Спектрометрична вимірювальна головка для збиральних і інших сільськогосподарських машин

1. Спектрометрична вимірювальна головка для збиральних і інших сільськогосподарських машин, що складається з обладнаного віконцем (2) корпуса (1), у якому розміщені джерело (3) освітлення, спектрометричний пристрій (4) і щонайменше два стандарти (5) для внутрішньої рекалібровки, причому ці стандарти (5) можуть бути повернені вибірково в траєкторію ходу променів вимірювальної головки з можливістю використання для рекалібровки всього вимірювального світла, що йде від джерела (3) освітлення, і в корпусі (1) розміщений процесор (11) для збору й обробки даних вимірів і інтерфейс (12) до системи шин. 2. Головка за п.1, яка відрізняється тим, що потужність лампи джерела (3) освітлення, що переважно має відбивач (6), може регулюватися автоматично для узгодження спектрометричного пристрою (4) з різними відбивними характеристиками окремих зразків (7). C2 2 UA 1 3 ській машинах, причому або продукція тече повз вимірювальну головку, або вимірювальна головка рухається повз продукцію. За допомогою результатів вимірів можна на основі калібрувань визначити різні компоненти, такі як вологість, протеїн, крохмаль, вміст масла, і властивості, такі як довжина різки, стан волокна, температура вимірюваної продукції. З відомих у рівні техніки численних систем аналізу компонентів прибраної сільськогосподарської продукції спектроскопія в ближньому інфрачервоному діапазоні (NIR) зарекомендувала себе завдяки різним перевагам. У порівнянні із триваючим аж до декількох годин аналізом компонентів відомими лабораторними методами, NIRспектроскопія дає перші результати аналізу вже через 30-40 секунд. Крім того, аналізовані зразки не змінюються й не руйнуються спектральнофотометричними методами. При типовому спектроскопічному аналізі зразки опромінюють хвилями заданих довжин і вимірюють їх проникну та/або відбивну здатність. Для утворення необхідних для цього специфічних довжин хвиль використають, наприклад, диски зі світлофільтрами, діодні матриці або дифракційні решітки. Через наявність рухливих частин диски зі світлофільтрами та дифракційні решітки, що сканують, сприйнятливі до тряски й ненадійні, коли вони аналізують зерно під час збирання. Отже, вони непридатні для використання в зернових комбайнах або інших сільськогосподарських збиральних машинах, що викликають механічну тряску. Вологовимірювальний пристрій і спосіб виміру вологості в збиральних машинах розкриті в [ЕР 0908087 У1]. При цьому вологовимірювальний пристрій комбінують із сенсорним пристроєм контролю стану, щоб відмовитися від калібрувань, звичайно необхідних й обумовлених вимірюваною продукцією й обробкою. Комбінація датчика вологості із сенсорним пристроєм контролю стану дозволяє виявляти помилкові стани при визначенні сигналу вологості, виводити на дисплей, вживати коректувальних, заходів та/або проводити калібрування. Сенсорний пристрій контролю стану складається при цьому з мікропроцесорів і підходящої програми обробки й залежно від отриманих даних вимірів (з перевіркою на вірогідність) може ініціювати різні заходи щодо коректування, індикації або калібруванню. Через елементи вводу або пам'яті можна задавати, наприклад, додаткову інформацію про продукцію (наприклад, кукурудзу, пшеницю, ячмень й т.д.) з відповідними додатковими даними (суха, волога, сильна засміченість). Цю інформацію враховують при обробці отриманих даних вимірів. Для цього, розташовані в корпусі датчики вологості передають дані вимірів вологості продукції, яку транспортують. Датчики складаються, наприклад, з електрода й електронного елемента. Запропоноване рішення відноситься, однак, тільки до визначення й протоколювання обмірюваних значень вологості продукції. Дані про состав продукції не зустрічаються. 86994 4 Також описаний в [ЕР 0960557 В1] спосіб стосується виміру вологості продукції в збиральній машині. Зокрема, при цьому дані датчика вологості комбінують із даними датчика масового потоку й поєднують в одну карту, що відображає виведений вологовміст на декількох ділянках поля. Вологість продукції визначають при цьому за допомогою її електропровідності. Також у цьому рішенні не зустрічається даних про состав продукції. На противагу вже описаним рішенням у публікаціях [WO 99/040419 і WO 99/058959] описані пристрої й спосіб визначення концентрації компонентів зразка прибраної сільськогосподарської продукції. Аналіз здійснюють у процесі збирання за допомогою спектрометричного пристрою в близькому інфрачервоному діапазоні. При цьому за допомогою відбивної здатності зразка щодо певних довжин хвиль визначають процентний вміст компонентів зразка. Пристрій для визначення концентрації оптично стабільний й, отже, придатний для використання в сільськогосподарських машинах, наприклад, зернових комбайнах. Вимірювальний пристрій складається із джерела світла для опромінення потоку сільськогосподарської продукції безліччю довжин хвиль, оптичного приймача для прийому відбитого випромінювання, сепаратора довжин хвиль для відділення прийнятого випромінювання й детектора для формування сигналів інтенсивності із прийнятого, відбитого й відділеного випромінювання. Тільки вимірювальна головка, що містить джерело світла й приймач, розташована при цьому в безпосередній близькості від вимірюваної продукції. Блок обробки із сепаратором довжин хвиль і детектором установлений, наприклад, у кабіні збиральної машини. Для передачі даних вимірів від вимірювальної головки до блоку обробки використані скловолоконні провода. Оскільки при аналізі, наприклад, зерен злаків характеристика поглинання й відбиття дуже сильно відрізняється від зразка до зразка, потрібна постійна перевірка спектрометрів. У вимірювальній головці для цього розташований еталонний стандарт із високою відбивною здатністю, що може бути приведений у дію електроприводом і для референціювання перекриває траєкторію ходу променів до вимірюваної продукції. Референціювання відбувається, як правило, автоматично за допомогою блоку керування. Недоліком цього рішення є те, що тряска, пов'язана з роботою збиральної машини, викликає модульні перешкоди в оптичних волокнах або може навіть ушкодити їх. Один варіант рішення передбачає просторове відділення вимірювального пристрою й блоку обробки, що містить блок відображення. Зв'язок блоку обробки зі збиральною машиною, однак, не передбачено. В [WO 99/040419] описаний спектрометр для виміру компонентів прибраної сільськогосподарської продукції, що може бути використаний, зокрема, у комбінації із зерновим комбайном для аналізу зерна в реальному часі. За допомогою використовуваного при цьому, працюючого в близькому інфрачервоному діапазоні (NIR) спектрометра можна аналізувати як хімічні, так і фізичні 5 властивості різних матеріалів. При аналізі, наприклад, зерен злаків характеристика поглинання й відбиття на противагу меленим зернам дуже сильно відрізняється від зразка до зразка. Щоб, проте, одержати точні дані вимірів, потрібна постійна перевірка спектрометрів. Для цього, як правило, зразок заміняють стандартним зразком. Спектрометр видає тоді стандартні дані для перевірки вимірювального пристрою. Відбите світло по світловодним кабелях направляється до дифракційних решіток або еквівалентного конструктивного елементу й, будучи розщеплений нею/їм, відображається на детекторі або детекторній матриці. Аналіз інтенсивностей відбитого випромінювання дозволяє визначити процентний вміст компонентів. Недолік цього рішення в тім, що стандартний зразок розташований у вимірювальній головці. За рахунок цього враховуються, щоправда, різні динамічні фактори, наприклад, зміни джерела світла, однак впливів через забруднення наявного у вимірювальній головці віконця не можна врахувати, і вони знижують точність результатів вимірів. Крім того, тряска може викликати модульні перешкоди в оптичних волокнах або навіть ушкодити їх. Збиральна машина із працюючим у близькому інфрачервоному діапазоні датчиком для виміру компонентів та/або властивостей продукції описана в [ЕР 1053671 В1]. Для підтвердження органічних компонентів використовують переважно довжини хвиль 400нм - 1,7мм. Установлений поза сільськогосподарською машиною датчик доцільним образом роз'ємно підключають до підходящого інтерфейсу пристрою збору даних, так що можливо визначення властивостей прибраної сільськогосподарською машиною продукції та/або складання карти врожаю. Зібрані дані вимірів можуть бути оброблені за допомогою комп'ютера. За рахунок додаткових датчиків можуть бути зареєстровані, у тому числі, витрата продукції й актуальне місце розташування (GPS) і разом з даними вимірів, що стосуються до компонентів або інших параметрів, записані з геореференціюванням на згадку. У ще не опублікованій патентній заявці [DE 102004021448.4] описана спектрометрична відбивна вимірювальна головка із внутрішньою рекалібровкою, у корпусі якої є додатково, щонайменше, два стандарти, переважно чорно-білі стандарти, для внутрішньої рекалібровки, які вибірково можуть бути повернені в траєкторію ходу променів відбивної вимірювальної головки. Після збору даних вимірів обох стандартів спектрометром відбувається рекалібровка відбивної вимірювальної головки за допомогою блоку керування й обробки. Додатково для калібрування відбивної вимірювальної головки перед пуском у роботу вимірювального пристрою або в певні проміжки часу можуть бути передбачені, щонайменше, два зовнішніх стандарти. Зв'язок вимірювальної головки зі спектрометром відбувається при цьому за допомогою волоконно-оптичних з'єднань. Система виміру компонентів сільськогосподарської продукції описана в [US 6418805 В1]. Система містить контейнер для зерна. Усередині 86994 6 контейнера встановлений рухливий елемент для переміщення зерна усередині контейнера з можливістю імітації потоку зерна. Зонд аналізує при цьому зерно, що рухається, у реальному часі, причому різні компоненти зерна, що рухається, визначають одночасно по однаковій частці зерна. Система визначення компонентів придатна для калібрування систем аналізу, що вже містяться в приладі для обробки зерна або встановлюваних пізніше, оскільки обертання зерна усередині контейнера імітує потік зерна по скатному лотку або трубопроводу такого приладу. Перевірка самого приладу не передбачена. В [US 2002/0039186 А1] описаний пристрій і спосіб спектроскопічного аналізу фізичних і хімічних властивостей зразка. Вимірювальний пристрій може бути виконаний при цьому у вигляді пробника для узяття статистичного зразка, наприклад, з навантаженого в причіп зерна і його аналізу. Аналіз відбувається при цьому, поки весь зразок перебуває на транспортному засобі або в контейнері. На основі властивостей цього зразка роблять висновок про властивості й компоненти всього зразка. В іншому варіанті зерно може аналізуватися за допомогою вимірювальної головки в процесі розвантаження, тобто поки воно перебуває в русі. При цьому майже весь зразок може аналізуватися в реальному часі. Для калібрування вимірювальна головка має діафрагменний затвор, що змушує попадати на детектор або відбите від вимірюваного об'єкта світло, або еталонне світло. Еталонне світло діафрагмують при цьому із траєкторії ходу променів джерела освітлення. Діафрагменний затвор може бути виконаний також у вигляді еталонного стандарту й наведений у положення, у якому світло не падає на детектор для реєстрації темнового сигналу. За рахунок наявної керуючої електроніки можна автоматично калібрувати систему. У пристрої для спектроскопічного аналізу вимірювальний пристрій, що може бути виконано у вигляді пробника або вимірювальної головки, з'єднують із блоком керування й обробки за допомогою електричних або оптоволоконних проводів. Більшість систем для визначення компонентів зразка розраховано, однак, на застосування в лабораторних умовах. До того ж на ринку немає потужного датчика, що міг би видавати дані вимірів прямо на систему шин. Крім того, дуже часто необхідно чорно-біле референціювання. Застосування скловолоконних кабелів на відрізку виміру перешкоджає використанню повної апертури детектора і є джерелом помилок. Відомі датчики передають свої дані вимірів по кабелях. В основі даного винаходу лежить задача створення пристрою для виміру компонентів прибраної сільськогосподарської продукції, що забезпечував би як статичні виміри, так і виміри в потоці матеріалу, і був би придатним для використання в збиральних і інших сільськогосподарській машинах. Вимірювальний пристрій повинний мати при цьому можливість інтеграції в наявну систему шин машини. Відповідно до винаходу, ця задача вирішується за допомогою ознак незалежних пунктів 7 формули. Переважні вдосконалення й варіанти є об'єктом залежних пунктів формули. Спектрометрична вимірювальна головка, відповідно до винаходу, для збиральних і інших сільськогосподарських машин складається з обладнаного віконцем корпуса, у якому розміщені джерело освітлення, спектрометричний пристрій і, щонайменше, два стандарти для внутрішньої рекалібровки. Ці стандарти можуть повертатися при цьому вибірково в траєкторію ходу променів вимірювальної головки з можливістю використання для рекалібровки всього вимірювального світла, що йде від джерела освітлення. У корпусі додатково розміщений інтерфейс до системи шин і процесор. Запропоноване технічне рішення може бути використане для спеціальних вимірювальних задач визначення компонентів сільськогосподарської продукції в процесі збирання. Оскільки вимірювальна головка не має у своєму розпорядженні ніяких рухливих частин, вона є вкрай жорсткою й придатною для використання в машинах. За допомогою описаної вимірювальної головки можливі як статичні виміри, так і виміри потоку матеріалу. Оцінюючи розподіл інтенсивності відбитого випромінювання, можна на основі калібрувань визначити різні компоненти, такі як вологість, протеїн, крохмаль, вміст масла, і властивості, такі як довжина різки, стан волокна, температура зразка. Вимірювальна головка передбачена для використання в ближньому інфрачервоному діапазоні, щоб визначати, наприклад, вологість і зміст жиру, крохмалю, білка й т.п. у зразках продукції сільського господарства й харчової промисловості. Для використання інших спектральних діапазонів варто відповідно узгодити застосовуваний спектрометричний пристрій; вимірювальна головка може застосовуватися для всього спектрального діапазону. Винахід більш докладно описаний нижче на прикладах його здійснення. На Фіг. показана принципова конструкція спектрометричної вимірювальної головки. Спектрометрична вимірювальна головка для збиральних і інших сільськогосподарських машин складається з обладнаного віконцем 2 корпуса 1, у якому розміщені джерело 3 освітлення, спектрометричний пристрій 4 і, щонайменше, два стандарти 5 для внутрішньої рекалібровки. Ці стандарти 5 можуть бути повернені при цьому вибірково в траєкторію ходу променів вимірювальної головки з можливістю використання всього вимірювального світла для рекалібровки, що йде від джерела 3 освітлення. У корпусі 1 додатково розміщений процесор 11 для збору й обробки даних вимірів і інтерфейс 12 до системи шин. Для віконця 2 у корпусі 1, через яке падає як випромінювання що освітлює, так і відбите зразком 7 випромінювання, використають переважно сапфір. Сапфір забезпечує досить тривалий термін служби віконця 2 навіть при високоабразивних зразках (наприклад, зразках 7 зі змістом піску). 86994 8 Потужність лампи джерела 3 освітлення, що має переважно відбивач 6, може регулюватися автоматично для узгодження спектрометричного пристрою 4 з різними відбивними характеристиками зразків 7. Для цього підвищують потужність лампи для зразків 7 переважно темних кольорів, не калібруючи заново спектрометричний пристрій. За рахунок цього час інтеграції спектрометричного пристрою 4 залишається майже постійним. У сполученні із внутрішнім референціюванням може здійснюватися, тим самим, у будь-який час оптимізований для даних умов вимір. Зокрема, для автоматичної обробки спектрів процесором 11 за рахунок регулювання потужності лампи можна оптимізувати результати вимірів. Спектрометричний пристрій 4 складається, щонайменше, з одного дисперсійного елемента 8 і детекторної матриці 9 і має, при необхідності, оптичні вузли 10, що відображають. За рахунок безпосереднього відображення відбитого від зразка 7 випромінювання на детекторній матриці 9, залежно від зразка 7 відображення зі структури зразка 7 на детекторній матриці 9, можуть бути викликані помилки виміру. Щоб уникнути цього для гомогенізації передбачений світловий інтегратор. Два стандарта 5 наявні у вимірювальній головці служать для внутрішньої рекалібровки вимірювального пристрою. Для калібрування вимірювальної головки перед пуском вимірювального пристрою в роботу або в певні проміжки часу передбачені, щонайменше, два додаткових зовнішніх стандарти (не показані). Як в якості внутрішніх стандартів 5, так і в якості зовнішніх стандартів використовують переважно чорно-білі стандарти, які можуть бути доповнені додатковими, специфічними для даного застосування стандартами для подальших рекалібровок. Стандарти поводять у дію переважно від електропривода з можливістю автоматичного та/або ручного керування. Внутрішнє й зовнішнє референціювання забезпечує автоматичний контроль системи, контроль віконця 2 на ушкодження, забруднення й т.д., а також можливість застосування різних матеріалів для віконця без необхідності зміни або узгодження існуючих калібрувань. Після збору даних вимірів обох зовнішніх стандартів 5 спектрометричним пристроєм 4, використовуючи дані вимірів калібрування відбивної вимірювальної головки перед пуском у роботу, здійснюють рекалібровку вимірювальної головки. Після відведення внутрішніх стандартів 5 від траєкторії ходу променів вимірювальна головка готова для наступного виміру зразка 7. Хоча у внутрішнім місці виміру існують інші вимірювальні інтенсивності джерела 3 освітлення, ніж у зовнішнім місці виміру зразка, геометричне розташування внутрішніх стандартів 5 гарантує, що зміни спектральної інтенсивності в обох місцях вимірів відбуваються з однаковою пропорційністю. Зміна чутливості й темнового сигналу детекторної матриці 9 не залежать від місця виміру й діє, тим самим, усередині й зовні у рівній 9 мірі. За рахунок цього завдяки проведеній у встановлені відрізки часу внутрішньої рекалібровки можна уникнути викликаного названими впливами зміни даних вимірів при тривалій експлуатації. У запропонованому рішенні внутрішня рекалібровка може відбуватися в короткі проміжки часу автоматично по заздалегідь установленому часовому ритму або по необхідності. Як вимірювальна головка, так і зразок 7 під час калібрування й рекалібровки залишаються в нормальному вимірювальному положенні. Рекалібровка може відбуватися мимовільно після закінчення певного відрізка часу (наприклад, через 10 хвилин) або після реєстрації неприйнятного, виданого вимірювальною головкою значення. Подібне неприйнятне видане значення має місце, наприклад, тоді, коли видане вимірювальною головкою значення через певний відрізок часу (наприклад, 10с.) є постійним або коли воно сигналізує про наявність продукції, у той час як по транспортуючому каналі продукція не тече, що може бути підтверджене за допомогою робочого стану транспортуючих елементів або інших датчиків, наприклад, оптронами. Наявний у вимірювальній головці інтерфейс 12 до системи шин виконаний переважно у вигляді бездротового з'єднання й може підтримувати такі стандарти, як CAN, USB, RS232, Wireless LAN та ін. Можливо також створення з'єднання від вимірювальної головки до системи шин за допомогою електричних та/або волоконнооптичних проводів. Додатково в корпусі розміщений процесор 11 для реєстрації й обробки даних вимірів. Цим процесором 11 можуть бути створені як вихідні дані, тобто попередня обробка даних на спектральній основі, так і обчислені результати, які можуть бути передані через наявний інтерфейс 12 до системи шин. Крім того, процесор 11 містить програму для необхідного менеджменту шин. За рахунок процесора 11 виникає повністю автономно працююча система. Для того щоб вимірювальну головку можна було використати в широкому інтервалі робочих температур навіть без додаткового охолодження детекторної матриці 9, процесор 11 містить у собі відповідну компенсуючу електроніку, що компенсує параметри, що змінюються, детекторної матриці 9 при зміні температур. У спектрометричної вимірювальної головки для збиральних і інших сільськогосподарських машин вимірюваний зразок 7 опромінюють за допомогою джерела 3 освітлення. Відбите від 86994 10 зразка 7 випромінювання сприймається безпосередньо діодною матрицею 9 спектрометричного пристрою 4. За допомогою розподілу інтенсивності відбитого випромінювання можна на основі калібрувань визначити різні компоненти, такі як вологість, протеїн, крохмаль, вміст масла, і властивості, такі як довжина різкі, стан волокна, температура зразка. За допомогою описаної вимірювальної головки можливі як статичні виміри, так і виміру потоку матеріалу. За рахунок того, що вимірювальна головка не має у своєму розпорядженні ніяких рухливих частин, вона є вкрай жорсткою й придатною для використання в машинах. Обмеження діапазону довжин хвиль забезпечує використання вимірювальної головки в широкому інтервалі температур без складного й дорогого охолодження. Із пристроєм, відповідно до винаходу, запропонована спектрометрична вимірювальна головка для збиральних і інших сільськогосподарських машин, за допомогою якої в збиральній машині можуть бути визначені компоненти прибраної сільськогосподарської продукції навіть у процесі збирання. Вимірювальна головка може використовуватися в стаціонарних установках або в будь-яких збиральних машинах, у яких продукція тече повз вимірювальну головку, наприклад, у зернових комбайнах або польових подрібнювачах, або вимірювальна головка рухається повз продукцію, наприклад, мимо валка. Бездротовий зв'язок вимірювальної головки із блоком керування й обробки дозволяє інтегрувати її в наявну систему шин збиральної машини. Завдяки вибірковій передачі вихідного значення на подальшу обробку або виведенню результатів вимірів це технічне рішення може застосовуватися дуже гнучко. За рахунок наявного у вимірювальній головці процесора й автоматичного внутрішнього й зовнішнього референціювання виникає повністю автономно працююча система. Внутрішня рекалібровка дає можливість автоматичного контролю системи, контролю віконця для зразка на ушкодження або забруднення, а також застосування різних матеріалів для віконця без необхідності зміни або узгодження існуючих калібрувань. За рахунок того, що відбите від зразка випромінювання відображається прямо на спектрометрі, система забезпечує більше високу апертуру. Із цього випливають більш висока чутливість, необхідна більш низька потужність лампи, менше нагрівання зразка й випливаюча з цього менша помилка виміру. 11 Комп’ютерна верстка Н. Лиcенко 86994 Підписне 12 Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601