в уборочных и других сельскохозяйственных машинах, причем либо продукция течет мимо измерительной головки, либо измерительная головка движется мимо продукции. С помощью результатов измерений можно на основе калибровок определить различные компоненты, такие как влажность, протеин, крахмал, маслосодержание, и свойства, такие как длина резки, состояние волокна, температура измеряемой продукции.
Из известных в уровне техники многочисленных систем анализа компонентов убранной сельскохозяйственной продукции спектроскопия в ближнем инфракрасном диапазоне (NIR) зарекомендовала себя благодаря различным преимуществам. По сравнению с продолжающимся вплоть до нескольких часов анализом компонентов известными лабораторными методами, NIR-спектроскопия дает первые результаты анализа уже через 30-40 секунд. Кроме того, анализируемые образцы не изменяются и не разрушаются спектрально-фотометрическими методами.
При типичном спектроскопическом анализе образцы облучают волнами заданных длин и измеряют их пропускающую и/или отражательную способность. Для образования необходимых для этого специфических длин волн используют, например, диски со светофильтрами, диодные матрицы или дифракционные решетки.
Из-за наличия подвижных частей диски со светофильтрами и сканирующие дифракционные решетки восприимчивы к тряске и ненадежны, когда они анализируют зерно во время уборки. Следовательно, они непригодны для использования в зерновых комбайнах или других сельскохозяйственных уборочных машинах, вызывающих механическую тряску.
Влагоизмерительное устройство и способ измерения влажности в уборочных машинах раскрыты в ЕР 0908087 В1. При этом влагоизмерительное устройство комбинируют с сенсорным устройством контроля состояния, чтобы отказаться от калибровок, обычно необходимых и обусловленных измеряемой продукцией и обработкой. Комбинация датчика влажности с сенсорным устройством контроля состояния позволяет обнаруживать ошибочные состояния при определении сигнала влажности, выводить на дисплей, принимать корректировочные меры и/или проводить калибровку. Сенсорное устройство контроля состояния состоит при этом из микропроцессоров и подходящей программы обработки и в зависимости от полученных данных измерений (с проверкой на достоверность) может инициировать различные меры по корректировке, индикации или калибровке. Через элементы ввода или памяти можно задавать, например, дополнительную информацию об продукции (например, кукурузе, пшенице, ячмене и т.д.) с соответствующими дополнительными данными (сухая, влажная, сильная засоренность). Эту информацию учитывают при обработке полученных данных измерений. Для этого расположенные в корпусе датчики влажности передают данные измерений влажности транспортируемой продукции. Датчики состоят, например, из электрода и электронного элемента. Предложенное решение относится, однако, только к определению и протоколированию измеренных значений влажности продукции. Данные о составе продукции не встречаются.
Также описанный в ЕР 0960557 B1 способ касается измерения влажности продукции в уборочной машине. В частности, при этом данные датчика влажности комбинируют с данными датчика массового потока и объединяют в одну карту, которая отображает выведенное влагосодержание на нескольких участках поля. Влажность продукции определяют при этом посредством ее электропроводности. Также в этом решении не встречается данных о составе продукции.
В противоположность уже описанным решениям в публикациях WO 99/040419 и WO 99/058959 описаны устройства и способ определения концентрации компонентов образца убранной сельскохозяйственной продукции. Анализ осуществляют в процессе уборки посредством спектрометрического устройства в близком инфракрасном диапазоне. При этом с помощью отражательной способности образца относительно определенных длин волн определяют процентное содержание компонентов образца. Устройство для определения концентрации оптически стабильно и, следовательно, пригодно для использования в сельскохозяйственных машинах, например зерновых комбайнах. Измерительное устройство состоит из источника света для облучения потока сельскохозяйственной продукции множеством длин волн, оптического приемника для приема отраженного излучения, сепаратора длин волн для отделения принятого излучения и детектора для формирования сигналов интенсивности из принятого, отраженного и отделенного излучения. Только измерительная головка, содержащая источник света и приемник, расположена при этом в непосредственной близости от измеряемой продукции. Собственно блок обработки с сепаратором длин волн и детектором установлен, например, в кабине уборочной машины. Для передачи данных измерений от измерительной головки к блоку обработки использованы стекловолоконные провода. Поскольку при анализе, например, зерен злаков характеристика поглощения и отражения очень сильно отличается от образца к образцу, требуется постоянная поверка спектрометров. В измерительной головке для этого расположен эталонный стандарт с высокой отражательной способностью, который может быть приведен в действие электроприводом и для референцирования перекрывает траекторию хода лучей к измеряемой продукции. Референцирование происходит, как правило, автоматически посредством блока управления. Недостатком этого решения является то, что тряска, связанная с работой уборочной машины, вызывает модульные помехи в оптических волокнах или может даже повредить их. Один вариант решения предусматривает пространственное отделение измерительного устройства и содержащего блок отображения блока обработки. Связь блока обработки с уборочной машиной, однако, не предусмотрена.
В WO 99/040419 описан спектрометр для измерения компонентов убранной сельскохозяйственной продукции, который может быть использован, в частности, в комбинации с зерновым комбайном для анализа зерна в реальном времени. С помощью используемого при этом, работающего в близком инфракрасном диапазоне (NIR) спектрометра можно анализировать как химические, так и физические свойства различных материалов. При анализе, например, зерен злаков характеристика поглощения и отражения в противоположность молотым зернам очень сильно отличается от образца к образцу. Чтобы, тем не менее, получить точные данные измерений, требуется постоянная проверка спектрометров. Для этого, как правило, образец заменяют стандартным образцом. Спектрометр выдает тогда стандартные данные для проверки измерительного устройства. Отраженный свет по световодным кабелям направляется к дифракционной решетке или эквивалентному конструктивному элементу и, будучи расщеплен ею/им, отображается на детекторе или детекторной матрице. Анализ интенсивностей отраженного излучения позволяет определить процентное содержание компонентов. Недостаток этого решения в том, что стандартный образец расположен в измерительной головке. За счет этого учитываются, правда, различные динамические факторы, например, изменения источника света, однако влияний из-за загрязнения имеющегося в измерительной головке окошка нельзя учесть, и они снижают точность результатов измерений. Кроме того, тряска может вызвать модульные помехи в оптических волокнах или даже повредить их.
Уборочная машина с работающим в близком инфракрасном диапазоне датчиком для измерения компонентов и/или свойств продукции описана в ЕР 1053671 В1. Для подтверждения органических компонентов используют преимущественно длины волн 400 нм - 1,7 мм. Установленный вне сельскохозяйственной машины датчик целесообразным образом разъемно подключают к подходящему интерфейсу устройства сбора данных, так что возможно определение свойств убранной сельскохозяйственной машиной продукции и/или картирование урожая. Собранные данные измерений могут быть обработаны посредством компьютера. За счет дополнительных датчиков могут быть зарегистрированы, в том числе, расход продукции и актуальное местоположение (GPS) и вместе с данными измерений, относящимся к компонентам или другим параметрам, записаны с геореференцированием в память.
В еще не опубликованной патентной заявке DE 102004021448.4 описана спектрометрическая отражательная измерительная головка с внутренней рекалибровкой, в корпусе которой имеются дополнительно, по меньшей мере, два стандарта, преимущественно черно-белые стандарты, для внутренней рекалибровки, которые выборочно могут быть повернуты в траекторию хода лучей отражательной измерительной головки. После сбора данных измерений обоих стандартов спектрометром происходит рекалибровка отражательной измерительной головки посредством блока управления и обработки. Дополнительно для калибровки отражательной измерительной головки перед пуском в работу измерительного устройства или в определенные промежутки времени могут быть предусмотрены, по меньшей мере, два внешних стандарта. Связь измерительной головки со спектрометром происходит при этом посредством волоконно-оптических соединений.
Система измерения компонентов сельскохозяйственной продукции описана в US 6418805 В1. Система содержит контейнер для зерна. Внутри контейнера установлен подвижный элемент для перемещения зерна внутри контейнера с возможностью имитации потока зерна. Зонд анализирует при этом движущееся зерно в реальном времени, причем различные компоненты движущегося зерна определяют одновременно по одинаковой доле зерна. Система определения компонентов пригодна для калибровки систем анализа, уже содержащихся в приборе для обработки зерна или устанавливаемых позднее, поскольку вращение зерна внутри контейнера имитирует поток зерна по скатному лотку или трубопроводу такого прибора. Проверка самого прибора не предусмотрена.
В US 2002/0039186 А1 описаны устройство и способ спектроскопического анализа физических и химических свойств образца. Измерительное устройство может быть выполнено при этом в виде пробника для взятия статистического образца, например, из груженного в прицеп зерна и его анализа. Анализ происходит при этом, пока весь образец находится на транспортном средстве или в контейнере. На основе свойств этого образца делают вывод о свойствах и компонентах всего образца. В другом варианте зерно может анализироваться посредством измерительной головки в процессе разгрузки, т.е. пока оно находится в движении. При этом почти весь образец может анализироваться в реальном времени. Для калибровки измерительная головка располагает диафрагменным затвором, который заставляет попадать на детектор либо отраженный от измеряемого объекта свет, либо эталонный свет. Эталонный свет диафрагмируют при этом из траектории хода лучей источника освещения. Диафрагменный затвор может быть выполнен также в виде эталонного стандарта и приведен в положение, в котором свет не падает на детектор для регистрации темнового сигнала. За счет имеющейся управляющей электроники можно автоматически калибровать систему. В устройстве для спектроскопического анализа собственно измерительное устройство, которое может быть выполнено в виде пробника или измерительной головки, соединяют с собственно блоком управления и обработки посредством электрических или оптоволоконных проводов.
В заявке WO 00/04373 А1 описывается измерительная установка для спектроскопического исследования движущейся бумажной полосы, которая имеет две расположенные по обе стороны бумажной полосы измерительные головки. Каждая измерительная головка имеет внутренние стандарты, которые для референцирования могут быть повернуты в траекторию хода лучей света, исходящего из источника освещения. Мощность источника освещения может регулироваться для обеспечения необходимой степени освещения.
Большинство систем для определения компонентов образца рассчитано, однако, на применение в лабораторных условиях. К тому же на рынке нет мощного датчика, который мог бы выдавать данные измерений прямо на систему шин. Кроме того, очень часто необходимо черно-белое референцирование. Применение стекловолоконных кабелей на отрезке измерения препятствует использованию полной апертуры детектора и является источником ошибок. Известные датчики передают свои данные измерений по кабелям.
В основе настоящего изобретения лежит задача создания устройства для измерения компонентов убранной сельскохозяйственной продукции, которое обеспечивало бы как статические измерения, так и измерения в потоке материала, и было бы пригодно для использования в уборочных и других сельскохозяйственных машинах. Измерительное устройство должно иметь при этом возможность интеграции в имеющуюся систему шин машины.
Согласно изобретению эта задача решается посредством признаков независимых пунктов формулы. Предпочтительные усовершенствования и варианты являются объектом зависимых пунктов формулы.
Спектрометрическая измерительная головка согласно изобретению для уборочных и других сельскохозяйственных машин состоит из снабженного окошком корпуса, в котором размещены источник освещения, спектрометрическое устройство и, по меньшей мере, два стандарта для внутренней рекалибровки. Эти стандарты могут поворачиваться при этом выборочно в траекторию хода лучей измерительной головки. В корпусе дополнительно размещены интерфейс к системе шин и процессор. Мощность лампы источника освещения, который преимущественно располагает отражателем, регулируется автоматически для согласования спектрометрического устройства с различными отражательными характеристиками отдельных образцов. Для этого мощность лампы увеличивается для образцов с преимущественно темным цветом.
Предложенное техническое решение может быть использовано для специальных измерительных задач определения компонентов сельскохозяйственной продукции в процессе уборки. Поскольку измерительная головка кроме стандартов не располагает никакими подвижными частями, она является очень надежной и пригодной для использования в транспортных средствах. С помощью описанной измерительной головки возможны как статические измерения, так и измерения потока материала. Оценивая распределение интенсивности отраженного излучения, можно на основе калибровок определить различные компоненты, такие как влажность, протеин, крахмал, маслосодержание, и свойства, такие как длина резки, состояние волокна, температура образца.
Измерительная головка предусмотрена для использования в ближнем инфракрасном диапазоне, чтобы определять, например, влажность и содержание жира, крахмала, белка и т.п. в образцах продукции сельского хозяйства и пищевой промышленности.
Для использования других спектральных диапазонов следует соответственно согласовать применяемое спектрометрическое устройство; измерительная головка может применяться для всего спектрального диапазона.
Изобретение более подробно описано ниже на примерах его осуществления.
На фиг.1 показана принципиальная конструкция спектрометрической измерительной головки.
Спектрометрическая измерительная головка для уборочных и других сельскохозяйственных машин состоит из снабженного окошком 2 корпуса 1, в котором размещены источник 3 освещения, спектрометрическое устройство 4 и, по меньшей мере, два стандарта 5 для внутренней рекалибровки. Эти стандарты 5 могут быть повернуты при этом выборочно в траекторию хода лучей измерительной головки. В корпусе 1 дополнительно размещены процессор 11 для сбора и обработки данных измерений и интерфейс 12 к системе шин.
Для окошка 2 в корпусе 1, через которое падает как освещающее излучение, так и отраженное образцом 7 излучение, используют преимущественно сапфир. Сапфир обеспечивает достаточно длительный срок службы окошка 2 даже при высокоабразивных образцах (например, образцах 7 с содержанием песка).
Мощность лампы источника 3 освещения, располагающего преимущественно отражателем 6, может регулироваться автоматически для согласования спектрометрического устройства 4 с различными отражательными характеристиками образцов 7. Для этого повышают мощность лампы для образцов 7 преимущественно темного цвета, не калибруя заново спектрометрическое устройство. За счет этого время интеграции спектрометрического устройства 4 остается почти постоянным. В сочетании с внутренним референцированием может осуществляться, тем самым, в любое время оптимизированное для данных условий измерение. В частности, для автоматической обработки спектров процессором 11 за счет регулирования мощности лампы можно оптимизировать результаты измерений.
Спектрометрическое устройство 4 состоит, по меньшей мере, из одного дисперсионного элемента 8 и детекторной матрицы 9 и располагает при необходимости отображающими оптическими узлами 10. За счет непосредственного отображения отраженного от образца 7 излучения на детекторной матрице 9 в зависимости от образца 7 отображения из структуры образца 7 на детекторной матрице 9 могут быть вызваны ошибки измерения. Во избежание этого для гомогенизации предусмотрен световой интегратор.
Два имеющихся в измерительной головке стандарта 5 служат для внутренней рекалибровки измерительного устройства. Для калибровки измерительной головки перед пуском измерительного устройства в работу или в определенные промежутки времени предусмотрены, по меньшей мере, два дополнительных внешних стандарта (не показаны). Как в качестве внутренних стандартов 5, так и в качестве внешних стандартов используют преимущественно черно-белые стандарты, которые могут быть дополнены дополнительными, специфическими для данного применения стандартами для дальнейших рекалибровок.
Стандарты приводят в действие преимущественно от электропривода с возможностью автоматического и/или ручного управления. Внутреннее и внешнее референцирование обеспечивает автоматический контроль системы, контроль окошка 2 на повреждение, загрязнение и т.д., а также возможность применения различных материалов для окошка без необходимости изменения или согласования существующих калибровок.
После сбора данных измерений обоих внешних стандартов 5 спектрометрическим устройством 4, используя данные измерений калибровки отражательной измерительной головки перед пуском в работу, осуществляют рекалибровку измерительной головки. После отведения внутренних стандартов 5 от траектории хода лучей измерительная головка готова для следующего измерения образца 7.
Хотя во внутреннем месте измерения существуют иные измерительные интенсивности источника 3 освещения нежели во внешнем месте измерения образца, геометрическое расположение внутренних стандартов 5 гарантирует, что изменения спектральной интенсивности в обоих местах измерений происходят с одинаковой пропорциональностью. Изменение чувствительности и темнового сигнала детекторной матрицы 9 не зависят от места измерения и действуют, тем самым, внутри и снаружи в равной степени. За счет этого благодаря проведенной в установленные отрезки времени внутренней рекалибровке можно избежать вызванного названными влияниями изменения данных измерений при длительной эксплуатации.
В предложенном решении внутренняя рекалибровка может происходить в короткие промежутки времени автоматически по заранее установленному временному ритму или по необходимости. Как измерительная головка, так и образец 7 во время калибровки и рекалибровки остаются в нормальном измерительном положении.
Рекалибровка может происходить самопроизвольно по истечении определенного отрезка времени (например, через 10 минут) или после регистрации неприемлемого, выданного измерительной головкой значения. Подобное неприемлемое выданное значение имеет место, например, тогда, когда выданное измерительной головкой значение через определенный отрезок времени (например, 10 с) является постоянным или когда оно сигнализирует о наличии продукции, в то время как по транспортирующему каналу продукция не течет, что может быть подтверждено с помощью рабочего состояния транспортирующих элементов или другими датчиками, например оптронами.
Имеющийся в измерительной головке интерфейс 12 к системе шин выполнен преимущественно в виде беспроводного соединения и может поддерживать такие стандарты, как CAN, USB, RS232, Wireless LAN и др. Возможно также создание соединения от измерительной головки к системе шин посредством электрических и/или волоконно-оптических проводов.
Дополнительно в корпусе размещен процессор 11 для регистрации и обработки данных измерений. Этим процессором 11 могут быть созданы как исходные данные, т.е. предварительная обработка данных на спектральной основе, так и вычисленные результаты, которые могут быть переданы через имеющийся интерфейс 12 к системе шин. Кроме того, процессор 11 содержит программу для необходимого менеджмента шин. За счет процессора 11 возникает полностью автономно работающая система. Для того чтобы измерительную головку можно было использовать в широком интервале рабочих температур даже без дополнительного охлаждения детекторной матрицы 9, процессор 11 включает в себя соответствующую компенсирующую электронику, которая компенсирует изменяющиеся параметры детекторной матрицы 9 при смене температур.
У спектрометрической измерительной головки для уборочных и других сельскохозяйственных машин измеряемый образец 7 облучают посредством источника 3 освещения. Отраженное от образца 7 излучение воспринимается непосредственно диодной матрицей 9 спектрометрического устройства 4. С помощью распределения интенсивности отраженного излучения можно на основе калибровок определить различные компоненты, такие как влажность, протеин, крахмал, маслосодержание, и свойства, такие как длина резки, состояние волокна, температура образца. С помощью описанной измерительной головки возможны как статические измерения, так и измерения потока материала. За счет того, что измерительная головка кроме стандартов 5 не располагает никакими подвижными частями, она является очень надежной и пригодной для использования в транспортных средствах.
Ограничение диапазона длин волн обеспечивает использование измерительной головки в широком интервале температур без сложного и дорогостоящего охлаждения.
С устройством согласно изобретению предложена спектрометрическая измерительная головка для уборочных и других сельскохозяйственных машин, с помощью которой в уборочной машине могут быть определены компоненты убранной сельскохозяйственной продукции даже в процессе уборки. Измерительная головка может использоваться в стационарных установках или в любых уборочных машинах, у которых продукция течет мимо измерительной головки, например, в зерновых комбайнах или полевых измельчителях, или измерительная головка движется мимо продукции, например, мимо валка.
Беспроводная связь измерительной головки с блоком управления и обработки позволяет интегрировать ее в имеющуюся систему шин уборочной машины. Благодаря выборочной передаче исходного значения на дальнейшую обработку или выведению результатов измерений это техническое решение может применяться очень гибко. За счет имеющегося в измерительной головке процессора и автоматического внутреннего и внешнего референцирования возникает полностью автономно работающая система.
Внутренняя рекалибровка дает возможность автоматического контроля системы, контроля окошка для образца на повреждение или загрязнение, а также применения различных материалов для окошка без необходимости изменения или согласования существующих калибровок.
За счет того, что отраженное от образца излучение отображается прямо на спектрометре, система обеспечивает более высокую апертуру. Из этого следуют более высокая чувствительность, необходимая более низкая мощность лампы, меньший нагрев образца и вытекающая из этого меньшая ошибка измерения.