УСТРОЙСТВО И СПОСОБ СЧЕТА И ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА СЕМЯН Российский патент 2010 года по МПК G01F13/00 G06M1/00 G01B11/25 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к устройствам и способам измерения количества и расхода (частоты) семян в потоке, более конкретно изобретение относится к компактному устройству и способу для точного измерения количества и расхода семян или зерен в быстро перемещающемся диспергированном потоке семян или зерен, выдаваемом высевающим устройством.

Предпосылки создания изобретения

Высевающие устройства используют для отложения или посева отдельных семян из партии семян. Такие высевающие устройства обычно представляют собой механические устройства, установленные на транспортном средстве или прицепленные к транспортному средству, такому как трактор, при этом высевающие устройства разбрасывают семена рядами в процессе движения транспортных средств по полям большой площади. Скорость разбрасывания отдельных семян из высевающего устройства соотнесена со скоростью транспортного средства. Скорость высева у высевающих устройств регулируют при помощи измерительных устройств различных типов, при этом она зависит от скорости транспортного средства. Например, для высевающего устройства может быть выбрана желаемая скорость высева при скорости движения транспортного средства по полю около 10 км/час. На практике скорость высева отдельных семян у обычных современных высевающих устройств составляет примерно 10-20 семян в секунду. Способность таких высевающих устройств разбрасывать семена с постоянной и по существу постоянной скоростью является определяющей для фермеров и производителей сельскохозяйственной продукции для того, чтобы равномерно и надлежащим образом распределять по засеваемой площади большое количество семян для получения желаемой поакровой урожайности. Соответственно, для фермеров и производителей сельскохозяйственной продукции важную роль играет соответствующая настройка и калибровка высевающих устройств. Чтобы соответствующим образом настроить и калибровать такое высевающее устройство, необходимо правильно вести подсчет семян и измерять их расход в потоке семян в процессе разбрасывания семян из высевающего устройства. Однако точное измерение может являться сложной задачей из-за высоких скоростей подачи семян у высевающих устройств.

Перед высевом семеноводы обычно подвергают семена и зерна предварительной обработке, чтобы усилить одно или несколько свойств семян или зерен. Такая обработка семян может включать, например, нанесение на наружные поверхности семян или зерен покрытия. Составы некоторых поверхностных покрытий способны влиять на точность или характеристики высева обычных высевающих устройств, когда такие устройства используют для высева обработанных семян. Например, покрытия для обработки способны менять естественную шероховатость или гладкость поверхности семян или способны вызывать нежелательное слипание семян, что сказывается на взаимодействии между обработанными семенами и высевающими устройствами. Таким образом, существует потребность в точной оценке влияния конкретных видов обработки на характеристики высевающих устройств, чтобы определять оптимальные составы для обработки и способы нанесения покрытий и выбирать оптимальные настройки высевающих устройств в зависимости от конкретных типов обработанных семян.

Известны различные способы и устройства для счета и измерения расхода семян в потоке семян. Такие устройства и способы используют для измерения количества и расхода (частоты) семян, разбрасываемых высевающим устройством. Такие устройства также применимы для калибровки и испытания высевающих устройств с целью обеспечения постоянных и оптимальных характеристик. Одним из таких устройств является ленточный конвейер с масляным покрытием для улавливания семян, разбрасываемых высевающим устройством. В таком устройстве число и расход семян или зерен на конвейере являются показателями фактической скорости высева. К сожалению, счетчики на основе масляных конвейеров неэффективны для измерения скорости подачи семян многих видов.

Другие известные измерительные устройства включают электронные измерительные системы, в которых используют датчики инфракрасного излучения или подобные датчики, улавливающие прохождение семян, зерен или семечек через трубу или желоб по мере их разбрасывания из желоба. К сожалению, в известных электронных измерительных устройствах обычно используют датчики, работающие в одной полосе светового излучения с ограниченной способностью захвата изображения. Например, такие устройства не способны эффективно регистрировать два находящихся вблизи друг друга объекта, которые по существу одновременно проходят через датчик. Кроме того, направление семян через узкую трубу или желоб может сказаться на потоке измеряемых объектов. Таким образом, известные электронные измерительные устройства недостаточно точны и не способны с достаточной точностью измерять расход семян при высеве для обеспечения оптимальных характеристик высевающего устройства.

Таким образом, существует потребность в измерительном устройстве для контроля высева и способе точного измерения количества и расхода семян на выходе высевающих устройств. Такое устройство должно обеспечивать точность подсчета около 99% или более и быть способным отличать семена или зерна от более мелких частиц пыли или других небольших посторонних частиц, которые обычно смешаны с семенами и зернами. Такое устройство и способ также должны обеспечивать регистрацию данных, касающихся расхода семян при высеве, по мере того, как семена или зерна выходят непосредственно из высевающего устройства без необходимости пропускать семена через сужающуюся трубу или воронку. Кроме того, устройство и способ должны обеспечивать подсчет семян и измерение расхода семян и зерен в быстро движущемся потоке семян или зерен, который имеет значительную ширину и глубину. Например, устройство и способ должны обеспечивать подсчет семян в быстро движущемся потоке семян, ширина и глубина которого примерно до 60 раз превышает средний размер семян. Помимо этого, устройство должно быть компактным и портативным, чтобы его было удобно использовать в поле.

Краткое изложение сущности изобретения

Компактная система для счета семян включает область формирования изображения, датчик изображения, линзу и удлинитель оптического пути. Удлинитель оптического пути расположен между областью формирования изображения и линзой. Удлинитель оптического пути эффективно увеличивает оптическое расстояние между областью формирования изображения и линзой, в результате чего эффективное оптическое расстояние значительно превышает физическое расстояние между областью формирования изображения и линзой. За счет увеличенного оптического расстояния увеличивается глубина резкости изображения семян, проходящих через область формирования изображения.

В другом варианте осуществления изобретения предложен способ счета частиц заданного размера в потоке раздельных частиц, ширина которого по меньшей мере примерно в 10 раз превышает размер частиц. Способ включает стадию, на которой поток частиц пропускают через отверстие, глубина которого равна ширине потока или больше ширины потока. Способ также включает стадию, на которой по мере прохождения потока частиц через отверстие получают по существу сфокусированное изображение в основном каждой частицы в потоке частиц независимо от положения частицы в отверстии. Кроме того, способ включает стадию, на которой анализируют полученные изображения частиц, чтобы определить по меньшей мере одну характеристику потока частиц.

В другом варианте осуществления изобретения предложено компактное устройство для счета семян, включающее средство получения в основном резкого изображения семян в по существу диспергированном потоке семян, который имеет среднюю ось потока. Средство получения в основном резкого изображения способно обеспечивать в основном резкое изображение каждого семени в потоке независимо от расстояния от семени до оси потока.

В дополнительном варианте осуществления изобретения предложено устройство для измерения расхода частиц. Устройство включает корпус с отверстием, датчик изображения, расположенный на первой стороне отверстия, и источник света на второй стороне отверстия напротив первой стороны. Линза фокусирует свет, поступающий из источника света, на датчике изображения и расположена на первом расстоянии от отверстия. Пара зеркал, расположенных напротив друг друга между линзой и отверстием, отражает свет, поступающий из источника света, таким образом, что на пути к линзе свет должен пройти расстояние, значительно превышающее первое расстояние.

Краткое описание чертежей

Ниже изобретение более подробно рассмотрено со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показано:

на фиг.1 - вид в перспективе одного из вариантов осуществления предложенного в изобретении измерительного устройства в процессе измерения разбрасывания семян из типичного высевающего устройства,

на фиг.2 - вид в вертикальном поперечном разрезе по линии 2-2 на фиг.3 одного из вариантов осуществления предложенного в изобретении измерительного устройства, показанного на фиг.1,

на фиг.3 - горизонтальная поперечная проекция по линии 3-3 на фиг.2 измерительного устройства, показанного на фиг.1 и 2,

на фиг.4 - блок-схема, иллюстрирующая действие прибора с зарядовой связью (ПЗС) для применения в измерительном устройстве, показанном на фиг.1-3,

на фиг.5а - блок-схема, иллюстрирующая взаимосвязь между различными электронными частями измерительного устройства, показанного на фиг.1-3,

на фиг.5б - блок-схема, иллюстрирующая конструкцию аналогового электронного блока для применения в измерительном устройстве, показанном на фиг.1-3,

на фиг.5в - блок-схема, иллюстрирующая конструкцию электронного фильтра и счетчика для применения в измерительном устройстве, показанном на фиг.1-3,

на фиг.6 - графическое представление анализа данных в виде изображения измерительным устройством, показанным на фиг.1-3, для счета семян и измерения времени/расхода,

на фиг.7 - графическое представление последовательности оптических сканирований, осуществленных измерительным устройством, показанным на фиг.1-3,

на фиг.8а-8в - схематическое представление измерительного устройства, аналогичного устройству, показанному на фиг.1-3, но с меньшей глубиной резкости,

на фиг.9а и 9б - графические представления увеличенной глубины резкости устройства, показанного на фиг.1-3,

на фиг.10 - принципиальная схема, иллюстрирующая один из вариантов осуществления предложенного в изобретении способа измерения расхода и счета семян.

Подробное описание

На фиг.1-3 проиллюстрирован один из вариантов осуществления предложенного в изобретении устройства 10 для счета и измерения расхода семян. Как показано на фиг.1, устройство 10 расположено под разбрасывателем типичного высевающего устройства 16. В процессе работы высевающего устройства 16 отдельные семена через в основном постоянные интервалы выходят из устройства 16 через отверстие 15 для разбрасывания семян. Измерительное устройство 10 расположено под отверстием 15 таким образом, что разбрасываемые семена падают сквозь отверстие 18, ограничивающее область измерений. Устройство 10 неподвижно закреплено под отверстием 15 для разбрасывания семян при помощи зажима 14 или любого другого применимого средства, такого как винты и т.п. Результаты измерений, получаемые измерительным устройством 10, поступают в удаленный компьютер или подобное устройство по кабелю 13 для последовательной передачи данных. В качестве альтернативы результаты измерений могут передаваться удаленному компьютеру средствами беспроводной связи.

Измерительное устройство 10 применимо для счета семян, хронометрирования и измерения расхода потока семян по существу одинакового размера. Например, измерительное устройство 10 способно осуществлять подсчет и измерять расход семян или зерен по мере того, как поток семян или зерен выходит из высевающего устройства 16. Используемый в настоящем описании термин "семена" означает множество схожих семян, зерен или семечек, имеющих по существу одинаковый размер и применимых для высева. Такие семена могут включать, например, мелкие семена, такие как семена канолы со средним диаметром около 1 мм и крупные семена, такие как зерна кукурузы или маиса со средним диаметром около 5 мм.

Как показано на фиг.2 и 3, устройство 10 включает корпус 12. Через часть корпуса 12 проходит загрузочное отверстие 18 для семян, определяющее область измерений семян. Отверстие 18 и область измерений обозначены на фиг.3 заштрихованной наискось областью. В проиллюстрированном варианте осуществления отверстие 18 имеет ширину (в направлении "х") и глубину (в направлении "z"), которые примерно в 10-60 раз превышают средний диаметр семян, подсчитываемых устройством 10. Корпус 12 может быть выполнен из алюминия или любого другого применимого материала. В одном из вариантов осуществления по меньшей мере некоторые внутренние поверхности корпуса 12 могут быть окрашены в темный цвет, чтобы свести к минимуму световое отражение внутри корпуса 12. Предпочтительно измерительное устройство 10 имеет компактные размеры и форму, благодаря чему устройство 10 легко переносить и просто устанавливать в рабочем положении, например, показанном на фиг.1. Например, в варианте осуществления, показанном на фиг.1-3, устройство 10 может иметь длину около 360 мм (около 14,2 дюйма), высоту около 98 мм (около 3,9 дюйма) и ширину около 72 мм (около 2,8 дюйма). В данном варианте осуществления устройства 10 отверстие 18 имеет размеры около 58 мм на около 58 мм (около 2,3 дюйма на 2,3 дюйма). Ширина и глубина отверстия 18 примерно в 10 раз превышает средний диаметр крупных семян, подсчитываемых устройством 10, таких как семена кукурузы или маиса, и примерно в 60 раз превышает средний диаметр мелких семян, подсчитываемых устройством 10, таких как семена канолы.

Как показано на фиг.2 и 3, на первой стороне отверстия 18 расположен источник 32 света. Источник 32 света может проходить по существу по всей ширине отверстия 18, как это показано на фиг.3. Источником 32 света может являться любой источник, способный обеспечивать достаточно света, чтобы устройство 10 верно обнаруживало семена предварительно выбранного размера по мере того, как семена проходят через отверстие 18, что более подробно описано далее. Одним из источников 32 света, применимых в варианте осуществления измерительного устройства 10, показанного на фиг.1 и 2, является матрица из двадцати двух светодиодных ламп сверхъяркого красного свечения Kingbright №L-934SRC-G производства компании "Kingbright Corporation".

Вблизи конца корпуса 12, противоположного источнику 32 света, расположено устройство 40 считывания изображения. Устройством 40 считывания изображения также может являться любой фотодатчик, способный верно считывать изображения частиц по мере их прохождения через отверстие 18. Используемый в настоящем описании термин "изображение" относится к оптическому или зрительному представлению или воспроизведению объекта и может включать, например, силуэт объекта. В варианте осуществления устройства 10, показанном на фиг.2 и 3, устройством 40 считывания изображения является прибор с зарядовой связью (ПЗС). Датчик 40 на основе ПЗС включает множество фоточувствительных полупроводниковых элементов (пикселей), которые преобразуют свет в электронный заряд. Одним из ПЗС, применимых в измерительном устройстве 10, является прибор TAOS, модель № TSL202, производства компании "Texas Advanced Optoelectronic Solutions, Inc". Прибор TSL202 ПЗС имеет две 64-пиксельные матрицы.

На фиг.4 проиллюстрировано, как ПЗС 40 действует в качестве фотодатчика. Свет, падающий на пиксель 42, генерирует фототок, который затем аккумулирует активная интегрирующая схема 43, связанная с таким пикселем 42. На протяжении аккумулирования конденсатор с дискретизацией посредством аналогового переключателя соединен с выходом интегратора. Количество заряда, аккумулируемого на каждом пикселе 42, 44, 46, 48, прямо пропорционально интенсивности света, падающего на такой пиксель, и времени аккумулирования. Сдвиговый регистр 47 внутри датчика 40 на основе ПЗС через регулярные синхронизируемые интервалы последовательно сдвигает аккумулированный заряд каждого пикселя 42, 44, 46, 48 и т.д. в направлении соседнего пикселя. Чтобы извлечь аналоговый сигнал из датчика, необходимо сто двадцать восемь синхронизирующих импульсов для считывания всего регистра 43. Соответственно, каждый "пакет" заряда пропускают по кремниевой подложке матрицы 40. Как только входной сигнал достигает последнего пикселя 48 матрицы, заряд преобразуется в напряжение, которое усиливает аналоговый блок 50 в виде выходного усилителя, в результате чего получают аналоговый выходной сигнал (АО).

В варианте осуществления устройства 10, показанном на фиг.2 и 3, линза 24 объектива проецирует на датчик 40 изображения световые изображения из области измерений внутри отверстия 18. Положение линзы 24 объектива зафиксировано относительно датчика 40 изображения. Объекты внутри отверстия 18 перекрывают свет, поступающий из источника света, и не дают части света достигать датчика 40 изображения. Соответственно, для датчика изображения объекты выглядят как темные очертания или тени. В одном из вариантов осуществления устройства 10 в качестве линзы 24 может использоваться линза Componon-S 5,6/135 производства компании "Jos. Schneider Optische Werke GmbH" с фокусным расстоянием 135 мм.

Перед тем, как достигнуть линзы 24 объектива, свет из источника 32 света через узкую прорезь 19 попадает на первое зеркало 20 и затем перемещается по удлиненному оптическому пути, который создан первым зеркалом 20 и противоположным вторым зеркалом 22. Первое и второе зеркала 20, 22 в сочетании образуют удлинитель оптического пути. В проиллюстрированном варианте осуществления устройства 10 зеркала 20, 22 расположены по существу параллельно друг другу и под углом около 3° к вертикали. Второе зеркало 22 расположено немного ниже первого зеркала 20. Предпочтительно каждое зеркало 20, 22 имеет отражающий слой, расположенный на его внутренней поверхности, т.е. поверхности, которая обращена к другому зеркалу 20, 22. Отражающие слои на обращенных друг к другу поверхностях зеркал 20, 22 предотвращают искажение изображения, которое в противном случае происходило бы из-за преломления лучей стеклянной подложкой зеркал 20, 22. В проиллюстрированном варианте осуществления устройства 10 зеркала имеют высоту около 65 мм, ширину около 39,5 мм и толщину около 2 мм. При такой конструкции свет из источника 32 света падает на отражающую поверхность первого зеркала 20 и отражается от нее в направлении отражающей поверхности второго зеркала 22. Свет многократно попеременно отражается от зеркал 20, 22 до тех пор, пока свет, отраженный от нижней части второго зеркала 22, не пройдет под первым зеркалом 20 и не попадет на линзу 24 объектива. В проиллюстрированном варианте осуществления устройства 10 перед тем, как попасть на линзу 24, свет попеременно отражается до 18 раз. За счет этого по существу увеличивается эффективное оптическое расстояние между центром отверстия 18 и линзой 24.

В проиллюстрированном на фиг.1 и 2 варианте осуществления устройства 10, физическое расстояние L₁ между линзой 24 и центром отверстия 18 составляет около 75 мм (около 3 дюймов). Однако общее оптическое расстояние, которое должен преодолеть свет от центра отверстия 18 между зеркалами 20, 22 и до линзы 24, составляет около 703 мм (около 27,7 дюйма). Соответственно, в проиллюстрированном варианте осуществления оптическое расстояние между линзой 24 и центром отверстия 18 примерно от девяти до десяти раз больше действительного физического расстояния L₁ между линзой 24 и отверстием 18. В других вариантах осуществления соотношение эффективного оптического расстояния и действительного расстояния между отверстием 18 и линзой 24 может составлять от около 5:1 до около 20:1. В еще одном варианте осуществления соотношение может составлять от около 7:1 до около 15:1 или более предпочтительно от около 8:1 до около 12:1. Связь этого увеличенного оптического расстояния со способностью компактного устройства 10 получать резкие изображения частиц или семян и, тем самым, подсчитывать частицы или семена рассмотрена ниже. Для увеличения эффективного оптического расстояния необходимо соответствующее увеличение ширины прорези 19 с учетом более широкой эффективной область формирования изображения. Кроме того, для увеличения эффективного оптического расстояния также необходимо соответствующее увеличение интенсивности источника 32 света. Эффективное оптическое расстояние можно менять путем изменения расстояния между зеркалами 20, 22 и/или наклона зеркал 20, 22.

Измерительное устройство 10 дополнительно включает модуль 30 электронной аппаратуры. Как показано на фиг.5а, модуль 30 электронной аппаратуры включает аналоговый блок 50 в виде аналогово-цифрового преобразователя 50, аппаратный фильтр 60 и микропроцессор или микроконтроллер 70. Аналоговый выходной сигнал (АО), поступающий от датчика 40 изображения, вводят в преобразователь 50. Преобразователь 50 усиливает аналоговый сигнал, пропускает аналоговый сигнал через компаратор и генерирует соответствующий цифровой сигнал (RES), который поступает в фильтр 60. Фильтр 60 удаляет из цифрового сигнала некоторые данные (как это описано далее) и вводит окончательно фильтрованный сигнал (OUT) в микроконтроллер 70. В проиллюстрированном варианте осуществления модуля 30 контроллер 70 включает генератор 72 синхроимпульсов (CLK), счетчик 74 и порт 76 вывода данных. В качестве порта 76 вывода данных может использоваться, например, последовательный порт RS232 передачи данных удаленному компьютеру 80. В качестве альтернативы, порт 76 вывода данных может представлять собой беспроводное передающее устройство для передачи данных удаленному беспроводному приемнику или подобному устройству. Контроллер 70 управляет работой датчика 40 изображения и обеспечивает синхронизацию датчика 40, аналого-цифрового преобразователя 50 и фильтра 60.

На фиг.5б показан аналогово-цифровой преобразователь 50. Аналоговый сигнал АО, поступающий от датчика 40 на основе ПЗС, пропускают через усилитель 51. Усиленный сигнал пропускают через аналоговый компаратор 52 и сравнивают с пороговым напряжением, чтобы получить сигнал лишь с двумя уровнями (световой сигнал и теневой сигнал). Аналоговый компаратор 52 преобразует аналоговый сигнал АО в цифровой сигнал, который затем обрабатывает D-триггерное цифровое логическое устройство 54. Для исключения всплесков, присущих архитектуре датчика 40 на основе ПЗС, сигнал на выходе компаратора 52 синхронизируют с системным генератором синхроимпульсов датчика 40 на основе ПЗС. Для получения датчиком 40 на основе ПЗС стабильных результатов измерения сигнала АО требуется небольшая задержка во времени. Сигнал RES 56, поступающий из триггерного устройства 54, отображает все семена при сканировании (как это показано на фиг.6).

Сигнал RES 56 на выходе триггерного устройства 54 пропускают через аппаратный фильтр. Как показано на фиг.5в, сигнал RES 56 используют для переустановки на ноль независимого счетчика 74, приводимого в действие сигналом генератора 72 синхроимпульсов. При каждом воздействии сигнала низкого уровня на сигнальный контакт RES счетчика 74, счетчик 74 обнуляется и перестает вести подсчет. При поступлении на сигнальный контакт RES сигнала высокого уровня счетчик 74 начинает вести подсчет с ноля до тех пор, пока сигнал RES 56 снова не переключится на режим низкого уровня. Когда показание "В" счетчика достигает величины, равной показанию DATA "А", компаратор 59 идентичности генерирует сигнал "OUT" 53, соответствующий точно одному периоду синхронизирующих импульсов. Если показание счетчика обнулилось до того, как А=В, сигнал не генерируется. Если показание DATA "А" обнулилось, возникает особое условие. В этом случае сигнал RES 56 и сигнал OUT 53 совершенно идентичны, и фильтрация не происходит.

На фиг.6 проиллюстрирована обработка сигналов данных, поступающих от датчика 40 изображения, модулем 30 электронной аппаратуры. Аналоговый сигнал 100 отображает типичный выходной сигнал АО "кадра", захваченного датчиком 40 изображения. Кадр представляет собой оптическое сканирование отверстия 18 полной ширины. Аналоговый сигнал 100 включает два относительно сильных видеоимпульса 102, 106 и два относительно слабых видеоимпульса 104, 108. Импульсы указывают на отсутствие света, который не попадает на датчик 40 изображения во время сканирования из-за перекрывающего свет объекта, и поэтому выглядят как перевернутые импульсы аналогового сигнала, показанного на фиг.6. Показателем силы видеоимпульса является ширина импульса (длительность, измеряемая генератором 72 синхроимпульсов), а также амплитуда перевернутого импульса (темный цвет получаемого изображения). Более сильные видеоимпульсы 102, 106 отображают получаемые изображения двух частиц или семян, имеющих значимый размер, а более слабые видеоимпульсы 104, 108 отображают получаемые изображения двух более мелких объектов, таких как частицы пыли. После того, как аналоговый сигнал 100 данных пропускают через аналого-цифровой преобразователь 50, получают оцифрованный сигнал 300. Как показано на фиг.6, оцифрованный сигнал 300 включает четыре прямоугольных импульса 302, 304, 306, 308, которые соответствуют перевернутым импульсам 102, 104, 106 и 108 аналогового сигнала 100 с амплитудой ниже заданного порога. Как и аналоговый сигнал 100, оцифрованный сигнал 300 включает два более сильных (широких) импульса 302, 306, которые отображают относительно крупные частицы или семена, и два относительно слабых (узких) импульса 304, 308, которые отображают мелкие частицы пыли.

Показание 400 счетчика увеличивается, когда оцифрованный сигнал 300 объединен и включает две высокие пилообразные вершины 402, 406, которые соответствуют областям под более широкими прямоугольными импульсами 302, 306 оцифрованного сигнала 300 и отображают относительно крупные частицы или семена, и две менее высокие пилообразные вершины 404, 408, которые соответствуют областям под более узкими прямоугольными импульсами 304, 308, отображающими мелкие частицы пыли. Фильтр 60 исключает менее высокие вершины 404, 408, поскольку они не соответствуют или не превосходят предварительно выбранное минимальное значение ширины импульса, и генерирует окончательный выходной сигнал или сигнал 500 счета. Окончательный выходной сигнал 500 включает два прямоугольных импульса 502, 506, соответствующих двум высоким вершинам 402, 406 объединенного сигнала 400. Затем окончательный выходной сигнал 500 поступает из фильтра 60 в счетчик 74. Если предварительно выбранная ширина полосы фильтрации фильтра 60 установлена на ноль, цифровой сигнал 302 поступает непосредственно в микропроцессор 70, и устройство 10 сосчитает четыре, а не два семени. Таким образом, без фильтра 60 наряду с семенами также сосчитывают мелкие объекты, такие как частицы пыли. После фильтрации каждая последовательность верхних и нижних краев сигнала OUT 500 отображает семя во время сканирования и может быть сосчитана внутренним счетчиком 58 микроконтроллера 70.

На фиг.7 показано, как измерительное устройство 10 сканирует и подсчитывает частицы, такие как семена по мере их прохождения через отверстие 18. На фиг.7 каждая линия 600-605 отображает сигнал, который соответствует одному из ряда последовательных оптических сканирований отверстия 18, которые получает датчик 40 изображения по мере того, как два семени 610, 620 и одна частица 630 пыли по существу одновременно проходят через отверстие 18. Поскольку датчик 40 изображения не обнаружил изображений объектов при первом сканировании ("n"), передаваемый счетчику окончательный выходной сигнал 600 представляет собой ровную линию без счетных импульсов. Во время второго сканирования ("n+1"), датчик 40 изображения обнаружил частицу 630 пыли, попавшую на линию визирования датчика 40 после завершения первого сканирования отверстия. В результате второго сканирования генерируют оцифрованный сигнал 601а, который включает один узкий прямоугольный импульс, и окончательный выходной сигнал 601b в виде ровной линии. Выходной сигнал 601b не включает счетных импульсов, поскольку установлено, что один прямоугольный импульс оцифрованного сигнала 601а, который соответствует частице 630 пыли, слишком узок, чтобы отображать семя, в результате чего его отфильтровывают из окончательного сигнала 601b.

Во время третьего сканирования ("n+2") датчик 40 изображения обнаруживает узкую нижнюю часть первого семени 610 и широкую часть второго семени 620, что отображено в оцифрованном сигнале 602а. Из-за относительно небольшой ширины прямоугольного импульса оцифрованного сигнала 602а, которые соответствуют первому семени 610, данный импульс отфильтровывают из окончательного сигнала 602b. Соответственно, окончательный сигнал 602b включает лишь один импульс, который соответствует второму семени 620. Во время четвертого сканирования ("n+3") датчик 40 изображения обнаруживает широкую часть первого и второго семян 610, 620. Соответственно, после фильтрации оцифрованного сигнала 603а окончательный сигнал 603b включает два счетных импульса, которые соответствуют двум семенам 610, 620. На момент пятого сканирования ("n+4") второе семя уже прошло линию визирования датчика 40 изображения, поэтому датчик 40 обнаруживает лишь широкую часть первого семени 610. Соответственно, оцифрованный сигнал 604а и окончательный сигнал 604b включают один прямоугольный импульс, который соответствует первому семени. На момент последнего сканирования ("n+5") оба семени уже прошли линию визирования датчика 40, поэтому окончательный сигнал 605 не включает счетных импульсов. Далее в таблице показано, как контроллер 70 и счетчик 74 анализируют данные изображения, представленные окончательными сигналами 600, 60lb, 602b, 603b, 604b и 605, которые показаны на фиг.7, чтобы определить число семян, которое отображено данными.

Оптическое сканирование Подсчет семени №1 Подсчет семени №2 Показание счетчика Окончательный результат (если результат >0, указать сосчитанное число) n-1 0 0 0 Неприменимо n 0 0 0 0-0=0; сосчитано ноль семян n+1 0 0 0 0-0=0; сосчитано ноль семян n+2 0 1 1 0-1=-1; сосчитано ноль семян n+3 1 1 2 1-2=-1;сосчитано ноль семян n+4 1 0 1 2-1=1; сосчитано семя №2 n+5 0 0 0 1-0=1; сосчитано семя №1

В столбцах "Подсчет семени №1" и "Подсчет семени №2" таблицы показано наличие или отсутствие счетного импульса первого семени 610 и второго 620 соответственно, в окончательном сигнале счета для каждого оптического сканирования с "n" по "n+5. Показание счетчика в таблице представляет собой общее число счетных импульсов, которые включены в каждый сигнал счета для каждого сканирования (т.е. сумму значений из столбцов "Подсчет семени №1" и "Подсчет семени №2"). Контроллер 70 микропроцессора определяет окончательный результат каждого сканирования, что отображено в последнем столбце таблицы. При каждом оптическом сканировании процессор 70 вычитает текущее показание счетчика для последнего сканирования из показания счетчика для непосредственно предшествующего сканирования. Если итог выражен положительным числом (>0), его выражают в виде сосчитанных семян. Как показано в таблице, ряд сканирований, проиллюстрированных на фиг.7, дает верный окончательный результат, выраженный двумя сосчитанными семенами.

Микропроцессор 70 системы передает данные подсчета семян удаленному компьютеру 80 в потоке данных, который может иметь следующий формат:

ОТСЧЕТЫ ВРЕМЕНИ/СКАНИРОВАНИЕ КЭШ\r\n начало нового измерения

00024А9С 01 00\г\n обнаружено первое семя 00024AEF 01 00\г\n второе семя 00024В42 02 00\г\n два семени в одном сканировании 00024В96 01 02\г\n еще два набора данных для считывания

В приведенном выше потоке данных временные данные представляют собой 32-разрядное число (шестнадцатеричный формат), которое соответствует абсолютному времени с момента начала измерений. Соответственно, зарегистрированные данные включают истекшие временные интервалы между следующими друг за другом семенами в потоке семян и могут быть обработаны с целью вычисления различных особенностей расхода зерен, таких как средний расход и статистическое распределение расхода. Разрешающая способность по времени может составлять около 400 микросекунд, что соответствует частоте сканирования датчика изображения около 2500 Гц. При этом происходит постоянное сканирование области измерений, ограниченной отверстием 18, с частотой сканирования 2500 раз в секунду. За счет высокой частоты сканирования устройство 10 способно эффективно подсчитывать семена или другие частицы, перемещающиеся с высокой скоростью. В одном из вариантов осуществления, микропроцессор 70 предоставляет данные удаленному компьютеру 80, который генерирует отчет об измеренных параметрах, включая статистическую оценку данных.

Как показано в приведенном выше примере, устройство 10 способно подсчитывать множество частиц или семян, которые по существу одновременно проходят через отверстие 18. Соответственно, устройство 10 способно точно подсчитывать семена, разбрасываемые из высевающего устройства, хотя такое устройство может по меньшей мере изредка разбрасывать сразу по два или более соединенных друг с другом семян (так называемые "дубли"). Таким образом, устройство 10 особо применимо для измерения числа и насыпного веса семян, которые высеивает устройство в течение заданного периода времени. Кроме того, устройство 10 особо применимо для оценки влияния различных видов обработки семян на точность высева у обычных высевающих устройств. Помимо этого, устройство 10 применимо для определения оптимальных аппаратных настроек высевающих устройств в зависимости от определенных типов семян и составов для обработки, таких как жесткость пружины у сеялок с ручным управлением, уровень вакуума и положение скрепера у вакуумных сеялок, влияние скорости движения на точность высева и т.п., что хорошо известно из техники.

За счет увеличенного оптического расстояния, создаваемого противоположными зеркалами 20, 22, может улучшаться способность устройства 10 обнаруживать частицы или семена, проходящие через отверстие 18, независимо от положения частиц в отверстии 18. Данный результат проиллюстрирован на примере компактного оптического измерительного устройства 600, которое показано на фиг.8а-8в, аналогичного описанному выше измерительному устройству 10, но без зеркала 20 и зеркала 22. Как и устройство 10, устройство 600 включает отверстие 618, ограничивающее область измерений, источник 632 света, линзу 624, датчик 640 изображения. Линза 624 установлена на расстоянии L₂ от центра отверстия 618, а датчик 640 изображения установлен на расстоянии L₁ от линзы 624. Линзу 624 и расстояния L₁ и L₂ выбирают таким образом, чтобы на датчик 640 изображения проецировалось точно сфокусированное изображение семени 690, проходящего через центр отверстия 618. За счет этого по существу отсутствует размытость изображения семени или частицы 690, когда семя или частица 690 проходит по существу через центр отверстия 618, как это показано на фиг.8а.

На фиг.8б показан случай, когда семя или частица 692 проходит через переднюю часть отверстия 618, которая находится по существу ближе к линзе 624, чем центр отверстия 618. Поскольку семя или частица 692 находится по существу ближе к линзе, изображение семени или частицы проецируется в точку, которая находится на расстоянии "а" впереди датчика 640 изображения. В результате, изображение, достигающее датчика 640 изображения, является не сфокусированным и имеет значительную размытость. Аналогичный результат получают, когда семя или частица 694 проходит через заднюю часть отверстия 618, которая находится по существу дальше от линзы 624, чем центр отверстия 618, как это показано на фиг.8в. В этом случае изображение семени или частицы 694 проецируется в точку, которая находится на расстоянии "b" позади датчика 640 изображения. В результате, изображение, достигающее датчика 640 изображения, также является не сфокусированным и имеет значительную размытость. В случае достаточной размытости изображения семени система, подобная описанному выше устройству 10, не способна распознать в размытом изображении семя. Если выражаться языком фотографии, устройство 600 имеет очень малую глубину резкости.

На фиг.9а и 9б проиллюстрировано влияние глубины резкости на качество воспринимаемого изображения и конечное влияние на соответствующий аналоговый сигнал, генерируемый датчиком 40 изображения. На фиг.9а показан результат сканирования с использованием компактного оптического измерительного устройства 600, подобного устройству, описанному выше и показанному на фиг.8а-8в. Когда семя 710 проходит через центр отверстия 618, изображение семени 710 в таком устройстве 600 резко фокусируется на датчик 640 изображения, а соответствующий мощный импульс 722 создает аналоговый выходной сигнал 720 датчика изображения. Однако, когда семя 712 проходит по существу позади центра отверстия 618 или семя 714 проходит по существу впереди центра отверстия 618, изображения, проецируемые на датчик 640 изображения, являются по существу размытыми. В результате, соответствующие импульсы 724, 726 в аналоговом выходном сигнале 720 датчика изображения имеют относительно небольшие амплитуды, меньшие, чем пороговая амплитуда А₀ Соответственно, несфокусированные семена 712 и 714 не подсчитываются.

В отличие от этого, за счет увеличенного оптического расстояния между отверстием 18 и линзой 24, создаваемого противоположными зеркалами 20, 22, как это описано выше, предложенное в изобретении устройство 10 способно точно подсчитывать частицы или семена независимо от положений частиц или семян в широком отверстии 18. Увеличенное оптическое расстояние обеспечивает в основном резкое изображение частицы или семени, проецируемое на датчик 40 изображения линзой 24 независимо от положения частицы или семени в отверстии. Иными словами, зеркала 20, 22 в сочетании обеспечивают увеличенную глубину резкости, за счет чего изображения объектов, расположенных в любом положении в отверстии 18, проецируются на датчик 40 изображения в виде в основном резких изображений. Как показано на фиг.9б, независимо от того, проходит ли семя 810 через центр отверстия 18, через заднюю часть отверстия 18 или через переднюю часть отверстия 18, получаемый аналоговый выходной сигнал 820 включает соответствующие мощные импульсы 822, 824, 826, амплитуда каждого из которых превосходит пороговую амплитуду А₀. Иными словами, за счет по существу отсутствия размытости у изображений трех семян, амплитуды всех трех импульсов, генерируемых датчиком 40 изображения, являются одинаково большими. Соответственно, устройство 10 способно точно сосчитать все семена 810, 812, 814. Таким образом, хотя устройство 10 имеет небольшую длину, а оптические устройства 24 системы являются стационарными и нерегулируемыми, устройство 10 рассчитано на значительные изменения расстояния между отображаемыми объектами и линзой 24 с незначительным влиянием или без влияния на точность подсчета. Например, в описанном выше варианте осуществления устройства 10 расстояние от семени до линзы 24 может меняться в пределах ±29 мм без отрицательного воздействия на способность устройства обнаруживать семена по мере их прохождения через отверстие 18. Иными словами, при среднем диаметре семени около 1 мм устройство 10 рассчитано на общее изменение расстояния, которое до 60 раз превышает диаметр семени. Соответственно, устройство 10 способно точно подсчитывать семена в потоке семян, ширина и глубина которого примерно до 60 раз превосходят средний диаметр семени.

Компактное счетное устройство 10, подобное описанному выше, способно с высокой точностью подсчитывать семена или частицы в диспергированном потоке семян или частиц. Например, предполагается, что такое устройство 10 имеет точность подсчета по меньшей мере около 99%, вплоть до около 99,9%. Поскольку устройство 10 рассчитано на частицы, которые распространены по потоку, не требуется сужать диспергированный поток перед тем, как частицы поступят в устройство. Например, если устройство 10 используют для измерения расхода высева обычного высеивающего устройства, выходящий из устройства поток может подаваться непосредственно через отверстие 18 без предварительного сужения или иного ограничения потока семян, выходящего из высеивающего устройства.

Как показано на фиг.10, в изобретении также предлагается представленный на блок-схеме 800 способ измерения характеристики потока диспергированных семян, глубина которого по существу превышает размер семян. Способ включает стадию 810, на которой поток семян пропускают через область измерений, имеющую достаточную глубину. Предпочтительно глубина области измерений равна или больше глубины потока и может примерно до 58 раз превышать диаметр семян. Способ на блок-схеме 800 дополнительно включает стадию 820, на которой получают в основном резкое изображение по существу каждого семени из потока семян по мере их прохождения через область измерений, независимо от положения семян в области измерений. Соответственно, получают в основном резкое изображение по существу каждого семени из потока независимо от того, находится ли семя в центре потока или вдоль или вблизи заднего или переднего краев потока. Наконец, на стадии 830 анализируют полученные изображения семян, чтобы определить по меньшей мере одну характеристику потока семян. Определяемой характеристикой, может являться, например, количество семян в потоке или временной интервал или расстояние между следующими друг за другом частицами в потоке семян. Если поток семян включает семена и/или другие объекты по меньшей мере двух различных размеров, определяемой характеристикой может являться, например, число семян или объектов, размер которых превышает определенный размер.

При помощи системы 10 и представленного на блок-схеме 800 способа можно измерять потоки частиц, диаметр которых равен или больше примерно 1 мм. Соответственно, эти устройство и способ применимы для подсчета и измерения расхода мелких семян, таких как семена канолы, или более крупных семян, таких как зерна кукурузы или маиса.

В рассмотренных выше различных вариантах осуществления изобретения описаны и проиллюстрированы различные особенности изобретения без ограничения его объема.

Специалистам в данной области техники будет понятно, что в описанные варианты осуществления могут быть внесены различные изменения и усовершенствования, не выходящие за пределы существа и объема изобретения. Например, несмотря на то, что применение устройства и способа описано для определения характеристик движущихся семян, устройство также может использоваться для измерения потоков других объектов или частиц. Подразумевается, что все такие изменения и усовершенствования находятся в пределах объема притязаний приложенной формулы изобретения.

Изобретение относится к области измерительной техники и предназначено для использования с высевающими устройствами. Изобретение направлено на повышение точности количества и расхода семян при их высеве, а также на создание компактности и портативности устройства для счета и измерения расхода семян в потоке. Этот результат обеспечивается за счет того, что система для счета семян включает область формирования изображения, устройство считывания изображения и линзу, расположенную между областью формирования изображения и устройством считывания изображения. Расположенный между областью формирования изображения и линзой удлинитель оптического пути создает эффективное оптическое расстояние между областью формирования изображения и линзой, которое по существу превышает физическое расстояние между областью формирования изображения и линзой, за счет чего обеспечивается достаточная глубина резкости. 4 н. и 21 з.п. ф-лы, 15 ил., 1 табл.

1. Система для счета семян, включающая область формирования изображения, устройство считывания изображения, линзу, расположенную между областью формирования изображения и устройством считывания изображения, и удлинитель оптического пути между областью формирования изображения и линзой, за счет которого эффективное оптическое расстояние между областью формирования изображения и линзой по меньшей мере в пять раз превышает физическое расстояние между ними.

2. Система по п.1, в которой удлинитель оптического пути включает несколько зеркал.

3. Система по п.1 или 2, в которой удлинитель оптического пути включает пару, по существу, параллельных зеркал.

4. Система по п.1, в которой устройство считывания изображения включает прибор с зарядовой связью.

5. Система по п.1, в которой область формирования изображения имеет глубину, которая примерно в 10-60 раз превышает диаметр подсчитываемых семян.

6. Устройство для измерения расхода частиц, включающее корпус с отверстием в нем, датчик изображения, расположенный на первой стороне отверстия, источник света, расположенный на второй стороне отверстия, напротив первой стороны, линзу, фокусирующую свет из источника света на датчик изображения и расположенную на первом расстоянии от отверстия, и пару противоположных зеркал, расположенных между линзой и отверстием с возможностью отражения излучаемого источником света от зеркал таким образом, что расстояние, которое свет проходит от источника света до линзы по меньшей мере в пять раз превышает первое расстояние.

7. Устройство по п.6, в котором датчик изображения включает прибор с зарядовой связью.

8. Устройство по п.6, в котором противоположные зеркала в основном параллельны друг другу.

9. Устройство по любому из пп.6-8, в котором пара противоположных зеркал представляет собой пару зеркал с противоположно расположенными поверхностями, на каждую из которых нанесен зеркально отражающий материал.

10. Устройство по п.6, дополнительно включающее аналогово-цифровой преобразователь для преобразования аналогового сигнала данных датчика изображения в цифровой сигнал.

11. Устройство по п.10, дополнительно включающее фильтр для фильтрации цифрового сигнала.

12. Устройство по п.6, дополнительно включающее микропроцессор для счета изображений, считываемых датчиком изображения.

13. Устройство по п.6, дополнительно включающее микропроцессор для измерения истекшего временного интервала между следующими друг за другом изображениями, получаемыми датчиком изображения.

14. Способ измерения характеристик потока раздельных частиц, глубина которого примерно в 10-60 раз превышает размер частиц, включающий стадии, на которых: пропускают поток частиц через область измерений, глубина которой равна ширине потока или больше ширины потока, при прохождении потока частиц через область измерений получают, по существу, сфокусированное изображение в основном каждой частицы в потоке независимо от положения частицы в области измерений, и анализируют полученные изображения частиц для определения по меньшей мере одной характеристики потока частиц.

15. Способ по п.14, в котором характеристикой является количество частиц в потоке.

16. Способ по п.14, в котором характеристикой является временной интервал между следующими друг за другом частицами в потоке.

17. Способ по п.14, в котором дополнительно генерируют цифровой сигнал, отображающий размер и резкость изображения каждой частицы в потоке, и при этом анализ полученных изображений частиц включает анализ цифрового сигнала.

18. Способ по п.14, в котором поток представляет собой поток частиц по меньшей мере двух различных размеров, а характеристикой является число частиц в потоке, размер которых равен или превышает предварительно выбранный размер.

19. Способ по п.14, в котором поток представляет собой поток частиц по меньшей мере двух различных размеров, а характеристикой является расход частиц в потоке, размер которых равен или превышает предварительно выбранный размер.

20. Компактное устройство для счета семян, включающее средство получения в основном резкого изображения семени в, по существу, диспергированном потоке семян, имеющем среднюю ось, обеспечивающее в основном резкое изображение каждого семени в потоке независимо от расстояния до семени от оси потока.

21. Устройство по п.20, в котором средство получения в основном резкого изображения включает датчик изображения, линзу, фокусирующую изображения семян на датчик изображения и расположенную между датчиком изображения и средней осью потока на первом расстоянии от средней оси потока, и несколько зеркал, установленных с возможностью обеспечения эффективного оптического расстояния между средней осью потока и линзой, по меньшей мере примерно в пять раз превышающего первое расстояние.

22. Устройство по п.21, в котором датчик изображения включает прибор с зарядовой связью.

23. Устройство по любому из пп.20-22, дополнительно включающее средство избирательного подсчета частиц, размер которых равен или превышает предварительно выбранный размер.

24. Устройство по п.23, в котором средство избирательного подсчета включает аналогово-цифровой преобразователь для преобразования аналогового сигнала данных в виде изображения в цифровой сигнал изображения, который отображает размеры изображаемых частиц, и фильтр для фильтрации цифрового сигнала с целью удаления данных, отображающих частицы, размер которых меньше предварительно выбранного размера частиц.

25. Устройство по любому из пп.20-22, в котором средство получения в основном резкого изображения семени в, по существу, диспергированном потоке семян способно давать в основном резкое изображение каждого семени в потоке, движущемся со скоростью примерно от 10-20 семян в секунду.