ОПТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗАТОР, СПОСОБ ОПТИЧЕСКОГО АНАЛИЗА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОДГОТОВКИ ОБРАЗЦА Российский патент 2018 года по МПК G01N21/35 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к оптическому анализатору, в частности к ручному анализатору, и к соответствующему способу анализа сыпучих сельскохозяйственных образцов, таких как зерно, на содержащиеся в них вещества (например, влагу или протеин), концентрации которых должны учитываться при принятии решений и планировании в сельском хозяйстве. Изобретение относится также к устройству для подготовки сельскохозяйственных образцов к проведению их оптического анализа.

Уровень техники

Из уровня техники известны многие способы качественного или количественного исследования ингредиентов сельскохозяйственных продуктов, в частности зерна. Информация об ингредиентах важна, чтобы оценить состояние урожая в процессе его созревания, после того как он собран и при его хранении.

В настоящее время собранные образцы посылаются в специализированные лаборатории для анализа. При этом, за исключением анализаторов влажности, остаются недоступными надежные и относительно недорогие анализаторы для широкого применения. Наибольший спрос существует в анализе основных пищевых продуктов, т.е. продуктов, которые рутинно потребляются многими людьми и которые удовлетворяют потребность в одном или более из трех органических макронутриентов (http://en.wikipedia.org/wiki/Macronutrients), необходимых для здоровья и выживания: жиров (http://en.wikipedia.org/wiki/Fat), протеинов (http://en.wikipedia.org/wiki/Protein) и углеводородов (http://en.wikipedia.org/wiki/Carbohydrates).

Большинство массовых пищевых продуктов изготавливают из злаков (зерновых) (http://en.wikipedia.org/wiki/Cereal), например из пшеницы, кукурузы, риса, или из корнеплодов (http://en.wikipedia.org/wiki/Root vegetable), например из картофеля (http://en.wikipedia.org/wiki/Potato). Другие массовые пищевые продукты включают бобовые растения (например, бобы или горох) и фрукты (например, яблоки, томаты или орехи).

В настоящее время только для анализа влажности доступны недорогие анализаторы, посредством которых могут быть измерены электрические свойства образца (емкость или сопротивление). В частности, широко применяются влагомеры для зерна. Один подход состоит в измерении изменений емкости конденсатора, в который помещен образец зерна. Измерение содержания влаги в зерне с использованием этого подхода описано в US 5716272.

Оптические методы позволяют измерять содержание влаги более точно, причем можно также измерять и вещества, отличные от влаги, например протеин. Обычно для этой цели применяют методы с использованием пропускания и отражения инфракрасного (ИК) излучения. В ЕР 0511184 А1 описан способ измерения отражения, применяемый к образцу контейнера, имеющего окно, и используемый для получения отражательного отклика от случайно распределенных элементов образца.

В US 6369388 В2 описан ручной оптический анализатор, предназначенный для различных зерновых и использующий схожий контейнер для образца, который может устанавливаться для анализа в порт для подачи излучения. В анализаторе учитывается пропускание или отражение излучения в ближневолновой ИК (БИК) области.

До настоящего времени критичным фактором для достижения надежного отклика при измерении пропускания или отражения являлось равномерное распределение случайным образом расположенных зерен в образце. По схожим причинам в US 4286327 используется подход с применением массива источников излучения (БИК светодиодов) с целью усреднения результатов по множеству этих источников. Однако равномерное и случайное распределение остается критичным условием для обеспечения надежного анализа.

В общем случае при измерении сыпучих образцов на пропускание существует проблема фонового шума, возникающего при неблагоприятных распределениях элементов образца, тогда как со способами измерения отражения связана проблема, состоящая в том, что учитывается только минимальная масса образца. Основная часть внутреннего объема образца остается скрытой внутри, не оказывающей никакого эффекта на фильтрацию спектрального излучения. Этот эффект не создает проблемы для способов, использующих пропускание; однако, здесь может иметь полное поглощение вследствие значительной толщины образца, что приводит к почти нулевому пропусканию, т.е. к полному поглощению, не оставляющему измеряемого сигнала.

Масса образца, не вносящая вклад в профильтрованное излучение в одном из описанных сценариев, далее будет именоваться "скрытой массой". Во многих измерениях отражения масса объемного образца оказывается скрытой вследствие ограниченной глубины проникновения излучения под освещенную поверхность. При измерениях пропускания, даже в случае только умеренных уровней суммарного поглощения, значительные части массы сыпучего образца часто скрыты вследствие того, что основная доля детектированного излучения достигает детектора, проникая через участки образца, имеющие высокое пропускание, например через заполненные воздухом участки в образце зерна, а не через массу образца.

В WO 1999/40419 А1 описана технология оптимизации приготовления образца и подготовки его к анализу. Оптическому анализу подвергают непрерывный поток собранного зерна, причем анализирующий поток хорошо определен в пространстве и направлен в зону взаимодействия внутри потока образцов. Оптическая схема рассчитана на измерение отражения и построена для учета только излучения, соответствующего взаимодействию с образцом. Отраженное излучение несет информацию об ингредиентах, находящихся в поверхностном слое зерна. Движущийся поток обеспечивает рандомизацию и, тем самым, усреднение по форме зерен и их позиционированию относительно пучка излучения.

Однако остается проблема обеспечения приемлемой рандомизации образцов, чтобы не снижать надежности отклика на отфильтрованное излучение. В то же время оптический анализатор должен быть недорогим, но надежным средством измерения концентрации ингредиентов образца. Аналогично, способ оптического анализа должен быть легко реализуемым.

Раскрытие изобретения

Одна из целей изобретения состоит в обеспечении не только учета оптической фильтрации сыпучими сельскохозяйственными образцами, которая имеет место в наружных слоях образца или элементов образца, но также и доступности для оптических измерений скрытой массы, чтобы повысить точность и надежность результатов.

Еще одна цель изобретения состоит в том, чтобы уменьшить количество образца, необходимое для получения надежного результата измерений.

Следующая цель изобретения заключается в разработке ручного оптического анализатора, который может использоваться непосредственно в зонах сельскохозяйственного производства. В результате можно будет исключить время ожидания и транспортирование образцов.

Цель изобретения состоит также в упрощении способа, осуществляемого в зонах сельскохозяйственного производства с использованием минимума оборудования и усилий по приготовлению образца.

В основе изобретения лежит осознание того, что в известных оптических способах гранулярность образца рассматривалась как трудность. Желательное состояние образца рассматривалось как однородное, а известные способы включали различные варианты усреднения, чтобы преодолеть эффекты гранулярности.

Оптический анализатор согласно изобретению содержит:

- оптически интегрирующую полость, сформированную по меньшей мере одной светорассеивающей стенкой и адаптированную для помещения в нее образца твердого сельскохозяйственного продукта, состоящего из одного или более элементов образца;

- источник оптического излучения, испускающий излучение в оптически интегрирующую полость, причем по меньшей мере одна светорассеивающая стенка предназначена для преобразования испущенного излучения в рассеянное излучение, а образец способен по меньшей мере частично или полностью преобразовывать рассеянное излучение в излучение, прошедшее спектральную фильтрацию, и

- спектральный датчик, причем образец заключен в оптически интегрирующей полости, а спектральный датчик помещен на траектории излучения, прошедшего спектральную фильтрацию.

Под заключением образца в оптически интегрирующей полости понимается, что он удерживается внутри указанной полости, в которой происходит оптическое интегрирование. Выход образца из указанного объема предотвращается без необходимости жесткой фиксации внутри полости или полного охвата образца полостью.

Плотность фотонов в интегрирующей полости почти однородна. В результате рассеянное излучение равномерно распределено по полости и взаимодействует с образцом, отражаясь или проходя через него. В любом из этих случаев имеет место спектральная фильтрация рассеянного излучения, которая характеризует ингредиенты, содержащиеся в образце. В идеальном варианте все или почти все рассеянное излучение преобразуется в профильтрованное излучение, что позволяет добиться хорошего отношения сигнал/шум.

Образец является объектом оптического анализа. Он содержит твердый сельскохозяйственный продукт или приготовлен из него. Образец может состоять из одного или более элементов образца, например из зерен зернового продукта или из наименьших элементов иного твердого сельскохозяйственного продукта. Так, образец может быть просто небольшим пучком сена или травы.

По определению, зерна являются маленькими, твердыми, сухими семенами (http://en.wikipedia.org/wiki/Seeds). собираемыми, в качестве урожая, для использования в качестве пищи человека или животных. Такие зерна включают зерна пищевых злаковых растений и семена псевдозлаковых, бобовых растений и растений-источников масел. Отобранные части собранного в качестве урожая зерна используются в качестве семян для получения урожая следующего года. Зерна являются единственным источником семян для зерновых.

Фураж, т.е. питание для животных (http://en.wikipedia.org/wiki/Food). используется людьми для кормления домашних (http://en.wikipedia.org/wiki/Domesticated) животных (http://en.wikipedia.org/wiki/Livestock), в отличие от корма, который скот поглощает на пастбищах (http://en.wikipedia.org/wiki/Grazing).

По определению, урожай - это продукция культурных растений, получаемая в результате посева, выращивания или сбора. Данное определение охватывает любое растение, урожай которого собирается в какой-то момент человеком.

Сыпучий сельскохозяйственный продукт (ССП) - это любые зерновые или другие составляющие урожая, имеющие сыпучую консистенцию в процессе выращивания или сбора и, возможно, после обработки. Данное определение охватывает и корнеплоды, такие как картофель; фрукты, такие как яблоки, вишни, томаты или орехи; компоненты фуража, например сено (http://en.wikipedia.org/wiki/Hay). силос (http://en.wikipedia.org/wiki/Silage). комбикорм (гранулы), солому, отруби, шрот или жмых из семян масличных культур; табачные листья или компоненты фуража типа свежескошенной травы. Данное определение охватывает также компоненты, получаемые на различных стадиях цикла сбора урожая. Например, в случае зерновых типа пшеницы или ячменя зерна могут еще находиться в стадии роста или могут быть сжатыми, высушенными или размолотыми.

Сыпучие сельскохозяйственные продукты состоят из физически разделяемых наименьших частей. Эти наименьшие части будут далее именоваться элементами образца. В случае цельных зерен, например зерен до помола, элементы образца - это именно зерна. Зерна являются схожими одни с другими, хотя и не обязательно полностью совпадающими. В случае ССП, отличных от зерна, характер элементов образца может варьироваться. Элементы образца могут быть схожими, например, в случаях ягод черники или гранул комбикорма (которые также являются однородными); альтернативно, они могут различаться по физическим размерам и форме, например, в случае картофеля или соломы. Элементы образца сена или соломы имеют варьируемую продолговатую форму, причем они могут быть разрезаны на еще более мелкие части, которые затем образуют элементы образца.

Одним из преимуществ изобретения является то, что оно не нуждается в том, чтобы образец сельскохозяйственного продукта находился в потоке или в струе, что требовало бы оборудования для поддержания движения потока. Это обстоятельство не ухудшит качества спектрального анализа, если элементы образца, такие как зерна в случае образца в виде цельного зерна или других элементов образца в случае других ССП, не являются в процессе измерений жестко зафиксированными на одном месте. Однако полностью статическое положение элементов образца наиболее легко реализовать, поскольку интегрирование осуществляется не за счет перемещения элементов образца, а за счет рассеяния излучения, которое должно взаимодействовать с каждым элементом образца почти со всех сторон. Эксперименты, проведенные авторами изобретения, показали, что спектральные характеристики профильтрованного излучения в интегрирующей полости, а, следовательно, и спектральные результаты являются намного более воспроизводимыми и надежными, чем в других способах. Фактически, образец вносит основной вклад в спектральную фильтрацию испускаемого излучения, если его элементы распределены внутри оптически интегрирующей полости относительно других элементов образца и светорассеивающей стенки или светорассеивающих стенок таким образом, что рассеянное излучение может падать на большинство или на все элементы образца с максимального количества направлений и взаимодействовать с этими образцами.

Еще одним преимуществом является очень малое затенение каждого элемента образца соседними элементами. Затенение может быть допустимым, но оно может увеличить скрытую массу внутри оптически интегрирующей полости.

Скрытая масса является частью массы образца, которая не вносит вклада в желательный эффект фильтрации излучения. Как было показано выше, эффект скрытой массы может иметь место в сыпучих образцах, поскольку части массы образца имеют тенденцию эффективно экранировать другие части от излучения, используемого при измерениях. Внутри интегрирующей полости эффект скрытой массы, обусловленный внутренним экранированием образца, может быть минимизирован или даже устранен путем локализации индивидуальных элементов образца на минимальном расстоянии друг от друга таким образом, что все они освещаются по максимальному количеству направлений. Второй тип эффекта скрытой массы может иметь место в единственном зерне или другом элементе образца. Это происходит, когда коэффициент (коэффициенты) поглощения на используемых для измерений длинах волн является (являются) настолько большим (большими) применительно к физическому размеру элемента образца, что плотность фотонов внутри конкретного элемента образца намного ниже, чем плотность фотонов, падающих на его поверхность.

Поддерживание минимального расстояния между соседними элементами образца способствует дальнейшему ослаблению эффекта скрытой массы второго типа.

Оптически интегрирующая полость позволяет также обойти проблемы прямого облучения датчика, поскольку испускаемое излучение рассеивается светорассеивающей стенкой или, альтернативно или дополнительно, заслонкой, которая гарантирует, что испускаемое излучение становится используемым рассеянным излучением в результате однородного распределения испускаемого излучения почти во всех направлениях.

Функция спектрального датчика заключается в перехвате по меньшей мере части профильтрованного излучения в результате обеспечения доступности для датчика излучения, выходящего из оптически интегрирующей полости, в состав которого входит профильтрованное рассеянное излучение и которое может также включать непрофильтрованное рассеянное излучение. Поскольку значения используемых при измерении постоянных времени значительно превышают 1 не (1 не соответствует распространению излучения примерно на 30 см), отдельные вклады весьма эффективно смешиваются, так что излучение, падающее на датчик, является очень эффективной смесью. Такая ситуация не столь проблематична, как неконтролируемое попадание на детектор испускаемого излучения при оптическом анализе на пропускание. В случае оптической полости непрофильтрованное рассеянное излучение просто создает смещение сигнала датчика, которое воспроизводит спектр используемого источника излучения в пределах релевантного спектрального интервала. Благодаря этому профильтрованное рассеянное излучение может быть легко отделено от непрофильтрованного рассеянного излучения.

Оптическая фильтрация посредством образца зависит от типа и количества содержащихся в нем веществ и от их коэффициентов поглощения. Профильтрованное излучение характеризует спектр поглощения, который соответствует математической суперпозиции всех спектров поглощения ингредиентов, содержащихся внутри образца, причем спектр поглощения каждого ингредиента масштабируется параметром концентрации. Поэтому анализ может включать использование регрессии, в частности линейной регрессии, характеристических спектров поглощения известных составляющих веществ и ингредиентов образца, таких как масло, влага, протеин и т.д., причем каждый спектр поглощения умножается на соответствующий параметр концентрации. Подгонка полученного таким образом спектра поглощения профильтрованного излучения может проводиться подбором правильных параметров концентрации. Такой подход возможен, поскольку концентрации ингредиентов прямо пропорциональны амплитуде пиков характеристического поглощения. Альтернативно, могут быть применены так называемые методы обратной регрессии, например регрессии методом дробных наименьших квадратов или регрессии на главные компоненты, которые определяют регрессию измеренных спектров на действительные концентрации аналитов, определенные референтным методом, с последующим использованием раствора для предсказания новых спектров.

Еще одним преимуществом является то, что по меньшей мере некоторые или все элементы образца удерживаются в оптически интегрирующей полости отделенными друг от друга. Благодаря этому становится возможным обеспечить почти полностью диффузное освещение испускаемым излучением, чтобы избежать возможного увеличения скрытой массы. В частности, элементы образца эффективно позиционируются отверстиями, направляющими образцы, которые преобразуют кинетическую энергию процесса заполнения в систематическое незатеняющее распределение. Соответствующие направляющие средства частично или полностью состоят из воронки, сопла или любого варианта направляющего ската, чтобы реализовать благоприятное распределение элементов образца.

Еще более эффективным может быть оптический анализатор, адаптированный для позиционирования элементов образца на минимальном расстоянии друг от друга. Этот вариант также предотвращает затенение. Он может быть скомбинирован с обеспечением заданного расстояния от ближайшей светорассеивающей стенки интегрирующей полости.

Оптический анализатор эффективно адаптирован для анализа оптически тонкого образца. Образец рассматривается как оптически тонкий, если эффект скрытой массы составляет менее примерно 40%. Значения скрытой массы менее 10% могут соответствовать почти идеальным условиям измерений.

До настоящего времени не учитывалось, что для многих важных типов зерна, включая пшеницу и ячмень, можно реализовать эту идеальную ситуацию анализа относительно легко, поскольку при измерении третьей гармоники, соответствующей БИК диапазону, их зерна являются достаточно малыми, чтобы быть по отдельности оптически тонкими. Благодаря фиксации зерен внутри оптически интегрирующей полости на минимальном расстоянии одно от другого, образец в целом является оптически тонким. Так, при измерении этим способом зерен ячменя скрытая масса для длин волн вблизи 1000 нм составляет только около 13% даже для относительно больших зерен с массой около 53 мг. Для зерен пшеницы скрытая масса в типичном случае составляет менее 10% при массе зерна около 40 мг. Для зерен риса, имеющих массу от 19 до 25 мг, скрытая масса составляет всего лишь около 5%.

С другой стороны, элементы образца других сыпучих сельскохозяйственных продуктов, таких как кукуруза или яблоки, должны быть измельчены или сдавлены, или уменьшены в размерах иным образом, чтобы получить оптически тонкий образец. При анализе третьей гармоники (в БИК диапазоне) многие ССП становятся оптически тонкими, когда толщина пластинки разрезанного или сдавленного материала становится тоньше 3 мм. Геометрия тонкой пластинки позволяет достичь оптической тонкости по одному размеру, и этого достаточно, чтобы весь образец являлся оптически тонким. Если образец приготовлен, как оптически тонкий, для рассеянного излучения внутри интегрирующей полости его масса представляет преимущественно прозрачный образец. Для очень малых элементов образца, таких как зерна льна, даже несколько слоев, лежащих друг на друге, формируют оптически тонкий образец, поскольку излучение проходит через слои этих элементов образца только с малым ослаблением.

Скрытая масса конкретного образца может быть измерена в простом эксперименте. Сначала регистрируется сигнал, соответствующий поглощению образца в его исходном состоянии. Затем элементы образца отделяют друг от друга (если это не было уже сделано) и повторяют измерения внутри интегрирующей полости. Сравнение амплитуд в двух спектрах поглощения характеризует эффект скрытой массы, который вызван затенением, влияющим на первый образец. В завершение, путем измельчения элементов образца на все более мелкие части и повторных измерений отдельных частей в интегрирующей полости, можно полностью оценить эффект скрытой массы. После каждого измельчения скрытая масса уменьшается до тех пор, пока частицы не станут настолько малыми, чтобы действовать только как пропускающий фильтр. В этом состоянии скрытая масса равна 0%, а анализируемая масса составляет 100%. На практике для спектрального интервала 800-1050 нм асимптотическое уменьшение достигается очень быстро. Например, если в качестве элементов образца используются крупные ячменные зерна с массой около 53 мг, они требуют только одного продольного разреза, чтобы почти полностью исключить (и без того пренебрежимо малый) эффект скрытой массы, присущий целым зернам.

Подходящими твердыми сельскохозяйственными продуктами являются сыпучие сельскохозяйственные продукты (ССП), такие как зерна, в частности зерна пшеницы, ячменя, кукурузы, овса, риса, или члены семейства бобовых, например бобы, или фрукты, такие как яблоки, черника, или гранулы комбикорма, такие как гранулы или брикеты, например на основе соломы.

Целесообразно различать образцы зерна и другие образцы, поскольку многие типы зерновых имеют зерна, достаточно мелкие, чтобы быть индивидуально оптически тонкими. Как следствие, из образцов зерен можно легко получить оптически тонкие образцы. Многие другие образцы, например картофель или яблоки, или солома или пластины жмыха из семян масличных культур, требуют какой-то ручной или механической подготовительной обработки, чтобы получить репрезентативные, оптически тонкие образцы.

Желательно также, чтобы оптический анализатор содержал накопитель энергии, способный запасать количество энергии, достаточное для проведения спектрального анализа образца посредством оптического анализатора. В этом случае оптический анализатор является мобильным и не нуждается в подключении к какой-либо электрической сети. Это позволяет пользователю запускать анализатор на большом расстоянии от любой системы электропитания, например на кукурузном поле, находящемся на удалении от любого населенного пункта. Особенно эффективным является накопитель электрической энергии, такой как батарея или перезаряжаемая батарея.

Эффективность оптического анализатора повышается, если он адаптирован для проведения оптического анализа образца при удерживании анализатора руками или только одной рукой. Удерживать оптический анализатор таким образом может быть очень легко, при этом с ним можно работать в любом месте тестирования, даже если там присутствует только один человек, производящий тестирование. Этот человек может выделить образец из растущих растений, подготовить его (если это требуется) и поместить в оптический анализатор. После этого может быть инициирован и проведен оптический анализ с выведением результатов по концентрации.

Пространство между элементами образца предпочтительно является непоглощающим или почти не поглощающим по сравнению с поглощением элементов образца, составляющих образец. Такое выполнение позволяет избежать затенения элементов образца в составе образца и удержать скрытую массу на низком уровне. При наличии средств для удерживания образца, например держателя образца, эти средства целесообразно выполнить из материала, прозрачного для испускаемого излучения. В идеале пространство между элементами образца является полностью непоглощающим, например состоящим только из воздуха.

Если элементы образца очень малы, например, как в случае семян льна, можно просто засыпать множество элементов образца в углубление в держателе образца, выбрав объем углубления таким, чтобы образец был оптически тонким по меньшей мере в одном направлении. Чтобы удалить элементы образца, избыточные относительно объема углубления в держателе образца, может быть использован специальный инструмент.

С целью еще больше ослабить эффект скрытой массы, желательно разместить некоторые или все элементы образца в плоскости, на одной линии или по сфере, чтобы сделать возможным однородное освещение образца, для анализа, почти со всех пространственных направлений. Оптимальным для анализа является распределение элементов образца (таких как зерна) равномерно по всему пространству внутри оптически интегрирующей полости, поскольку этим обеспечивается максимально возможное расстояние между элементами образца. Однако по соображениям практичности предпочтительными могут быть двумерные распределения.

В другом предпочтительном варианте образец представляет собой пластинку, вырезанную из единственного образца ССП, например из картофелины или яблока. Образец, вырезанный в форме пластинки, идеально соответствует критериям оптической тонкости в нормальном направлении, в частности, если его толщина составляет менее 3 мм. Преимуществом является то, что не требуется никакого держателя образца, поскольку вырезанная или спрессованная пластинка в качестве образца, помещенная внутри оптически интегрирующей полости, может сохранять свое положение. Альтернативно, пластинка для образца состоит из разрезанных или истолченных элементов образца, например из бобов или кукурузных зерен, или из прессованных элементов образца, например сена или соломы.

Если элементы образца размещены в углублениях, выполненных в держателе образца, а оптический анализатор адаптирован для установки держателя образца в оптически интегрирующую полость, применение анализатора существенно упрощается, поскольку держатель обеспечивает позиционирование элементов образца. При этом количество измеряемых элементов образца может поддерживаться почти одинаковым для каждого анализа. Кроме того, обеспечивается защита оптически интегрирующей полости, поскольку она не должна быть открытой, т.е. ее светорассеивающие стенки не контактируют с окружающей средой. Это помогает избежать потускнения поверхности данных стенок. Указанные углубления могут представлять собой отверстия в держателе образца или, альтернативно, углубления выполняются в виде гнезд или вырезов.

Держатель образца предпочтительно является частично или полностью прозрачным для испускаемого излучения, если только он не образует часть светорассеивающей стенки оптически интегрирующей полости. Это может облегчить правильное закрывание оптически интегрирующей полости вокруг держателя образца и, тем самым, предотвратит проникновение дневного света в оптически интегрирующую полость. Далее, желательно, чтобы держатель образца мог легко очищаться, т.е. быть свободным от загрязнений и частиц, когда он находится, для проведения измерений, внутри оптически интегрирующей полости.

В держателе образца предпочтительно выполнено 50-110 углублений, в частности 70-80 углублений, каждое из которых адаптировано для помещения в него или для удерживания им элемента образца. В результате общее количество образца явно будет уменьшено по сравнению с известными оптическими анализаторами. Это особенно справедливо, если индивидуальные элементы образца являются оптически тонкими, как в случае пшеницы или ячменя, так что общая скрытая масса пренебрежимо мала, т.е. практически вся масса образца анализируется и, следовательно, участвует в формировании спектрально профильтрованного излучения. В торговле зерном известны подходящие формы углублений, которые облегчают размещение зерен вручную, т.е. в каждое углубление легко помещается одно и только одно зерно. Оптимизированные профили варьируют между различными типами зерен и, в меньшей степени, также между различными сортами зерен одного типа. Держатель образца предпочтительно адаптирован для легкого удаления и повторной установки в анализатор, так что пользователь может легко заменять один держатель образца на другой, чтобы исследовать различные типы зерен.

Толщина держателя образца предпочтительно соответствует характеристической толщине оптически тонкого образца, составляющей, в частности, менее 2-4 мм или менее примерно 4 мм. При таком выполнении держатель образца может быть заполнен образцом, не соответствующим критерию скрытой массы, и может использоваться как направляющий элемент, чтобы соответствующим образом изменить размер зерен или других элементов образца для уменьшения скрытой массы и даже для обеспечения оптической тонкости. Толщина 2-4 мм отвечает условиям оптической тонкости для большинства зерновых.

В предпочтительном варианте держатель образца может устанавливаться и/или закрепляться внутри оптически интегрирующей полости посредством рамки, геометрического замыкания или силового замыкания. В результате положение каждого элемента образца в оптически интегрирующей полости четко определяется по отношению к светорассеивающей стенке или к светорассеивающим стенкам оптически интегрирующей полости. Это также улучшает воспроизводимость спектральных результатов. Полость может открываться, чтобы ввести в нее элементы образца, или держатель образца может быть адаптирован для установки и фиксации внутри оптически интегрирующей полости. Применение рамки желательно, поскольку она может служить в качестве рукоятки для держателя образца и/или использоваться для закрывания или запирания указанной полости.

Оптический анализатор предпочтительно имеет слот для ввода образца или держателя образца. Данный слот служит для правильного позиционирования образца или держателя образца внутри оптически интегрирующей полости путем его загрузки вручную или автоматической подачи. Чтобы предотвращать проникновение в оптически интегрирующую полость дневного света или другого мешающего излучения, может использоваться, дополнительно или альтернативно, рамка или другой фиксатор.

В предпочтительном варианте у входного отверстия слота установлено (установлена) лезвие или пара лезвий для преобразования образца в оптически тонкий образец путем отделения от образца, вводимого в анализатор, срезаемых участков. В этом варианте приготовление образца и его введение в оптический анализатор комбинируются в одну подготовительную операцию, выполняемую перед началом измерений.

В другом предпочтительном варианте оптический анализатор способен производить спектральный анализ нескольких различных типов сыпучего сельскохозяйственного продукта. Эта возможность реализуется легче, если анализатор сконструирован для измерения сельскохозяйственных продуктов физически схожих типов, например зерновых с мелкими зернами (таких как пшеницы и ячменя) или с более крупными зернами (таких как кукурузы и фасоли); или сена и соломы; или порошков типа муки; или фруктов и корнеплодов (например яблок или картофеля), из которых должна вырезаться единственная пластина. Таким образом, продукты могут классифицироваться согласно предварительной обработке, необходимой для преобразования их в репрезентативные образцы с минимальной скрытой массой. После предварительной обработки они могут быть введены в качестве образцов в оптический анализатор.

Образцом предпочтительно является обработанный сыпучий сельскохозяйственный продукт, в частности измельченный, разрезанный, спрессованный или истолченный сыпучий сельскохозяйственный продукт. В результате скрытая масса может быть уменьшена, а часть массы образца, фильтрующая излучение, увеличена. В идеале обеспечивается оптическая тонкость образца.

Источником излучения предпочтительно является лампа накаливания, светодиод (СД), широкополосный СД, галогеновая лампа или комплект источников излучения. Чтобы детектировать полосы поглощения ингредиентов, концентрацию которых нужно измерить, желательно использовать источники излучения, являющегося по меньшей мере близким к непрерывному по спектру, в частности теплового излучения. Чтобы перекрыть требуемый спектральный интервал, в качестве источников излучения может быть также использован массив СД. Характеристическая структура спектра испускаемого излучения не оказывает неблагоприятного влияния на качество спектрального анализа.

Спектральный интервал источника излучения предпочтительно лежит, по меньшей мере частично, в спектральной области 800-1050 нм. Источник испускает излучение, включающее спектральный интервал, который в идеале соответствует третьей гармонике, т.е. области ИК излучения от 800 до 1050 нм. Эта область охватывает характеристические полосы поглощения большинства важных ингредиентов сыпучих сельскохозяйственных продуктов, включая влагу, липиды, протеин и др. Данный спектральный интервал может детектироваться кремниевыми детекторами.

Чтобы обеспечить равномерное рассеяние испускаемого излучения в объеме оптически интегрирующей полости, светорассеивающая стенка предпочтительно покрыта рассеивающей белой краской, содержит слой высокорассеивающего материала или выполнена из рассеивающего материала. Эффект рассеяния испускаемого излучения приводит к формированию рассеянного излучения путем многократного отражения от светорассеивающих стенок или по меньшей мере от одной светорассеивающей стенки оптически интегрирующей полости и, тем самым, к рандомизированному распределению энергетической освещенности по множеству направлений внутри оптически интегрирующей полости, что соответствует рассеянному излучению. Поверхность светорассеивающей стенки в идеале является белой для спектрального интервала измерений и имеет коэффициент диффузного отражения более 95%. Этого можно достичь различными путями. Во-первых, на стенку полости может быть нанесена рассеивающая белая краска, такая как Duraflect™. Во-вторых, на стенку полости может быть нанесен слой высокорассеивающего материала, например ODM98-F01. В-третьих, полость стенки может быть выполнена из подходящего белого материала, такого как Spectralon™ или полиэтилен, содержащий высокую объемную концентрацию частиц пигмента ТiO₂. При этом из полиэтилена методом литья под давлением оптически интегрирующая полость может быть легко сформована, частично или полностью.

В предпочтительном варианте оптически интегрирующая полость состоит, в основном, из двух полусфер. Такое выполнение позволяет реализовать преимущества так называемого шара Ульбрихта. При этом важно, что для проведения измерений держатель образца может быть помещен между двумя полусферами. Кроме того, оптически интегрирующая полость приобретает форму сферы, что само по себе способствует эффективному рассеянию.

Кроме того, по меньшей мере одна полусфера предпочтительно перекрыта прозрачным защитным элементом, в частности защитным стеклом. Защитное стекло препятствует взаимодействию загрязнений и других мешающих веществ, а также самого образца с полостью стенки, так что рассеивающая способность стенки не ухудшается.

Спектральный датчик предпочтительно содержит массив детекторов, фильтр с линейной разверткой по длинам волн и/или фокусирующее средство. Массив детекторов целесообразно использовать, когда индивидуальному детектору массива может соответствовать определенная длина волны или определенный спектральный интервал. Такое соответствие может быть достигнуто посредством диспергирующего элемента, такого как призма или дифракционная решетка. В этом варианте не требуется никакого сканирующего устройства, для которого нужны подвижные оптические элементы. Аналогичным образом может быть использован фильтр с линейной разверткой по длинам волн. Фокусирующим средством, по существу, являются линзы или иные элементы, имеющие нужную фокальную длину для требуемого воздействия на пучок.

Анализ спектра поглощения, осуществляемый спектральным датчиком, дает в результате концентрацию протеина, влаги, углеводородов и/или жиров, содержащихся в образце. Оптический анализ может также выдать любые другие концентрации или значения других свойств, которые могут быть полезны для принятия решений и планирования в сельском хозяйстве. Оптический анализатор желательно адаптировать для последовательного или параллельного анализа концентраций различных ингредиентов.

Другой предпочтительный вариант использует программу, которая позволяет компьютеру по меньшей мере осуществлять анализ излучения после его спектральной фильтрации путем построения спектра поглощения образца. Кроме того, данная программа может способствовать выполнению любой другой операции описываемого далее способа или управлять ею.

Способ оптического анализа согласно изобретению включает операции:

- испускания оптического излучения в оптически интегрирующую полость, по меньшей мере одна светорассеивающая стенка которой преобразует испущенное излучение в рассеянное излучение;

- по меньшей мере частичного или полного преобразования рассеянного излучения в излучение, прошедшее спектральную фильтрацию посредством используемого образца твердого сельскохозяйственного продукта, который помещают в оптически интегрирующую полость таким образом, чтобы спектральный датчик воспринимал указанное профильтрованное излучение, причем указанный образец состоит из одного или более элементов образца, и

- анализа указанного излучения с построением спектра поглощения образца.

Использование оптически интегрирующей полости приводит к упрощению способа, который обеспечивает локальный и быстрый анализ образца сыпучего сельскохозяйственного продукта. При этом не требуется сложной подготовки образца к анализу (если вообще требуется какая-то подготовка).

Если светорассеивающей стенки недостаточно для требуемого уровня оптического интегрирования, аналогично имеющему место в шаре Ульбрихта, могут быть использованы дополнительные светорассеивающие стенки или заслонки, которые генерируют рассеянное излучение при отражении от них.

Количественный анализ образца предпочтительно осуществляют по построенному спектру поглощения. Амплитуды спектральных линий пропорциональны коэффициентам поглощения образца, находящегося внутри полости. Спектр поглощения получают путем измерения референтного спектра незагруженной интегрирующей полости (т.е. в отсутствие образца) и сравнения спектра образца, загруженного в полость, с референтным спектром. В этом случае при анализе фильтрующего действия образца могут быть учтены эффекты спектральной фильтрации со стороны оптически интегрирующей полости или держателя образца. Часть суммарной фильтрации может быть не связана с образцом. Это может иметь место в случае загрязнения держателя образца или оптически интегрирующей полости. Преимуществом является то, что пользователю не нужно тщательно очищать или вообще очищать оптический анализатор, поскольку влияние загрязнений может быть исключено из результатов спектрального анализа.

Для целей калибровки измеряют темный спектр при выключенном или экранированном источнике излучения. Такое измерение позволяет учесть любые посторонние эффекты, которые воздействуют на датчик, но не имеют отношения к оптическому анализу образца и могут быть приписаны характеристическому отклику датчика. Темный спектр может повторно измеряться через заданные временные интервалы, например непосредственно до и после измерения спектра образца и референтного спектра. Затем эти спектры можно скорректировать с учетом темного спектра до того, как по этим двум спектрам будет рассчитан спектр поглощения. В результате амплитуды в спектре поглощения будут еще в большей степени пропорциональны концентрациям ингредиентов образца.

В предпочтительном варианте элементы образца размещают в оптически интегрирующей полости на минимальном расстоянии друг от друга, чтобы предотвратить затенение и способствовать уменьшению скрытой массы приблизительно до 40%, а в идеале до менее 10% от общей массы образца.

Предпочтительно анализируют оптически тонкий образец, в частности оптически тонкий образец с толщиной (размером по одному направлению) примерно 2-4 мм или менее. Оптическая тонкость не является необходимой, если не требуется очень высокая точность результатов определения концентрации.

Полезный вариант способа предусматривает проведение спектрального анализа посредством оптического анализатора, который питается от накопителя энергии, способного запасать энергию, достаточную для проведения спектрального анализа образца. В этом случае пользователь сможет проводить оптические анализы на большом расстоянии от частных или общественных электросетей. В качестве накопителя энергии предпочтительным является накопитель электрической энергии, такой как батарея или перезаряжаемая батарея.

Устройство для приготовления образца согласно изобретению содержит держатель образца, имеющий множество углублений, и первое лезвие, подвижное в первой плоскости, которая задана первой группой отверстий, ведущих в углубления. Данное устройство очень полезно, поскольку держатель образца может быть использован для подготовки образца, а также для проведения оптического анализа в оптическом анализаторе.

Оптический анализатор предпочтительно содержит также второе лезвие, подвижное во второй плоскости, которая параллельна первой плоскости и задана второй группой отверстий, ведущих в углубления. В результате элементы образца можно разрезать с получением образца с любой толщиной, в идеале с толщиной, обеспечивающей оптическую тонкость. При этом эти образцы вдавливают в углубления таким образом, что они фиксируются в углублениях, не требуя при проведении измерений каких-либо фиксаторных средств, но с возможностью достаточно простого последующего удаления образцов.

Первое лезвие предпочтительно прикреплено ко второму лезвию таким образом, чтобы обеспечить одновременное срезание обеими лезвиями частей образца, помещенного в одно из углублений, чтобы с более высокой точностью обеспечить заданную тонкость выбранного образца.

В идеале кратчайшее расстояние между первым и вторым лезвиями соответствует характеристической толщине образца определенного типа, при которой образец является оптически тонким, в частности составляющей менее 2-4 мм. Такой вариант устройства полезен, в частности, для анализа кукурузы.

В другом варианте устройство для подготовки образца состоит из трех слоев стекла, среднее из которых движется и за счет этого разрезает элементы образца на три части. В результате образец становится оптически тонким, но по-прежнему содержащим единую массу зерна, что приводит к уменьшению погрешности семплирования.

Другие предпочтительные варианты и модификации изобретения будут проиллюстрированы на прилагаемых чертежах и в нижеследующем описании.

Краткое описание чертежей

Более подробное описание изобретения приводится далее со ссылками на примеры, проиллюстрированные на прилагаемых чертежах.

На фиг. 1 показан ручной оптический анализатор с оптической интегрирующей полостью на основе двух полусфер.

На фиг. 2 схематично показан оптический анализатор с открытой оптической интегрирующей полостью.

На фиг. 3 анализатор по фиг. 2 схематично показан в разрезе и с закрытой оптической интегрирующей полостью.

На фиг. 4А, 4В иллюстрируется приготовление образца с помощью устройства для подготовки образца.

На фиг. 5 показан оптический анализатор с интегрированным в него устройством для подготовки образца.

На фиг. 6 показана пластина держателя образца при ее вводе в оптический анализатор.

На фиг. 7 иллюстрируется подготовка и измерение пластины для образца сельскохозяйственного продукта.

Идентичные компоненты имеют одинаковые обозначения на всех чертежах.

Осуществление изобретения

На фиг. 1 показан ручной оптический анализатор 10 с оптически интегрирующей полостью, выполненной на основе двух полусфер 11. Показанная на фиг. 1 полусфера 11 соединена с оптическим анализатором 10 посредством петли 12. Держатель 17 образца интегрирован в корпус оптического анализатора 10. Вторая полусфера, находящаяся под держателем 17 (не видна), также интегрирована в оптический анализатор 10 и сделана недоступной пользователю, чтобы избежать ее загрязнения. Внутренний диаметр сферы равен 80 мм.

Альтернативно, держатель 17 образца может быть съемным, чтобы собирать образцы непосредственно в держатель, вводя его в массу элементов образца, а затем помещать его внутрь сферы.

Элементы образца, например зерна определенного растения, распределены по углублениям 18. Чтобы получить приемлемое отношение сигнал/шум, должно быть заполнено по меньшей мере около 80% углублений. В идеале могут иметься углубления для примерно 80 элементов образца. Сферу можно заполнить, помещая элементы образца в сферу и встряхивая или иначе перемещая ее в открытом или закрытом состоянии.

После заполнения закрывают крышку 11, чтобы зафиксировать оптически интегрирующую сферу на время измерений. Заслонка 14 гарантирует, что прямое излучение от источника 13 оптического излучения не будет попадать на элементы образца. Источником 13 излучения является недорогая галогеновая лампа малой мощности с номинальным напряжением 12 В. Это позволяет использовать батарейное питание.

Защитное стекло 19 предотвращает загрязнение подвижной полусферы 11. Поскольку защитное стекло является плоским, его легко чистить. Это же относится к держателю 17 образца, предпочтительным материалом для которого является боросиликатное стекло, которое можно мыть, используя стандартные чистящие средства, без ухудшения его прозрачности для рассеянного излучения.

Пользователь закрывает крышку 11 и начинает измерение нажатием кнопки 16. Через несколько секунд на дисплей 15 выводятся концентрации протеина и влаги (в масс. %), если заранее был получен референтный спектр (спектр сравнения) при отсутствии образца в держателе 17. Таким образом, количественный анализ выполняется быстро и надежно.

Типичные концентрации для зерновых составляют в высушенном состоянии 10% протеина, 5-15% влаги, 70% углеводородов, 4% жира и 2% минералов (например, в виде золы).

Оптический анализатор 10 является легким и портативным; для работы с ним достаточно одного человека. Питание прибора обеспечивается комплектом стандартных батарей, которые можно перезаряжать, подключая анализатор 10 к солнечному зарядному устройству (не изображено).

Желательно, чтобы оптический анализатор был способен осуществлять беспроводную коммуникацию с другими беспроводными устройствами (например, использующими технологии WLAN или Bluetooth™), такими как мобильный телефон или мобильный компьютер, чтобы передавать результаты измерений для дальнейшей обработки. Альтернативно, может быть использовано соединение по универсальной последовательной шине (USB).

На фиг. 2 и 3 схематично показан оптический анализатор с оптической интегрирующей полостью, сформированной двумя полусферами 21, 24, которые могут быть соединены одна с другой, например, с помощью байонетного соединения. Как вариант, держатель 27 образца можно зафиксировать относительно корпуса (не изображен) или верхней полусферы 21, используя прорезь 23. На фиг. 2 оптическая интегрирующая полость открыта, а на фиг. 3 она закрыта посредством рамки 38, которая образует соединение, с геометрическим замыканием, по меньшей мере с одной из полусфер 21, 24. Рамка 38 может быть изготовлена из пластика или металла при условии, что используемый материал обладает достаточно высоким диффузным отражением, чтобы не ухудшить интегрирующую способность полости 20, сформированной полусферами 21, 24 и частью внутренней поверхности рамки 38.

Как и в варианте по фиг. 1, защитное стекло 29 используется для защиты внутренней части верхней полусферы 21, включая переднюю часть источника 33 излучения, который выступает из полусферы, чтобы обеспечить удобство его замены, поскольку защитное стекло 29 является несъемным.

Углубления 18, 28 (см. фиг. 1 и 2) характеризуются своим объемом, который позволяет поместить в углубление единственное зерно пшеницы в качестве элемента образца. Любое зерно блокирует занятое им углубление 18, 28 для любого другого зерна, что облегчает распределение образцов при загрузке.

Спектральный датчик 26 может быть заменен другими спектрографическими датчиками. Через отверстие 25 в нижней полусфере 24 часть рассеянного излучения и профильтрованное рассеянное излучение направляются соответствующими элементами для направления пучка, например линзами 3, 4, к полосовому фильтру 2 с линейной разверткой по длинам волн, а затем к массиву 1 детекторов. Каждый пиксель массива детекторов, предпочтительно строки из 64 пикселей, соответствует определенной рабочей длине волны, т.е фильтр обеспечивает подачу пропущенного излучения с нужной длиной волны на соответствующий пиксель. Данный фильтр может быть заменен дифракционной решеткой или призмой.

Держатель 27 образца не зафиксирован внутри сферы 20 (которая может именоваться также шаром Ульбрихта). Держатель 27 образца может заполняться внутри сферы или, альтернативно, может быть с этой целью извлечен из нее. В связи с этим предусмотрено второе защитное стекло 39, чтобы защитить также белую диффузно отражающую стенку 31 полусферы 24 для обеспечения оптимальной однородности излучения. При этом рамка 38 может быть сконструирована так, чтобы плотно прижимать держатель 27 образца к обеим полусферам 21, 24. Рамка 38 может быть неразъемно присоединена к держателю 27 образца.

На фиг. 4А, 4В иллюстрируется приготовление элементов 41 образца кукурузы с целью получения оптически тонких элементов 48 образца. Эта задача решается помещением элементов 41 образца в держатель 46 образца, который установлен на базовую пластину 49. Планка, состоящая из пары лезвий 44, 45, имеет ось, заданную штифтом 42, и может перемещаться над держателем 46 образца в направлении В так, что лезвие 44 движется в плоскости Р1, а параллельное ему нижнее лезвие 45 - в плоскости Р2, разрезая каждый элемент 41 образца с двух сторон в указанных плоскостях Р1, Р2. Срезанные участки 47 образца удаляются, и держатель 46 образца теперь содержит оптически тонкие элементы 48 образца кукурузы примерно 2-3 мм толщиной. Скрытая масса в этом случае составляет менее примерно 20%, что обеспечивает очень надежный спектральный результат.

В альтернативном варианте оптическая интегрирующая полость в варианте по фиг. 2 и 3 используется для измерения образцов, таких как сено. Сено может быть просто помещено в пространство, которое предназначено держателю 27 образца. Другими словами, держатель 27 образца не используется. Вместо этого защитные стекла 29, 39 сжимают сено до желательной толщины, которая в идеальном варианте может обеспечить выполнение условий оптической тонкости. Даже без защитных стекол 29, 39 части растений, такие как сено, могут быть помещены для оптического измерения в интегрирующую полость без сжатия.

Фиг. 5 и 6 иллюстрируют удобные в обращении портативные оптические анализаторы 50, 60 с интегрированным устройством для подготовки образца. В обоих вариантах элементы 41 образца помещаются в держатель 46 образца, а пара лезвий 51, 52 разрезает элементы 41 образца с получением оптически тонких элементов 48 образца. Ввод и разрезание элементов образца можно осуществлять за единственную операцию, которая может выполняться одним человеком.

Рукоятка 53, показанная на фиг. 5, является полезной, поскольку усилие, уравновешивающее разрезание, может быть сгенерировано удерживанием держателя 46 образца одной рукой и прикладыванием противодействующего усилия к рукоятке 53 до тех пор, пока держатель образца не войдет в слот 58.

Оптическая интегрирующая полость интегрирована внутри оптических анализаторов 50, 60, причем ее не требуется открывать для измерений. После того как держатель 46 образца будет введен в полость, будет иметь место его желательный охват блоком защитного стекла (не виден), который предотвращает попадание любых загрязнений на диффузно отражающие стенки полости. Блок защитного стекла и лезвия 51, 52 желательно интегрировать в единственный механический узел, который можно относительно легко извлечь из гнезда анализаторов 50, 60, например, используя простой инструмент типа отвертки. Это делает возможным периодическую проверку и, когда это необходимо, чистку блока защитного стекла, а также, когда это необходимо, замену лезвий 51, 52.

В варианте по фиг. 6 ввод образца дополнительно облегчается наличием пластины 61 держателя образца, которая обеспечивает его правильный ввод и делает возможным использование оптических анализаторов 50, 60 с различными держателями 46 образца, действующими как адаптеры. Пластина 61 держателя образца имеет гнездо 62, которое адаптировано для удерживания держателя 46 образца.

На фиг. 7 иллюстрируется подготовка пластинок 75 образца сельскохозяйственного продукта 72, такого как сено. Пробоотборник 71 - это обычный пробоотборник, который используется для получения проб сельскохозяйственного продукта 72 путем погружения в продукт и заполнения, за счет механического перемещения, контейнера для проб в составе пробоотборника. Отбираемый сельскохозяйственный продукт затем выталкивается из пробоотборника 71 и сжимается (т.е. сплющивается) до толщины, требуемой для выполнения условия оптически тонкого образца сена. В частности, образец сена в форме пластинки 75 формируется по меньшей мере одной парой валиков 73.

Затем образец в форме пластинки 75 вводится в оптически интегрирующую полость 70, такую как сфера с белыми диффузно отражающими стенками. Форма образца позволяет использовать его как обычный пропускающий стеклянный фильтр, причем он может быть помещен между полусферами. Благодаря равномерному распределению излучения в сфере присутствует, в основном, профильтрованное излучение, что гарантирует очень малое искажение энергетической освещенности в эксперименте.

Вариант по фиг. 5, 6 может быть модифицирован таким образом, что пара лезвий 51, 52 не будет обязательна, поскольку держатель 46 образца с элементами 41 образца и, возможно, также пластина 61 держателя образца не используются, а вместо них используется пластинка 75 для образца без каких-либо держателей 61, 46.

Изобретение должно рассматривается как не ограниченное только пунктами прилагаемой формулы, но и охватывающее все их легальные эквиваленты.

Использованные обозначения

В рабочее направление

D минимальное расстояние

Р1 первая плоскость

Р2 вторая плоскость

1 массив детекторов

2 полосовой фильтр с линейной разверткой

3 цилиндрическая линза

4 фокусирующая линза

10 оптический анализатор

11 верхняя полусфера

12 петля

13 источник оптического излучения

14 заслонка

15 дисплей

16 кнопка

17 держатель образца

18 углубление

19 защитное стекло

20 оптически интегрирующая сфера

21 полусфера

22 захват

23 прорезь

24 нижняя полусфера

25 отверстие

26 спектральный датчик

27 держатель образца

28 углубление

29 защитное стекло

31 светорассеивающая стенка

33 источник излучения

34 заслонка

36 рассеянный свет

38 рамка

39 защитное стекло

40 устройство для приготовления образца

41 элемент образца кукурузы

42 штифт

43 рукоятка

44 первое лезвие

45 второе лезвие

46 держатель образца

47 срезанный участок

48 оптически тонкий элемент образца

49 базовая пластина

50 оптический анализатор

51 нижнее лезвие

52 верхнее лезвие

53 рукоятка

54 углубления

58 слот для образца

60 оптический анализатор

61 пластина держателя образца

62 гнездо

70 оптически интегрирующая полость

71 пробоотборник

72 сельскохозяйственный продукт

73 компрессионный валик

75 пластинка образца

Изобретение относится к оптическому анализатору. Оптический анализатор содержит оптически интегрирующую полость, сформированную по меньшей мере одной светорассеивающей стенкой и адаптированную для помещения в нее образца твердого сельскохозяйственного продукта, состоящего из одного или более элементов образца, и источник оптического излучения, испускающий излучение в оптически интегрирующую полость. При этом по меньшей мере одна светорассеивающая стенка полости предназначена для преобразования испущенного излучения в рассеянное излучение, а образец способен преобразовывать рассеянное излучение в излучение, прошедшее спектральную фильтрацию. Причем оптический анализатор выполнен с возможностью обеспечения по существу однородной плотности фотонов в интегрирующей полости и с возможностью однородного освещения образца по существу со всех пространственных направлений. Анализатор также содержит спектральный датчик. Образец заключен в оптически интегрирующей полости, а спектральный датчик помещен на траектории излучения, прошедшего спектральную фильтрацию. Технический результат заключается в повышении точности измерений и надежности устройства. 2 н. и 33 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Оптический анализатор (10, 50, 60), содержащий:

- оптически интегрирующую полость (20), сформированную по меньшей мере одной светорассеивающей стенкой (31) и адаптированную для помещения в нее образца твердого сельскохозяйственного продукта, состоящего из одного или более элементов (41, 48) образца;

- источник (13, 33) оптического излучения, испускающий излучение в оптически интегрирующую полость (20), при этом по меньшей мере одна светорассеивающая стенка (31) предназначена для преобразования испущенного излучения в рассеянное излучение, а образец способен по меньшей мере частично или полностью преобразовывать рассеянное излучение в излучение, прошедшее спектральную фильтрацию, причем оптический анализатор (10, 50, 60) выполнен с возможностью обеспечения по существу однородной плотности фотонов в интегрирующей полости (20) и с возможностью однородного освещения образца по существу со всех пространственных направлений, и

- спектральный датчик (26), причем образец заключен в оптически интегрирующей полости (20), а спектральный датчик (26) помещен на траектории излучения, прошедшего спектральную фильтрацию.

2. Анализатор (10, 50, 60) по п. 1, в котором: элементы (41, 48) образца зафиксированы в оптически интегрирующей полости (20) отдельно друг от друга.

3. Анализатор (10, 50, 60) по п. 2, выполненный с возможностью размещения элементов (41, 48) образца на минимальном расстоянии друг от друга.

4. Анализатор (10, 50, 60) по п. 1, адаптированный для анализа оптически тонкого образца (48), предпочтительно оптически тонкого образца с толщиной примерно 2-4 мм или менее.

5. Анализатор (10, 50, 60) по п. 1, содержащий накопитель энергии, способный запасать количество энергии, достаточное для проведения спектрального анализа образца посредством оптического анализатора.

6. Анализатор (10, 50, 60) по п. 5, в котором накопитель энергии является накопителем электрической энергии, такой как батарея или перезаряжаемая батарея.

7. Анализатор (10, 50, 60) по п. 1, адаптированный для проведения оптического анализа образца при удерживании анализатора руками или только одной рукой.

8. Анализатор (10, 50, 60) по п. 1, в котором пространство между элементами (41, 48) образца является непоглощающим или почти непоглощающим по сравнению с поглощением элементов (41, 48) образца.

9. Анализатор (10, 50, 60) по п. 1, в котором некоторые или все элементы (41, 48) образца размещены в плоскости, на одной линии или по сфере.

10. Анализатор (10, 50, 60) по п. 1, в котором образец сельскохозяйственного продукта (72) спрессован или вырезан в виде пластинки (75).

11. Анализатор (10, 50, 60) по п. 3, в котором элементы (41, 48) образца размещены в углублениях (18), выполненных в держателе (17, 27, 46) образца, а оптический анализатор (10, 50, 60) адаптирован для установки держателя (17, 27, 46) образца в оптически интегрирующую полость (20).

12. Анализатор (10, 50, 60) по п. 11, в котором держатель (17, 27, 46) образца частично или полностью прозрачен для испускаемого излучения.

13. Анализатор (10, 50, 60) по п. 11, в котором в держателе (17, 27, 46) образца выполнено от 50 до 110 углублений, в частности 70-80 углублений, каждое из которых адаптировано для помещения в него или для удерживания им одного элемента (41, 48) образца.

14. Анализатор (10, 50, 60) по п. 11, в котором толщина держателя (17, 27, 46) образца соответствует характеристической толщине оптически тонкого образца, в частности составляющей менее 4 мм.

15. Анализатор (10, 50, 60) по п. 1, в котором держатель (17, 27, 46) образца выполнен с возможностью его помещения внутри оптически интегрирующей полости (20) и/или фиксации в ней при помощи рамки или посредством геометрического или силового замыкания.

16. Анализатор (10, 50, 60) по п. 1, имеющий слот (58) для ввода образца.

17. Анализатор (10, 50, 60) по п. 14, в котором у входного отверстия слота (58) установлено (установлена) лезвие или пара лезвий (51, 52) для преобразования образца в оптически тонкий образец путем отделения от образца (41, 48), вводимого в анализатор, срезаемых участков.

18. Анализатор (10, 50, 60) по п. 1, в котором твердый сельскохозяйственный продукт является сыпучим сельскохозяйственным продуктом.

19. Анализатор (10, 50, 60) по п. 18, в котором образец является обработанным сыпучим сельскохозяйственным продуктом, в частности измельченным, спрессованным или истолченным сыпучим сельскохозяйственным продуктом.

20. Анализатор (10, 50, 60) по п. 1, в котором источником излучения является лампа накаливания, светодиод, широкополосный светодиод, галогеновая лампа или комплект источников излучения.

21. Анализатор (10, 50, 60) по п. 1, в котором спектральный интервал источника излучения по меньшей мере частично лежит в спектральной области 800-1050 нм.

22. Анализатор (10, 50, 60) по п. 1, в котором светорассеивающая стенка (31) покрыта светорассеивающей белой краской, содержит слой высокорассеивающего материала или выполнена из рассеивающего материала.

23. Анализатор (10, 50, 60) по п. 1, в котором оптически интегрирующая полость (20) содержит две полусферы (21, 24).

24. Анализатор (10, 50, 60) по п. 23, в котором по меньшей мере одна полусфера (21, 24) перекрыта прозрачным защитным элементом, в частности защитным стеклом (19, 29).

25. Анализатор (10, 50, 60) по п. 1, в котором спектральный датчик (26) содержит массив (1) детекторов, фильтр (2) с линейной разверткой по длинам волн и/или фокусирующее средство (3, 4).

26. Анализатор (10, 50, 60) по п. 1, в котором анализ спектра поглощения, выполняемый спектральным датчиком (26), обеспечивает определение концентраций протеина, влаги, углеводородов и/или жиров, содержащихся в образце.

27. Способ оптического анализа, включающий операции:

- испускания оптического излучения в оптически интегрирующую полость (20), по меньшей мере одна светорассеивающая стенка (31) которой преобразует испущенное излучение в рассеянное излучение;

- по меньшей мере частичного или полного преобразования рассеянного излучения в излучение, прошедшее спектральную фильтрацию посредством используемого образца твердого сельскохозяйственного продукта, который помещают в оптически интегрирующую полость (20) таким образом, чтобы спектральный датчик (26) воспринимал указанное профильтрованное излучение, при этом в интегрирующей полости (20) обеспечивают по существу однородную плотность фотонов и однородно освещают образец по существу со всех пространственных направлений, причем указанный образец состоит из одного или более элементов (41, 48) образца, и

- анализа указанного излучения с построением спектра поглощения образца.

28. Способ анализа по п. 27, в котором элементы (41, 48) образца фиксируют в оптически интегрирующей полости (20) отдельно друг от друга.

29. Способ анализа по п. 27, в котором количественный анализ образца осуществляют по построенному спектру поглощения.

30. Способ анализа по п. 27, в котором для осуществления калибровки формируют темный спектр при выключенном или экранированном источнике (13, 33) излучения.

31. Способ анализа по п. 27, в котором большинство элементов (41, 48) образца фиксируют в оптически интегрирующей полости (20) отдельно друг от друга.

32. Способ анализа по п. 27, в котором элементы (41, 48) образца размещают в оптически интегрирующей полости (20) на минимальном расстоянии (D) друг от друга.

33. Способ анализа по п. 27, в котором анализируют оптически тонкий образец, в частности образец с толщиной примерно 2-4 мм или менее.

34. Способ анализа по п. 27, в котором спектральный анализ проводят посредством оптического анализатора (10, 50, 60), питание которого осуществляют от накопителя энергии, способного запасать энергию, достаточную для проведения спектрального анализа образца.

35. Способ анализа по п. 34, в котором в качестве накопителя энергии используют накопитель электрической энергии, такой как батарея или перезаряжаемая батарея.