Удаление зараженных фузариозом зерен из зерновой культуры

Номер патента: 18818

Опубликовано: 30.10.2013

Авторы: Приступа Дэйвид А., Вогт Крис, Пауэлл Дженнифер, Аллен Мэтью

Скачать PDF файл.

Формула / Реферат

1. Способ удаления зараженных фузариозом зерен из зерновых культур, включающий этапы, на которых

облучают каждое зерно световой волной с первой длиной и световой волной с отличной от первой второй длиной, указанную первую длину волны выбирают из диапазона волн преимущественно в равной степени рассеиваемых и отражаемых как здоровыми, так и зараженными зернами и указанную вторую длину волны выбирают из диапазона волн в значительно большей степени рассеиваемых и отражаемых зараженными зернами, чем здоровыми;

измеряют амплитуду световых волн при каждой указанной длине волны, отраженных и рассеянных каждым из указанных зерен;

сравнивают амплитуду отраженных и рассеянных световых волн первой длины и амплитуду отраженных и рассеянных световых волн второй длины для выявления соответствия критерию для зараженного зерна и

отсеивают указанное зерно, если зерно соответствует критерию для зараженного зерна.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что световые волны указанной длины, применяемые для облучения зерна, попеременно стробированы для получения последовательности амплитуд волн обеих длин, которые могут быть математически преобразованы в единую скалярную величину, которую затем сравнивают с эталонной пороговой скалярной величиной, полученной из статистического анализа известных здоровых и зараженных зерен, с целью определения зараженности зерна.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что вышеуказанный статистический анализ является принципиальным компонентным анализом.

4. Способ по п.2, отличающийся тем, что вышеуказанный статистический анализ является дискриминантным линейным анализом.

5. Способ по п.2, отличающийся тем, что первая длина волны составляет 505 нм, а вторая длина волны составляет 590 нм.

6. Устройство для отделения зараженных фузариозом зерен зерновой культуры от здоровых содержит

лоток загрузки зерновой культуры и отдельные лотки для выхода здоровых и зараженных зерен;

вращающийся цилиндр по меньшей мере с одним отверстием, размер которого рассчитан для вакуумной фиксации одного зерна,

причем вышеуказанный лоток загрузки прилегает к поверхности указанного цилиндра на первом этапе;

источник света, применяемый для облучения зерна на поверхности указанного цилиндра на втором этапе волнами двух различных длин, причем волна первой длины из указанных волн рассеивается и отражается преимущественно в равной степени как здоровыми, так и зараженными зернами, а волна второй длины из указанных волн рассеивается и отражается в различной степени здоровыми зернами и зараженными зернами;

устройства для попеременного стробирования волн указанной длины указанного источника света;

светособиратель, примыкающий к указанному источнику света, собирающий отраженные и рассеянные световые волны обеих длин, указанный светособиратель передает свет на светоизмерительное устройство, включающее по меньшей мере один фотодиод, который измеряет амплитуду отраженных и рассеянных зерном световых волн обеих длин как электросигналы;

микропроцессор, сравнивающий электросигналы как измеренные амплитуды при каждой длине волны и определяющий в результате этого сравнения, отвечают ли зерна критериям зараженных, причем указанный микропроцессор в случае соответствия зерен критериям зараженных передает логический сигнал, запускающий рычаг, объединенный с катушкой линейного электропривода; после запуска указанный рычаг вращается, обеспечивая перемещение зараженных зерен на третьем этапе и выведение их в указанный лоток для зараженных зерен; и

скребковое устройство, на четвертом этапе предназначенное для выведения здоровых зерен в указанный лоток для здоровых зерен.

7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что указанный источник света содержит по меньшей мере один световод, передающий волны указанных длин из светогенерирующего устройства, включающего по меньшей мере один светодиод, генерирующий волны первой длины, и по меньшей мере еще один светодиод, генерирующий волны второй длины, по направлению к системе линз, коллимирующих и фокусирующих указанный свет для облучения указанного зерна.

8. Устройство по п.6, отличающееся тем, что указанный микропроцессор содержит программируемую пользователем логическую матрицу, управляющую переменным стробированием указанных волн, излучаемых указанным источником света.

9. Устройство по п.6, отличающееся тем, что световод светособирателя направлен на множество детекторных пикселей светоизмерительного устройства для измерения амплитуды световой волны.

10. Устройство по п.8, отличающееся тем, что содержит

кодирующий диск, имеющий общую ось с указанным цилиндром и содержащий по меньшей мере одно отверстие; и

совпадающий с указанным отверстием светодиод и фотодиод таким образом, что свет проходит через данное отверстие из светодиода на фотодиод, указанный фотодиод передает сигнал на устройство, осуществляющее переменное стробирование указанных волн указанного источника света и запускающее чередующуюся последовательность световых импульсов.

Рисунок 1

Текст

Смотреть все

УДАЛЕНИЕ ЗАРАЖЕННЫХ ФУЗАРИОЗОМ ЗЕРЕН ИЗ ЗЕРНОВОЙ КУЛЬТУРЫ Зараженные фузариозом зерна отделяются посредством сравнения отраженного и проходящего света двух различных длин волн, при одной из которых свет в равной степени отражается и рассеивается здоровыми и зараженными зернами, а при другой отражается и рассеивается в значительно большей степени зараженными зернами, чем здоровыми. Устройство, содержащее вращающийся цилиндр с отверстиями, с низким уровнем внутреннего вакуума позволяет осуществлять сравнение отдельных зерен. Если в ходе сравнения зерно определяется как зараженное, рычаг удаляет его из цилиндра, в результате чего оно падает в лоток для зараженных зерен. Оставшиеся на цилиндре зерна направляются скребковым устройством в лоток для здоровых зерен. Несмотря на то что результаты могут различаться, что в определенной мере зависит от степени зараженности зерна, примерно 90% здоровых зерен и 5% зараженных зерен определяются как "здоровые", тогда как примерно 10% здоровых зерен и 95% зараженных зерен определяются как "зараженные", снижая, таким образом, степень зараженности зерновой культуры. Область техники изобретения Настоящее изобретение относится к способу выявления и удаления зараженных фузариозом зерен,содержащих микотоксин (такой как деоксиниваленол или зеароленон), из зерновой культуры. Предшествующий уровень техники изобретения Наиболее близкий аналог известен из заявки РСТ/СА 2008/000667, поданной 14 апреля 2008 г., публикации WO 2008/124925, датируемой 23 октября 2008 г., Prystupa et al. В документе описывается устройство для выявления зараженных зерен, которое содержит светодиод, пропускающий свет через коллиматор, включающий стеклянный стержень диаметром около 3 мм и длиной 4 см с расположенной на его конце сферой диаметром 5 мм, выполняющей функцию линзы, фокусирующейся на зерне, находящемся на расстоянии около 6 мм от сферы. Светоприемник, содержащий совокупность пучков световодов, отстоящих друг от друга и окружающих сферу, таким образом, что внутренний противолежащий угол между световодом и осью стержня составляет около 30, а внешний между световодом и проекцией оси стержня на зерно около 60. Пучки световодов соединяют собранный свет на фотодиоде. Это устройство достаточно эффективно отделяет зараженное зерно от здорового посредством анализа и сравнения интенсивности отраженного света, а на практике применяется измерение тени зерна для нормализации. Раскрытие сущности изобретения Настоящее изобретение относится к способу и устройству для осуществления способа, заключающегося в выявлении и удалении зараженных зерен из зерновых культур. Падающий на зерно свет рассеивается зерном, причем степень отражения и рассеивания света зараженными и здоровыми зернами имеет количественные различия. Амплитуда волн отраженного и рассеянного света измеряется датчиком и сравнивается с пороговым значением, полученным в результате статистического анализа отдельных образцов известных здоровых и зараженных зерен. В предлагаемом способе, если амплитуда оказывается выше порогового значения, зерно считается "зараженным", если амплитуда рассеянного света оказывается ниже порогового значения, зерно считается "здоровым". Пороговое значение устанавливается таким образом, чтобы минимизировать среднее количество микотоксина в зернах, считаемых "здоровыми"."Зараженные" зерна затем отделяются от "здоровых" зерен. Несмотря на то что настоящее изобретение относится именно к способу и устройству для осуществления способа выявления и отделения зараженных зерен посредством сравнения амплитуды рассеянного и отраженного света, принцип этого изобретения может в равной степени применяться в подобных способах, устройствах, механизмах и конструкциях для отделения зараженного зерна. Соответственно,понятно, что изобретение не ограничивается такими способами, устройствами, механизмами и конструкциями для отделения зараженного зерна. Фузариоз колосьев заражает пшеницу и может повредить до 50% зерен. Поскольку зараженная пшеница имеет незначительную коммерческую ценность или не имеет таковой вообще, эффективное удаление микотоксина имеет высокое экономическое значение. 1% зараженных зерен обычно приравнивается к одной миллионной доли (ppm) микотоксина, что является максимумом для пищевого зерна в Канаде, тогда как в странах ЕС этот максимум составляет 1/2 миллионной доли. Пшеница сортируется по степени максимального содержания фузариоза в зараженных зернах на 0,25, 0,5, 1, 1,5, 2, 5%, причем степени существуют не для каждого типа зерна и чем выше степень зараженности, тем больше его уценка. В Канаде степень зараженности, превышающая 5%, относится к "поврежденной фузариозом", превышающая 10% - к "коммерческим отходам", которые, в зависимости от рыночных условий, могут быть проданы с очень большой уценкой или не проданы вообще. Содержание микотоксина в настоящее время может быть понижено либо путем просеивания зерен, поскольку здоровые зерна больше, чем зараженные зерна, либо путем шлифовки (удалением поверхности зерна, в которой сконцентрирован токсин) при помоле. Как правило, помол снижает содержание микотоксина на половину при 2 ppm (до 1 ppm) вследствие удаления внешнего слоя зерна. Предшествующий опыт показал, что существует разница в размере между здоровыми и зараженными зернами, причем зараженные зерна не только меньше здоровых, но и имеют более низкую плотность. Исследование при длине волны 630 нм показало, что у некоторых разновидностей пшеницы наблюдаются значительные различия в отражении и рассеивании волны между здоровыми и зараженными зернами, в то время как у других разновидностей нет явных и существенных различий. Было установлено,что, когда отдельные зерна были нормализованы по площади, рассчитанной как масса зерна в степени 2/3, стала очевидной существенная разница в отношениях отраженного и рассеянного света, причем отношение отраженного и рассеянного света для зараженного зерна оказалось на 1,4-1,6 больше, чем для здорового. Эта разница оказалась статистически значимой и существенной. Площадь зерна можно непосредственно измерить, например, по образованной световым лучом тени, и амплитуду рассеянного и отраженного света можно сравнить с измеренной площадью зерна. На практике для этих целей применяется высокоточное измерительное оборудование того же уровня, что и для научных исследований. Для определения подходящей длины волны применяются различные светодиоды, используемые для измерения исходного и относительного коэффициента отражения для здоровых и зараженных зерен в диапазоне 400-900 нм. Сравнение является наименее точным при длине волны около 500 нм, а наиболее точным при 450 нм и затем в диапазоне от 590 до 650 нм. На практике существуют подходящие и коммерчески доступные светодиоды, генерирующие световые волны длиной 505 нм (голубой) и 590 нм (янтарный). Также могут быть использованы волны иной длины. Зараженный образец, визуально идентифицированный как имеющий высокую степень зараженности, прошел испытание на отражение и рассеивание света, при котором стандартное отклонение ниже среднего было выбрано порогом для отбраковки. Рассеянный и отраженный свет был измерен в значительной степени при отличающихся длинах волн облучения для здоровых и зараженных зерен и сравнивался с рассеянным и отраженным светом при длинах волн, имеющих небольшое отличие или предпочтительно не имеющих такового, для зараженных и здоровых зерен, причем амплитуда в диапазоне нечувствительности соответствовала площади зерна. На практике зараженные зерна отражают и рассеивают больше света даже при облучении волнами диапазона нечувствительности. Измерение ширины пика отраженного и рассеянного света должно дать площадь зерна. Но не в данном случае, так как распространение рассеянного и отраженного света, в обоих случаях различное, также будет различным для здоровых и зараженных зерен, поскольку зараженные зерна имеют больший угол отражения и рассеивания света, причем, чем больше степень зараженности зерна, тем больше этот угол (известная специалистам двунаправленная отражающая способность). Отраженный свет обычно достигает максимального значения, если свет падает на поверхность под определенным углом, тогда как рассеянный свет обычно достигает максимального значения, если свет падает по касательной, практически параллельно поверхности. Поскольку эти характеристики у здоровых и зараженных зерен отличаются, необходимо было определить экспериментальным путем угол наибольшей чувствительности, который составил примерно 45. Поскольку характеристики каждого зерна для разной длины волны сравниваются между собой, необходимо единое собирающее свет устройство, которое передает световые волны обеих длин на один или несколько фотодиодов. Так как фотодиоды или группы фотодиодов бывают различными, то применение одного и того же фотодиода(ов) для измерения света, отраженного или рассеянного одним и тем же зерном, исключает связанные с фотодиодами расхождения. Стробирование волн обеих длин позволяет применять один и тот же фотодиод(ы) последовательно для одного и того же зерна. На практике было установлено, что коммерчески доступные фотодиоды не достаточно чувствительны в сравнении с измерительным оборудованием для научных исследований для определения достоверных соотношений, по которым можно отличить зараженные зерна от здоровых. При этом амплитуды,на которых построена двухмерная диаграмма, позволили вывести статистические критерии путем математических преобразований, и оптимизации параметров было достаточно для удовлетворительного распознавания зараженных зерен и здоровых. С одной стороны, изобретение относится к способу удаления зараженных фузариозом зерен из зерновой культуры, который включает облучение каждого зерна световыми волнами первой и второй длины. Волны первой длины выбираются таким образом, чтобы здоровые и зараженные зерна отражали и рассеивали свет в значительной степени одинаково. Волны второй длины выбираются таким образом,чтобы зараженные зерна отражали и рассеивали свет в значительно большей степени, чем здоровые. Затем измеряется амплитуда волн отраженного и рассеянного света при каждой длине волны и для каждого зерна. Амплитуда световых волн, отраженных и рассеянных при первой длине волны, сравнивается с амплитудой световых волн, отраженных и рассеянных при второй длине волны для определения, отвечают ли они критериям для зараженного зерна. Зерно отбраковывается, если оно отвечает критериям для зараженного зерна. Предпочтительно, чтобы волны, облучающие зерно, были попеременно стробированы для получения последовательности амплитуд волн обеих длин, которые могут быть математически преобразованы в единую скалярную величину, которая затем сравнивается с эталонной пороговой скалярной величиной,полученной из статистического анализа известных здоровых и зараженных зерен, с целью определения зараженности зерна. Этот статистический анализ может быть принципиальный компонентный анализ. Статистический анализ может быть линейным дискриминантный анализом. Измеренные амплитуды для волн обеих длин можно затем суммировать и получить отдельные интегрированные амплитуды для зерен, облучаемых волнами обеих длин, которые вместе дают двунаправленный вектор, математически преобразуемый в скалярную величину, которую затем можно сравнить с эталонной пороговой скалярной величиной, полученной из статистического анализа образцов известных здоровых и зараженных зерен. Предпочтительно первая длина волны составляет 505 нм, а вторая 590 нм. С другой стороны, изобретение относится к устройству для отделения зараженных фузариозом зерен от здоровых зерен в зерновой культуре, которое содержит лоток загрузки для зерна и отдельные лотки для выхода здоровых и зараженных зерен, а также вращающийся цилиндр по меньшей мере с одним отверстием, диаметр которого рассчитан для вакуумной фиксации одного зерна. Указанный лоток загрузки прилегает к поверхности указанного цилиндра на первом этапе. Источник света применяется для облучения зерна на поверхности указанного цилиндра на втором этапе волнами двух различных длин,при первой из которых волны рассеиваются и отражаются преимущественно в равной степени как здоровыми, так и зараженными зернами, а при второй рассеиваются и отражаются в различной степени здоровыми и зараженными зернами. Предлагаемоеустройство также содержит устройство для переменного стробирования обеих длин волн указанного источника света, а также светособиратель, соединенный с указанным источником света, собирающий отраженные и рассеянные световые волны обеих длин. Светособиратель передает свет на светоизмерительное устройство, включающее по меньшей мере один фотодиод, который измеряет амплитуду отраженных и рассеянных зерном световых волн обеих длин как электросигналы. Микропроцессор сравнивает электросигналы как измеренные амплитуды при каждой длине волны и определяет в результате этого сравнения, отвечают ли зерна критериям зараженных. Микропроцессор в случае соответствия зерен критериям зараженных передает логический сигнал, запускающий рычаг, объединенный с катушкой линейного электропривода. После запуска рычаг вращается, обеспечивая перемещение зараженных зерен на третьем этапе и выведение их в указанный лоток для зараженных зерен. Скребковое устройство на четвертом этапе выводит здоровые зерна в указанный лоток для здоровых зерен. Предпочтительно, что указанный источник света содержит по меньшей мере один световод, передающий волны указанных длин из светогенерирующего устройства, включающего по меньшей мере один светодиод, генерирующий волны первой длины, и по меньшей мере еще один светодиод, генерирующий волны второй длины по направлению к системе линз, коллимирующих и фокусирующих свет, которым облучаются зерна. Предпочтительно, что микропроцессор содержит программируемую пользователем логическую матрицу, управляющую попеременным стробированием указанных волн, излучаемых данным источником света. Предпочтительно световод светособирателя направлен на множество детекторных пикселей светоизмерительного устройства для измерения амплитуды световой волны. Кодирующий диск около 10 см (4 дюймов) в диаметре имеет общую ось с указанным цилиндром. Кодирующий диск содержит по меньшей мере одно отверстие и совпадающий с данным отверстием светодиод и фотодиод. Свет проходит через отверстие из светодиода на фотодиод, и данный фотодиод передает сигнал на устройство, осуществляющее переменное стробирование указанных волн указанного источника света и запускающее чередующуюся последовательность световых импульсов. Предпочтительно, что амплитуды сопоставляются как двунаправленный вектор интегрированных амплитуд волн обеих длин, причем критерием зараженного зерна в основном является показатель данной диаграммы. Двунаправленный вектор математически преобразуется в скалярную величину. Эти скалярные величины сравниваются со скалярными величинами, полученными в результате статистического анализа образцов известных здоровых и зараженных зерен для получения эталонных скалярных величин. Были выведены две налагающиеся нормальные обобщенные функции (Гаусса), при которых зараженного зерна больше, чем здорового. После установления пороговой скалярной величины, если полученное значение совпадает с пороговым или превышает его, зерно распознается как зараженное. Логический сигнал посылается на катушку линейного электропривода, и рычаг выносит зерно, подлежащее удалению. Возможны различные пороговые значения, посредством которых отбраковывается около 10% визуально здоровых зерен и около 95% визуально зараженных, в общем 93% распознаются верно и 7% неверно. В зависимости от степени зараженности отдельных зерен, могут отбраковываться более или менее зараженные зерна, однако соотношение отбракованных здоровых зерен будет незначительно изменяться. Несмотря на то что данное измерение является грубым и упрощенным, оно достаточно эффективно. Другие варианты осуществления настоящего изобретения будут очевидными для специалистов из нижеследующего описания, графических материалов и формулы изобретения. Промышленная применимость Промышленная применимость настоящего изобретения состоит в выявлении и отделении зараженных фузариозом зерен от здоровых, что улучшает качество зерна, увеличивает количество зерна, годного для продажи, а также увеличивает пищевые ресурсы. Краткое описание графических материалов На фиг. 1 изображен общий вид сбоку варианта осуществления изобретения. На фиг. 2 изображена деталь варианта осуществления, представленного на фиг. 1. На фиг. 3 изображена деталь варианта осуществления, представленного на фиг. 1. На фиг. 4 изображен вид в разрезе светогенерирующего устройства, представленного на фиг. 1. На фиг. 5 изображена осевая проекция кодирующего диска. На фиг. 6 изображен вид в разрезе диска, представленного на фиг. 5. На фиг. 7 изображена столбчатая диаграмма содержания DON (деоксиниваленола) в ppm до и после удаления поврежденных фузариозом зерен. На фиг. 8 изображена примерная схема алгоритма изобретения. Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения Настоящее изобретение может быть осуществлено в нижеописанных вариантах, которые не являются единственно возможными. Номер 10 относится ко всему устройству. Зерно попадает из лотка 12 в контейнер 14, из которого отдельные зерна притягиваются в цилиндр 16 диаметром 60 мм (опытный образец около 41 см (16 дюймов) имеет стенку 18 толщиной около 4 мм с рядом отверстий 20) низким внутренним вакуумом с давлением по меньшей мере на 3% ниже, чем давление окружающей среды. Диаметр цилиндра может быть различным, 40 мм оказалось недостаточно, поскольку зерна, не попавшие в отверстие, могут быть вынесены вверх. Можно использовать цилиндры с большим диаметром. Диа-3 018818 метр 60 мм оказался подходящим. Опытный образец был разработан таким образом, что он включает 18 продольных рядов отверстий, по 32 отверстия в каждом ряду, с расстоянием между отверстиями 12,5 мм(1/2 дюйма). Во втором сконструированном цилиндре высотой 168 см (5 футов 6 дюймов), идентичном первому, но содержащем продольные ряды отверстий, разделенных на четыре группы по 32 отверстия в каждой, расположенные на расстоянии 12,5 мм между их центрами и на расстоянии 25 мм (1 дюйм) между каждой группой, было обнаружено провисание в средней части в процессе вращения. Провисание было устранено установкой центральной опоры, разделяющей цилиндр на два цилиндра высотой по 84 см (32 дюйма) с двумя группами отверстий по 32 отверстия в каждом ряду. Цилиндры могут быть изготовлены также из стали, анодированного алюминия или других материалов с близким к ним пределом прочности на разрыв. Отверстия 20 расположены таким образом, что зерно, попадающее в одно из них,не соприкасается с другим зерном, попадающим в соседнее отверстие. Эти размеры являются характерными для пшеницы или зерен подобных размеров. Различные материалы могут применяться посредством изменения размеров цилиндров, а также размеров и расположения отверстий. Как показано на графических материалах, цилиндр 16 вращается по часовой стрелке. Мешалка 160, проходящая продольно и параллельно цилиндру 16, вращается, смешивая зерна. Зерна попадают под источник света 22 и отражают или рассеивают падающий на них свет. Источник света 22 излучает световые волны двух длин, 505 и 590 нм, на расстоянии около 6-9 мм от поверхности цилиндра и около 3-5 мм от поверхности зерна. Расстояние может быть увеличено до 50 мм и более, если применяется лазер, но оно зависит от коллимации(фокусирования света). Волны длиной 505 нм в меньшей степени подвергаются влиянию зараженных зерен, тогда как при длине волны 590 нм зараженные зерна обычно отражают на 40-60% больше света. Могут также применяться волны других различных длин. Обычно волны диапазона 490-540 нм в меньшей степени подвергаются влиянию зараженных зерен, тогда как при другой длине волны, особенно 900 нм, они подвергаются влиянию в большей степени. Источник света 22 содержит акриловую сферическую линзу 24 диаметром около 9 мм (3/8 дюйма) или около 6 мм (1/4 дюймов), которая коллимирует и фокусирует свет на зерно. Свет проводится световодом 26 из светогенерирующего устройства 28. Обычно свет поступает в группу пучков световодов диаметром 1 мм, для опытной модели использовались пучки по 32 световода, хотя для цилиндров большего размера предусматривается 64 световода, каждый рассчитан на отдельный источник света 22. Несмотря на то что используются светодиоды Luxeon, другие подходящие светодиоды высокой мощности могут применяться для этих длин волн, и светодиоды более предпочтительны, чем лазерные источники, вследствие их более продолжительного срока службы: 100000 ч по сравнению с 8000 ч для лазера. Световые волны обеих длин попеременно стробируются с частотой по меньшей мере 566-2500 Гц. Более низкая частота стробирования обеспечивает отражательную способность, достаточную для сравнения длин обеих волн, отраженных от одного зерна, предпочтительно с одинаковой площадью поверхности для каждой длины волны, при более высокой частоте стробирования затухание излучения светодиода становится значительным. Теоретически, два отдельных светодиода могут быть установлены отдельно в различных положениях впереди и сзади от светособирателя 36 или рядом, что для данного случая нецелесообразно, или могут быть использованы два световода,каждый из которых излучает световые волны одной длины, или одного световода, излучающего волны обеих длин, последний вариант предпочтителен как наиболее энергосберегающий. Согласно фиг. 4 источник света может содержать светогенерирующее устройство 28, с одним светодиодом для волн каждой длины, голубой 130, янтарный 132 и дихроичный светоразделительный элемент 138, каждый светодиод содержит отдельные коллимирующие линзы 134 и 136 для снижения расходимости пучка света примерно до 10. Светогенерирующее устройство 28 содержит пучок световодов 126, закрепляемый зажимом 148, а также факультативный теплоотвод 140 и вентилятор 146. Могут также применяться светогенерирующие устройства большего размера с двумя светодиодами для каждой длины волны. Каждый световод в пучке 126 имеет слегка различающийся световой входной сигнал из-за разницы в выходном сигнале светодиода и в расположении. Светособиратель (собирающая оптика) 36 предпочтительно на расстоянии от 6 до 9 мм от зерна принимает отраженный или рассеянный свет. Согласно фиг. 2 светособиратель 36 является окончанием 242 световода 42 диаметром 1 мм, прикрепленного к трубке 144, содержащей линзу 24 источника света 22. Это устройство является эффективным. Фокусирующая и коллимирующая система линз с лучшей оптикой привела бы к лучшим результатам, но дополнительные затраты, возможно, не оправдались бы. Согласно фиг. 2 свет от источника 22 отражается от зерна 74 под углом около 45 к окончанию 242 световода 42, линза 24 имеет диаметр около 1/4 дюйма (около 6 мм), расстояние от линзы 24 до зерна 74 обычно около 5-6 мм, что обеспечивает угол около 45. Как показано на фиг. 3, световод 42 присоединен к трубке 144 и расположен в пазе 150. Предпочтительная система световодов не является обязательной, поскольку светособирающая система способна фокусировать свет непосредственно на пиксель или фотодиод. Указанный пиксель определяет с различной чувствительностью длины обеих волн и передает амплитуду видимого света указанных волн. Источник света 22 расположен под углом 45 к оси светособирателя 36. Было определено, что наибольшее отражение происходит под углом 0 и сводится к нулю под углом 90, и разница между наименее измененной отражательной способностью при длине волны 505 нм и измененной при длине волны 590 нм возрастает, причем угол для зараженных зерен больше, чем для здоровых. Под углом меньше 30 амплитуда отраженного света больше, но разни-4 018818 ца отражательной способности невелика, под углом больше 60 амплитуда отраженного света небольшая и разница отражательной способности больше, тогда как разница общего сигнала небольшая. Между 30 и 60 амплитуда отраженного света и разница отражательной способности дают лучшую разницу общего сигнала, оптимальную под углом 45. Отражательная или рассеивающая способность является способностью множественных участков зерна, обусловленной топологией поверхности зерна, содержащей гранулы крахмала, отделенные протеином от твердой эмульсии и имеющие различные показатели преломления, в зараженных зернах гранулы крахмала измельчаются фузариозом, и размер гранул изменяется, а также вследствие фузариоза изменяется цвет зерна. Светоприемник 44 содержит фотодиод, передающий число фотонов в аналоговом или цифровом сигнале на логический микропроцессор. Светоприемник 44,TAOS TSL3301-LF содержит 102 пикселя. Свет может передаваться из одного или более световода через систему фокусирующих линз, факультативно состоящую из трех линз, на линейный ряд фотодиодов,причем каждый световод соответствует одному из детекторных пикселей размером 8577 мкм, отстоящих друг от друга на расстоянии 85 мкм между их центрами. На практике датчик 44, TAOS TSL3301-LF,первоначально был снабжен 16 световодами, каждый из которых покрывает 6 пикселей, составляющих в диаметре 85 мкм, световоды собраны с небольшим зазором, их центры не совпадают, таким образом, что остальные 8 световодов покрывают по 12 пикселей. Прямой контакт пикселей со световодами предпочтителен, так как обеспечивает меньшую чувствительность к вибрации механизма. Точность установки световодов не критична, достаточно того, чтобы каждый световод соответствовал целому числу пикселей или фотодиодов. Диаметр световода должен быть меньше, чем диаметр целого числа пикселей, чтобы каждый световод покрывал определенную совокупность пикселей. Все используемые датчики представляют собой один или совокупность нескольких фотодиодов или других фотонных детекторов. Для этого варианта исполнения были выбраны недорогие датчики CMOS. Детектор трансформирует интенсивность света в электросигнал. Как известно специалистам в данной области техники, для детектирования света могут быть использованы различные фотодиодные матрицы, детекторы с зарядовой связью,фотоэлектронные умножители и прочие устройства. Подобрав подходящую систему линз, можно применять любой подходящий детектор с одним или несколькими световодами. Детектор 44 передает аналоговый или цифровой сигнал на логический микропроцессор 48, который в данном случае является программируемой пользователем логической матрицей (ППЛМ), а также может быть компьютером. Данная ППЛМ (Digilent Nexys-2), главным образом, адресуется на фотодиоды TAOS с их контактами входа/выхода. Расширитель входа/выхода может включать 128 адресов. То есть, один расширенный контакт входа/выхода ППЛМ, с синхронизирующими контактами, посредством которых программное обеспечение может поддерживать 128 адресов. В опытном образце посредством ППЛМ осуществлялась удовлетворительная адресация на 32 рычага, но испытание подтвердило возможность удовлетворительной адресации на 128 рычагов. Сигналы с длиной волны 505 и 590 нм применяются в качестве индикаторов общей амплитуды. Когда амплитуды достигают определенного порога, логический процессор посылает логический сигнал, отличный от нулевого, обычно определяемый 1, тогда как противоположный нулевой сигнал 0, но возможно и 0, тогда как нулевой определяется 1. Программируемая пользователем логическая матрица также подает сигнал запуска процесса стробирования посредством включения системы стабилизаторов тока (Buck Puck 3021DE 1000) для каждого источника света и, таким образом, может сопоставлять полученный сигнал наблюдаемой амплитуды с длиной волны. После получения логического сигнала Н-мост (STMicroelectronics L293D) позволяет току поступать на эжектор 50, запуская катушку линейного электропривода 52, трапециевидную катушку 54,состоящую из 100 витков стандартного провода 30, и образует магнитное поле, которое, взаимодействуя с постоянными магнитами противоположной полярности 56 и 58, перемещает рычаг 60 в показанное рабочее положение, вращая опору 62 вокруг вала 64, смещая зерно. Затем ток изменяется и перемещает катушку линейного электропривода 52 в исходное положение. В исходном положении рычаг 60 направлен вверх, а более тяжелая катушка линейного электропривода 52 направлена вниз под углом 20. Катушка линейного электропривода 52 является уменьшенной версией (3/4 размера) катушки линейного электропривода жесткого диска компьютера. После удаления зерно попадает в лоток 66 для дальнейшего распределения. Оставшиеся зерна поворачиваются на цилиндре 16 до скребкового устройства 68, которое удаляет их с цилиндра, после чего они попадают в лоток 70 для дальнейшего распределения.Лотки 66 и 70 разделены перегородкой 72. Цилиндр 16 совершает около 1,5 об/с, и положение удаления, как показано, составляет 90 по отношению к световой установке, что позволяет зерну проходить данное расстояние примерно за 167 мс. Цилиндры с отверстиями могут вращаться быстрее или медленнее, примерно при вращении со скоростью 1,7 об/с соотношение зерно:отверстие уменьшается, т.е. некоторые отверстия не захватывают зерна. Катушке линейного привода требуется около 13 мс для перемещения из исходного положение в рабочее и такое же время для обратного перемещения. Эта задержка может быть просчитана, а затем запрограммирована в логическом процессоре. Кроме того, задержка может быть оценена и установлена методом подбора. Как изображено на фиг. 5, кодирующий диск 150 содержит 18 равноотстоящих отверстий 152, каждое из которых слегка опережает ряд отверстий 20 с зернами. Свет со светодиода 154 поступает через отверстие 152 на фотодиод 156, который передает сигнал на ППЛМ 48 и светогенерирующее устройство 28. Вследствие этого включается светогенерирующее устройство 28 и начинает чередовать импульсы волн обеих длин, 12 каждого цвета. Эти импульсы характеризуются малой длительностью нарастания и большой длительностью спада. Световое излучение обоих цветов является практически непрерывным, поскольку каждый импульс длится примерно 3/4 мс. Амплитуда импульса каждого цвета излучения, полученная детектором 44, регистрируется при импульсе и передается на ППЛМ во время паузы, когда светодиод выключается между импульсами в попеременной последовательности. Светогенерирующее устройство и оба светодиода выключаются, когда последовательность завершена. Затем 12 амплитуд обоих цветов обрабатываются способами математического расчета, такими как линейные алгоритмы или алгоритмы с открытым ключом, или подобными для определения, является ли зерно "зараженным" или "здоровым", в неактивном интервале. В этой последовательности светодиоды активны всего около 75% времени. Точное число импульсов не критично, предпочтительно, чтобы оно было достаточным настолько, чтобы зерно, выровненное в направлении вращения цилиндра,подвергалось проверке полностью и настолько, чтобы адекватно определить качество зерна по взятому образцу. Восемь импульсов для каждой длины волны были определены как достаточные. Были испытаны 11 образцов пшеницы с известной степенью зараженности микотоксином, составляющим от 1 до 5 ppm. Содержание микотоксина было снижено в среднем на 84%, в меньшей степени для невысокой степени зараженности и в большей степени для более высокой. Для всех степеней зараженности содержание микотоксина было в большинстве случаев снижено до менее 0,5 ppm и в двух случаях до 0,5-1 ppm. Данные результаты графически представлены на фиг. 7, где С 1-С 10 соответствуют Cargil 1-Cargil 10. Настоящий способ позволяет удалять все или почти все зерна с видимыми признаками зараженности. Вообще, в результате степень зараженности значительно снижается. Однако визуально здоровые зерна, которые не были удалены из зараженного образца, могут содержать фузариоз и, следовательно,микотоксин в неопределенном количестве, которое обычно меньше 1 ppm для данных зерен. Однако из 11 образцов с содержанием микотоксина от 1 до 5 ppm деоксиниваленола, в 9 образцах его содержание было снижено менее до 0,5 ppm, а в двух других (107 и 256-5) менее чем до 1 ppm. В единственном об-6 018818 разце с содержанием микотоксина между 0,5 и 1 ppm (174) его содержание было снижено до менее 0,5ppm. В 11 образцах с содержанием микотоксина от 0 до 0,5 ppm его содержание обычно снижалось, приведенные четыре аномальных показателя иллюстрируют ошибку. В двух образцах с содержанием микотоксина более 10 ppm его содержание было снижено до 5 ppm или менее. Из этого можно сделать вывод,что данный способ позволяет эффективно снизить степень зараженности зерен и содержание в них деоксиниваленола. На практике первоначально отбракованная зерновая культура будет проходить испытание на содержание микотоксина после удаления зараженных зерен и будет (пере)сортирована по степени зараженности. Величины амплитуды волн каждой длины при каждом импульсе стробирующей последовательности для отдельного зерна измеряются при частоте в диапазоне 566-2500 Гц. Затем сравниваются образцы отобранных зараженных и здоровых зерен. Полученные амплитуды суммируются отдельно для каждого зерна и каждой длины волны. В этом случае эти амплитуды могут быть сопоставлены как векторные величины с эталонными величинами для здоровых и зараженных зерен посредством линейного дискриминантного анализа. Также может быть применен принципиальный компонентный анализ. При линейном дискриминантном анализе используются суммированные амплитуды для определения, являются ли зерна здоровыми или зараженными. При принципиальном компонентном анализе сравниваются статистически взвешенные амплитуды для получения скалярной величины, позволяющей определить, являются ли зерна здоровыми или зараженными. Оба ряда скалярных величин, полученных из линейного дискриминантного анализа и принципиального компонентного анализа, дали две налагающиеся нормальные обобщенные функции (Гаусса) с большими показателями для зараженного зерна, чем для здорового. При установленном пороговом значении, если полученная величина больше либо равна ему, зерно считается зараженным и посылается логический сигнал на соответствующую катушку линейного привода. Поскольку допускаются различные пороговые значения, выбранное значение отбраковывает около 10% визуально здоровых зерен и около 95% визуально зараженных. В зависимости от степени зараженности отдельных зерен, более или менее зараженные зерна будут отбракованы, тогда как доля отбракованных здоровых будет не сильно отличаться. Возможный алгоритм осуществления настоящего изобретения показан на фиг. 8. Поверка калибровки 288 визуально здоровых зерен дала 22, 7,6%, ошибочно отсортированные как"зараженные", тогда как поверка 288 визуально зараженных зерен дала 19, 6,6%, ошибочно отсортированных как "здоровые". Испытанные образцы сортировались с использованием одной и той же пороговой величины. При желании данные эталонного зерна могут быть обновлены для уточнения пороговых критериев. Вышеописанные детали, материалы и компоненты были взяты в качестве примеров и не являются единственно возможными. В описании указаны остальные характеристики изобретения. Угол падения света, предпочтительно для обоих источников и светособирателя, составляет от 30 до 60 к касательной к поверхности цилиндра,причем угол 45 является предпочтительным. На практике в одном варианте источник света был расположен примерно под прямым углом к касательной поверхности цилиндра, а светособиратель - примерно под углом 45. Светособиратель может содержать коллиматор, состоящий из двух сферических линз, но окончание световода, выполненное под прямым углом, оказалось эффективным. Система линз для светособирателя со стороны фотодиода также оказалась необязательной, поскольку окончание световода, выполненное под прямым углом, может быть подсоединено непосредственно к пиксельной матрице фотодиода. И напротив, коническое окончание световода может быть подсоединено непосредственно к детекторному пикселю фотодиода. Если присутствует линза или система линз, она фокусирует свет с каждого световода на детекторный пиксель. Система линз может фокусировать свет нескольких световодов на несколько различных пикселей. Микропроцессор может содержать программируемую пользователем логическую матрицу, которая позволяет попеременно стробировать длины световых волн, излучаемых источником света. Микропроцессор может содержать специализированный компьютер, позволяющий попеременно стробировать длины световых волн, излучаемых источником света. Цилиндр предпочтительно является горизонтально расположенным вращающимся цилиндром с рядом, содержащим множество отверстий, размер каждого из которых рассчитан для вакуумной фиксации одного зерна. Отверстия равномерно расположены по окружности на плоскости, перпендикулярной оси цилиндра, и в продольном направлении равномерно расположены параллельно оси цилиндра. Каждый из множества световых источников облучает одно зерно световыми волнами двух различных длин на поверхности цилиндра на втором этапе. Каждый светособиратель передает свет от одного зерна на светоизмеряющее устройство,содержащее по меньшей мере один фотодиод, который измеряет в электронных сигналах амплитуду отраженного и рассеянного зерном света при разных длинах волн. Микропроцессор сравнивает электронные сигналы измеренных амплитуд при каждой длине волны для каждого указанного зерна и определяет из сравнения, отвечает ли зерно критериям зараженного. Если данное зерно отвечает критериям зараженного, микропроцессор передает логический сигнал, приводя в действие один из совокупности рыча-7 018818 гов, расположенных на расстоянии от цилиндра, причем каждый рычаг вращается вокруг оси, расположенной параллельно с осью цилиндра. Приведенный в действие рычаг вращается, удаляя зараженное зерно на третьем этапе, в результате чего оно падает в указанный лоток для зараженных зерен. На четвертом этапе предусмотрено скребковое устройство для направления здоровых зерен в лоток для здоровых зерен. Предпочтительно каждый рычаг является неотъемлемой частью отдельной катушки линейного привода. Предпочтительно предусмотрены устройства, управляющие источниками света, для попеременного стробирования испускаемых волн обеих длин. Каждый микропроцессор может содержать программируемую пользователем логическую матрицу, позволяющую стробировать волны указанных длин,излучаемые источником света. Каждый микропроцессор может содержать специализированный компьютер, управляющий устройствами для попеременного стробирования волн указанных длин, излучаемых источником. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ удаления зараженных фузариозом зерен из зерновых культур, включающий этапы, на которых облучают каждое зерно световой волной с первой длиной и световой волной с отличной от первой второй длиной, указанную первую длину волны выбирают из диапазона волн преимущественно в равной степени рассеиваемых и отражаемых как здоровыми, так и зараженными зернами и указанную вторую длину волны выбирают из диапазона волн в значительно большей степени рассеиваемых и отражаемых зараженными зернами, чем здоровыми; измеряют амплитуду световых волн при каждой указанной длине волны, отраженных и рассеянных каждым из указанных зерен; сравнивают амплитуду отраженных и рассеянных световых волн первой длины и амплитуду отраженных и рассеянных световых волн второй длины для выявления соответствия критерию для зараженного зерна и отсеивают указанное зерно, если зерно соответствует критерию для зараженного зерна. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что световые волны указанной длины, применяемые для облучения зерна, попеременно стробированы для получения последовательности амплитуд волн обеих длин, которые могут быть математически преобразованы в единую скалярную величину, которую затем сравнивают с эталонной пороговой скалярной величиной, полученной из статистического анализа известных здоровых и зараженных зерен, с целью определения зараженности зерна. 3. Способ по п.2, отличающийся тем, что вышеуказанный статистический анализ является принципиальным компонентным анализом. 4. Способ по п.2, отличающийся тем, что вышеуказанный статистический анализ является дискриминантным линейным анализом. 5. Способ по п.2, отличающийся тем, что первая длина волны составляет 505 нм, а вторая длина волны составляет 590 нм. 6. Устройство для отделения зараженных фузариозом зерен зерновой культуры от здоровых содержит лоток загрузки зерновой культуры и отдельные лотки для выхода здоровых и зараженных зерен; вращающийся цилиндр по меньшей мере с одним отверстием, размер которого рассчитан для вакуумной фиксации одного зерна,причем вышеуказанный лоток загрузки прилегает к поверхности указанного цилиндра на первом этапе; источник света, применяемый для облучения зерна на поверхности указанного цилиндра на втором этапе волнами двух различных длин, причем волна первой длины из указанных волн рассеивается и отражается преимущественно в равной степени как здоровыми, так и зараженными зернами, а волна второй длины из указанных волн рассеивается и отражается в различной степени здоровыми зернами и зараженными зернами; устройства для попеременного стробирования волн указанной длины указанного источника света; светособиратель, примыкающий к указанному источнику света, собирающий отраженные и рассеянные световые волны обеих длин, указанный светособиратель передает свет на светоизмерительное устройство, включающее по меньшей мере один фотодиод, который измеряет амплитуду отраженных и рассеянных зерном световых волн обеих длин как электросигналы; микропроцессор, сравнивающий электросигналы как измеренные амплитуды при каждой длине волны и определяющий в результате этого сравнения, отвечают ли зерна критериям зараженных, причем указанный микропроцессор в случае соответствия зерен критериям зараженных передает логический сигнал, запускающий рычаг, объединенный с катушкой линейного электропривода; после запуска указанный рычаг вращается, обеспечивая перемещение зараженных зерен на третьем этапе и выведение их в указанный лоток для зараженных зерен; и скребковое устройство, на четвертом этапе предназначенное для выведения здоровых зерен в ука-8 018818 занный лоток для здоровых зерен. 7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что указанный источник света содержит по меньшей мере один световод, передающий волны указанных длин из светогенерирующего устройства, включающего по меньшей мере один светодиод, генерирующий волны первой длины, и по меньшей мере еще один светодиод, генерирующий волны второй длины, по направлению к системе линз, коллимирующих и фокусирующих указанный свет для облучения указанного зерна. 8. Устройство по п.6, отличающееся тем, что указанный микропроцессор содержит программируемую пользователем логическую матрицу, управляющую переменным стробированием указанных волн,излучаемых указанным источником света. 9. Устройство по п.6, отличающееся тем, что световод светособирателя направлен на множество детекторных пикселей светоизмерительного устройства для измерения амплитуды световой волны. 10. Устройство по п.8, отличающееся тем, что содержит кодирующий диск, имеющий общую ось с указанным цилиндром и содержащий по меньшей мере одно отверстие; и совпадающий с указанным отверстием светодиод и фотодиод таким образом, что свет проходит через данное отверстие из светодиода на фотодиод, указанный фотодиод передает сигнал на устройство,осуществляющее переменное стробирование указанных волн указанного источника света и запускающее чередующуюся последовательность световых импульсов.

МПК / Метки

МПК: B07C 5/342, G01N 21/27, G01N 21/25

Метки: зерновой, культуры, зерен, зараженных, удаление, фузариозом

Код ссылки

<a href="https://eas.patents.su/12-18818-udalenie-zarazhennyh-fuzariozom-zeren-iz-zernovojj-kultury.html" rel="bookmark" title="База патентов Евразийского Союза">Удаление зараженных фузариозом зерен из зерновой культуры</a>

Похожие патенты