УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КАЧЕСТВА ЗЕРНА В КОМБАЙНЕ
DEVICE FOR DETERMINING THE QUALITY OF GRAIN IN COMBINE

Заявляемое изобретение относится к сельскохозяйственному машиностроению, а конкретно к устройствам определения процентного содержания в зерне клейковины, протеинов, липидов, воды и других веществ в процессе уборки урожая зерноуборочными комбайнами, оснащенными системами спутниковой навигации и связанными с ними цифровыми картами поля.
Известны способ и устройство определения количества клейковины в зерне [1. Патент RU 2138042 от 14.04.1998; 2. Заявка на изобретение RU 2011102636 от 24.01.2011]. Они основаны на измерении спектральных характеристик образцов пшеницы и последующем определении количества клейковины по их значениям с учетом градуировочных измерений. Устройство для определения количества клейковины по патенту RU 2138042 от 14.04.1998 состоит из источника света, диффузного рассеивателя, кюветы, двух светофильтров для пропускания излучения соответственно в области 400-600 нм и в области 600-850 нм и его регистрации двумя фотоприемниками, причем каждым - в одной из этих двух спектральных областей, и измерительного устройства.
Недостатками перечисленных способа и устройства являются низкая точность измерения содержания клейковины в убранном зерне, невозможность измерения этого параметра в процессе работы комбайна и привязки его значений к карте убираемого поля.
Наиболее близким к заявляемому изобретению по технической сущности является устройство по заявке на изобретение RU 2015124680/13 от 23.06.2015, содержащее источник света, диффузный рассеиватель, пробоотборник зерна, микромельницу, измерительное устройство и аналого-цифровой преобразователь, связанный с цифровой картой убираемого поля.
Недостатками прототипа являются: невозможность измерения в процессе уборки урожая, наряду с определением содержания клейковины в зерне, таких важных показателей качества зерна (параметров), как содержание протеинов, липидов, воды и др., и низкая точность измерений.
Цель изобретения - обеспечение возможности измерения основных показателей качества зерна: клейковины, протеина, липидов, воды; обеспечение определения содержания перечисленных веществ в зерне независимо от убираемой культуры, то есть не только в пшенице, но и в таких культурах, как ячмень, рожь, кукуруза, овес, рис и др., и повышение точности измерений.
Технический результат достигается за счет того, что в устройство, содержащее источник света, диффузный рассеиватель, пробоотборник зерна, микромельницу, измерительное устройство и аналого-цифровой преобразователь, введены предметный стол, объектив, полихроматор, включающий в себя регулируемую по ширине щель, дифракционную решетку и матричный фотоприемник, вычислитель, блок памяти, цифровой регистратор и монитор, при этом пробоотборник и микромельница механически связаны с предметным столом, выход измерительного устройства связан с аналоговым входом аналого-цифрового преобразователя, цифровой выход которого связан с вычислителем, параллельно соединенным с блоком памяти, с монитором и с первым входом цифрового регистратора, второй вход которого соединен с выходом приемника системы спутниковой навигации (ССН). Матричный фотоприемник состоит из n столбцов и m строк и обладает высокой чувствительностью в широком спектральном диапазоне оптического излучения, представляет собой, например, микроболометрическую матрицу и обеспечивает высокую чувствительность в спектральном диапазоне от 1 мкм до 25 мкм. В этом спектральном диапазоне имеются хранящиеся в блоке памяти эталонные спектры отражения практически всех веществ, входящих в состав зерна различных злаков: пшеницы, ячменя, ржи, овса, кукурузы, риса и др. Если расположить матрицу так, чтобы столбцы матрицы были параллельны изображению щели полихроматора, то суммарный видеосигнал на ее выходе, пропорциональный определенной спектральной составляющей текущего спектра отражения, можно усилить в  раз за счет линейного сложения сигналов с выхода каждого чувствительного элемента матрицы и последующего усреднения результата. Шумы при этом суммируются среднеквадратично, за счет чего достигается существенное повышение отношения сигнал/шум на выходе приемной матрицы.
В заявляемом устройстве измерение основных показателей качества зерна осуществляют путем сравнения эталонного спектра отражения конкретного вещества, входящего в состав зерна, с его текущим спектром отражения, измеренным в процессе уборки урожая, и выдачей полученного значения на монитор, для информирования оператора, и в цифровой регистратор для нанесения на цифровую карту поля с привязкой к координатам убираемого участка поля.
Заявляемое изобретение иллюстрируется чертежом, на котором изображена функциональная схема устройства.
Заявляемое устройство включает в себя следующие функциональные элементы: 1 - пробоотборник; 2 - микромельница; 3 - предметный стол; 4 - источник света; 5 - диффузный рассеиватель; 6 - полихроматор; 7 - объектив полихроматора; 8 - щель полихроматора; 9 - дифракционная решетка полихроматора; 10 - матричный приемник оптического излучения (ПОИ); 11 - микропроцессорный анализатор сигнала; 12 - измерительное устройство; 13 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП); 14 - цифровой вычислитель; 15 - блок памяти; 16 - монитор; 17 - цифровой регистратор; 18 - приемник системы спутниковой навигации (в состав заявляемого устройства не входит), при этом пробоотборник 1, микромельница 2 и предметный стол 3 связаны друг с другом механически, выходы чувствительных элементов матричного ПОИ электрически связаны с входами измерительного устройства 12, выход которого соединен с входом АЦП 13, выход АЦП 13 связан с первым входом вычислителя 14, второй вход которого соединен с выходом блока памяти 15, первый выход вычислителя 14 соединен с входом монитора, а второй выход - с первым входом цифрового регистратора 17, второй вход которого соединен с выходом приемника ССН 18.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
Зерна пшеницы из пробоотборника 1, связанного с зернопроводом (не показан), поступают в микромельницу 2, из которой мука подается на предметный стол 3. Излучение источника света 4 направляют через диффузный рассеиватель 5 на предметный стол 3. Отраженное от муки, равномерно распределенной по поверхности предметного стола 3, излучение через объектив 7 и регулируемую по ширине щель 8 полихроматора 6 освещает дифракционную решетку, разлагающую оптическое излучение в спектр (спектр - это зависимость потока излучения от длины волны), который с помощью матричного приемника преобразуется в электрические сигналы, снимаемые с выхода каждого чувствительного элемента и усредняемые по столбцам матрицы приемника. Электрические сигналы с выхода матричного ПОИ поступают в микропроцессорный анализатор сигнала 11 на измерительное устройство 12 и далее в аналого-цифровой преобразователь 13 для преобразования в цифровую форму. В вычислителе 14 производится сравнение измеренных текущих спектров веществ, содержащихся в убираемом зерне, с их эталонными спектрами, хранящимися в блоке памяти 15. Блок памяти содержит набор эталонных оптических спектров веществ, входящих в состав зерна. На основе результата сравнения вычисляют процентное содержание в зерне клейковины, протеинов, липидов, воды и других веществ. Полученные значения этих параметров поступают в цифровой регистратор 17 для нанесения на цифровую карту поля с координатной привязкой, обеспечиваемой данными, получаемыми от приемника ССН 18, и на монитор для информирования оператора комбайна. В результате получают цифровую карту убираемого поля с полным набором данных о качестве убранного зерна.
Введение в состав заявляемого устройства полихроматора с матричным приемником оптического излучения, микропроцессорного анализатора сигнала и использование сравнения текущих и эталонных оптических спектров веществ, входящих в состав убираемого зерна, позволяет существенно повысить точность измерения процентного содержания этих веществ в зерне и скорректировать цифровую карту поля с помощью этих данных для последующего прицельного внесения удобрений на участки с пониженным содержанием входящих в них химических элементов.
Технический результат заключается в обеспечении возможности измерения основных показателей качества зерна: клейковины, протеина, липидов, воды и др., - независимо от убираемой культуры, то есть не только в пшенице и не только клейковины, что обеспечивают известные устройства, но и в таких зерновых культурах, как ячмень, рожь, кукуруза, овес, рис и др., и в повышении точности измерений.