СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКАЯ СИСТЕМА И СПОСОБ ЕЕ ТЕСТИРОВАНИЯ Российский патент 2022 года по МПК G01J3/28 

Настоящее изобретение относится к способу тестирования спектрометрической системы, образованной, например, как система анализа состава сельскохозяйственных продуктов или продуктов питания. Способ может применяться также для повторной калибровки спектрометрической системы. Кроме того, изобретение относится к спектрометрической системе.

Документ DE10/2007 029405 A1 описывает стандарт длин волн и интенсивности для спектрометра, предназначенного, в частности, для калибровки и тестирования измерительных головок спектрометров. Стандарт содержит патрон и находящееся в патроне плоское тело из прозрачной пластмассы, обладающей высокой прочностью и высокой формоустойчивостью в широком диапазоне температур. Пластмасса имеет выраженные полосы поглощения во всей ближней инфракрасной области спектра и имеет химическую структуру и состав, которые должны надежно обеспечивать высокую гидроизоляцию, предотвращающую водопоглощение и водоотдачу стабильно во времени. Плоское тело предпочтительно состоит из аморфного прозрачного сополимера на основе циклических и/или линейных олефинов.

Документ DE 69836166 T2 относится к стандарту длин волн для видимого и инфракрасного диапазона для применения при анализе и идентификации материалов. Стандарт длин волн содержит бетонную смесь с распределенным в матрице оксидом редкоземельного элемента.

В DE10/2004 021448 A1 описана спектрометрическая отражательная измерительная головка с внутренней перекалибровкой, состоящая из снабженного окошком корпуса, в котором находятся источник освещения и оптический блок для сбора и ввода измерительного освещения в световод. Корпус имеет подключения к источнику напряжения, блоку управления и оценки, а также к спектрометру. Кроме того, в корпусе находятся по меньшей мере два стандарта для внутренней перекалибровки, которые по выбору могут поворачиваться в траекторию лучей отражательной измерительной головки для записи измеренных значений для перекалибровки.

Из документа DE10/2004 048103 A1 известно устройство для определения компонентов собранных сельскохозяйственных продуктов. Это устройство содержит спектрометрическую измерительную головку, которая состоит из снабженного окошком корпуса, в котором находятся источник освещения, спектрометрическая система и по меньшей мере два стандарта для внутренней перекалибровки. Стандарты могут поворачиваться в траектории лучей измерительной головки таким образом, чтобы для перекалибровки использовался весь выходящий из источника освещения измерительный свет.

В DE10/2018 103509 B3 описан адаптированный к образцу способ измерения посредством мобильной системы анализа состава, которая содержит корпус с окошком, интерфейс с внешним эталонным блоком, блок индикации и управления, источник света, оптический спектрометр, камеру, внутренним эталонный блок и электронный блок управления. Согласно этому способу, выполняется проверка достоверности выбранного продукта калибровки, при этом сигнализируется об ошибочном выборе и инициируется новый выбор альтернативного продукта калибровки. При регистрации измеренных значений записываются и контролируются температура и относительная влажность воздуха в месте измерения и внутри корпуса, при этом о недопустимых отклонениях от задаваемых калибровочным продуктом значений температуры и относительной влажности воздуха сигнализируется блоком индикации и управления.

В цитированных документах уровня техники показано, среди прочего, применение спектроскопии в качестве метода измерения в линии и у линии для сельскохозяйственных продуктов и продуктов питания. С помощью спектроскопии в ближней ИК-области можно определить значения влажности и состав сельскохозяйственных продуктов и продуктов питания. Соответствующие измерительные приборы могут быть выполнены стационарными или мобильными. Так как спектроскопия в ближней ИК-области является оптическим способом измерений, точность измерения существенно зависит от интерфейса сопряжения с образцом, т.е. от оптического измерительного окошка. Измерительное окошко при использовании может загрязниться или поцарапаться. Кроме того, при использовании в сельскохозяйственном оборудовании измерительное окошко может изнашиваться из-за потока материала, поэтому его необходимо заменять. Это приводит к изменению эффективности измерений, поэтому требуется периодическая перекалибровка с использованием внешнего эталона, а это означает повышенные расходы.

В заявке US 2008/0290279 A1 описан способ нормировки ИК-спектрометра. Этот способ базируется на использовании спектральных линий воздуха, естественным образом присутствующего в спектрометре. Например, используются полосы поглощения CO₂ при 2350 см^-1. Для калибровки спектрометра определяется отклонение измеренной длины волны полосы поглощения от эталонного значения.

В EP 2092296 B1 описан способ оптических спектроскопических измерений, при котором применяется измерительная головка с источником освещения, светособирающей оптикой и внутренним эталоном. Внутренний эталон освещается источником освещения и просматривается через светособирающую оптику.

В патенте US 6249343 B1 описан стандарт длин волн, который использует линии поглощения газа, например, водяного пара, в диапазоне 1,3 мкм.

Исходя из уровня техники, задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы тестирование и перекалибровку спектрометрической системы можно было осуществлять без необходимости во внешнем стандарте длин волн или в линейной лампе.

Указанная задача решена посредством способа по пункту 1 прилагаемой формулы изобретения, а также посредством спектрометрической системы по независимому пункту 15 формулы изобретения.

Способ согласно изобретению служит для тестирования спектрометрической системы. Спектрометрическая система предпочтительно представляет собой оптическую измерительную систему для определения состава на основе спектроскопии. Она предпочтительно применяется для определения состава сельскохозяйственных продуктов или продуктов питания. Спектрометрическая система предпочтительно находится на сельскохозяйственной машине, например, кормоуборочном комбайне, и предназначена для непрерывного тестирования сельскохозяйственных продуктов. Спектрометрическая система предпочтительно позволяет проводить измерения в УФ-диапазоне, в видимом диапазоне и/или в ближней ИК-области спектра. Спектрометрическая система предпочтительно выполнена как полихроматор. Спектрометрическая система предпочтительно предназначена для измерения в отражении.

Спектрометрическая система содержит корпус, снабженный окошком. Окошко образует измерительное окно спектрометрической системы. В корпусе находятся источник освещения, спектрометр и по меньшей мере один стандарт для внутренней перекалибровки. Источник освещения предпочтительно образован как широкополосный тепловой излучатель. Источник освещения предпочтительно представляет собой инфракрасный излучатель, галогеновую лампу или источник освещения на основе светодиодов.

Под по меньшей мере одним стандартом имеется в виду физический эталон для перекалибровки спектрометрической системы. Указанный, по меньшей мере один, стандарт представляет собой, в частности, стандарт длин волн, который использует эталонный спектр. Кроме того, указанный, по меньшей мере один, стандарт предпочтительно образован как стандарт интенсивности. Стандарт предпочтительно образован как белый стандарт, так что он образует белый эталон. В корпусе предпочтительно размещены два стандарта для внутренней перекалибровки. При этом речь предпочтительно идет о белом стандарте и черном стандарте. Стандарты предпочтительно могут по выбору механически поворачиваться на траектории лучей, проходящей от спектрометра к окошку. Затем соответствующий стандарт освещается источника освещения светом, который отражается стандартом к спектрометру.

Спектрометрическая система предпочтительно содержит блок обработки управляющих и измерительных сигналов в форме вычислительного блока. Блок обработки управляющих и измерительных сигналов предпочтительно имеет графический пользовательский интерфейс, например, в форме сенсорного экрана. Кроме того, блок обработки управляющих и измерительных сигналов предпочтительно содержит интерфейсы передачи данных, которые предпочтительно являются беспроводными.

Спектрометрическая система калибруется с помощью внешних стандартов или соответственно внешних эталонов. Эта калибровка проводится, например, при заводской приемке. Согласно изобретению, после калибровки спектрометрической системы эталонный спектр регистрируется спектрометром с помощью находящегося в корпусе стандарта. Для этого стандарт освещается источником освещения, и спектрометр регистрирует свет, отраженный стандартом. Эталонный спектр предпочтительно регистрируется сразу после калибровки спектрометрической системы, так что можно исходить из очень высокоточного эталонного спектра.

В корпусе находится газ-наполнитель, имеющий полосы поглощения. Так как траектория световых лучей от источника освещения и световых лучей, отраженных стандартом, проходит через газ-наполнитель, в эталонном спектре можно видеть специфические полосы поглощения газа-наполнителя. Согласно изобретению, эти специфические полосы поглощения газа-наполнителя детектируются и распознаются в эталонном спектре. Измеряется в каждом случае по меньшей мере одна длина волны, характеризующая соответствующую распознанную специфическую полосу поглощения, так что получаются измеренные значения для длин волн распознанных специфических полос поглощения.

Для тестирования и, при необходимости, внутренней перекалибровки спектрометром с использованием стандарта записывается тестовый спектр. Это происходит, в частности, после того как спектрометрической системой было измерено большое число образцов и/или после истечения соответствующего периода времени после калибровки с внешним эталоном или стандартом. Тестовый спектр записывается так же, как и эталонный спектр.

Согласно изобретению, в тестовом спектре детектируются и распознаются специфические полосы поглощения газа-наполнителя. Также измеряется в каждом случае по меньшей мере одна длина волны, характеризующая соответствующую распознанную специфическую полос поглощения, чтобы получить измеренные значения для длин волн распознанных специфических полос поглощения.

На следующем этапе способа тестируется, не отклоняются ли измеренные значения длин волн распознанных в тестовом спектре специфических полос поглощения газа-наполнителя от измеренных значений длин волн специфических полос поглощения газа-наполнителя, распознанных в эталонном спектре, более чем на заранее заданную величину. Заранее заданная величина определяет, когда погрешность измерения спектрометрической системой становится настолько большой, что необходимая точность спектрометрической системы больше не достигается. Если измеренные значения длин волн специфических полос поглощения газа-наполнителя, распознанные в тестовом спектре, отклоняются от измеренных значений длин волн специфических полос поглощения газа-наполнителя, распознанных в эталонном спектре, не более чем на заранее заданную величину, тестирование спектрометрической системы считается положительным. В противном случае тестирование считается отрицательным.

Особое преимущество способа согласно изобретению состоит в том, что он позволяет осуществлять быстрое и нетрудоемкое тестирование спектрометрической системы без необходимости привлечения для этого внешних стандартов или эталонов. Вместо этого в качестве эталона используются внутренний предусмотренный стандарт и специфические полосы поглощения изначально присутствующего газа-наполнителя.

В предпочтительных вариантах осуществления изобретения газ-наполнитель содержит растворенную воду в форме водяного пара, так что вода образует влажность воздуха. На практике это требование выполняется почти во всех применениях. Влажность воздуха в диапазоне температур от 0°C до 70°C имеет насыщение, которое предпочтительно составляет по меньшей мере 10%, что является низким значением, но все же достаточным для распознавания полос поглощения. Соответственно, в эталонном спектре и в тестовом спектре распознаются специфические полосы поглощения водяного пара. Предпочтительно, в эталонном спектре и в тестовом спектре распознается по меньшей мере одна специфическая полоса поглощения водяного пара, лежащая в диапазоне длин волн от 1300 нм до 2050 нм. Предпочтительно, в эталонном спектре и в тестовом спектре распознаются несколько специфических полос поглощения водяного пара, лежащие в диапазоне длин волн от 1300 нм до 2050 нм. Однако газ-наполнитель может представлять собой другой газ или защитный газ, или специфические полосы поглощения могут быть обусловлены другим компонентами газа-наполнителя.

Находящийся в корпусе стандарт предпочтительно может поворачиваться по траектории лучей, проходящей от спектрометра к окошку. В предпочтительных вариантах осуществления изобретения стандарт поворачивается для записи эталонного спектра и для записи тестового спектра в этой траектории лучей, что предпочтительно реализуется с помощью привода, так что этот процесс может быть автоматизирован.

В предпочтительных вариантах осуществления изобретения измеренные значения длин волн специфических полос поглощения газа-наполнителя, распознанных в тестовом спектре, и измеренные значения длин волн специфических полос поглощения газа-наполнителя, распознанных в эталонном спектре, определяются путем трехточечной интерполяции. Тестовый спектр и эталонный спектр обрабатываются в диапазоне длин волн с разрешением, которое предпочтительно составляет не более 0,1 нм, что предпочтительно достигается путем обработки тестового спектра и эталонного спектра в субпиксельном диапазоне. Тем самым можно тестировать точность спектрометрической системы, которая составляет ±1 нм. Это предпочтительно, например, когда спектрометрическая система выполнена как технологическая спектрометрическая система на сельскохозяйственной машине, такой как кормоуборочный комбайн, где спектрометрическая система испытывает большие ударные и вибрационные нагрузки в течение длительного времени.

Способ согласно изобретению предпочтительно включает дополнительные этапы, которые выполняются во время нормальной работы спектрометрической системы, т.е. при измерениях образца, и которые служат для информирования пользователя спектрометрической системы о достоверности измеренных значений. На одном этапе сначала записывается спектр образца с помощью спектрометра. Для этого образец освещается источником освещения, и свет, отраженный образцом, регистрируется спектрометром. В зарегистрированном спектре распознаются специфические полосы поглощения образца и, возможно, другие спектральные характеристики. На следующем этапе в каждом случае измеряется длина волны, характеризующая соответствующую распознанную специфическую полосу поглощения, в результате получают измеренные значения образца. Если результаты измерений длин волн специфических полос поглощения газа-наполнителя, распознанных в тестовом спектре, отклоняются от результатов измерений длин волн специфических полос поглощения газа-наполнителя, распознанных в эталонном спектре, более чем на заранее заданную величину, выдается сообщение, что измеренные значения образца имеют погрешность. Это сообщение предпочтительно выводится как маркировка измеренных значений на числовом или графическом отображении измеренных значений. Сообщение предпочтительно является предупреждающим сообщением; в частности, в том случае, когда измеренные значения имеют пониженную точность, но их все еще можно использовать. Предпочтительно выдается дополнительное сообщение, если результаты измерений длин волн специфических полос поглощения газа-наполнителя, распознанных в тестовом спектре, отклоняются от результатов измерений длин волн специфических полос поглощения газа-наполнителя, распознанных в эталонном спектре, более чем на дополнительную заданную величину. Это дополнительное сообщение предпочтительно является сообщением о вмешательстве, на основании которого предпочтительно запрашивается или запускается внутренняя повторная калибровка.

Кроме того, способ согласно изобретению предпочтительно разработан для внутренней перекалибровки спектрометрической системы, для чего он включает дополнительные этапы. Сначала проводится сравнение результатов измерения длин волн специфических полос поглощения газа-наполнителя, распознанных в тестовом спектре, с результатами измерений длин волн специфических полос поглощения газа-наполнителя, распознанных в эталонном спектре. На основе этого сравнения определяется правило коррекции. Это правило коррекции подходит для корректировки значений, измеренных спектрометром, чтобы они имели высокую точность. Правило коррекции предпочтительно образовано как поправочная функция или поправочный коэффициент. Правило коррекции применяется для обработки измеренных значений, зарегистрированных спектрометром. Внутренняя перекалибровка спектрометрической системы может происходить по запросу пользователя и/или тогда, когда измеренные значения длин волн распознанных в тестовом спектре полос поглощения газа-наполнителя отклоняются от измеренных значений длин волн полос поглощения газа-наполнителя, распознанных в эталонном спектре, более чем на дополнительную заданную величину.

Спектрометрическая система согласно изобретению содержит корпус, снабженный окошком. В корпусе находятся источник освещения, спектрометр и по меньшей мере один стандарт для внутренней перекалибровки. Кроме того, спектрометрическая система содержит блок обработки управляющих и измерительных сигналов, который предназначен для выполнения способа согласно изобретению. Блок обработки управляющих и измерительных сигналов предпочтительно разработан для выполнения одного из описанных предпочтительных вариантов осуществления способа по изобретению. В остальном спектрометрическая система согласно изобретению предпочтительно имеет также признаки, какие были указаны в связи со способом согласно изобретению.

Изобретение относится к области измерительной техники и касается спектрометрической системы и способа ее тестирования. Спектрометрическая система содержит снабженный окошком корпус, в котором находится источник освещения, спектрометр и стандарт для внутренней перекалибровки. В эталонном спектре, снятом с использованием стандарта, проводят распознавание специфических полос поглощения находящегося в корпусе газа-наполнителя, при этом для каждой специфической полосы поглощения измеряется характеристическая длина волны. Тестовый спектр записывается спектрометром с использованием стандарта. В тестовом спектре проводят распознавание специфических полос поглощения газа-наполнителя, причем для каждой специфической полосы поглощения измеряется характеристическая длина волны. Далее определяют, не отклоняются ли измеренные значения длин волн специфических полос поглощения газа-наполнителя, распознанных в тестовом спектре, более, чем на заранее заданную величину от измеренных значений длин волн специфических полос поглощения газа-наполнителя, распознанных в эталонном спектре. Технический результат заключается в обеспечении возможности калибровки без использования внешних стандартов и повышении точности измерений. 2 н. и 13 з.п. ф-лы.

1. Способ тестирования спектрометрической системы, причем спектрометрическая система содержит снабженный окошком корпус, в котором находятся источник освещения, спектрометр и по меньшей мере один стандарт для внутренней перекалибровки, и причем способ включает следующие этапы:

- распознавание специфических полос поглощения газа-наполнителя, имеющегося в корпусе, в эталонном спектре, зарегистрированном после калибровки спектрометрической системы спектрометром с использованием стандарта, причем в каждом случае измеряют длину волны, характеризующую соответствующую распознанную специфическую полосу поглощения, так что получают измеренные значения для длин волн распознанных специфических полос поглощения;

- регистрация тестового спектра спектрометром с использованием стандарта;

- распознавание специфических полос поглощения газа-наполнителя в тестовом спектре, причем измеряют в каждом случае длину волны, характеризующую соответствующую распознанную специфическую полосу поглощения, так что получают измеренные значения для длин волн распознанных специфических полос поглощения;

- тестирование, не отклоняются ли измеренные значения длин волн распознанных в тестовом спектре специфических полос поглощения газа-наполнителя более, чем на заранее заданную величину от измеренных значений длин волн специфических полос поглощения газа-наполнителя, распознанных в эталонном спектре.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что газ-наполнитель содержит растворенную воду в виде водяного пара, так что в эталонном спектре и тестовом спектре распознают специфические полосы поглощения водяного пара.

3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что влажность воздуха в газе-наполнителе составляет по меньшей мере 10%.

4. Способ по п. 2 или 3, отличающийся тем, что в эталонном спектре и в тестовом спектре распознают по меньшей мере одну специфическую полосу поглощения водяного пара, лежащую в диапазоне длин волн от 1300 нм до 2050 нм.

5. Способ по одному из пп. 1-4, отличающийся тем, что стандарт образован физическим эталоном для перекалибровки спектрометрической системы, причем стандарт представляет собой стандарт длин волн, который имеет эталонный спектр.

6. Способ по одному из пп. 1-5, отличающийся тем, что стандарт образован как стандарт интенсивности.

7. Способ по одному из пп. 1-6, отличающийся тем, что стандарт образован как белый эталон.

8. Способ по одному из пп. 1-7, отличающийся тем, что находящийся в корпусе стандарт для регистрации эталонного спектра и для регистрации тестового спектра соответственно поворачивают по траектории лучей, проходящей от спектрометра к окошку.

9. Способ по п. 8, отличающийся тем, что в корпусе размещены два стандарта для внутренней перекалибровки, из которых один является белым стандартом, а другой черным стандартом, которые выборочно механически поворачивают по траектории лучей, проходящей от спектрометра к окошку.

10. Способ по одному из пп. 1-9, отличающийся тем, что измеренные значения длин волн специфических полос поглощения газа-наполнителя, распознанных в тестовом спектре, и измеренные значения длин волн специфических полос поглощения газа-наполнителя, распознанных в эталонном спектре, определяют посредством трехточечной интерполяции.

11. Способ по одному из пп. 1-10, отличающийся тем, что тестовый спектр и эталонный спектр обрабатывают с разрешением в диапазоне длин волн, которое составляет не более 0,1 нм.

12. Способ по одному из пп. 1-11, отличающийся тем, что он включает следующие дополнительные этапы:

- регистрация спектра образца спектрометром;

- распознавание специфических полос поглощения образца на зарегистрированном спектре;

- измерение в каждом случае длины волны, характеризующей соответствующую распознанную специфическую полосу, в результате чего получают измеренные значения образца; и

- выдача сообщения, что измеренные значения образца имеют погрешность, если измеренные значения длин волн специфических полос поглощения газа-наполнителя, распознанные в тестовом спектре, отклоняются от измеренных значений длин волн специфических полос поглощения газа-наполнителя, распознанных в эталонном спектре, более, чем на заранее заданную величину.

13. Способ по п. 12, отличающийся тем, что сообщение выдают как маркировку измеренных значений на числовом или графическом отображении измеренных значений.

14. Способ по одному из пп. 1-13, отличающийся тем, что он предназначен также для перекалибровки спектрометрической системы и для этого включает следующие дополнительные этапы:

- сравнение измеренных значений длин волн специфических полос поглощения газа-наполнителя, распознанных в тестовом спектре, с измеренными значениями длин волн специфических полос поглощения газа-наполнителя, распознанными в эталонном спектре,

- определение правила коррекции исходя из предпринятого сравнения измеренных значений и

- применение правила коррекции для обработки измеренных значений, полученных спектрометром.

15. Спектрометрическая система, содержащая снабженный окошком корпус, в котором находятся источник освещения, спектрометр и по меньшей мере один стандарт для внутренней перекалибровки, причем спектрометрическая система дополнительно содержит блок обработки управляющих и измерительных сигналов, который предназначен для выполнения способа по одному из пп. 1-14.