СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКИЙ ЗОНД ДЛЯ ОТБОРА ОБРАЗЦОВ СЫПУЧЕГО МАТЕРИАЛА И АВТОМАТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОТБОРА ОБРАЗЦОВ, СОДЕРЖАЩЕЕ УКАЗАННЫЙ ЗОНД
SPECTROMETRIC PROBE FOR SAMPLING BULK MATERIAL AND AUTOMATIC SAMPLING APPARATUS COMPRISING SAID PROBE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к области устройств, средств или механизмов, используемых для отбора проб сыпучего материала, такого как зерно после уборки урожая, и, более конкретно, настоящее изобретение относится к спектрометрическому зонду и автоматическому устройству для прямого определения параметров качества и состава сыпучих материалов в том же месте, где они хранятся, например, в бункере, грузовике или транспортном вагоне, без необходимости отбора проб, которые должны быть переданы в удаленные подразделения для их изучения и оценки.
Хотя в настоящем описании в качестве примера делается ссылка на способ отбора проб зерна, это не означает, что настоящее изобретение ограничивается только этим, но что отбор проб может проводиться для различных типов сыпучих материалов, либо самостоятельно или совместно с другими устройствами, механизмами или соответствующими средствами для отбора проб или обработки таких материалов.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ, ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ НАСТОЯЩЕМУ ИЗОБРЕТЕНИЮ
Отбор проб сыпучего материала после сбора урожая хорошо известен, и известно, что основной практикой является знание состояния, например, зерновых, до их коммерциализации. Для проведения отбора проб, используемый способ будет зависеть от типа транспортного средства или средств, в которых зерно транспортируют в бункеры или порты отгрузки. Среди указанных способов могут быть отбор проб зерна, поставляемых в мешках, отбор проб путем извлечения, отбор проб путем опорожнения мешков, отбор проб зерна, подаваемого навалом, отбор проб в неподвижном состоянии, отбор движущегося продукта, способ с использованием конуса и множество других способов. Во всех случаях измерение содержания влаги и соответствующий анализ качества будут выполняться на конечном образце.
Что касается отбора проб зерна в неподвижном состоянии, зерно, как правило, транспортируют в грузовиках/вагонах, которые въезжают на поверочные пункты для отбора проб с помощью автоматического зонда. Принимая во внимание, что ручной отбор оператором от грузовика к грузовику будет не только неэффективным и опасным, но и крайне неэффективным, и что очередь из грузовиков будет очень большой, используется автоматическое устройство для отбора проб, управляемое дистанционно из кабины, которое для проведения отбора проб делает отбор несколько раз и в разных местах кузова автомобиля, как в кузове на шасси, так и в прицепе.
После того, как зонд введен в массу зерна, хранящегося в кузове на шасси/прицепе грузовика или вагона, множество отверстий вдоль всего зонда автоматически открываются, чтобы образец мог попасть внутрь под действием силы тяжести. Как правило, образцы отбираются сверху, посередине и снизу, собранный образец отправляется на приемник с помощью пневматической системы, хорошо известной в данной области техники, которая разделена на секции (верхнее, среднее и нижнее отверстия). Таким образом, обученный оператор выполняет «коммерческий» визуальный контроль качества, который представляет собой физический анализ, при котором анализ состава образца не проводится. Для проведения анализа состава зерна, некоторые образцы должны быть отобраны вручную, с получением комплекта для дальнейшей обработки на счетном спектрометре. На основании этой последней процедуры получают параметры состава зерна, которое было отобрано в качестве образца, полученные результаты сравнивают со стандартными параметрами, чтобы узнать, пригодно ли оно для коммерциализации.
Несмотря на то, что для нормальной работы обычного автоматического отбора проб требуется примерно 2-3 минуты на грузовик/вагон, в зависимости от установки и оператора, этот период времени значительно увеличивается, если выполняется анализ состава (белок, влажность, жир) зерна. Это влечет за собой более длительное время работы, дополнительные расходы и необходимость наличия строго специализированного персонала для проведения анализа. Кроме того, образец не будет на 100% репрезентативным независимо от механизма, управляемого оператором, что создает субъективность и увеличивает стоимость процесса.
В силу вышеизложенного предпочтительно иметь новый агрегат, устройство или механизм для отбора проб, который позволяют отбирать пробы сыпучего материала, чтобы узнавать параметры состава напрямую, без необходимости отбора образцов, которые должны быть извлечены, требующего дополнительного времени или обработки ошибок.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ
Поэтому целью настоящего изобретения является создание спектрометрического зонда с модулем отбора проб, который встроен или смонтирован в зонде так, чтобы было возможно осуществлять прямой сбор параметров состава сыпучего материала без необходимости выполнения процедуры отбора проб материала.
Еще одной целью настоящего изобретения является создание спектрометрического зонда, который значительно сокращает время работы, а также связанные с этим расходы.
Еще одной целью настоящего изобретения является создание модуля отбора проб, который работает непосредственно со спектрометром для проведения анализа состава зерна или сыпучего материала.
Еще одной целью настоящего изобретения является создание спектрометрического зонда, который выполняет неинвазивный, неразрушающий и безвредный анализ свойств пробы, в котором не используются реагенты и не образуются химические отходы.
Еще одна цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы обеспечить одновременную автоматическую работу в режиме реального времени с процессом определения свойств, выполняемым с сыпучим материалом.
Еще одной целью настоящего изобретения является создание модуля отбора проб, который может работать совместно с устройством для отбора проб, имеющим множество отверстий для отбора проб, или с устройством без отверстий.
Еще одной целью настоящего изобретения является создание спектрометрического зонда для отбора проб сыпучего материала, который анализирует пробы напрямую, без необходимости отбора проб, которые затем переносятся во внешние устройства.
Еще одной целью настоящего изобретения является создание спектрометрического зонда для отбора проб сыпучего материала, который содержит, по меньшей мере, один модуль отбора проб, установленный на участке указанного зонда, и который сформирован в виде корпуса, который имеет, по меньшей мере, одну переднюю стенку, имеющую прозрачное смотровое окно, причем указанный корпус также содержит емкостный датчик, который входит в указанный корпус извне для контакта с основной массой материала, подлежащего изучению, и, по меньшей мере, один оптический датчик отбора проб, смонтированный внутри указанного корпуса и обращенный в соответствии с оптическим путем в направлении указанного смотрового окна, при этом оптический датчик отбора проб оперативно соединен с пультом дистанционного управления.
Еще одной целью настоящего изобретения является создание автоматического устройства для отбора проб сыпучего материала, содержащего спектрометрический зонд, который содержит указанный зонд, приводимый в действие шарнирным рычагом, который имеет множество отверстий, расположенных по меньшей мере в одной верхней, промежуточной и нижней секции зонда для отбора проб, при этом указанный шарнирный рычаг, прикрепленный одним из его концов к колонне, которая имеет вертикальную опору, кроме того, указанный шарнирный рычаг приводится в действие пневматическим/электропневматическим/гидравлическим цилиндром, у которого конец зафиксирован на основании указанной вертикальной опоры, а конец, противоположный первому, прикреплен к указанному шарнирному рычагу.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Для целей большей ясности и понимания сущности настоящего изобретения оно проиллюстрировано несколькими фигурами, на которых настоящее изобретение представлено в одном из предпочтительных вариантов осуществления, каждый из которых приведен в качестве примера, где:
На Фиг. 1 показан иллюстративный схематический вид инспекционной установки для отбора проб сыпучего материала, где можно увидеть автоматическое устройство для отбора проб со спектрометрическим зондом согласно настоящему изобретению, который находится в массе сыпучего материала, который содержится в трейлере транспортного средства, такого как грузовой автомобиль или вагон;
На Фиг. 2 показан вид сбоку в разрезе модуля для отбора проб в соответствии с настоящим изобретением; и
На Фиг. 3 показана схема соединения между частями настоящего изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ
Со ссылкой на указанные чертежи видно, что настоящее изобретение состоит из нового спектрометрического зонда и автоматического устройства для отбора проб сыпучего материала, где указанный зонд позволяет получить информацию о параметрах, представляющих интерес для композиции материала, таких как содержание белка, влажность, содержание жира и другие, непосредственно в массе, избегая передачи образцов, которые должны быть исследованы во внешних местах под наблюдением и посредством анализа обученным и специализированным персоналом, что позволяет оптимизировать время работы и сократить связанные с этим расходы. Обращаем внимание что, когда речь идет об операции «отбор проб», ее следует понимать как определение любого из видов оптических параметров, сканирования или анализа, относящихся к области техники, при этом это не обязательно подразумевает отбор и извлечение физических образцов материала. Аналогично, указанный зонд согласно настоящему изобретению может работать с длинами волн, которые варьируются между видимым и ближним ИК-диапазоном, где указанный диапазон используют в зависимости от необходимости и требований каждого пользователя.
Таким образом, и согласно Фиг. 1-3, автоматическое устройство отбора проб согласно настоящему изобретению обозначен общим ссылочным номером (1) и содержит трубчатый рычаг, который может быть спектрометрическим зондом (2) или не быть им в соответствии с настоящим изобретением, который приводится в действие шарнирным рычагом (3), который прикреплен одним из его концов к колонне (4), имеющей вертикальную опору (5). Шарнирный рычаг (3) может управляться пневматическим/электропневматическим/гидравлическим цилиндром (6), который имеет конец, прикрепленный на основании указанной опоры (5), и конец, противоположный первому, прикрепленный к указанному шарнирному рычагу (3), что позволяет свободно перемещать зонд (2) в любом направлении. В свою очередь, зонд (2) имеет нижний конец (7) и верхний конец (8).
Согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения зонд (2) имеет спектрометрической модуль (16) анализа, который будет упомянут ниже.
Согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения зонд (2) и блок отбора проб (16) объединены в так называемый автоматический отборник проб, который включает в себя секцию (14) с множеством каналов (не показаны), так что у каждого есть соответствующее отверстие для отбора проб зерна (14'). Следует отметить, что отверстия для отбора проб (14') могут быть расположены в верхней, средней и нижней частях зонда (2) и что они хорошо известны в области техники и что по этим причинам они не будут детально описываться.
С другой стороны, чтобы осуществлять «открытие» отверстий или патрубков (14'), указанный зонд может иметь внутри вращающуюся С-образную полуось, приводимую в движение внешним электродвигателем (не показан). Таким образом, при открытии отверстий (14') посредством поворота С-образной полуоси, зерно или сыпучий материал поступают внутрь, что позволяет отбирать пробы из грузовика или прицепа для перевозки грузов для дальнейшего анализа. Образцы переносятся во внешнее отделение или кабину (15), в которой есть, по крайней мере, один обученный и специализированный персонал, который проводит визуальный осмотр образцов и, при необходимости, проводить анализ состава в соответствии с тем, как это делается в обычной практике.
Дополнительно поясняется, что оба варианта осуществления настоящего изобретения, то есть вариант осуществления зонда (2) со спектрометрическим модулем отбора проб (16), и вариант осуществления устройства для отбора проб с секцией (14), отбирающей физические образцы зерна, проиллюстрированы на Фис.1 с целью уменьшения количества чертежей, но ясно, что зонд (2) и модуль (16) могут обходиться без секции трубок (14), (14').
В соответствии с настоящим изобретением спектрометрический зонд снабжен модулем отбора проб (16), который предотвращает передачу образцов зерна во внешнюю кабину для последующего анализа их состава. То есть, с помощью модуля 16 отбора проб в соответствии с настоящим изобретением получение различных параметров состава зерна может осуществляться сразу, значительно сокращая время и связанные с этим затраты.
Именно тогда модуль отбора проб (16) может быть размещен или смонтирован вблизи нижнего конца (7) зонда (2) и содержит корпус с передней стенкой (17), снабженной отверстием (18) и прозрачным смотровым окном (19), которое может быть изготовлено из кварца, сапфира или любого другого оптического материала, обладающего высокой проницаемостью для ближнего инфракрасного излучения (NIR), задней стенки (20) и двух боковых стенок (21). При этом указанный модуль отбора проб (16) может быть выполнен из материала, выбранного из группы, состоящей из металлических, полимерных, керамических материалов или их комбинации. Кроме того, указанный модуль отбора проб (16) внутри снабжен по меньшей мере одним емкостным датчиком (22), который может быть расположен снаружи и непосредственно за отверстием (18), выполненным в передней стенке (17) модуля (16), или прямо над ним, чтобы входить в контакт с сыпучим материалом, и который подключен к электронному блоку управления (23). Упомянутый модуль отбора проб также имеет по меньшей мере один оптический датчик отбора проб (24), содержащий источник света (25), создающий луч света вдоль пути освещения, направленного к упомянутому окну (19), и считыватель света (26), отраженного от массы зерна, причем указанный считыватель (26) направлен в соответствии с указанным путем считывания и соединен с контрольной панелью (27) посредством оптического волокна (29).
Следует подчеркнуть, что указанный источник света (25) установлен на опоре (28) и может быть лампой или любым другим типом источника света, который расположен рядом с прозрачным смотровым окном (19), предусмотренным в передней стенке (17), в то время как указанный считыватель света (26) представляет собой оптоволоконный считыватель, который также установлен на упомянутой опоре (28), под углом относительно горизонтального расположения источника света (25) от около 35° до 45°. Таким образом, луч света, испускаемый источником (25), воздействует на образец, создавая отражение луча под углами, которые варьируются приблизительно между 35° и 45°, и которое воспринимается и считывается считывателем (26), который расположен под углом в диапазоне между этими углами. Данные, прочитанные считывателем (26), затем передаются на контрольную панель (27), которая на основании различных сравнений и сбора данных (математическая модель, называемая калибровкой) должна определять различные параметры состава зерна или образца.
С другой стороны, упомянутая контрольная панель (27) может содержать NIR-спектрометр, который также может быть видимым в соответствии с используемой длиной волны, защищенным и термически стабилизированным. Это герметичный корпус, защищенный и термически стабилизированный, с промышленным сенсорным дисплеем, со встроенным диодным устройством, в то время как указанный оптический датчик (24) является оптическим датчиком, который покрывает всю полосу спектра. Хотя емкостный датчик (22), расположенный на противоположном конце прозрачного смотрового окна (19), проиллюстрирован, это не является ограничением для настоящего изобретения, поскольку указанный емкостный датчик может быть расположен вблизи прозрачного окна (19) без каких-либо неудобств.
С другой стороны, когда зонд (2) вводят в зерно, емкостный датчик (22) предназначен для отправки сигнала, информирующего о том, что модуль отбора проб (16) уже полностью находится в объеме сыпучего материала. И наоборот, когда зонд (2) выдвинут из массы сыпучего материала, емкостный датчик (22) обнаруживает, что он больше не контактирует с массой материала, и эта информация будет использоваться программным обеспечением, например, для прерывания измерений и сбора данных.
Чтобы программное обеспечение, предоставленное в устройстве, могло параметризовать измерения и нарисовать соответствующие кривые в системе координат, модуль (16) отбора проб также имеет линейный привод (9), содержащий привод (10), например, шаговый двигатель, который перемещает поршень (11), который несет на своем конце черную пластину (12) и белую пластину (13), которые должны быть расположены перед траекторией считывания волоконно-оптического считывателя (26) для определения предельные точки нулевого считывания, то есть нулевого отражения при вставке черной пластины и максимального считывания, то есть максимального отражения при вставке белой пластины. При этом, указанная черная пластина изготовлена из материала, выбранного из группы, состоящей из лазерного выреза матового черного анодированного алюминия и/или черной каучуковой смолы, в то время как указанная белая пластина изготовлена из материала, выбранного из группы, состоящей из выреза прямоугольной формы из глазури тефлонового материала, но это также может быть керамическая или позолоченная металлическая пластина толщиной от 2 до 4 нм, марки Spectralon.
Таким образом, перед началом считывания отражения от сыпучего материала линейный привод перемещают, чтобы выдвинуть поршень и привести черную пластину в положение перед траекторией считывания волоконно-оптического считывателя. Затем программное обеспечение устанавливает нулевую точку или нулевую точку считывания. Затем указанный привод перемещаются, чтобы разместить белую пластину на пути считывания волоконно-оптического считывателя, который будет считывать отражение света, излучаемого лампой, который будет отражаться от белой пластины, изготовленной из материала с высокой отражающей способностью (тип Spectralon). Показание света, отраженного от белой пластины, будет приниматься программным обеспечением оборудования как значение максимального отражения. Затем между нулевым и максимальным значениями отражения, установленными таким образом программным обеспечением, будут строиться кривые отражений, измеренных на зерне. Указанное программное обеспечение может выполнять центральное управление системой, сбор, измерение, запись данных и автоматическую связь с облачными вычислениями или с системой предприятия на месте.
Что касается диапазона ближнего инфракрасного излучения, измерения с использованием ближнего инфракрасного диапазона основаны на способности определенных молекул поглощать энергию в установленных диапазонах. Тогда это энергетический феномен, тесно связанный с собственной и отличительной кинетикой различных молекул. Эта энергия, поглощенная образцом сыпучего материала, приводит к спектральному изображению во всем диапазоне длин волн, в котором чувствителен детектор спектрометра, поскольку предпочтительно можно работать между 900 нм и 2500 нм, но следует понимать, что настоящее изобретение не ограничено этим диапазоном, так как оно может быть использовано без каких-либо неудобств для любой длины волны, которая варьируется между 400 нм и 3000 нм, будучи видимой, и/или ближним инфракрасной спектром в соответствии с потребностями каждого пользователя и, таким образом, имея другие спектрометрические диапазоны для различных применений, необходимость в которых может возникнуть в будущем. Таким образом, зонд согласно настоящему изобретению может работать с длинами волн, которые варьируются от ближнего инфракрасного диапазона до видимого диапазона в соответствии с потребностями каждого пользователя. Такое изображение является отличительным и уникальным, характерным для анализируемого продукта. Таким образом, из анализа того, какие полосы (расположение пиков) составляют спектр, делается вывод о том, что содержит образец. Из анализа того, сколько энергии было поглощено (пиковая интенсивность), рассчитывается концентрация различных компонентов. Так, каждая молекулярная группа (белки, жирные кислоты, волокна, крахмал) имеет определенное поглощение в конкретных диапазонах и ведет себя как "транспарентная" в негомологичных диапазонах.
Что касается режима работы зонда, то сначала грузовик, вагон или транспортное средство, перевозящие зерна (30) сыпучих материалов, въезжает на полосу отбора проб. Обученный и специализированный оператор создает Товарно-Транспортную Накладную, активируя соответствующую запись в соответствующем программном обеспечении. Оператор отбора проб начинает операцию отбора проб. Зонд (2) вводят в первое место загрузки в указанном грузовике. Емкостный датчик (22) определяет, когда масса сыпучего материала покрывает кварцевое окно (19). Процесс получения спектра автоматически запускается световым лучом, генерируемым источником (25) и проходящим через окно (19). Система работает как «камера», получая полный спектр. Этот процесс "сканирования" продолжают до тех пор, пока зонд (2) не достигнет дна, а затем открывают отверстия для отбора проб (14).
Указанное программное обеспечение обнаруживает импульс открытия и останавливает запись спектра. Оно усредняет спектры, полученные при спуске, и выдает частные результаты по сечениям. Это дает возможность немедленного и точного повторного получения выборки, экономя значительное время на повторение операций после завершения отбора проб. В начале подъема программное обеспечение обнаруживает импульс подъема, перезапускает получение спектра и продолжает накопление полных спектров. Когда емкостный датчик (22) оказывается в «воздухе» (без сыпучего материала), от программного обеспечения поступает указание закончить отбор образцов. Указанное программное обеспечение усредняет и выдает частные результаты отбора проб.
Указанный процесс повторяют при каждом отборе проб. По окончании процесса выдается команда на окончание получения общего среднего значения для указанного грузового автомобиля, таким образом, создается полная сетка значений для облака и системы. Система готова к приему следующего грузовика/фургона и запускается автоматически при первом введении зонда в него.
Таким образом, с помощью настоящего изобретения частные определения качества осуществляют путем опускания зонда и отбора проб (обнаружения определенных очагов и/или повторения отбора проб) без потери времени: точность загрузки и противодействие мошенничеству; окончательные средние определения по грузовику (конец грузовика) или вагону; карта полного качества по образцам и разрезам (верхний, средний и нижний); автоматическое сопоставление информации с происхождением грузовика/вагона: возможность отслеживания; визуализация частных и окончательных средних данных (влажность, белок, жир) в реальном времени на промышленной сенсорной консоли; классификация сырья для улучшения качества продуктов переработки.
В свою очередь, известно, что без данных, временных записей и реальной статистики невозможно улучшить отрасль. Ценность информации имеет решающее значение для принятия правильных решений с целью продвижения и оптимизации: производство, качество, инфраструктура, позиционирование на рынке, добавленная стоимость в производственной цепочке, эффективное использование как почвы, так и водных ресурсов, затраты и прибыли, разумное и устойчивое сельское хозяйство, контроль и возможность отслеживания, забота об окружающей среде и многое другое.
Модуль отбора проб, который может быть включен в зонд для отбора проб или может быть не включен в него, был разработан главным образом для расширения и завершения цикла контроля качества зерна, генерирования надежной, прослеживаемой и временной информации для общего блага, управления улучшением устойчивого развития региональных сельскохозяйственных производств, улучшения и оптимизирования состава сырья, эффективного использования ресурсов и принятия корректирующих мер.
С другой стороны, следует понимать, что, хотя в данном описании делается ссылка на отбор проб зерна, это не означает, что настоящее изобретение ограничено только этим, но отбор проб может также быть выполнен с другими видами сыпучих материалов, независимо или в сочетании с другими устройствами, агрегатами или связанными с ними средствами без каких-либо неудобств.