УСТРОЙСТВО ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ ЗЕРНА ПШЕНИЦЫ И РИСА ПО ПОКАЗАТЕЛЮ СТЕКЛОВИДНОСТИ Российский патент 2020 года по МПК B07B13/00 B07C5/342 

Изобретение относится к сельскому хозяйству и может быть использовано для выделения фракции с определенным содержанием стекловидных зерен из товарного зерна пшеницы и риса. Стекловидность, являясь внешним признаком качества зерна, отражает структуру внутренних тканей зерна. Консистенция зерна (стекловидность) имеет очень большое значение для оценки его технологических (мукомольных) свойств. Так, стекловидные зерна обладают большей механической прочностью, чем мучнистые. В процессе размола в муку стекловидные зерна образуют большое количество крупок - промежуточных продуктов помола, что очень важно для получения муки высокого качества. Такая мука ценится в хлебопечении. Мучнистые же зерна быстро измельчаются в тонкий порошок. Поэтому стекловидное зерно обладает более высокими мукомольными достоинствами. Зерна пшеницы или риса, содержащиеся в ворохе зерна, полученного после его уборки и послеуборочной обработки, содержат как мучнистые, так и стекловидные зерновки. Это происходит в силу того, что в ворохе содержатся зерна от разных растений, условия созревания которых, могут отличаться вследствие неоднородности распределения удобрений по посевной площади, генетических отличий различных экземпляров и пр. В зависимости, в том числе, от степени стекловидности зерно делится на классы. Для повышения класса зерна на практике обычно необходимо из партии зерна удалить небольшую часть мучнистых зерен.

Из уровня техники известны различные устройства сепарации зерен на фракции и отделения зерна от примесей.

Так, известен диафаноскоп, применяемый для разделения зерна на стекловидные и мучнистые зерна (ГОСТ Р 52554-2006 и ГОСТ 10987-76). В соответствии с этими ГОСТ стекловидность зерна может определяться либо визуально без применения приборов по степени прозрачности поперечных срезов зерен, либо также визуально с помощью диафаноскопа, представляющего собой устройство с линзой и лампой подсветки, позволяющими лучше разглядеть по очереди каждое из 100 зерен, загружаемых в специальной кассете внутрь диафаноскопа. Визуальный метод с использованием диафаноскопа неприменим для промышленной сортировки зерна. Основными недостатками его являются низкая скорость разделения зерен и довольно высокая субъективность оценки.

Известно устройство для сортировки отдельных объектов из сыпучих материалов, раскрытое в патенте РФ №2526103, использующее в качестве критерия сортировки распределение объектов по размеру, что не применимо для отделения мучнистых зерен от стекловидных. Устройство включает в себя транспортировочное устройство, содержащее первые средства записи сигналов от чувствительных элементов для управления устройством выгрузки, источник света, вторые средства для обнаружения расширения определимой ширины световой полосы при отражении, третьи средства для буферизации привязанных к месту и времени цифровых сигналов множества последовательно записанных строк и формирование из них изображения, четвертые средства для идентификации связных областей на основании регулируемых пороговых значений для измеряемых величин объектов в качестве сигналов для параметров сортировки, вычислительный модуль для записи значений, обработки/анализа значений с получением данных и выдачи сигналов, и для выполнения программы, и/или камеру.

Известное устройство не обеспечивает возможности сортировки зерна по показателю стекловидности, поскольку данное устройство не позволяет определить оптические характеристики, соответствующие данному показателю.

Известно также устройство для очистки и сортировки зерновых культур, раскрытое в патенте РФ №2495728, включающее загрузочный бункер с вибролотком, соединенный с наклонным желобом с дорожками для подачи зерна, устройства для отбраковки зерна, накопители отбракованных зерен и готовой продукции. Нижний край желоба расположен между парой средств детектирования, состоящих из двух видеокамер, средств освещения, зоны обнаружения зерна. Система управления устройством состоит из блока анализа изображений зерна, блока для выдачи сигнала браковки, выход которого подключен к эжектору, блока управления средствами освещения. Всеми этими блоками управляет центральный процессор.

Недостатком данного устройства является сложность технической реализации процесса сортировки, поскольку необходимо проанализировать каждую зерновку по толщине, длине и ширине, что, как следствие, ведет к относительно низкой производительности. Кроме того, данное устройство не обеспечивает возможности отделения стекловидного зерна от мучнистого.

Известно также устройство для идентификации объектов по оптическим признакам (патент РФ №2012430), включающее сложную систему подсветки и один или несколько управляемых светофильтров с полосой пропускания не уже 380-770 нм и регулируемым спектром пропускания.

При использовании данного устройства необходимо применение широкополосных светофильтров с регулируемым спектром пропускания, что сильно усложняет технологию идентификации объектов и ведет к низкой производительности устройства. Кроме того, данное устройство не способно проводить сепарацию зерна по степени стекловидности.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению по технической сущности является фотоэлектронный сепаратор, раскрытый, например, в публикации (Фотосепаратор Zorkiy от CSort. Журнал «Агрорепортаж», 6 Сентября 2016), предназначенный для отделения зерна от мусора и примесей: овсюг, пелюшка, гречишка татарская, головня, спорынья, фузариозное зерно, зерно с черным зародышем и др. Устройство включает загрузочный бункер, из которого исходное зерно посредством вибрации вибролотков попадает в освещенную зону обследования, пролетает между датчиком и фоновым экраном. Оптоэлектронный сенсор анализирует световой поток от исследуемого материала и вырабатывает выходной сигнал компьютерной системы для приведения пневмоклапана (эжектора) в действие. Эжектор из летящего потока выдувает отличающееся по цвету продукт в патрубок негодного продукта, через который продукт выходит из фотосепаратора, в то время как годный продукт продолжает падать в патрубок годного продукта, откуда также выводится из фотосепаратора.

Недостатками данного сепаратора в отношении решаемой посредством заявляемого изобретения задачи являются его оптическая система и система управления сепарацией, которые не обеспечивают возможности разделения зерна по степени стекловидности.

Техническая проблема, решаемая посредством заявляемого изобретения, заключается в преодолении недостатков, присущих аналогам и прототипу, за счет создания устройства, обеспечивающего возможность высокопроизводительной сепарации зерен пшеницы и риса по показателю стекловидности.

Технический результат, достигаемый при использовании заявляемого изобретения, заключается в обеспечении быстрого и эффективного разделения зерна пшеницы и риса на две фракции с различным значением оптической характеристики, соответствующим определенному уровню стекловидности, что позволит повысить степень стекловидности партии зерна за счет обеспечения возможности удаления мучнистых зерен. Поставленная задача решается тем, что, в устройстве для сепарации зерен пшеницы и риса по степени стекловидности, включающем фотосепаратор, обеспечивающий возможность анализа спектров отражения отдельных семян с оптической системой и системой управления сепарацией, согласно техническому решению, оптическая система включает один или два источника электромагнитного излучения и, по меньшей мере, один приемник электромагнитного излучения, а система управления сепарацией выполнена с возможностью:

- регистрации электрических сигналов от приемников излучения, соответствующих интенсивности отраженного зернами излучения,

- определения значения оптической характеристики, соответствующей показателю стекловидности зерна, на основе интенсивности отраженного каждым зерном излучения, и

- направления зерна в бункер для мучнистых или стекловидных зерен в зависимости от отклонения значения оптической характеристики от заранее определенного контрольного значения.

В случае использования одного источника и одного приемника электромагнитного излучения со спектральным диапазоном работы источника и приемника от 550 до 680 нм, значение оптической характеристики соответствует значению интенсивности отраженного излучения, а система управления сепарацией обеспечивает направление зерна в бункер для мучнистых зерен при превышении значения оптической характеристики над контрольным не менее, чем на 0,1%, в противном случае система управления сепарацией обеспечивает направление зерна в бункер для стекловидных зерен.

В случае использования двух источников электромагнитного излучения и одного приемника электромагнитного излучения, рабочие спектральные диапазоны источников составляют от 550 до 680 нм и от 270 до 400 нм, а приемник обеспечивает возможность раздельного приема отраженного сигнала в спектральных диапазонах от 550 до 680 нм и от 270 до 400 нм. При этом в качестве оптической характеристики используют отношение интенсивности отраженного излучения, зарегистрированного приемником на длине волны от 550 до 680 нм, к значению интенсивности отраженного излучения, зарегистрированному приемником на длине волны от 270 до 400 нм, а система управления сепарацией обеспечивает направление зерна в бункер для мучнистых зерен при превышении значения оптической характеристики над контрольным не менее, чем на 0,1%, в противном случае система управления сепарацией обеспечивает направление зерна в бункер для стекловидных зерен. Или, в данном случае, в качестве оптической характеристики может быть использовано отношение интенсивности отраженного излучения, зарегистрированного приемником на длине волны от 270 до 400 нм, к значению интенсивности отраженного излучения, зарегистрированному приемником на длине волны от 550 до 680 нм, при этом система управления сепарацией обеспечивает направление зерна в бункер для мучнистых зерен при значении оптической характеристики ниже контрольного не менее, чем на 0,1%, в противном случае система управления сепарацией обеспечивает направление зерна в бункер для стекловидных зерен. Или, в данном случае, в качестве оптической характеристики может быть использована разность значения интенсивности отраженного излучения, зарегистрированного приемником на длине волны от 550 до 680 нм, и значения интенсивности отраженного излучения, зарегистрированного приемником на длине волны от 270 до 400 нм, а система управления сепарацией обеспечивает направление зерна в бункер для мучнистых зерен при превышении значения оптической характеристики над контрольным не менее, чем на 0,1%, в противном случае система управления сепарацией обеспечивает направление зерна в бункер для стекловидных зерен.

В случае использования двух источников электромагнитного излучения с рабочими спектральными диапазонами от 550 до 680 нм и от 270 до 400 нм, и двух приемников излучения с аналогичными с рабочими спектральными диапазонами, значение оптической характеристики соответствует отношению значения интенсивности отраженного излучения, зарегистрированному приемником, работающим в диапазоне длин волн от 550 до 680 нм, к значению интенсивности отраженного излучения, зарегистрированному приемником, работающим в диапазоне длин волн от 270 до 400 нм, а система управления сепарацией обеспечивает направление зерна в бункер для мучнистых зерен при превышении значения оптической характеристики над контрольным не менее, чем на 0,1%, в противном случае система управления сепарацией обеспечивает направление зерна в бункер для стекловидных зерен. Или, в данном случае, в качестве оптической характеристики может быть использовано отношение значения интенсивности отраженного излучения, зарегистрированного приемником, работающим в диапазоне длин волн от 270 до 400 нм, к значению интенсивности отраженного излучения, зарегистрированному приемником, работающим в диапазоне длин волн от 550 до 680 нм, при этом система управления сепарацией обеспечивает направление зерна в бункер для мучнистых зерен при значении оптической характеристики ниже контрольного не менее, чем на 0,1%, в противном случае система управления сепарацией обеспечивает направление зерна в бункер для стекловидных зерен. Или, в данном случае, в качестве оптической характеристики может быть использована разность значения интенсивности отраженного излучения, зарегистрированного приемником, работающим в диапазоне длин волн от 550 до 680 нм, и значения интенсивности отраженного излучения, зарегистрированного приемником, работающим в диапазоне длин волн от 270 до 400 нм, а система управления сепарацией обеспечивает направление зерна в бункер для мучнистых зерен при превышении значения оптической характеристики над контрольным не менее, чем на 0,1%, в противном случае система управления сепарацией обеспечивает направление зерна в бункер для стекловидных зерен.

Заявляемое изобретение поясняется следующими чертежами.

На фиг. 1 представлена схема основных узлов устройства для разделения зерна по показателю стекловидности.

На фиг. 2 представлена спектральная зависимость разности среднего значения интенсивности отраженного излучения для случайных выборок мучнистых и стекловидных зерен пшеницы в диапазоне длин волн 500-700 нм.

На фиг. 3 представлена спектральная зависимость отношения дисперсии (разброса) сигнала для стекловидных зерен к разности средних значений сигналов для мучнистых и стекловидных зерен.

На фиг. 4 представлено отношение интенсивности отраженного излучения в диапазоне длин волн λ=650±20 нм к интенсивности отраженного излучения в диапазоне длин волн λ=300±20 нм для случайных выборок мучнистых и стекловидных зерен пшеницы сорта «Оазис».

Позициями на фиг. 1 обозначены:

1 - загрузочный бункер,

2 - распределительные каналы и питающие лотки,

3 - освещенная зона обследования,

4 - осветительная система,

5 - приемники излучения,

6 - процессор с управляющей программой,

7 - система удаления мучнистого зерна,

8 - бункер для стекловидного зерна,

9 - бункер для мучнистого зерна;

а - поток исходного зерна,

b - поток стекловидного зерна, с - поток мучнистого зерна,

d - излучение,

е - рассеянное (отраженное) зерном излучение,

f - электрический сигнал от приемников излучения,

g - сигнал управления от процессора системы управления.

Заявляемое устройство представляет собой фотосепаратор, работающий на принципе анализа спектров отражения отдельных зерен, включающий следующие элементы, установленные на единой раме: загрузочный бункер 1, связанную с ним систему распределительных каналов и питающих лотков 2 (например, вибролотков), подающих зерно в зону обследования 3, в которой установлена модифицированная осветительная система 4 из светодиодов или ламп, включающая, по меньшей мере, один источник электромагнитного излучения и освещающая по очереди каждую проходящую зерновку и модифицированную систему приема отраженного сигнала из фотодиодов или фоторезисторов или фототранзисторов или ФЭУ или ПЗС, включающую, по меньшей мере, один приемник излучения, отраженного от зерновок. Приемник (или приемники) излучения 5 связан с системой управления сепарацией. Данная система представляет собой процессор 6, реализующий управляющую сепарацией программу. Система управления сепарацией получает и регистрирует электрические сигналы от приемников излучения и вырабатывает сигналы управления системой удаления мучнистого зерна 7 (например, пневмоклапаном (эжектором)), которое из зоны обследования направляют в бункер для мучнистого зерна 9, оставляя возможность для стекловидного зерна поступать из зоны обследования в бункер для стекловидного зерна 8.

Модифицированная осветительная система обеспечивает возможность совместно с приемниками излучения сформировать для процессора с управляющей программой такие электрические сигналы, которые позволят отличить мучнистые зерновки от стекловидных.

При этом в случае использования только одного источника, его выбирают с обеспечением возможности работы в полосе длин волн со средней длинной волны, выбранной из диапазона от 550 до 680 нм. В случае использования двух источников электромагнитного излучения, второй источник выбирают с обеспечением возможности работы в полосе длин волн со средней длинной волны, выбранной из диапазона от 270 до 400 нм. В качестве таких источников электромагнитного излучения используют, например, светодиоды или лампы.

Модифицированный приемник излучения позволяет принимать сигнал в одной или двух полосах длин волн, в соответствии с длинами волн источников электромагнитного излучения. Таким образом, одна (основная) из этих полос выбирается из диапазона от 550 до 680 нм, а вторая полоса выбирается из диапазона от 270 до 400 нм. При этом рабочие длины волн приемников излучения должны соответствовать рабочим длинам волн источников излучения. В качестве приемника излучения могут быть использованы, например, фотодиоды, фоторезисторы, фототранзисторы, фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) или прибор с зарядовой связью (ПЗС). При этом может быть использован один приемник на каждый источник или один общий на оба источника излучения.

Отсутствует необходимость использования сложных устройств для излучения и регистрации электромагнитных волн. Достаточно применить один или несколько (по числу каналов) светодиодов или ламп и столько же фотодиодов, работающих в соответствующих спектральных полосах. Может также при наличии двух источников излучения быть применен один приемник сигнала в виде ПЗС-линейки или ПЗС-матрицы с двумя светофильтрами, при этом один из светофильтров пропускает излучение только в рабочей полосе одного из источников, а второй светофильтр пропускает излучение только в рабочей полосе второго из источников.

Входящий в состав заявляемого устройства процессор с управляющей программой, представляющий собой систему управления сепарацией, управляет работой всего устройства и обеспечивает возможность сортировки зерна на стекловидное и мучнистое по выбранной оптической характеристике. Для этого процессор с управляющей программой управляет работой питающих лотков (например, вибролотков), а также обеспечивает регистрацию электрических сигналов от приемника излучения, определяет значения оптической характеристики на основе интенсивности отраженного излучения каждой зерновки, сравнивает полученное значение оптической характеристики с заранее определенным контрольным значением, и на основе результатов сравнения направляет зерно в соответствующий бункер для мучнистых или стекловидных зерен.

Многочисленные эксперименты показали, что зерновки, определяемые по ГОСТ 10987-76 как стекловидные и мучнистые, различаются по оптическим характеристикам, которые могут определяться приборами в автоматическом режиме без участия человека. Оптическая характеристика представляет собой расчетную величину, определяемую на основе измерения интенсивностей отраженного излучения. Способы расчета оптической характеристики и ее контрольного значения раскрыты далее в описании работы устройства.

Заявляемое устройство работает следующим образом.

1. Исходный продукт для сортировки загружают в загрузочный бункер. Зерно из загрузочного бункера подают в распределительные каналы по питающему лотку, например, посредством вибрации.

2. По распределительным каналам зерно попадает в освещенную зону обследования и освещается одним или двумя источниками электромагнитного излучения. Осветительная система подает электромагнитное излучение в зону обследования зерен, а приемники излучения установлены вблизи этой зоны так, что на них попадает излучение, отраженное от обследуемых зерен. Приемники излучения, получая отраженное от зерна излучение, генерируют электрические сигналы, которые подают в систему управления сепарацией, процессор которой регистрирует полученные сигналы и фиксирует значения их интенсивности.

3. При наличии в осветительной системе только одного источника излучения, работающего в полосе спектра со средней длиной волны, выбранной из диапазона от 550 до 680 нм в качестве оптической характеристики для разделения зерна используется величина интенсивности отраженного зерном сигнала в этой полосе длин волн, для чего зерно из загрузочного бункера пропускают через зону обследования, освещают элементами осветительной системы, а отраженное от зерна излучение, поступающее на приемник, регистрируют и определяют интенсивность отраженного сигнала. Система управления сравнивает интенсивность отраженного сигнала с контрольным значением.

Для установления контрольного значения для каждой партии зерна небольшое количество зерна из загрузочного бункера пропускают через зону обследования, освещают элементами осветительной системы, а отраженное от зерна излучение, поступающее на приемник, регистрируют и определяют интенсивность отраженного сигнала. Управляющая программа фиксирует разброс значений интенсивностей отраженного от разных зерновок сигнала и количество зерен, давших ту или иную интенсивность отраженного сигнала. При этом (как показали многочисленные опыты) сигнал большей интенсивности в среднем соответствует мучнистым зернам, а сигнал меньшей интенсивности - стекловидным. Далее управляющая программа устанавливает контрольное значение сигнала для сортировки по формуле: (минимальная интенсивность) + K × (разность максимальной и минимальной интенсивности), где K - коэффициент, лежащий в диапазоне от 0,5 до 0,9 в зависимости от требуемого конечного процента содержания мучнистых зерен в бункере для стекловидного зерна.

Если оптическая характеристика выше контрольного значения хотя бы на 0,1%, то зерновка признается мучнистой, процессор дает команду на срабатывание системы удаления мучнистого зерна (например, пневмоклапана (эжектора)) для направления мучнистого зерна, отличающегося по оптическим характеристикам в бункер для мучнистых зерен, при этом стекловидное зерно прямым потоком через патрубок попадает в бункер стекловидных зерен.

При наличии в устройстве двух источников излучения, работающих один - в спектральной полосе со средней длиной волны, выбранной из длинноволнового диапазона от 500 до 700 нм и второй - в полосе со средней длиной волны, выбранной из коротковолнового диапазона от 270 до 400 нм в качестве оптической характеристики для разделения зерна процессор с управляющей программой использует показатель, представляющий собой прямое или обратное отношение или разность интенсивностей отраженного излучения в полосе спектра со средней длиной волны, выбранной из длинноволнового диапазона от 500 до 700 нм (например, в полосе длин волн λ=650±20 нм) и отраженного излучения в полосе спектра со средней длинной волны, выбранной из коротковолнового диапазона от 270 до 400 нм (например, в полосе длин волн λ=300±20 или λ=370±20 нм). Такой показатель (в виде отношения или разности сигналов на двух длинах волн), как показали многочисленные эксперименты, имеет существенное различие для стекловидных и мучнистых зерен и является статистически достоверным для использования в качестве сигнала для сортировки зерна. Например, если в качестве оптической характеристики для разделения зерна используется отношение интенсивности отраженного излучения в полосе спектра со средней длиной волны, выбранной из диапазона от 500 до 700 нм к интенсивности отраженного излучения в полосе спектра со средней длинной волны, выбранной из диапазона от 270 до 400 нм или разность этих интенсивностей, то значения такой оптической характеристики выше контрольного значения соответствуют мучнистому зерну, а значения такой оптической характеристики ниже контрольного значения соответствуют стекловидному зерну. Если в качестве оптической характеристики для разделения зерна используется отношение величины сигнала в полосе спектра со средней длиной волны, выбранной из диапазона от 270 до 400 нм к величине сигнала в полосе спектра со средней длиной волны, выбранной из диапазона от 500 до 700 нм, то значения такой оптической характеристики ниже контрольного значения соответствуют мучнистому зерну, а значения такой оптической характеристики ниже контрольного значения соответствуют стекловидному зерну.

Для установления контрольного значения для каждой партии зерна небольшое количество зерна из загрузочного бункера пропускают через зону обследования, освещают элементами осветительной системы, а отраженное от зерна излучение, поступающее на приемник, регистрируют и определяют интенсивность отраженного сигнала. Управляющая программа фиксирует значения интенсивностей отраженного от разных зерновок сигнала и количество зерен, давших ту или иную интенсивность отраженного сигнала. Далее управляющая программа устанавливает контрольное значение сигнала для сортировки по одной из формул:

- от 0,4 до 0,6 (в зависимости от требуемого конечного процента содержания мучнистых зерен в бункере для стекловидного зерна) при использовании в качестве оптической характеристики для разделения зерна прямого или обратного отношения интенсивностей отраженного излучения в полосе спектра со средней длиной волны, выбранной из длинноволнового диапазона от 500 до 700 нм (например, в полосе длин волн λ=650±20 нм) и отраженного излучения в полосе спектра со средней длинной волны, выбранной из коротковолнового диапазона от 270 до 400 нм (например, в полосе длин волн λ=300±20 или λ=370±20 нм).

- (минимальная разность интенсивностей) + К × (разность максимальной и минимальной разностей интенсивностей), где K - коэффициент, лежащий в диапазоне от 0,5 до 0,8 (в зависимости от требуемого конечного процента содержания мучнистых зерен в бункере для стекловидного зерна) при использовании в качестве оптической характеристики для разделения зерна разности интенсивностей отраженного излучения в полосе спектра со средней длиной волны, выбранной из длинноволнового диапазона от 500 до 700 нм (например, в полосе длин волн λ=650±20 нм) и отраженного излучения в полосе спектра со средней длинной волны, выбранной из коротковолнового диапазона от 270 до 400 нм (например, в полосе длин волн λ=300±20 или λ=370±20 нм).

В зависимости от вычисленного значения оптической характеристики для каждой зерновки и сравнения его с контрольным значением с помощью управляющей программы процессор дает команду на срабатывание системы удаления мучнистого зерна (например, пневмоклапана (эжектора)) для направления мучнистого зерна, отличающегося по оптическим характеристикам в бункер для мучнистых зерен, при этом стекловидное зерно прямым потоком через патрубок попадает в бункер стекловидных зерен.

Примеры конкретного выполнения

Пример 1.

Изготовлено заявляемое устройство в виде фотосепаратора, работающего на принципе анализа спектров отражения отдельных зерен, включающего следующие элементы, установленные на единой раме: загрузочный бункер, связанный с ним распределительный канал и питающий вибролоток, подающие зерно в зону обследования, в которой установлена осветительная система из двух светодиодов (630 нм и 370 нм) и приемник отраженного зерном излучения из двух фотодиодов (ультрафиолетовый (УФ) фотодиод со светофильтром, не пропускающим излучение с длиной волны более 400 нм и фотодиод видимого диапазона со светофильтром, не пропускающим излучение с длиной волны менее 515 нм).

Посредством вибрации вибролотка, зерно из загрузочного бункера направляют в зону обследования (представляющую собой вертикальный канал), где оно пролетает между приемником излучения и фоновым экраном. Осветительная система освещает зерно сразу на двух длинах волн (630 нм и 370 нм). Два фотодиода приемника излучения регистрируют отраженное зерном излучение - ультрафиолетовый (УФ) фотодиод - на длине волны 370 нм, а фотодиод видимого диапазона - на длине волны 630 нм. Электрические сигналы с фотодиодов поступают в процессор (персональный компьютер) с предустановленной управляющей программой. Процессор анализирует сигналы фотодиодов и вычисляет отношение сигнала, соответствующего длине волны 630 нм к сигналу, соответствующему длине волны 370 нм. При величине вычисленного отношения превышающей контрольное значение 0,5 (установленное принудительно) процессор вырабатывает выходной сигнал для приведения пневмоклапана (эжектора) в действие. Эжектор из летящего потока выдувает зерновку в патрубок, соединенный с бункером для мучнистого зерна, и система переходит к анализу сигнала от следующей зерновки. Если величина вычисленного отношения сигналов фотодиодов не превышает контрольное значение, процессор не вырабатывает выходной сигнал для пневмоклапана, а анализируемая зерновка продолжает падать прямо в патрубок, приводящий ее в бункер для стекловидного зерна.

Пример 2.

Пример поясняет выбор рабочей длины волны из широкого диапазона спектра в случае, если в сепараторе используется только один источник света и один преемник. На фиг. 2 показана спектральная зависимость разности диагностических признаков (оптической характеристики) мучнистого и стекловидного зерна, то есть разности между интенсивностью излучения отраженного мучнистыми зернами пшеницы и интенсивностью излучения, отраженного стекловидными зернами пшеницы.

Максимум разности сигналов для двух видов зерна наблюдается на длинах волн вблизи 630 нм. Однако сама по себе большая разница не является достаточным основанием для предпочтения данной области спектра. Существенное значение имеет разброс данных на множестве однотипных зерен. В случае выделения мучнистых зерен за комплексный показатель эффективности сепарации можно принять коэффициент вариации - отношение дисперсии (разброса) сигнала для стекловидных зерен к разности средних значений сигналов для мучнистых и стекловидных зерен. Чем меньше этот показатель, тем меньше стекловидных зерен будет случайно удалено при сортировке. В качестве оценки эффективности сепарации примем коэффициент вариации, равный отношению стандартного отклонения интенсивности отраженного излучения для стекловидных зерен к разности средних значений интенсивности отраженного излучения обучающей выборки мучнистых и стекловидных зерен.

На фиг. 3 представлена зависимость коэффициента вариации интенсивности отраженного излучения от длины волны излучения. Из фиг. 3 видно, что наименьшие значения коэффициента вариации (0.5-0.6) лежат в диапазоне длин волн 550-680 нм.

Пример 3.

Были проанализированы спектры отражения света от случайной выборки мучнистых и стекловидных зерен пшеницы сорта «Оазис» на длинах волн из двух диапазонов: от 500 до 700 нм и от 270 до 400 нм.

Сравнительный анализ спектров отраженного излучения стекловидного и мучнистого зерна пшеницы сорта «Оазис» в различных областях спектра показал возможность их более точной идентификации с использованием в качестве оптической характеристики отношения интенсивности отраженного излучения в длинноволновой области спектра с пиковой длинной волны λ=650±20 нм к интенсивности отраженного излучения в коротковолновой области спектра с пиковой длинной волны λ=300±20 нм. Полученные результаты представлены на фиг. 4.

Как видно из фиг. 4, имеет место большое различие между значениями показателя отношения сигнала (интенсивности отраженного излучения) в диапазоне длин волн λ=650±20 нм к сигналу в диапазоне длин волн λ=300±20 нм для мучнистых и стекловидных зерен пшеницы. Дисперсия (разброс) показателя отношения сигнала в диапазоне длин волн λ=650±20 нм к сигналу в диапазоне длин волн λ=300±20 нм намного меньше, чем дисперсия показателей отражения на каждой отдельной длине волны. Это создает лучшие условия для разделения мучнистых и стекловидных зерен на фотоэлектронных сепараторах с помощью предлагаемого метода.

Пример 4.

Были проанализированы спектры отражения света от мучнистых и стекловидных зерен пшеницы сорта «Оазис» на длинах волн из двух диапазонов: от 500 до 700 нм и от 270 до 400 нм.

В таблице 1 представлены значения интенсивности отраженного излучения на длине волны 370 нм и 630 нм для случайной выборки стекловидных и мучнистых зерен пшеницы.

На основании данных таблицы 1 были определены отношения интенсивностей на длине волны 630 нм к сигналу на длине волны 370 нм, а также значения разности интенсивностей. Результаты этих расчетов собраны в таблице 2.

Из таблицы 2 видно, что в качестве показателя для разделения стекловидных и мучнистых зерен может быть выбрано как отношение, так и разность интенсивности отраженного излучения на длине волны 630 нм и интенсивности отраженного излучения на длине волны 370 нм. Похожая ситуация наблюдается и для зерен риса. Однако для них и разность, и отношение интенсивностей на длинах волн 630 и 370 нм отличаются сильнее, чем для пшеницы, что облегчает сортировку. Для примера в таблице 3 приведены значения отношений сигналов для зерен риса.

Пример 5.

Имеется зерно пшеницы с содержанием стекловидных, частично стекловидных и мучнистых зерен в соотношении 20: 30: 50%. Общая стекловидность 35% (по ГОСТ Р 52554-2006 и ГОСТ 10987-76). По этому показателю зерно отнесено к 4 классу. По всем остальным показателям оно соответствует 3 классу. Пропускаем зерно через предлагаемый модифицированный фотосепаратор с установкой уровня отсечки сигнала таким образом, чтобы удалялась половина мучнистого зерна (25% от общей массы). После этого соотношение становится 26.7:40.0:33.3%. Общая стекловидность 46.7%, что позволяет это зерно отнести уже к 3 классу. Удаленная из общей массы часть мучнистого зерна может быть использована в соответствии со своим классом.

Таким образом, заявляемое изобретение позволяет быстро и эффективно отделять мучнистые зерна пшеницы и риса от стекловидных, что может быть использовано для повышения класса партии зерна.

Литература

1. ГОСТ Р 52554-2006. Пшеница. Технические условия.

2. ГОСТ 10987-76. Зерно. Методы определения стекловидности (с Изменениями N 1, 2)

3. Патент РФ 2526103 (20.08.2014)

4. Патент РФ 2495728 (20.10.2013)

5. Патент РФ 2403100 (10.11.2010)

6. Патент РФ 2012430 15.05.1994

7. Фотосепаратор Zorkiy от CSort. Журнал «Агрорепортаж». 6 сентября 2016

Предложенное изобретение относится к сельскому хозяйству и может быть использовано для выделения фракции с определенным содержанием стекловидных зерен из товарного зерна пшеницы и риса. Устройство для сепарации зерен пшеницы и риса по степени стекловидности включает фотосепаратор, обеспечивающий возможность анализа спектров отражения отдельных семян с оптической системой и системой управления сепарацией. Оптическая система включает два источника электромагнитного излучения и по меньшей мере один приемник электромагнитного излучения. В качестве источников электромагнитного излучения использованы светодиоды или лампы. В качестве приемника электромагнитного излучения используют фотодиод, или фоторезистор, или фототранзистор, или фотоэлектронный умножитель, или прибор с зарядовой связью. Система управления сепарацией выполнена с возможностью: регистрации электрических сигналов от приемников излучения, соответствующих интенсивности отраженного зернами излучения, определения значения оптической характеристики, соответствующей показателю стекловидности зерна, на основе разности интенсивностей отраженного каждым зерном излучения, зарегистрированных приемником электромагнитного излучения в различных спектральных диапазонах. Система управления сепарацией обеспечивает направление зерна в бункер для мучнистых зерен при отклонении значения оптической характеристики от заранее определенного контрольного значения не менее чем на 0,1%, в противном случае система управления сепарацией обеспечивает направление зерна в бункер для стекловидных зерен. Технический результат – повышение эффективности разделения зерна пшеницы и риса на две фракции с различным значением оптической характеристики, соответствующим определенному уровню стекловидности, а также повышение степени стекловидности партии зерна за счет обеспечения возможности удаления мучнистых зерен. 2 з.п. ф-лы, 4 ил., 3 табл., 5 пр.

1. Устройство для сепарации зерен пшеницы и риса по степени стекловидности, включающее фотосепаратор, обеспечивающий возможность анализа спектров отражения отдельных семян с оптической системой и системой управления сепарацией, отличающееся тем, что оптическая система включает два источника электромагнитного излучения, в качестве которых использованы светодиоды или лампы, и по меньшей мере один приемник электромагнитного излучения, в качестве которого используют фотодиод, или фоторезистор, или фототранзистор, или фотоэлектронный умножитель, или прибор с зарядовой связью, а система управления сепарацией выполнена с возможностью:

регистрации электрических сигналов от приемников излучения, соответствующих интенсивности отраженного зернами излучения,

определения значения оптической характеристики, соответствующей показателю стекловидности зерна, на основе разности интенсивностей отраженного каждым зерном излучения, зарегистрированных приемником электромагнитного излучения в различных спектральных диапазонах,

при этом система управления сепарацией обеспечивает направление зерна в бункер для мучнистых зерен при отклонении значения оптической характеристики от заранее определенного контрольного значения не менее чем на 0,1%, в противном случае система управления сепарацией обеспечивает направление зерна в бункер для стекловидных зерен.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что рабочие спектральные диапазоны источников электромагнитного излучения составляют от 550 до 680 нм и от 270 до 400 нм, при этом устройство включает один приемник излучения, обеспечивающий возможность раздельного приема отраженного сигнала в спектральных диапазонах от 550 до 680 нм и/или от 270 до 400 нм соответственно.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что рабочие спектральные диапазоны источников электромагнитного излучения составляют от 550 до 680 нм и от 270 до 400 нм, при этом устройство включает два приемника излучения, один из которых обеспечивает возможность приема отраженного сигнала в спектральном диапазоне от 550 до 680 нм, а другой - в диапазоне от 270 до 400 нм.