МОНИТОР ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КАЧЕСТВА ЗЕРНА Российский патент 2002 года по МПК G01N21/85 G01N21/35 A01D41/12 

Давно известно, что на стоимость сельскохозяйственных продуктов, таких как зерна хлебных злаков и т. п., влияет качество их характеристических составляющих компонентов. В частности, высокого уровня может достигать цена зерен хлебных злаков с желаемым содержанием протеина, масла, крахмала, волокна и влаги, а также желаемыми уровнями углеводородов и других составляющих. Поэтому при создании благоприятных рыночных условий для таких зерен и продуктов их обработки возникла необходимость в определении состава, а также других различных переменных физических характеристик, таких как твердость.

В ответ на требования рынка для анализа процентных концентраций протеина и влаги были разработаны многочисленные системы анализа, использующие методы спектроскопии в ближнем ИК-диапазоне (БИК-спектроскопии). Некоторые из таких систем предназначены для зерен хлебных злаков в размолотой форме, как это разъяснено, например, в патенте США 5285825. В некоторых случаях эффект, вносимый размалыванием, уменьшает экономический эффект, получаемый за счет первичного отбора, поэтому разработаны и другие методы, предназначенные для анализа целых зерен, как это описано в патенте США 4260262.

По сравнению с выделением и анализом составляющих, использующими влажные химические или какие-либо другие способы, требующие часовых затрат времени, БИК-спектрофотометрические методы обычно имеют преимущество из-за их быстродействия, поскольку, как правило, для получения результата нужно только 30-60 с. Другим преимуществом указанных методов является также то обстоятельство, что они не разрушают проанализированные образцы. Например, в типичном анализе зерен пшеницы образец последовательно облучают выбранными длинами волн. Затем измеряют или диффузное пропускание образца, или диффузное отражение от него. Далее, в обоих случаях результаты измерений могут быть обработаны по алгоритмам определения процентной концентрации составляющих вещества.

Например, анализатор, описанный в патенте США 4260262, определяет процентное содержание масляных, водных и протеиновых составляющих с применением следующих уравнений:
вода% = K₄+K₅(ΔOП)_в+K₆(ΔOП)_м+K₇(ΔOП)_п
протеин% = K₈+K₉(ΔOП)_в+K₁₀(ΔOП)_м+K₁₁(ΔOП)_п,
масло% = K₀+K₁(ΔOП)_в+K₂(ΔOП)_м+K₃(ΔOП)_п
где (ΔОП)_В, (ΔОП)_М и (ΔОП)_П представляют собой изменения оптической плотности на двух длинах волн, чувствительных к процентному содержанию соответственно влаги, масла и протеина. К₀-К₁₁ являются константами или коэффициентами влияния.

Таким образом, изменение оптической плотности любой данной составляющей можно найти из следующего уравнения:
ΔОП=log(l_п/l_о)₁-log(l_п/l_о)₂,
где (l_п/l_о)₁ - отношение интенсивности падающего излучения к интенсивности отраженного излучения при одной выбранной длине волны, a (l_п/l_о)₂ - отношение интенсивности падающего излучения к интенсивности отраженного излучения при второй выбранной длине волны.

В типичном случае анализаторы зерна применяют длины волн, выбранные в интервале приблизительно от 1100 до 2500 нм. Однако в патенте США 5258825 для муки влияние размеров частиц компенсировали дополнительным применением длины волны 450 нм.

Для получения или детектирования специфичных длин волн, представляющих интерес с точки зрения анализа составляющих зерна, применялись барабаны с фильтрами и дифракционные решетки. Например, в патенте США 5021662 описывается система, в которой инфракрасное излучение, облучающее перемещающийся поток продукта, детектируется с использованием дифракционной решетки. В патенте США 5406084 описывается система, применяющая источник инфракрасного излучения ближнего ИК-диапазона, оптический коллектор, разделитель по длинам волн и приемник. Однако для измерения составляющих, проводимого в реальном масштабе времени в течение процесса уборки зерна, такие измерения не нашли применения, возможно, из-за того, что они не способны выдерживать механические вибрации и другие нестационарные условия, имеющие место в таких средах.

Сущность изобретения
Настоящее изобретение относится к системе и способу анализа в ближней ИК-области (БИК), предназначенным для определения процентной концентрации составляющих в перемещающемся потоке сельскохозяйственных продуктов и родственных им веществ при обработке их в комбайне, уборочной машине или в каком-либо другом передвижном сельскохозяйственном оборудовании. Перечень таких продуктов может включать в себя зерна хлебных злаков, таких как пшеница, кукуруза, рожь, овес, ячмень, рис, соевые бобы, амарант, тритикале и другие зерна, а также травы и фуражные материалы, но не ограничивается ими.

Для определения процентных концентраций в изобретении применяют свойства диффузного отражения излучения. Использованные методы включали в себя измерение спектрального отклика радиационную энергию на коротких длинах волн, именно в ближней ИК-области (БИК) в интервале от 600 до приблизительно 1100 нм, а также излучение в видимой области спектра, включающее длины волн с коротковолновой границей приблизительно 570 нм. При моделирования протеинов и других составляющих полезно сопряжение спектрального отклика на более коротких длинах волн с откликом на более длинных длинах волн.

Система анализа включает в себя оптическую головку, имеющую источник излучения с подходящей шириной полосы, предназначенный для облучения перемещающегося потока сельскохозяйственного продукта излучением, включающим множество длин волн. Коллектор излучения собирает излучение, диффузно отраженное от дискретного участка перемещающегося вещества, подлежащего анализу. В свою очередь, он передает полученное излучение вдоль волоконно-оптического кабеля к детектирующей и вычислительной подсистеме, которая может быть установлена на некотором расстоянии от оптической головки.

В указанной подсистеме излучение сначала поступает на смеситель мод. В свою очередь, он передает принятое излучение через механически стабильное волокно к блоку оптического детектирования. Указанный блок состоит из волоконного сопрягающего элемента и пары цилиндрических линз. Цилиндрические линзы, в свою очередь, передают излучение к разделителю по длинам волн, такому как линейно перестраиваемый фильтр (ЛПФ), для пространственного разделения по длинам волн, представляющих интерес.

Пространственный разделитель, в свою очередь, питает приемник с подходящим откликом, такой как ПЗС-приемник, способный индивидуально детектировать параллельно и в одно и то же время множество длин волн диффузно отраженного излучения. Отклики на индивидуальных длинах волн затем детектируются и преобразуются в подходящую форму, например в цифровые данные, для дальнейшего вычисления процентной концентрации различных составляющих вещества.

Перечисленные, а также другие задачи, на решение которых направлено изобретение, его особенности и преимущества будут очевидны из нижеследующего подробного описания предпочтительных вариантов осуществления изобретения, которые иллюстрируются прилагаемыми чертежами, где одинаковые ссылочные обозначения относятся к одним и тем же деталям на всех чертежах. На чертежах принцип точного масштабирования не соблюдается, основное внимание уделено иллюстрированию принципов изобретения.

Фиг. 1 представляет собой до предела упрощенную схематичную иллюстрацию системы согласно изобретению, предназначенной для анализа качества зерна на коротких волнах в ближней ИК-области.

Фиг. 2А и 2В представляют собой более детальные изображения источника излучения и приемника, показывающие их расположение относительно магистрали, переносящей зерно, а также открывающее и закрывающее положения шторки коллектора.

Фиг. 3 представляет собой более детальное изображение оптического блока, показывающее смеситель мод, шторку оптического блока, фильтр и оптические компоненты приемника.

Фиг. 4 описывает осуществляемый в системе процесс измерения поглощательной способности.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
Обратившись к фиг.1, можно видеть, что настоящее изобретение представляет собой систему для анализа составляющих компонентов перемещающегося потока сельскохозяйственного продукта во время его обработки или уборки. Перечень сельскохозяйственных продуктов, которые можно анализировать с помощью системы, включает в себя зерна хлебных злаков, таких как пшеница, кукуруза, рожь, овсы, ячмень, рис, соевые бобы, амарант, тритикале и другие зерна, а также травы и фуражные материалы, но не ограничивается ими. Анализу подлежат составляющие компоненты, перечень которых может включать в себя протеин, масло, крахмал, волокно, влагу, углеводороды и другие составляющие, а также такие физические характеристики, как твердость. Хотя дальнейшее обсуждение касается частного примера, в котором подлежащим анализу продуктом является зерно хлебного злака, следует учитывать, что таким же образом можно анализировать и другие сельскохозяйственные продукты.

В системе по изобретению применяется подходящее облучающее устройство непрерывного действия, такое как инфракрасный источник 10 излучения. Излучение от указанного источника направлено вперед через окно 12 к образцу перемещающегося сельскохозяйственного продукта 14, подвергающегося уборке, обработке или какому-либо другому перемещению через транспортирующее средство, такое как магистраль 16.

Источник 10 излучения непрерывно генерирует инфракрасное излучение одновременно на множестве по длинам волн в протяженном коротковолновом интервале, представляющем интерес для данного случая, таком как от приблизительно 570 нм до приблизительно 1120 нм.

Предпочтительным источником такого рода является широко применяемые кварцевая галогенная лампа или лампа с вольфрамовой нитью. Типичным источником 10 излучения является лампа с вольфрамовой нитью, питаемая от постоянного напряжения 5 В и потребляющая ток 1 А. Указанный источник может быть, кроме того, стабилизирован известными специалистам в этой области средствами (не изображены) путем фильтрации или применения встроенного светочувствительного устройства в контуре обратной связи.

Источник 10 устанавливается для подсветки перемещающегося продукта 14, состоящего из хлебных злаков, при его прохождении через транспортирующее средство, такое как магистраль 16, которое может быть расположено на сельскохозяйственном комбайне или на какой-либо другой установке для обработки зерна. Перемещение сельскохозяйственного продукта 14 через магистраль 16 обычно происходит в направлении, показанном стрелками.

Установленные рядом с магистралью 16 указанный источник 10 и связанные с ним компоненты можно разместить в подходящем кожухе 11 сенсорной головки. В этом случае между источником 10 излучения и перемещающимся сельскохозяйственным продуктом 14 предпочтительно располагается окно 12. Указанное окно формируется из подходящего материала, такого как сапфир, который прозрачен при представляющих интерес длинах волн и не проявляет существенного смещения полосы поглощения из-за изменений температур. Окно 12 можно при желании выполнить как интегральную часть кожуха 11 или магистрали 16.

Кожух 11 сенсорной головки, в котором размещены источник 10 излучения, окно 12 и другие связанные с ними и описанные далее компоненты, устанавливается так, чтобы контролировать непрерывный поток сельскохозяйственного продукта 14 через магистраль 16. Это можно осуществить установкой кожуха 11 таким образом, чтобы окно 12 располагалось рядом с отверстием 15 в магистрали 16, так что источник 10 излучения испускает его через окно 12 и отверстие 15 на перемещающийся продукт 14.

Кожух 11 сенсорной головки может быть изготовлен в виде отдельного узла или его можно выполнить связанным с магистралью 16.

Предпочтительно также в кожухе 11 разместить параболический отражатель или зеркало 17 для коллимации выходного излучения источника 10 в пучок 13 с фокусным расстоянием приблизительно 1 см. Указанное зеркало 17 фокусирует излучение источника 10 на поток перемещающегося продукта 14.

В альтернативном варианте осуществления изобретения может быть применено несколько источников 10 излучения, таких как матрица инфракрасных излучателей, при условии, что все они фокусируются в одну и ту же точку.

Предпочтительно, чтобы источник 10 излучения помещался таким образом, чтобы он непосредственно освещал перемещающийся продукт 14 через окно 12 без использования волоконной оптики или какого-либо другого устройства, используемого дополнительно к окну 12 и расположенного между источником 10 излучения и перемещающимся продуктом 14.

В кожухе 11 можно также разместить управляющие электронные компоненты, предназначенные для воздействия на шторку, как это будет более подробно описано ниже в связи с фиг.2.

Таким образом, излучение, испускаемое соответствующим источником 10, проходит через окно 12 и отверстие 15 и диффузно отражается от перемещающегося продукта 14. Для сбора части излучения, диффузно отраженного от перемещающегося продукта 14, в устройстве устанавливают также волоконно-оптический коллектор 20, предпочтительно расположенный в том же кожухе 11. Хотя эти диффузные отражения имеют своей первичной точкой фокус источника 10 излучения, нужно учитывать, что фактически излучение возвращается из объема 19 образца, определенного пересечением пучка 13, сформированного источником 10, и "поля зрения" волоконно-оптического коллектора 20.

Указанный коллектор 20 обычно представляет собой высококачественное волокно, предназначенное для систем оптической связи. Его типичный диаметр должен лежать в интервале от приблизительно 62,5 мкм до приблизительно 1 мм. Одно из пригодных волокон имеет диаметр 600 мкм при числовой апертуре 0,22 (относительное отверстие приблизительно 2,3). Коллектор 20, предпочтительно расположенный под углом по отношению к окну 12, предназначен для сбора диффузно отраженного излучения, так что на него не должно попадать существенного количество излучения, отраженного от поверхности окна 12. Подходящим может быть, например, угол 45^o.

Выходное излучение волоконно-оптического коллектора 20 затем подается через оптическое волокно 26 к приемному и электронному блоку 30 для определения составляющих компонентов перемещающегося продукта 14. Указанный блок включает в себя оптический блок 32, аналого-цифровой преобразователь 33, функциональный блок 34 вычисления содержания составляющих, контроллер 35 и интерфейс 36 дисплея. Функциональный блок 34 вычисления содержания составляющих, контроллер 35 и интерфейс 36 дисплея предпочтительно выполняются в виде программного обеспечения в компьютере, микроуправляющем устройстве, микропроцессоре и/или процессоре цифрового сигнала, составляющих блок 39. Функции электронного блока более детально будут описаны ниже.

Как более подробно показано на фиг.2А, в предпочтительном варианте осуществления изобретения кожух 11 и окно 12 можно расположить так, что между ними образуется пространство 22 для размещения сигнальной шторки 24. Сигнальная шторка 24 формируется из материала с высоким диффузным отражением, такого как Spectralon^ТМ (прессованный силикат, полученный от фирмы Lambsphere, США) или керамика.

Шторка 24 располагается таким образом, чтобы ее можно было, по выбору, вводить в положение, смежное с концом коллектора 20, или выводить из него. Таким образом, указанная шторка обычно устанавливается на управляющем устройстве, таком как вал 25 двигателя, приводимый во вращение двигателем 29, который может запускаться контроллером 35 в электронном блоке 30. Двигатель 29 позволяет контроллеру 35 селективно задавать закрывающее или открывающее положения шторки 24, показанные на фиг.2В.

Электронная линия или линии 27 связи проложены между электронным блоком 30 и сенсорной головкой 11, обеспечивая контроллеру 35 возможность подачи сигналов, управляющих положением шторки 24. Например, указанная шторка помещается в открывающее положение, позволяя излучению проходить к образцу и диффузно отражаться образцом 14 перемещающегося продукта во время операций измерения образца, и в закрывающее положение, отгораживая излучение от образца и диффузно отражая его от шторки 24, во время сравнительных измерений, как более детально будет описано ниже.

Оптическое волокно и электронные линии 27 можно объединить в одно целое в кабельной оболочке 28, расположенной между кожухом 11 детекторной головки и приемным и электронным блоком 30. В практическом воплощении системы, таком как использование в сельскохозяйственной уборочной машине, предпочтительно, чтобы кабельная оболочка 28 имела длину, достаточную для помещения указанного кожуха 11 рядом с магистралью 16 для зерна, в то время как приемный и электронный блок 30 можно поместить в менее опасном окружении, в частности, в задней части кабины уборочной машины. Такое расстояние может составлять, например, 3 м или отличаться от этой величины в обе стороны.

В альтернативном варианте сенсорная головка 11 и, полностью или частично, электронный блок 30 можно установить рядом с магистралью 16, и в этом случае отпадет необходимость в оптическом волокне 26.

Хотя сравнительно большой диаметр (600 мкм) волоконно-оптического коллектора 20 обеспечивает относительно хороший сбор излучения, вполне возможно, что в практических ситуациях кабель 28 и, таким образом, оптическое волокно 26 вместе с ним потребуется по меньшей мере изогнуть для внутренней и/или наружной подгонки к корпусу и другим частям уборочной машины. В обычном случае кабель 28 подвергается также вибрациям при проезде уборочной машины через поле для жатвы продукта 14, подлежащего перемещению.

К несчастью, вибрации, связанные с работой уборочной или какой-либо другой машины, могут служить причиной нежелательных модальных возмущений в оптическом волокне 26. Эти возмущения создаются в форме отражений более высокого порядка, в результате чего оптический блок 32 может регистрировать нежелательные детектируемые моды. Таким образом, указанные модальные возмущения, в свою очередь, вызывают нежелательные изменения интенсивности излучения, несоотносимые со свойствами перемещающегося продукта 14 и, следовательно, добавляющие к желаемому измерению таких свойств значительный шум.

Для преодоления этого затрудняющего обстоятельства приемный и электронный блок 30 выполняется особо предпочтительным образом. Из рассмотрения фиг. 3 видно, что приемный и электронный блок 30 включает в себя смеситель 42 мод, волоконную секцию 44 и приемный блок 46, который, в свою очередь, включает в себя пару цилиндрических линз 48-1 и 48-2, разделитель 50 по длинам волн и приемник 52.

Смеситель 42 мод присоединен для приема выходного излучения оптического волокна 26 и служит для подавления в принимаемом оптическом сигнале мод более высокого порядка. Указанный смеситель может быть изготовлен с применением нескольких различных компонентов.

Например, один из методов изготовления смесителя 42 мод заключается в применении одной или нескольких (предпочтительно одной) линз с градиентом показателя преломления, так называемых "grin"-линз. Указанные линзы имеют центральную длину волны полосы пропускания, приблизительно совпадающую с центром интервала, представляющего интерес, в данном случае это 800 нм. Кроме того, они имеют общий относительно большой диапазон градиента, составляющий приблизительно от 0,4 до 0,5. Например, можно применить две такие линзы, каждая из которых имеет диапазон приблизительно 0,2-0,25. Относительно большой общий диапазон обеспечивает на выходе изображение скорее не конусного типа, а приблизительно в виде ориентированного пятна. Подходящую линзу такого рода можно получить от NGS Corporation (США).

Смеситель 42 мод можно также изготовить в виде голографического рассеивателя. В некоторых случаях указанный рассеиватель может представляться более предпочтительным вариантом смесителя 42 мод, т.к. его отклик по сравнению с откликом описанной линзы меньше зависит от длины волны. Однако такую линзу, видимо, легче изготовить. Одним из пригодных типов голографического рассеивателя является "Beam Homogenizer" (гомогенизатор пучка), Digital Optics Corporation (США).

Волоконный соединитель 44 обеспечивает механически стабильный светопровод для присоединения выхода смесителя 42 мод к остальной части оптического блока 46.

Другая шторка 47 предпочтительно располагается у выхода волоконного соединителя. Эта шторка оптического блока формируется из непрозрачного материала и применяется для блокировки излучения от входа оптического блока 46 во время процедуры приема излучения фонового спектра сравнения (указанная процедура более детально описывается ниже).

Цилиндрические линзы 48-1 и 48-2 служат для надлежащей фокусировки излучения, поступающего на вход оптического блока 46, на приемник 52.

Разделитель 50 по длинам волн обеспечивает пространственное разделение излучения на отличающихся друг от друга длинах волн представляющей интерес диффузно отраженного излучения. Перечень пригодных разделителей такого рода включает в себя линейно перестраиваемые фильтры (ЛПФ), решетки, призмы, интерферометры и тому подобные устройства. Предпочтительно указанные разделители изготавливаются в виде линейно перестраиваемого фильтра (ЛПФ), имеющего разрешение (Δλ/λ), составляющее приблизительно от 1 до 4%.

Далее пространственно разделенные потоки с различными длинами волн поочередно фокусируются на приемник 52. Указанный приемник относится к типу, одновременно измеряющему выходной сигнал в широком интервале по длинам волн. В предпочтительном варианте осуществления приемник 52 представляет собой ПЗС- матрицу, ячейки (пикселы) которой индивидуально измеряют интенсивность излучения на каждой из соответствующих длин волн. Другими словами, каждая ячейка ПЗС-матрицы настраивается на измерение интенсивности индивидуальной полосы пропускания излучения.

Однако другие пригодные приемники 52 можно сконструировать и из фотодиодов быстрого сканирования, приборов с инжекцией заряда или из любых других матричных приемников, пригодных для решения задачи одновременного параллельного детектирования представляющих интерес по длинам волн.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения приемником 52 является кремниевая ПЗС-матрица, например Fairchild CCD 133A, Loral-Fairchild. Устройство предпочтительно имеет пространственное разрешение приблизительно 13 мкм. Частотное разрешение определяется выбранной шириной полосы (задаваемой линейно перестраиваемым фильтром 50), деленной на число ПЗС-ячеек. В предпочтительном варианте осуществления изобретения ПЗС-матрица представляет собой матрицу из 1024 элементов, воспринимающую излучение в интервале от приблизительно 570 до приблизительно 1120 нм.

Кроме того, такой приемник 52, как ПЗС-матрица, как правило, чувствителен к температуре, поэтому обычно желательна его термостабилизация.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения благодаря компактности схемы оптического модуля 46 и относительно близкого расположения ЛПФ 50 и ПЗС-матрицы 52 друг от друга оба указанных компонента можно термостабилизировать как одно целое. Температурную стабилизацию можно осуществить с помощью соответствующих теплоотводящих поверхностей, термоэлектрического холодильника Пельтье или вентилятора.

Из фиг. 1 видно, что индивидуальные электрические сигналы, формируемые ПЗС-приемником для каждой длины волны, с выхода приемника 52 передаются далее для преобразования в цифровые сигналы аналого-цифровым преобразователем 33.

Затем вычислительный блок 34, предпочтительно встроенный в микрокомпьютер или процессор для обработки цифровых сигналов, как описано выше, производит вычисления на основе полученных интенсивностей по длинам волн для определения процентных концентраций составляющих образца 14. Процентное содержание составляющих, определяемое с применением хемометрической модели, затем отображается любым желаемым образом, например, с помощью измерительного прибора или путем вывода на дисплей. Дисплей может быть совмещен с портативным компьютером или с каким-либо другим компьютером, помещенным в кабину уборочной машины. Вычислительный блок может быть частью электронного блока 30 или их можно физически разделить.

Методы вычисления процентных концентраций зерна, основанные на эталонах излучения и характерных длинах волн, являются многовариантными методами, детально описанными в монографии Sharaf M.A., Illman D.L and Kowalski B.R. "Chemometrics" (New York: J. Wiley & Sons, 1986).

Предпочтительные длины волн зависят от составляющих, подлежащих измерению. Например, при измерении концентрации протеина вычислительные алгоритмы используют поглощение, соотносимое с полосами колебательно-вращательных обертонов субструктуры протеина. При более высоких значениях длин волн коэффициенты поглощения велики, глубина проникновения излучения укорачивается и в результате внутренний объем частиц зерна не затрагивается. При более коротких длинах волн коэффициенты поглощения малы и в результате сигнал ослаблен.

Таким образом, система обеспечивает облучение образца с последующим пространственным разделением и параллельным детектированием множества длин волн, осуществляя быстрый анализ этого образца. Кроме того, поскольку оптические узлы прибора стабилизированы относительно вибраций, он, по существу, нечувствителен к таким вибрациям, которые обнаруживаются в сельскохозяйственных комбайнах или каком-либо другом уборочном и обрабатывающем оборудовании. Поэтому систему можно легко развернуть в условиях, обеспечивающих проведение анализа сжатого зерна или какого-либо другого сельскохозяйственного продукта в реальном масштабе времени во время уборки и других обрабатывающих операций. Полученные таким образом результаты можно сравнивать с эталонными данными, обеспечивающими получение процентных концентраций составляющих для применения в картосхеме с применением так называемой глобальной спутниковой системы радиоопределения (GPS).

Кроме того, применение ПЗС-матрицы 52 обеспечивает преимущества перед известными подходами, применяющими дискретные или сканирующие диодные матрицы. В частности, элементы дискретизации УЗС заполняются зарядами в одно и то же время параллельно друг другу до тех пор, пока один из них не будет почти заполнен. Затем они опустошаются, и пока ПЗС-матрица начинает заполняться снова, результаты считываются контроллером 35. Поэтому каждый пиксел реагирует на одни и те же зерна в течение одинаковых временных интервалов. Диодные матрицы, наоборот, должны считывать информацию последовательно, так что, например, любой данный элемент формирует сигнал от объема зерна, если этот объем отличается от объемов, на которые реагировали предыдущие пикселы.

Отношение сигнал/шум системы можно улучшить усреднением данных по циклу, состоящему из многих измерений.

Выше была упомянута процедура вычисления спектра поглощения. В этой связи следует указать, что для помещения шторки 47 в закрывающее положение между концом коллектора 20 и оптическим блоком 46 может быть задействован шаговый двигатель 43 (фиг. 3). Когда шторка 47 находится в этой позиции, указанный оптический блок реагирует не на излучение от коллектора 20, а только на испускание белого излучения лопастью шторки 47. Это измерение позволяет таким образом получить сигнал сравнения.

Предпочтительный вариант измерения поглощения включает в себя следующие процедуры (изображенные также на фиг.4):
1) путем закрывания шторки 47 оптического блока измеряют фоновый спектр сравнения, D (шаг 101);
2) затем снимают показания с ПЗС-матрицы 52 (шаг 102);
3) открывают шторку 47 оптического блока (шаг 103);
4) закрывают шторку 24 коллектора (шаг 104);
5) снятием показаний с ПЗС-матрицы 52, измеряют спектр сравнения, R (шаг 105);
6) открывают шторку 24 коллектора (шаг 106);
7) при обеих шторках 24 и 47 в открытом положении снимают показания от объема 19 образца для определения спектра образца, S (шаг 107);
8) вычисляют спектр поглощения, А (шаг 108).

Поглощение излучения, определенное из этих измерений диффузного отражения, определяется выражением
A=LOG₁₀(R-D/S-D)
Кроме того, поскольку изменения поглощения, соотносимые с присутствием протеина, весьма малы, для получения желаемой величины поглощения на конкретной длине волны обычно применяют многократные повторения описанной операции (шаг 109), усреднение и анализ вторых производных.

В связи с этим последующая обработка данных может предусматривать использования второй производной указанной функции для устранения постоянных и линейных отклонений, чтобы в определении содержания протеина использовались только квадратичные компоненты спектра поглощения, а также компоненты более высокого порядка.

ЭКВИВАЛЕНТЫ
Из подробного описания этого изобретения со ссылками на предпочтительные варианты его осуществления специалистам в данной области должно быть ясно, что в форму воплощения и в детали изобретения могут быть внесены различные изменения, не выходящие за границы его идеи и объема, определенные формулой изобретения.

Не выходя за рамки стандартных экспериментов, специалисты могут выявить или иметь возможность установить многочисленные эквиваленты специфическим вариантам осуществления изобретения, подробно раскрытым в настоящем описании. Предусматривается, что такие эквиваленты включены в объем охраны изобретения.

Сущность изобретения: c помощью анализатора, использующего короткие длины волн в ближней ИК-области, определяют процентные концентрации составляющих образца зерна хлебного злака или какого-либо другого сельскохозяйственного продукта в перемещающемся потоке во время уборки или обработки указанных продуктов. Анализатор облучает образец, принимает диффузное отражение от образца на индивидуальных длинах волн и пространственно разделяет диффузное отражение в отклик на индивидуальных длинах волн. В результате одновременно и параллельно на индивидуальных длинах волн детектируются интенсивности излучения, отраженного от одного и того же участка анализируемого продукта. Затем для определения составляющих можно сравнить процентные содержания составляющих вещества сложного состава с уже известными процентными содержаниями составляющих. Оптику анализатора стабилизируют, поэтому он пригоден для прикрепления к сельскохозяйственному комбайну с целью проведения измерений в реальном масштабе времени в поле. 2 с. и 20 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Система анализа для определения составляющих компонентов сельскохозяйственного продукта, содержащая транспортирующее средство для транспортирования перемещающегося потока сельскохозяйственного продукта; источник 10 излучения, установленный с возможностью облучения исследуемого участка потока сельскохозяйственного продукта, перемещающегося через транспортирующее средство, множеством длин волн в выбранном спектральном интервале; оптический коллектор 20, установленный с возможностью приема излучения, отраженного от облученного исследуемого участка; разделитель 50 по длинам волн, установленный с возможностью приема излучения от оптического коллектора и формирования пространственно разделенных потоков излучения различных длин волн; приемник 52, установленный с возможностью приема излучения от разделителя по длинам волн и формирования сигналов детектированной интенсивности, соответствующих интенсивности оптического излучения в пределах ширины полосы, определяемой разделителем по длинам волн, и шторку 47 оптического блока, установленную между оптическим коллектором и приемником для селективной блокировки оптического излучения, поступающего на приемник. 2. Система по п. 1, отличающаяся тем, что разделитель по длинам волн представляет собой линейно перестраиваемый фильтр. 3. Система по п. 1, отличающаяся тем, что выбранный спектральный интервал находится в пределах ближнего инфракрасного диапазона. 4. Система по п. 1, отличающаяся тем, что дополнительно содержит оптическое волокно 26, расположенное между оптическим коллектором и разделителем по длинам волн для переноса излучения от входного конца указанного волокна к его выходному концу. 5. Система по п. 4, отличающаяся тем, что дополнительно содержит смеситель 42 мод, расположенный у выходного конца оптического волокна для сглаживания изменений оптической интенсивности излучения от коллектора, вносимых оптическим волокном. 6. Система по п. 1, отличающаяся тем, что дополнительно содержит аналого-цифровой преобразователь 33, предназначенный для приема сигналов детектированной интенсивности и для получения цифровых значений детектированной интенсивности. 7. Система по п. 6, отличающаяся тем, что дополнительно содержит компьютер 39, предназначенный для получения сигналов детектированной интенсивности от приемника и для вычисления содержания составляющих компонентов исследуемого участка сельскохозяйственного продукта по значениям детектированной интенсивности. 8. Система по п. 7, отличающаяся тем, что компьютер выполнен с возможностью повторять упомянутое выше вычисление и усреднять измерения спектра сравнения R и спектра образца S для определения значения поглощения. 9. Система по п. 1, отличающаяся тем, что дополнительно содержит кожух оптической головки для размещения источника излучения и оптического коллектора, находящийся рядом с боковым отверстием в указанном транспортирующем средстве, разделитель по длинам волн и приемник установлены на расстоянии от транспортирующего средства, а оптическое волокно установлено между оптическим коллектором и разделителем по длинам волн для переноса излучения между ними. 10. Система по п. 1, отличающаяся тем, что приемник представляет собой ПЗС-матрицу 52. 11. Система по п. 1, отличающаяся тем, что составляющий компонент выбран из группы, состоящей из протеина, влаги, масла, крахмала, муки и твердости. 12. Способ определения, по меньшей мере, одного составляющего компонента перемещающегося потока сельскохозяйственного продукта, когда он подвергается обработке сельскохозяйственным оборудованием, в реальном масштабе времени, включающий шаги: облучения исследуемого участка перемещающегося потока сельскохозяйственного продукта, когда он подвергается обработке, излучением с множеством длин волн в выбранном спектральном интервале в пределах ближнего инфракрасного диапазона; сбора излучения, отраженного от облученного исследуемого участка; разделения по длинам волн собранного отраженного излучения для получения пространственно разделенных потоков излучения с различными длинами волн; помещения шторки 47 оптического блока в закрывающее 101 или в открывающее 103 положение для селективного формирования фонового спектра сравнения и детектирования сигналов интенсивности от пространственно разделенных потоков излучения с множеством выбранных длин волн для определения множества значений интенсивности излучения. 13. Способ по п. 12, отличающийся тем, что дополнительно включает шаг смешивания мод излучения, принятого на шаге сбора излучения, для сглаживания изменений оптической интенсивности излучения. 14. Способ по п. 12, отличающийся тем, что шаги разделения и детектирования проводят таким образом, чтобы сигналы детектированной интенсивности при данном времени измерения представляли отклик для набора длин волн, принимаемых от исследуемого участка. 15. Способ по п. 12, отличающийся тем, что шаг разделения осуществляют линейно перестраиваемым фильтром 50. 16. Способ по п. 12, отличающийся тем, что перемещающийся поток сельскохозяйственного продукта находится в сельскохозяйственном комбайне. 17. Способ по п. 12, отличающийся тем, что перемещающийся поток сельскохозяйственного продукта находится в аппарате для обработки зерна. 18. Способ по п. 12, отличающийся тем, что перемещающийся поток сельскохозяйственного продукта находится в складском оборудовании. 19. Способ по п. 12, отличающийся тем, что дополнительно включает шаг преобразования детектированных сигналов интенсивности для получения цифровых детектированных значений интенсивности. 20. Способ по п. 14, отличающийся тем, что дополнительно включает шаг вычисления, по меньшей мере, одного составляющего компонента исследуемого участка сельскохозяйственного продукта по значениям детектированной интенсивности. 21. Способ по п. 20, отличающийся тем, что дополнительно включает следующие шаги: селективное выполнение шага сбора диффузно отраженного излучения с установкой шторки коллектора в закрывающее 104 или открывающее 106 положение; селективное выполнение шага разделения по длинам волн с установкой шторки оптического блока в закрывающее 101 или открывающее 103 положение, причем шаг вычисления содержания составляющих компонентов включает определение поглощения посредством следующих шагов: измерения 106 фонового спектра D как отклика при закрытой шторке оптического блока; измерения 105 спектра сравнения R путем открывания шторки оптического блока и закрывания шторки коллектора; измерения 107 спектра образца S при обеих шторках в открывающем положении и определения 108 значения поглощения излучения А на выбранной длине волны из соотношения
A= LOG₁₀(R-D/S-D). 22. Способ по п. 21, отличающийся тем, что, с целью определения величины поглощения, стадию вычисления повторяют для усреднения измерений спектра сравнения R и спектра образца S.