СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ АНАЛИЗА И РАЗДЕЛЕНИЯ ЗЕРНА Российский патент 2013 года по МПК G01N21/85 B07C5/342 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к способу и устройству для оперативного анализа объемов зерна и разделения зерна на партии на основании одного или более значений параметра зерна.

В описании изобретения термин "оперативный" относится к процедуре, которая может выполняться, пока устройство действует, и не требует остановки устройства в ходе процедуры.

Качество используемого зерна является важным аспектом всех типов обработки зерна. Например, при солодовании, качество ячменя оказывает значительное влияние на конечное качество солода. Двумя наиболее критическими факторами, определяющими качество ячменя, являются влажность зерна и содержание белков, и поэтому данные факторы требуют особого внимания до хранения и обработки.

Содержание влаги в зерне оказывает большое влияние на его здоровье и жизнеспособность во время хранения. Сжатый ячмень, например, с содержанием влаги свыше 14% от веса ячменя, нуждается в высушивании для снижения уровня влажности от 12% до 13% до хранения. Точный уровень зависит от предполагаемой длительности хранения до обработки и температуры хранения. Процесс сушки должен быть достаточно деликатным, и, таким образом, используются температуры воздуха, не превышающие 65°C-70°C в зависимости от начального содержания влаги в зерне. Окончательная температура зерна не должна превышать 40°C, иначе необратимое повреждение зародыша и других живых тканей ячменя повредит последующему процессу солодования.

Уровни белка в ячмене определяют окончательные уровни белка в солоде и, таким образом, качество солода. Обнаружено, что ячмень, имеющий содержание белков в диапазоне от 9,5% до 12% сухого вещества, будет давать солод, имеющий уровень белка в пределах от 9,2% до 11,7% сухого вещества. Содержание белков влияет на водопоглощение при пропитывании и степень и качество модификации эндосперма при прорастании, и, таким образом, неоднородное содержание белка в партии зерна приведет к неоднородному прорастанию партии. Это повлияет на цвет, аромат и вкус солода, а также последующую обработку солода.

В настоящее время доступно много методов измерения содержания белка и влаги в зерне. Содержание влаги можно измерять, взвешивая партии зерна до и после высушивания, однако основной недостаток этого способа состоит в том, что он требует много времени, причем анализ каждой партии занимает от 2 до 3 часов. На основании этого принципа были разработаны быстрые методы, например, метод Сарториуса, и, согласно этому методу, для анализа требуется, например, лишь 20-30 минут, включая подготовку, но, как выяснилось, он менее точен. Другой быстрый метод измерения содержание влаги называется "HOH-Express" (Heckmann company, Германия). Этот метод занимает лишь три-пять минут и обладает хорошей точностью, но требует предварительного автоматического или ручного взятия образцов, занимающего много времени. Предыдущие методы измерения содержания белков включают в себя метод Кьелдала, который предусматривает азотный анализ. Этот метод также требует много времени и нуждается во взятии образцов.

Согласно всем вышеупомянутым методам берется несколько образцов из партии, эти объемы анализируются согласно этим методам, и вычисляется средний результат для значений конкретного измеряемого параметра зерна, т.е. содержания белков, содержания влаги. Однако среднее значение для измеряемого значения параметра зерна зависит от типа зерна в каждом образце и, в общем случае, может не представлять всю партию зерна.

Усовершенствованное устройство для измерения параметров зерна раскрыто в патенте США № 5,406,084. В этом документе раскрыт способ и устройство измерения в NIR для оперативного измерения ингредиентов текучих продуктов питания. Однако, после получения измерений, они усредняются для обеспечения среднего значения для конкретного ингредиента для партии зерна. Поэтому предполагается, что эти способ и устройство приводят к неоднородности в партиях зерна.

Соответственно, необходим более эффективный способ и устройство для анализа и для разделения зерна для обеспечения более однородных партий зерна на основании конкретного параметра зерна.

Раскрытие изобретения

Согласно изобретению, предусмотрен способ оперативного анализа объемов зерна и разделения зерна на партии на основании одного или более значений параметра зерна, причем способ содержит этапы, на которых:

подают оптически плотный слой зерна непрерывно через зону оперативных измерений;

анализируют объем зерна путем излучения света на слой зерна, причем свет отражается от объема зерна, проходящего через зону оперативных измерений, и обнаруживают свет, отраженный от объема зерна для обеспечения спектра объема зерна;

преобразуют спектр в значение параметра зерна или значение каждого параметра зерна; и

разделяют зерно на партии путем сортировки объема зерна на основании значения параметра зерна или значения каждого параметра зерна

отличающийся тем, что:

зерно оперативно разделяют на основании значения параметра зерна или значения каждого параметра зерна.

Преимущество этого способа состоит в более точном разделении зерна на основании указанного значения параметра зерна. Таким образом, после разделения, объемы зерна с аналогичными значениями для конкретного параметра зерна могут храниться совместно как однородные партии. Это устраняет любые недостатки, связанные с неоднородностью зерна. Например, в случае сжатого ячменя, партии ячменя с аналогичным содержанием влаги могут храниться, соответственно, для оптимизации производительности сушки, а также обеспечения требуемой жизнеспособности зерна после процесса сушки. Кроме того, ячмень с однородным содержанием белка, может храниться и обрабатываться для еще более однородной модификации.

Дополнительное преимущество изобретения состоит в том, что значения, измеренные для каждого из объемов или подлотов зерна, можно отслеживать. Таким образом, документация для каждого конкретного способа может быть доступна для клиентов, что важно с точки зрения Hazard Analysis Critical Control Point (HACCP) (признанной во всем мире системы, призванной гарантировать, что пищевые продукты безопасны и пригодны для еды) и политик безопасности пищи.

В одном варианте осуществления изобретения, оперативное разделение зерна содержит этапы, на которых:

сохраняют одно или более пороговых значений зерна;

сравнивают значение параметра зерна или значение каждого параметра зерна с соответствующим сохраненным пороговым значением зерна;

генерируют сигнал на основании сравнения между значением параметра зерна или значением каждого параметра зерна и соответствующим пороговым значением зерна;

используют сигнал для осуществления автоматической подачи объема зерна в заранее определенное место на основании значения параметра зерна.

В другом варианте осуществления изобретения, оптически плотный слой зерна подают на скорости от 0,5 до 2,5 м/с. В дополнительном варианте осуществления изобретения, оптически плотный слой зерна подают на скорости от 1 до 2 м/с. Преимущество этих скоростей состоит в том, что они позволяют быстро анализировать и разделять зерно. Поэтому способ требует меньше времени и меньших затрат.

Предпочтительно, чтобы свет излучался непрерывно на оптически плотный слой зерна.

В одном варианте осуществления изобретения, свет излучают на длине волны от 200 до 2000 нм.

В другом варианте осуществления изобретения, свет излучают в ближнем инфракрасном (NIR) спектральном диапазоне от 780 нм до 2000 нм и обеспечивают NIR спектр.

В дополнительном варианте осуществления изобретения, свет излучают на длине волны от 900 до 1500 нм.

В одном варианте осуществления изобретения, свет обнаруживают из объема зерна в течение времени от 15 до 70 миллисекунд.

В другом варианте осуществления изобретения, свет обнаруживают из объема зерна в течение времени от 30 до 50 миллисекунд. Таким образом, благодаря быстрому обнаружению света, это также ускоряет способ анализа и разделения зерна.

Согласно изобретению, также предусмотрено устройство для оперативного анализа объемов зерна и разделения зерна на партии на основании одного или более значений параметра зерна, устройство содержит:

средство для непрерывной подачи оптически плотного слоя зерна через зону оперативных измерений;

источник света для излучения света на слой зерна, причем свет отражается от объема зерна, проходящего через зону оперативных измерений;

сенсорный блок для регистрации света, отраженного от объема зерна для обеспечения спектра объема зерна;

средство для преобразования спектра в значение параметра зерна или значение каждого параметра зерна; и

средство для разделения зерна на партии путем сортировки объема зерна на основании значения параметра зерна или значения каждого параметра зерна;

отличающееся тем, что:

устройство дополнительно содержит оперативное средство для разделения зерна на основании значения параметра зерна или значения каждого параметра зерна.

В одном варианте осуществления изобретения, средство оперативного разделения зерна содержит:

контроллер, содержащий одно или несколько сохраненных пороговых значений зерна;

передатчик для передачи значения параметра зерна или значения каждого параметра зерна на контроллер; в котором

контроллер сравнивает значение параметра зерна или значение каждого параметра зерна с соответствующим сохраненным пороговым значением зерна;

контроллер генерирует сигнал на основании сравнения между значением параметра зерна или значением каждого параметра зерна и соответствующим пороговым значением зерна; и

контроллер передает сигнал на, по меньшей мере, одно средство выпуска, благодаря чему сигнал используется для осуществления автоматической подачи объема зерна через средство выпуска в заранее определенное место на основании значения параметра зерна.

В другом варианте осуществления изобретения, средство выпуска содержит:

управляемый скат, имеющий открытую позицию и закрытую позицию и соединенный с первым бункером; и

концевой скат, соединенный со вторым бункером; в котором

контроллер сообщается с управляемым скатом и управляет позицией управляемого ската, чтобы способствовать или препятствовать выходу объема зерна через этот скат; благодаря чему

когда управляемый скат находится в закрытой позиции, объем зерна будет покидать устройство через концевой скат.

В дополнительном варианте осуществления изобретения, управляемый скат способен шарнирно поворачиваться между открытой позицией и закрытой позицией.

В одном варианте осуществления изобретения, управляемый скат остается в одной и той же позиции во время определения значений параметра зерна, которые неизменно ниже или выше, чем пороговое значение зерна.

В другом варианте осуществления изобретения, контроллер передает сигнал на управляемый скат для подготовки к смене позиции и начинает отсчет заранее определенного времени запаздывания t_lag после обнаружения достаточного изменения значения параметра зерна, чтобы значение параметра зерна переходило через пороговое значение зерна.

В дополнительном варианте осуществления изобретения, контроллер передает сигнал на управляемый скат для смены позиции после обнаружения последовательности достаточно измененных значений параметра зерна в течение времени запаздывания t_lag.

В этом варианте осуществления изобретения, позиция управляемого ската изменяется в момент времени, равный t_lag+t_n; в котором t_n равно периоду времени, в течение которого окончательный объем зерна, проанализированный в течение времени запаздывания t_lag, может пройти от сенсорного блока к управляемому скату. Преимущество этих конкретных вариантов осуществления в том, что они допускают быстрое оперативное разделение зерна, в то же время, преодолевая возможные ограничения, которые могут быть обусловлены механической природой устройства. Таким образом, поскольку скат меняет позицию только после обнаружения последовательности достаточно измененных значений параметра зерна, это препятствует постоянному колебанию ската или другого пригодного средства открывания.

В одном варианте осуществления изобретения, контроллер является программируемым логическим контроллером.

В другом варианте осуществления изобретения, средство подачи подает оптически плотный слой зерна на скорости от 0,5 до 2,5 м/с.

В дополнительном варианте осуществления изобретения, средство подачи подает оптически плотный слой зерна на скорости от 1 до 2 м/с.

В одном варианте осуществления изобретения, средство подачи содержит дозирующий скат, который можно регулировать путем скольжения в средстве подачи для обеспечения оптически плотного слоя зерна. Преимущество дозирующего ската состоит в том, что он управляет потоком и постоянной скоростью зерна, таким образом, позволяя сенсорному блоку обнаруживать свет из достаточно плотного слоя зерна, когда он проходит через зону оперативных измерений.

В другом варианте осуществления изобретения, средство подачи содержит один или более желобов для подачи зерна и транспортера.

В этом варианте осуществления изобретения, желоб для подачи зерна располагается под углом от 45° до 90° относительно транспортера.

В другом варианте осуществления изобретения, желоб для подачи зерна дополнительно содержит делитель объема зерна, имеющий множество желобов, обеспечивающих каналы для потока отдельных объемов зерна.

В одном варианте осуществления изобретения, источник света непрерывно излучает свет на оптически плотный слой зерна.

В другом варианте осуществления изобретения, источник света излучает свет в диапазоне длин волны от 200 до 2000 нм.

В дополнительном варианте осуществления изобретения, источник света излучает свет в ближнем инфракрасном (NIR) спектральном диапазоне от 780 нм до 2000 нм, и обеспечивается спектр NIR.

В еще одном дополнительном варианте осуществления изобретения, источник света излучает свет в диапазоне длин волны от 900 до 1500 нм.

В одном варианте осуществления изобретения, сенсорный блок установлен под углом около 90° к средству подачи.

В одном варианте осуществления изобретения, параметры зерна выбраны из группы, содержащей одно или более из содержания белков в зерне, содержания влаги в зерне, содержания экстракта крахмала, содержания β-глюкана, содержания бета-амилазы и содержания микотоксина.

Краткое описание чертежей

Изобретение явствует из нижеследующего описания некоторых вариантов осуществления, приведенных в порядке примера, со ссылками на прилагаемые чертежи, в которых:

фиг. 1 - схема устройства по изобретению;

фиг. 2 - вид воронки для загрузки зерна и желоба для подачи зерна согласно одному варианту осуществления изобретения;

фиг. 3 - вид желоба для подачи зерна согласно другому варианту осуществления изобретения;

фиг. 4 - вид одного варианта осуществления нижестоящего устройства по изобретению;

фиг. 5 - вид другого варианта осуществления нижестоящего устройства по изобретению;

фиг. 6 - вид дополнительного варианта осуществления нижестоящего устройства по изобретению;

фиг. 7 - вид еще одного варианта осуществления нижестоящего устройства по изобретению;

фиг. 8 - вид дополнительного варианта осуществления нижестоящего устройства по изобретению;

фиг. 9 - вид еще одного дополнительного варианта осуществления нижестоящего устройства по изобретению;

фиг. 10 - вид воронки лабораторного масштаба для загрузки зерна и желоба для подачи зерна с применением измерительной головки;

фиг. 11 - другая схема устройства по изобретению; и

фиг. 12 - дополнительная схема устройства с каждым из параметров, необходимых для программирования контроллера устройства.

Осуществление изобретения

На фиг. 1 показана схема устройства по изобретению, обозначенного как целое позицией 1. Устройство содержит воронку 2 для загрузки зерна и желоб 3 для подачи зерна для непрерывной подачи зерна в устройство 1. Устройство 1 также содержит транспортер 4 для непрерывной подачи зерна через устройство 1. Дозирующий скат 5, который обеспечивает постоянный и равномерный поток зерна через устройство 1, снабжен желобом 3 для подачи зерна, как показано, или в любой пригодной позиции в транспортере 4. Дозирующий скат 5 можно регулировать вручную для управления потоком зерна через устройство 1 и, таким образом, обеспечения постоянного потока зерна с фиксированной скоростью и оптически плотного слоя зерна для анализа. В описании изобретения термин "оптически плотный слой зерна" означает плотный слой зерна, по меньшей мере, 10 мм без каких-либо зазоров между зерном.

Устройство 1 дополнительно содержит источник света 6 для излучения света на слой зерна и сенсорный блок 7 для обнаружения света, отраженного от объема слоя зерна и обеспечения спектра из объема зерна. Источник света 6 может, в опционально, располагаться в сенсорном блоке 7. Сенсорный блок 7 также может содержать измерительную головку (не показан) и систему привязки к черному/белому (не показана). Дополнительно предусмотрен спектрометр 8 для преобразования спектра в электрический сигнал, который затем преобразуется в соответствующее значение параметра зерна для этого объема с использованием специализированного программного обеспечения. Значения параметра зерна, генерируемые спектрометром 8, передаются на контроллер 9, в общем случае, посредством передатчиком (не показан).

Устройство 1 дополнительно содержит один или несколько скатов 10a, 10b, через которые объемы зерна могут покидать устройство 1. Управляемый скат 10a регулируется контроллером 9 и открывается или закрывается в зависимости от значения параметра зерна для этого конкретного объема. Когда управляемый скат 10a открыт, объем зерна, проходящий через управляемый скат 10a, в это время будет выходить через управляемый скат 10a в бункер хранения (не показан).

Контроллер 9 также регулирует, когда управляемый скат 10a должен открываться, и как долго управляемый скат 10a должен оставаться открытым, и дополнительные детали этого управления будут рассмотрены со ссылкой на фиг. 12. Любые объемы зерна, которые не находятся в диапазоне указанного параметра, поступают через транспортер 4 на концевой скат 10b, где они будут покидать устройство через концевой скат 10b в другой бункер хранения (не показан), что позволяет оперативно разделять зерно на основании конкретного параметра.

На фиг. 2 показан более подробный вид зерна, подаваемого в желоб 3 для подачи зерна через воронку 2 для загрузки зерна. Источник света 6 располагается в сенсорном блоке 7. Сенсорный блок 7 располагается вне желоба для подачи зерна для излучения света на область желоба для подачи зерна, именуемую зоной измерений. Сенсорный блок 7 также должен располагаться под углом к потоку зерна таким образом, чтобы излучаемый свет точно отражался от проходящего слоя зерна. Как выяснилось, наиболее пригоден угол от 45° до 90° желоба для подачи зерна. Дозирующий скат 5 располагается после сенсорного блока 7 и допускает регулирование путем скольжения в желобе для подачи зерна, чтобы гарантировать обеспечение оптически плотного слоя зерна для измерения сенсорным блоком 7.

На фиг. 3 показан альтернативный вариант осуществления желоба 3 для подачи зерна. В этом варианте осуществления в желобе 3 для подачи зерна предусмотрен делитель 20 объема зерна. Делитель 20 объема зерна содержит совокупность желобов 21, через которые объем зерна может течь, прежде чем однородно смешаться до прохождения сенсорного блока 7. Делитель 20 объема зерна гарантирует, что качество зерна в массовом дифференциале зерна, проходящего через сенсорный блок 7, будет однородным по диаметру соответствующего желоба 21. Делитель 20 объема, в частности, пригоден для более высоких расходов зерна и, в частности, расходов зерна свыше около 400 т/ч. Дозирующий скат 5 также может быть предусмотрен для управления потоком зерна.

На фиг. 4-9 показан вид разных вариантов осуществления нижестоящего устройства 1. Согласно фиг. 4, желоб 3 для подачи зерна располагается под углом около 45° к транспортеру 4. Сенсорный блок 7 располагается вне желоба 3 для подачи зерна, будучи установленным под углом 90° к потоку зерна. На фиг. 4 также показан управляемый скат 10a и концевой скат 10b, ведущие в отдельные бункеры хранения 30a и 30b, соответственно.

На фиг. 5 показан альтернативный вариант осуществления устройства 1. В этом варианте осуществления, сенсорный блок 7 располагается вне транспортера 4 после желоба для подачи зерна 3. В этом варианте осуществления изобретения, дозирующий скат 5 может располагаться в желобе 3 для подачи зерна перед сенсорным блоком 7 или в транспортере 4 после сенсорного блока 7 для обеспечения оптически плотного слоя зерна для анализа.

На фиг. 6 показан дополнительный альтернативный вариант осуществления устройства 1. В этом варианте осуществления, сенсорный блок 7 также расположен вне транспортера 4, однако на противоположной стороне транспортера 4 и, поэтому, не показан.

Фиг. 7, 8 и 9 соответствуют фиг. 4, 5 и 6, за исключением того, что желоб 3 для подачи зерна располагается под углом 90° к транспортеру 4. В этом варианте осуществления изобретения, также предпочтительно использовать делитель 20 объема зерна, и дозирующий скат снабжен вышеописанным желобом 3 для подачи зерна. Таким образом, устройство можно применять к любому промышленному приложению, где угол желоба для подачи зерна может варьироваться от 90° (вертикаль) до 45°. Угол желоба 3 для подачи зерна зависит от определенных типичных критериев потока. Такие критерии включают в себя тип анализируемого и разделяемого зерна, материал желоба подачи, коэффициенты трения, свободное место для установки в бункерных приспособлениях и другие соответствующие факторы.

На фиг. 10 показана воронка 2 лабораторного масштаба для загрузки зерна и желоб 3 для подачи зерна с измерительной головкой 40, применяемой в целях калибровки. Измерительная головка 40 содержит источник света и оптику и идентична измерительной головке, расположенной в сенсорном блоке 7 устройстве 1. Таким образом, обеспечиваются такие же физические оптические условия, что и в промышленных условия устройства 1. Прежде, чем использовать устройство 1, нужно проводить проверку и привязку устройства 1 для конкретного типа зерна и измеряемого значения параметра зерна. Образец типа зерна для измерения подается в модель лабораторного масштаба, и спектр зерна получается с использованием измерительной головки 40. Спектрометр подключен к измерительной головке 40 посредством оптического волокна (не показано), и спектрометр соединен с ПК (не показан), на котором установлено необходимое программное обеспечение для преобразования полученных спектров в соответствующие аналитические значения. Затем образец зерна анализируется с использованием других методов анализа, например, химического анализа, и, можно получить калибровочную кривую на основании аналитических значений параметра и полученного спектра. Калибровочная кривая и соответствующие проверенные калибровочные данные используются для преобразования спектров в аналитические значения в приложении промышленного масштаба.

Согласно фиг. 11, в ходе использования, зерно подается в желоб 3 для подачи зерна устройства 1 через воронку 2 для загрузки зерна. Показан сенсорный блок 7, расположенный вне желоба 3 для подачи зерна и транспортера 4. Исходя из того, что сенсорный блок 7, расположенный рядом с желобом 3 для подачи зерна, активен, свет непрерывно излучается источником света 6 этого сенсорного блока 7 в течение заранее определенного периода времени на зону измерений желоба для подачи зерна для излучения света на объем зерна, проходящий через зону измерений. Оптически плотный слой зерна обеспечивается в зоне измерений дозирующим скатом 5, расположенным после желоба 3 для подачи зерна.

Свет отражается объемом зерна в зоне измерений и определяется как интенсивность света сенсорным блоком 7 для обеспечения спектра объема зерна. Сенсорный блок 7 собирает отраженный свет и передает его по оптическому волокну на спектрометр 8. Спектрометр 8 измеряет спектр отраженного света на соответствующих длинах волны в отношении типа зерна и аналитического параметра и преобразует его в электрический сигнал. Этот электрический сигнал поступает через соединение Ethernet и PC Interface (PCI) на ПК со специализированным программным обеспечением.

Программное обеспечение преобразует этот электрический сигнал в соответствующее значение параметра зерна посредством калибровочных данных, описанных выше в отношении фиг. 10. Значения параметра зерна записываются в течение времени и затем преобразуются в аналоговые и/или цифровые сигналы. Эти сигналы поступают на контроллер 9 через пригодные интерфейсы, например, платы ввода/вывода.

Контроллер 9 заранее запрограммирован соответствующими пороговыми значениями зерна. Получив от спектрометра 8 значение параметра зерна для конкретного объема, контроллер 9 сравнивает значение параметра зерна с пороговым значением зерна и управляет управляемым скатом 10a посредством заранее запрограммированных настроек (t_n, t_lag), которые будут дополнительно рассмотрены в связи с фиг. 12.

На фиг. 12 показан дополнительный схематический вид устройства 1, где указан каждый из параметров измерения. Контроллер 9 заранее запрограммирован соответствующими пороговыми значениями зерна, а также другими предварительными настройками в отношении конкретных настроек и размеров устройства 1. Таким образом, как только контроллер 9 принимает значение параметра зерна от спектрометра 8 через ПК, он сравнивает его с соответствующим сохраненным пороговым значением зерна и программируется для передачи сигнала на управляемый скат 10a, чтобы либо открыть, либо оставить закрытым его на основании этого сравнения.

Помимо управления, открывать управляемый скат 10a, или же оставлять его закрытым, контроллер 9 также может вычислять и определять, когда управляемый скат 10a должен открываться, и как долго управляемый скат 10a должен оставаться открытым, в соответствии с фактической последовательностью сигналов, принятых от контроллера 9, на основании сохраненных значений.

При наличии достаточного изменения значения параметра зерна выше или ниже порогового значения зерна, в результате чего оно переходит через пороговое значение зерна и значение параметра зерна остается на этом значении, или другого достаточного изменения значения в течение определенного периода времени, позиция управляемого ската (10a) будет изменяться. Если позиция управляемого ската (10a) должна измениться, время (t_n) смены позиции ската [S] вычисляется в качестве заранее заданного параметра, запрограммированного в контроллер 9, согласно следующей формуле:

,

где:

L₁=длина от сенсорного блока до точки y на транспортере

L_n=длина от точки y на транспортере до управляемого открывающегося ската

v₁=скорость зерна [м/с], когда оно проходит сенсорный блок

v₂=скорость зерна вдоль транспортера.

n=количество скатов, через которые зерно будет поступать в соответствующий бункер согласно анализу зерна, например, в случае 2 скатов, n=2.

t_n=время, необходимое конкретному объему зерна для прохождения от сенсорного блока к этому скату.

t_lag="время запаздывания", которое должно пройти, пока не будет уверенности в наличии постоянного сигнала над/под пороговым значением зерна, во избежание колебания скатов или другого средства открывания. Это время запаздывания зависит также от скорости транспортировки, размеров транспортера, массового расхода зерна и расстояния каждого ската от сенсорного блока. Время запаздывания программируется в контроллер как одна или более предварительных настроек (например, для каждого отдельного ската) согласно конкретным размерам и техническим условиям установленного устройства.

Если сенсорный блок установлен в транспортере, то L₁/V₁=0, поскольку t_n будет рассчитываться из расстояния сенсорного блока до скатов/бункеров (L₁..._n) и скорости зерна V₂ в транспортере.

Разрешение системы разделения зависит от конкретных условий и потока зерна для каждой отдельной установки. Поток зерна через устройство в общем случае осуществляется со скоростью от 0,5 до 2,5 м/с и, предпочтительно, от 1 до 2 м/с.

t₁=L₁/V₁ это время, в течение которого определенный массовый расход (например, в кг/с) зерна определенного качества обнаруживается сенсорным блоком, измерительная головка которого осуществляет одну измерительную операцию, в общем случае, от 15 до 70 миллисекунд и, предпочтительно, от 30 до 50 миллисекунд.

Массовый расход зерна (m) через желоб 3 для подачи зерна или через транспортер 4 регулируется с помощью дозирующего ската 5. Поскольку массовый расход через желоб 3 для подачи зерна равен массовому расходу через транспортер 4 (исходя из того, что не должно быть никакой утечки), можно вычислить время t₁. Это значение определяется на основании скорости v₁=скорость зерна [м/с], с которой оно проходит через сенсорный блок 7, и L₁=длина от сенсорного блока 7 до точки y на транспортере 4. Применяется геометрия слоя зерна, проходящего через сенсорный блок 7, гарантируя, что все проходящие массовые дифференциалы будут полностью заняты зерном в постоянном потоке. Это обеспечивается дозирующим скатом 5.

Используя вышеприведенные уравнения, можно вычислить t_n и t_lag и ввести их в контроллер 9.

Например, предположим, что содержание влаги подлежит анализу, и что зерно подлежит разделению на основании содержания влаги в нем. Пороговое значение влажности можно задать равным 12%. Управляемый скат 10a можно настроить так, чтобы он подавал зерно, имеющее "низкое" содержание влаги, например (менее 12%), в бункер 30a, и тогда концевой скат 10b будет подавать зерно, имеющее "высокое" содержание влаги (например, большее или равное 12%) в другой бункер 30b.

Устройство 1 можно настроить так, чтобы управляемый скат 10a первоначально находился в открытой или закрытой позиции. Предположим, что управляемый скат 10a первоначально находится в открытой позиции, и что сенсорный блок 7 располагается вне желоба 3 для подачи зерна. Зерно непрерывно подается через устройство 1, и объемы зерна непрерывно анализируются при прохождении зоны измерений рядом с сенсорным блоком 7. Исходя из того, что зерно непрерывно подается с низким содержанием влаги и, таким образом, имеются постоянные значения параметра зерна, управляемый скат 10a будет непрерывно оставаться открытым, и это зерно будет поступать в бункер 30a.

Как только контроллер 9 обнаруживает объем, имеющий высокое содержание влаги, это регистрируется как достаточное изменение значения параметра зерна, при котором значение параметра зерна переходит через пороговое значение зерна, в результате чего оно оказывается выше порогового значения зерна, и контроллер начинает отсчитывать время запаздывания t_lag. Дополнительно объемы зерна непрерывно измеряются до окончания t_lag. Если в конце t_lag оказывается, что последующие анализируемые объемы зерна имеют низкое содержание влаги, и, таким образом, регистрируется дополнительное достаточное изменение, в результате чего значение параметра зерна снова переходит через пороговое значение зерна, управляемый скат 10a остается открытым, чтобы эти объемы зерна с низким содержанием влаги могли выходить через этот управляемый скат 10a в бункер 30a. Время запаздывания не будет отсчитываться вновь, пока не будет зарегистрирован объем с высоким содержанием влаги, т.е. дополнительное достаточное изменение значения параметра зерна.

Однако, если измеряется последовательность объемов зерна с повышенным содержанием влаги, отсчет t_lag снова начинается, и управляемый скат 10a принимает от контроллера 9 сигнал оставаться в "состоянии готовности" к закрытию и, таким образом, готовится к смене позиции. По истечении t_lag и в случае измерения объемов зерна с высоким содержанием влаги, контроллер посылает на управляемый скат 10a сигнал закрытия, и это будет гарантировать, что зерно будет выходить через скат 10b в бункер 30b для хранения зерна с высоким содержанием влаги.

Время, в течение которого 10a закрыт, равно t_lag+t_n, т.е. время запаздывания плюс время, необходимое объему для прохождения от сенсорного блока 7 к управляемому скату 10a. Скат 10a непрерывно остается закрытым, пока контроллер 9 не зарегистрирует объем, имеющий низкое содержание влаги, т.е. дополнительное достаточное изменение. На этой стадии начинается отсчет t_lag, и скат 10a откроется, если в конце t_lag все еще будут регистрироваться объемы с низким содержанием влаги.

Способ продолжается, пока все зерно не будет проанализировано и разделено.

Способ и устройство позволяют производить быстрый анализ и оперативное разделение зерна. Потенциальные механические проблемы, которые могут быть вызваны непрерывным колебанием ската 10a, устраняются за счет включения этого времени запаздывания. Это позволяет увеличить расход зерна через устройство. Хотя возможно, что, из-за включения этого времени запаздывания небольшие объемы зерна могут направляться не в тот бункер, общая однородность разделенных партий зерна будет соответствовать техническим регламентам и стандартам.

Подача

Воронка для загрузки зерна и желоб для подачи зерна были описаны для непрерывной подачи зерна в устройство, однако предполагается, что можно использовать и другие устройства с такой же функцией. Нижестоящее средство подачи было описано выше как транспортер, и предполагается, что можно использовать любой пригодный тип зернового транспортера, например, цепной транспортер, ковшовый элеватор или ленточный транспортер.

Измерение и анализ

Способ и устройство были описаны в отношении измерения содержания белка и влаги в зерне. Пороговые значения белка в общем случае, будут в диапазоне от 10% до 12,5% сухого вещества зерна, и пороговые значения влажности, в общем случае, будут в диапазоне от 12% и 18% веса зерна. Фактическое пороговое значение выбирает пользователь. Однако предполагается, что другие параметры зерна, например, содержание экстракта крахмала, содержание β-глюкана, содержание бета-амилазы и содержание микотоксина, также можно измерять с использованием этих способа и устройства. Способ и устройство также пригодны для измерения всех типов зерна, например, ячменя, пшеницы, кукурузы, рапса, риса, солода, сорго и пилюль.

Обнаружено, что для наиболее точных результатов, сенсорный блок следует устанавливать под углом в пределах 90° к плотному слою зерна, подлежащему измерению.

Источник света, сенсорный блок и спектрометр могут быть либо объединены, либо являться отдельными компонентами, расположенными удаленно друг от друга. Кроме того, источник света и детектор света могут быть совмещены в одном компоненте (измерительной головке) в составе сенсорного блока.

Измерительная головка в сенсорном блоке регистрирует свет, отраженный источником света. Частота, с которой спектрометр выдает электрический сигнал, зависит от качества системы привязки к черному и белому. ПК также управляет автоматической привязкой к черному и белому. Эта система привязки к черному/белому должна выполняться ежедневно до эксплуатации устройства. Шаговый двигатель располагает измерительную головку сенсорного блока перед белым диском и измеряет полное относительное количество отраженных фотонов на всех длинах волны ("белый"=в идеале 100% отражение).

Между измерительной головкой и белым диском можно обеспечить сапфировое стекло, идентичное сапфировому стеклу, установленному между измерительной головкой и образцом зерна, проходящим через зону измерений. Когда белый диск заменяет образец зерна во время привязки к белому, все расстояния между измерительной головкой и сапфировым стеклом, сапфировым стеклом и белым диском и/или измерительной головкой и белым диском должны быть идентичны расстояниям, установленным в позиции измерения. Эта настройка гарантирует, что все соответствующие оптические факторы, например, точка фокуса, коэффициент трения и т.д. будут учтены в ходе осуществления привязки к белому.

Затем измерительная головка перемещается перед черной трубкой, и измеряется полное поглощение всех излученных фотонов ("черный"=в идеале 100% поглощение). ПК проверяет правильность завершения привязки прежде, чем сигнализировать, что устройство готово к работе.

Пригодной комбинацией сенсорного блока и спектрометра для излучения света, обнаружения отраженного света и преобразования значения свет в значение параметра зерна является система Zeiss Corona NIR™, содержащая измерительную головку OMK 500 (излучатель и детектор света без автоматической привязки к черному/белому в составе устройства датчика, и спектрометр например, дистанционная система Corona™, которая может осуществлять все эти функции. Однако любое другое устройство, которое также осуществляет эти функции также может быть пригодно и должно быть откалибровано до использования.

Датчик можно устанавливать либо в желобе для подачи зерна, либо в транспортере в любой позиции, где плотный слой зерна будет проходить сенсорный блок при управляемой, постоянной скорости зерна. Это достигается за счет размещения дозирующего ската после сенсорного блока. Спектрометр должен быть пригоден для измерения длин волны от 200 до 2000 нм.

Зона измерений будет зависеть от размера источника света и сенсорного блока и может варьироваться по выбору пользователя.

Устройство также будет содержать центральный процессор и соответствующее программное обеспечение для оценивания и преобразования, сохранения и отображения данных.

Разделение

Хотя устройство, в целом, описано выше как имеющий два выхода для разделения зерна согласно тому, оказывается ли каждый объем зерна выше или ниже определенного порога, предполагается, что способ и устройство по изобретению, также будут пригодны для разделения объемов зерна на основании конкретных диапазонов параметра, и в этом случае устройство может иметь более двух выходов. В этом варианте осуществления предполагается, что более чем один скат будет управляемым скатом.

Кроме того, дополнительно предполагается, что способ и устройство, отвечающие изобретению, будут пригодны для разделения объемов зерна на основании двух или более параметров. Таким образом, например, зерно можно разделять на основании содержания белков и содержания влаги в одно и то же время. В этом варианте осуществления изобретения, устройство будет иметь четыре выхода, один для высокого белка, высокой влажности, один для высокого белка, низкой влажности, один для низкого белка, высокой влажности и один для низкого белка, низкой влажности.

Во избежание дополнительного времени запаздывания для открывания и закрывания ската, его следует устанавливать таким образом, чтобы скат открывался в направлении потока против потока зерна.

Обнаружено, что заклинивание системы можно предотвращать посредством стандартного автоматического обследования и контроля. Один вариант предотвращения заклинивания состоит в том, чтобы оставлять концевой скат все время открытым. Это обеспечивает защиту от повреждения зерна и/или оборудования, в особенности, когда нужно перезапустить транспортер при полной загрузке в экстренной ситуации. Кроме того, концевой скат будет позволять транспортеру двигаться на 100% пустым на протяжении всей его длины в конце операции транспортировки.

В порядке альтернативы быстро открывающимся скатам, между транспортером и скатами можно устанавливать любые пригодные отпускные двери средства открывания также, действующие под управлением контроллера.

В описании изобретения термины "содержат, содержит, содержащийся и содержащий" или любые их вариации и термины "включают в себя, включает в себя, включенный и включающий в себя" или любые их вариации считаются полностью взаимозаменяемыми, и допускают самую широкую возможную интерпретацию и наоборот.

Изобретение не ограничивается вышеописанным вариантом осуществления, но допускает вариации в отношении конструкции и деталей в пределах объема формулы изобретения.

Изобретения относятся к области испытательно-измерительной техники и направлены на обеспечение анализа и разделения зерна для получения однородных партий зерна на основании его конкретного параметра, что обеспечивается за счет того, что для оперативного анализа объемов зерна и разделения зерна на партии на основании одного или более значений параметра зерна непрерывно подают оптически плотный слой зерна через зону оперативных измерений, анализируют объем зерна путем излучения света на слой зерна, причем свет отражается от объема зерна, проходящего через зону оперативных измерений, и регистрируют свет, отраженный от объема зерна для обеспечения спектра объема зерна, преобразуют спектр в значение параметра зерна или значение каждого параметра зерна, и разделяют зерно на партии путем сортировки объема зерна на основании значения параметра зерна или значения каждого параметра зерна, при этом зерно оперативно, т.е. в процессе действия устройства, разделяют на основании значения параметра зерна или значения каждого параметра зерна. 2 н. и 29 з.п. ф-лы, 12 ил.

1. Способ оперативного анализа объемов зерна и разделения зерна на партии на основании одного или более значений параметра зерна, причем способ содержит этапы, на которых:
непрерывно подают оптически плотный слой зерна через зону оперативных измерений;
анализируют объем зерна путем излучения света на слой зерна, причем свет отражается от объема зерна, проходящего через зону оперативных измерений, и регистрируют свет, отраженный от объема зерна для обеспечения спектра объема зерна;
преобразуют спектр в значение параметра зерна или значение каждого параметра зерна; и
разделяют зерно на партии путем сортировки объема зерна на основании значения параметра зерна или значения каждого параметра зерна;
отличающийся тем, что:
зерно оперативно разделяют на основании значения параметра зерна или значения каждого параметра зерна.

2. Способ по п.1, в котором оперативное разделение зерна содержит
этапы, на которых:
сохраняют одно или более пороговых значений зерна;
сравнивают значение параметра зерна или значение каждого параметра зерна с соответствующим сохраненным пороговым значением зерна;
генерируют сигнал на основании сравнения между значением параметра зерна или значением каждого параметра зерна и соответствующим пороговым значением зерна;
используют сигнал для осуществления автоматической подачи объема зерна в заранее определенное место на основании значения параметра зерна.

3. Способ по п.1, в котором оптически плотный слой зерна подают на скорости от 0,5 до 2,5 м/с.

4. Способ по п.1, в котором оптически плотный слой зерна подают на скорости от 1 до 2 м/с.

5. Способ по п.1, в котором свет излучают непрерывно на оптически плотный слой зерна.

6. Способ по п.1, в котором свет излучают на длине волны от 200 до 2000 нм.

7. Способ по п.1, в котором свет излучают в ближнем инфракрасном (NIR) спектральном диапазоне от 780 нм до 2000 нм и обеспечивают NIR спектр.

8. Способ по п.1, в котором свет излучают на длине волны от 900 до 1500 нм.

9. Способ по п.1, в котором свет обнаруживают из объема зерна в течение времени от 15 до 70 мс.

10. Способ по п.1, в котором свет обнаруживают из объема зерна в течение времени от 30 до 50 мс.

11. Устройство (1) для оперативного анализа объемов зерна и разделения зерна на партии на основании одного или более значений параметра зерна, причем устройство (1) содержит:
средство для непрерывной подачи оптически плотного слоя зерна через зону оперативных измерений,
источник света (6) для излучения света на слой зерна, причем свет отражается от объема зерна, проходящего через зону оперативных измерений,
сенсорный блок (7) для обнаружения света, отраженного от объема зерна для обеспечения спектра объема зерна,
средство для преобразования спектра в значение параметра зерна или значение каждого параметра зерна, и
средство для разделения зерна на партии путем сортировки объема зерна на основании значения параметра зерна или значения каждого параметра зерна,
отличающееся тем, что:
устройство дополнительно содержит оперативное средство для разделения зерна на основании значения параметра зерна или значения каждого параметра.

12. Устройство (1) по п.11, в котором средство оперативного разделения зерна содержит:
контроллер (9), содержащий одно или несколько сохраненных пороговых значений зерна,
передатчик для передачи значения параметра зерна или значения каждого параметра зерна на контроллер (9), в котором
контроллер (9) сравнивает значение параметра зерна или значение каждого параметра зерна с соответствующим сохраненным пороговым значением зерна,
контроллер (9) генерирует сигнал на основании сравнения между значением параметра зерна или значением каждого параметра зерна и соответствующим пороговым значением зерна, и
контроллер (9) передает сигнал на, по меньшей мере, одно средство выпуска (10а, 10b), так что сигнал используется для осуществления автоматической подачи объема зерна через средство выпуска (10а, 10b) в заранее определенное место на основании значения параметра зерна.

13. Устройство (1) по п.12 в котором средство выпуска (10a, 10b) содержит:
управляемый скат (10a), имеющий открытую позицию и закрытую позицию и соединенный с первым бункером (30a); и
концевой скат (10b), соединенный со вторым бункером (30b), в котором контроллер (9) сообщается с управляемым скатом (10a) и управляет позицией управляемого ската (10a), чтобы способствовать или препятствовать выходу объема зерна через этот скат (10a), так, что
когда управляемый скат (10a) находится в закрытой позиции, объем зерна будет покидать устройство через концевой скат (10b).

14. Устройство (1) по п.13, в котором управляемый скат (10a) способен поворачиваться на шарнирах между открытой позицией и закрытой позицией.

15. Устройство по любому из пп.13 или 14, в котором управляемый скат остается в одной и той же позиции во время определения значений параметра зерна, которые неизменно ниже или выше, чем пороговое значение зерна.

16. Устройство (1) по п.13, в котором контроллер (9) передает сигнал на управляемый скат (10a) для подготовки к смене позиции и начинает отсчет заранее определенного времени запаздывания t_lag после обнаружения достаточного изменения значения параметра зерна, чтобы значение параметра зерна переходило через пороговое значение зерна.

17. Устройство (1) по п.16, в котором контроллер (9) передает сигнал на управляемый скат (10a) для смены позиции после обнаружения последовательности достаточно измененных значений параметра зерна в течение времени запаздывания t_lag.

18. Устройство (1) по п.17, в котором позицией управляемого ската (10a) в момент времени, равный t_lag+t_n, в котором t_n равно периоду времени, в течение которого окончательный объем зерна, проанализированный в течение времени запаздывания t_lag, может пройти от сенсорного блока (7) на управляемый скат (10a).

19. Устройство (1) по п.12, в котором контроллер (9) является программируемым логическим контроллером.

20. Устройство (1) по п.11, в котором средство подачи подает оптически плотный слой зерна на скорости от 0,5 до 2,5 м/с.

21. Устройство (1) по п.11, в котором средство подачи подает оптически плотный слой зерна на скорости от 1 до 2 м/с.

22. Устройство по п.11, в котором средство подачи содержит дозирующий скат (5), который можно регулировать путем скольжения в средстве подачи для обеспечения оптически плотного слоя зерна.

23. Устройство (1) по п.11, в котором средство подачи содержит один или более желобов для подачи зерна (3) и транспортера (4).

24. Устройство (1) по п.23, в котором желоб для подачи зерна (3) располагается под углом от 45° до 90° относительно транспортера (4).

25. Устройство (1) по любому из пп.23 или 24, в котором желоб для подачи зерна (3) дополнительно содержит делитель объема зерна (20), имеющий множество желобов (21), обеспечивающих каналы для потока отдельных объемов зерна.

26. Устройство (1) по п.11 в котором источник света (6) непрерывно излучает свет на оптически плотный слой зерна.

27. Устройство (1) по п.11, в котором источник света (6) излучает свет в диапазоне длин волны от 200 до 2000 нм.

28. Устройство по п.11, в котором источник света (6) излучает свет в ближнем инфракрасном (NIR) спектральном диапазоне от 780 нм до 2000 нм, и обеспечивается спектр NIR.

29. Устройство (1) по п.11, в котором источник света (6) излучает свет в диапазоне длин волны от 900 до 1500 нм.

30. Устройство (1) по п.11, в котором сенсорный блок (7) установлен под углом около 90° к средству подачи.

31. Устройство по п.11, в котором параметры зерна выбраны из группы, содержащей одно или более из содержания белков в зерне, содержания влаги в зерне, содержания экстракта крахмала, содержания β-глюкана, содержания бета-амилазы и содержания микотоксина.