УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА ПРОДУКТОВ ЖИВОЙ И НЕЖИВОЙ ПРИРОДЫ Российский патент 1998 года по МПК C12M1/34 C12M1/36 C12Q1/02 C12Q1/00 G01N35/02 G01N35/04 G01N33/00 G01N33/02 G01N33/48 

Изобретение относится к области оценки качества продуктов живой и неживой природы. Целью изобретения является возможность оценки качества продуктов питания человека и животных, воды, грунтов, почвы и влияния деятельности человека на окружающую среду. Для достижения поставленной цели применяется устройство, использующее биологические тест-объекты, состоящее из биодетектора и компьютера, отличающееся тем, что в компьютере в качестве аналого-цифрового преобразователя используют видеограббер, имеющий 256 градаций по яркости и время оцифровки 33 м/с, сигнал на который поступает с видеокамеры, и после оцифровки изображение емкости с тест-объектами записывается в оперативную память компьютера и обрабатывается специальной программой, по управлением которой процессор компьютера подсчитывает количество тест-объектов, передает изображение на монитор и вырабатывает сигналы управления, поступающие в биодетектор на блок перемещения емкостей, в который введена электронная схема управления перемещением, снабженная отдельным источником питания и имеющая в электрической цепи включения обмоток двигателя дополнительные усилители-формирователи сигналов управления.

Устройство для оценки качества продуктов живой и неживой природы, основанное на использовании биологических тест-объектов, относится к области оценки качества продуктов питания человека и животных, а также водных источников, грунтов, почвы. Кроме того, данное устройство может быть применено для оценки влияния деятельности человека на окружающую среду, например: интегральной оценки токсичности сточных вод, разработки предельно-допустимых концентраций пестицидов, тяжелых металлов, углеводородов нефти и других ксенобиотиков, поступающих в водоемы, токсикологический контроль и нормирование компонентов буровых жидкостей (при добыче нефти и газа), новых продуктов химического синтеза, контроль химического загрязнения окружающей среды и т. д.

В настоящее время применяется прибор, основанный на этом принципе, позволяющий оценить качество кормовых продуктов с точки зрения безопасности для животных (определяющий степень токсичности) и состоящий из биотедектора и компьютера.

Биодетектор представляет собой устройство, состоящее из:
- микроскопа;
- объединенными в планшетку емкостей с тест-объектами, например простейшими одноклеточными животными - инфузориями, стилонихиями (Stylonochia mytilus);
- источника освещения емкостей с инфузориями;
- видеокамеры;
- блока перемещения вышеуказанных емкостей под оптической системой микроскопа, который состоит из планшетного столика, редуктора и шагового двигателя.

Компьютер содержит электронную плату аналого-цифрового преобразователя и управления перемещением, соединенную с видеокамерой и блоком перемещения в биодетекторе.

Общий принцип работы известного прибора заключается в следующем.

Свет, отражаемый от емкости с инфузориями, проходит через оптическую систему микроскопа и попадает на видеокамеру, где происходит преобразование светового потока в аналоговый электрический сигнал. Этот сигнал с видеокамеры поступает в компьютер на электронную плату аналого-цифрового преобразователя и управления перемещением планшетки с емкостями, содержащими тест-объектами. Затем цифровой сигнал обрабатывается специальной программой, составленной на основании электрической схемы указанной платы и конкретного типа видеокарты (видеоадаптера) и оцифрованное изображение записывается в оперативную память данной видеокарты, в результате чего появляется изображение инфузорий на экране монитора.

Данное устройство описано в журнале "Комбикормовая промышленность" N 5 от 05.09.96, стр. 16. Статья "Автобиоанализатор - прибор для определения токсичности" Авторы: Цвылев О.П., Гроздов А.О., Иванова Е.Г. Устройство разработано для автоматизации определения качества продуктов питания животных-комбикормов, с помощью биологических тест-объектов по ГОСТ 13496.7-92 "Зерно фуражное, продукты его переработки, комбикорма. Методы определения токсичности". Авторы: Н.В. Лисицина, С.Н. Шкатова, Т.К. Новосельцева, О.П. Цвылев, Е.Н. Харенко, А.О. Гроздов.

Недостатки описанного устройства:
Электронная плата преобразования аналогового сигнала в цифровой имеет ряд существенных недостатков. Диапазон градаций каждого пикселя по яркости имеет всего 64 уровня и длительное время обработки изображения (200 м/с), что вносит дополнительную погрешность, существенно снижающую достоверность распознавания инфузорий, особенно в мутных средах.

Программа, управляющая данной платой, позволяет применять описанное устройство только для оценки токсичности кормовых продуктов, при этом является закрытой системой и не позволяет использовать полученную информацию для дальнейшего автоматизированного дифференцированного анализа токсикантов.

Кроме того, эта плата оцифровки содержит и электрическую схему управления двигателем, перемещающим емкости с инфузориями под оптической системой микроскопа. При этом для питания двигателя используется источник питания компьютера, что вызывает возникновение дополнительных электрических высокочастотных помех, снижающих достоверность результатов анализа, при этом снижается и общая надежность работы устройства в целом.

Для устранения указанных недостатков в предлагаемом устройстве в компьютере в качестве аналого-цифрового преобразователя используют видеограббер (типа Fly-Video), имеющий 256 градаций по яркости и время оцифровки 33 м/с (оцифровка в реальном времени), сигнал на который поступает с видеокамеры, и после оцифровки видеограббером изображение емкости с инфузориями записывается в оперативную память компьютера и обрабатывается специально разработанной программой, являющейся открытой системой, передающей после обработки изображение на монитор, и управляющей процессором компьютера для выработки сигналов управления, которые через параллельный порт компьютера поступают на блок перемещения емкостей в биодетекторе. В блок перемещения емкостей с тест-объектами введена электронная схема управления перемещением, снабженная отдельным источником питания и имеющая в электрической цепи включения обмоток двигателя дополнительные усилители-формирователи сигналов управления.

На фиг. 1 представлено устройство для оценки качества продуктов живой и неживой природы, блок-схема; на фиг. 2 - устройство для оценки качества продуктов живой и неживой природы, фрагмент электронной схемы.

Устройство для оценки качества продуктов живой и неживой природы состоит из биодетектора (1) и компьютера (2). Биодетектор содержит блок перемещения (3), который включает в себя шаговый двигатель (4), редуктор (5), планшетный столик (6) и электронную схему управления перемещения (7); емкости с инфузориями, объединенные в планшетку (8); оптической системы микроскопа (9); видеокамеры (10); источника освещения емкостей с инфузориями (11).

В состав компьютера включен видеограббер (12), осуществляющий аналого-цифровое преобразование сигнала, поступающего с видеокамеры. Запись оцифрованного сигнала производится в оперативную память компьютера (13) с помощью специальной программы (14), обрабатывающей оцифрованный сигнал с целью подсчета тест-организмов, передающей далее сигнал в виде изображения емкости с инфузориями на видеоадаптер (15) и монитор (16) компьютера, управляющей процессором (17), который вырабатывает сигналы управления перемещением емкостей с тест-объектами, поступающие через параллельный порт компьютера (18) на блок перемещения биодетектора, имеющий отдельный источник питания (19).

Электронная схема управления перемещением емкостей, включающая в себя 4 одинаковых блока, каждый из которых формирует управляющие сигналы для одной из 4-х обмоток шагового двигателя и состоит из входного формирователя логических сигналов (20), дополнительного усилителя-формирователя (21), выходного усилителя (22),
Работа устройства для оценки качества продуктов живой и неживой природы начинается с подготовительного этапа, в ходе которого включается компьютер (2), отдельный источник питания (19) блока перемещения (3) планшетки с емкостями (8), видеокамера (10), источник освещения (11) объединенных в планшетку емкостей (8), в которые вносится жидкость с тест-объектами. Планшетка (8) устанавливается для перемещения на планшетном столике (6), соединенном с редуктором (5) и шаговым двигателем (4).

После чего активизируется специальная программа (14), управляющая биодетектором (1) и процессором (17) компьютера (2). В биодетекторе (1) изображение емкости с инфузориями (8) через оптическую систему микроскопа (9) и видеокамеру (10) поступает в виде аналогового сигнала на видеограббер (12), осуществляющий аналого-цифровое преобразование изображения.

Программа (14) управляет работой видеограббера (12) и записывает оцифрованное изображение в оперативную память (13) компьютера (2). Последующая обработка изображения программой (14) состоит в распознавании подвижных тест-объектов (инфузорий) и подсчете их количества. В ходе анализа качества продуктов тест-объекты в заданном количестве емкостей планшетки (8) подсчитываются несколько раз: первый раз - до введения пробы исследуемого продукта (тест-объекты - в чистой жидкости), второй и последующие подсчеты - через заданные промежутки времени после введения пробы. Программа (14) просчитывает разницу между первым и последующими подсчетами, динамику изменения этой разницы и на основании полученных результатов оценивает степень токсичности исследуемого продукта. Программа (14) также передает изображение емкости с тест-объектами из оперативной памяти (13) компьютера на видеоадаптер (15) и монитор (16). Кроме того, под управлением программы процессор (17) компьютера (2) вырабатывает сигналы, поступающие через порт, параллельный компьютера (18), в блок перемещения (3) биодетектора (1) на электронную схему управления перемещением (7), которая формирует управляющие сигналы для шагового двигателя (4), соединенного с редуктором (5).

Входной формирователь логических сигналов (20) электронной схемы управления перемещением (7) восстанавливает прямоугольную форму электрических сигналов, поступивших от компьютера (2). С выхода формирователя (20) сигналы поступают на промежуточный усилитель-формирователь (21), который обеспечивает необходимый входной ток выходного усилителя (22). Нагрузкой выходного усилителя (22) является одна из 4-х обмоток шагового двигателя (4) блока перемещения (3) в биодетекторе (1).

Устройство для оценки качества продуктов живой и неживой природы, сочетающее биологические методы определения качества и компьютерный анализ, позволяет быстро и надежно определять степень токсичности исследуемых проб.

Специально разработанная программа, являющаяся открытой системой и работающая в среде Windows 3.x, существенно расширила сферу применения данного устройства, кроме оценки токсичности продуктов питания для животных можно определять качество продуктов питания человека, воды, грунтов, почв, осуществлять быстрый и эффективный контроль загрязнения окружающей среды.

Программа имеет стандартный интерфейс в стиле Windows 3.x, контекстную помощь и подробную справочную систему, что позволяет легко осваивать ее и удобно работать с данным устройством.

Программа позволяет также осуществить удобную настройку системы, определение токсичности одного или нескольких проб продуктов в заданном числе лунок и запись промежуточных результатов на диск и чтение их с диска.

Описываемое устройство под управлением этой программы позволяет подсчитывать количество подвижных тест-объектов, сравнивать их количество до введения пробы исследуемого продукта и через заданное время после введения пробы. На основании полученной разницы программа определяет степень токсичности продукта.

Для исследования факторов внешней среды повторные подсчеты проводятся многократно через заданные промежутки времени в автоматическом режиме. Далее анализируется характер кривой восстановления подвижности тест-объектов и принимается решение о качестве исследуемой пробы.

Полученная в результате анализов информация сохраняется в базе данных и легко интегрируется с информацией, полученной на автоматизированных аналитических приборах оценки качества.

Применение в устройстве видеограббера типа Fly Video позволило повысить точность подсчета тест-объектов и соответственно точность определения токсичности исследуемых проб. Этот видеограббер оцифровывает изображение в формате 640х480 с числом градаций по яркости каждого пикселя равным 256. Это позволяет с высокой степенью достоверности распознавать движущиеся тест-объекты на неоднородном фоне дна емкости с тест-объектами и ее боковых стенок. Время обработки аналогового сигнала, поступающего на видеограббер с видеокамеры составляет 33 м/с, при этом стоп-кадр, полученный после оцифровки, отражает все подвижные тест-объекты без эффекта "размазанности". Данный видеограббер записывает оцифрованное изображение в оперативную память компьютера, что существенно ускоряет дальнейший процесс обработки изображения и позволяет системе быть независимой от аппаратных средств компьютера.

Электронная схема управления шаговым двигателем имеет отдельный источник питания, который исключает электрические помехи, понижающие общую достоверность результатов анализа на токсичность. Общая надежность системы увеличивается в связи с использованием в составе компьютера только серийно выпускаемых в заводских условиях компонентов и применением электрической развязки питания шагового двигателя и питания компьютеров.

Устройство относится к средствам оценки качества продуктов живой и неживой природы. Оно состоит из биодетектора и компьютера,в котором в качестве аналого-цифрового преобразователя используют видеограббер, имеющий 256 градаций по яркости и время оцифровки 33 м/c, сигнал на который поступает с видеокамеры. После оцифровки изображение емкости с тест-объектами записывается в оперативную память компьютера и обрабатывается специальной программой. Процессор подсчитывает количество тест-объектов, передает изображение на монитор и вырабатывает сигналы управления. Последние поступают в биодетектор на блок перемещения емкостей. Электронная схема управления перемещением, снабженная отдельным источником питания и имеющая в цепи включения обмоток шагового двигателя дополнительные усилители-формирователи сигналов управления, позволяет повысить надежность работы устройства в целом. Наличие аналого-цифрового преобразователя с временем оцифровки кадра, равным 33 м/c, позволяет повысить достоверность распознавания. 2 ил.

Устройство для оценки качества продуктов живой и неживой природы, содержащее компьютер и биодетектор, включающий блок перемещения емкостей с тест-объектами, источник освещения, оптическую систему, сообщенную с видеокамерой, которая посредством аналого-цифрового преобразователя сообщена с соответствующим входом компьютера, отличающееся тем, что в блок перемещения емкостей с тест-объектами введена электронная схема управления перемещением, выполненная в виде отдельного источника питания для этой схемы и последовательно связанными для каждой обмотки шагового двигателя блока перемещения емкостей с тест-объектами формирователем логического сигнала, дополнительным усилителем-формирователем и выходным усилителем, выходы каждого из которых подключены к соответствующим обмоткам шагового двигателя, а входы формирователей логического сигнала подключены к соответствующим выходам параллельного порта компьютера, причем в качестве аналого-цифрового преобразователя использован аналого-цифровой преобразователь аналогового сигнала видеокамеры в цифровой с временем обработки кадра, равным 33 м/с.