Измерительное устройство для определения состава
Изобретение относится к измерительному устройству (14), содержащему датчик (16) для определения, по меньшей мере, одного компонента и/или, по меньшей мере, одного из свойств материала (4), причем датчик (16) содержит, по меньшей мере, один источник (18) освещения, который направляет, по меньшей мере, один световой луч (20) на подлежащий исследованию материал (4), а измерительное устройство (14) содержит, по меньшей мере, один эталонный объект (34, 32, 33) для калибровки измерительного устройства (14), при этом часть светового луча (20) источника (18) освещения отклоняется на эталонный объект (34, 32, 33) так, что устраняется необходимость в попеременном переходе с исследуемого материала на эталонный объект. 11 з.п. ф-лы, 4 ил.
Область техники
Настоящее изобретение относится к измерительному устройству, содержащему датчик для определения, по меньшей мере, одного компонента и/или, по меньшей мере, одного из свойств исследуемого датчиком материала, в соответствии с ограничительной частью п.1 формулы изобретения.
Уровень техники
Из патентного документа ФРГ №102004021448.4 известна спектрометрическая измерительная головка, предназначенная для измерения отраженного света, с внутренней рекалибровкой. В корпусе измерительной головки имеются два эталона, предпочтительно черный и белый эталоны для внутренней рекалибровки, которые могут быть избирательно повернуты на путь прохождения светового луча измерительной головки для измерения отраженного света. После определения данных измерений обоих эталонов посредством спектрометра устройством управления и обработки данных производится рекалибровка измерительной головки. Дополнительно, для целей калибровки измерительной головки перед вводом измерительного устройства в эксплуатацию или периодически через определенные промежутки времени могут быть предусмотрены, по меньшей мере, два внешних эталона, которые помещаются на путь прохождения светового луча вместо объекта измерений.
Недостаток такой измерительной головки для измерения отраженного света заключается в том, что эталоны для калибровки измерительного устройства должны поворачиваться на путь прохождения светового луча. С одной стороны, это требует затрат на механизм поворота и, с другой стороны, во время калибровки должен быть прерван процесс исследования потока исследуемого вещества.
Из патентного документа ЕР 1053463 В1 известен зерноуборочный комбайн с системой определения состава сельскохозяйственной продукции. Система содержит источник света, который облучает убранную массу сельскохозяйственной продукции, и датчик для приема световой энергии, отраженной убранной массой. Для калибровки системы в положение перед датчиком с помощью мотора поворачивают эталон и производят эталонное измерение. Система обладает теми же недостатками в отношении необходимости затрат на механизм поворота и в том, что во время калибровки должен быть прерван процесс исследования убранной массы.
Раскрытие изобретения
Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в устранении недостатков известных решений уровня техники и, в особенности, в создании простого и недорогого измерительного устройства, в котором не требуется перехода от исследуемого материала к эталонному объекту.
В соответствии с изобретением решение поставленной задачи достигается за счет признаков пункта 1 формулы изобретения. Дальнейшие предпочтительные примеры осуществления и дополнительные решения по развитию изобретения изложены в зависимых пунктах.
Предложено измерительное устройство, содержащее датчик для определения, по меньшей мере, одного компонента и/или, по меньшей мере, одного из свойств материала, исследуемого датчиком, причем датчик содержит, по меньшей мере, один источник освещения, который направляет, по меньшей мере, один световой луч на подлежащий исследованию материал, а измерительное устройство содержит, по меньшей мере, один эталонный объект для калибровки измерительного устройства. Согласно изобретению часть светового луча источника освещения отклоняется на эталонный объект. Благодаря этому отпадает необходимость в механических средствах для перехода от исследуемого материала к эталонному объекту, т.е. замены эталонного объекта исследуемым материалом, и, кроме того, измерение потока материала производится по существу непрерывно, так как устраняются затраты времени на поворот эталонного объекта.
В первом примере выполнения измерительного устройства световой луч источника освещения частично отклоняется посредством, по меньшей мере, одного отражателя, что обуславливает конструктивную простоту и экономичность измерительного устройства.
В другом примере выполнения измерительного устройства световой луч источника освещения частично отклоняется посредством, по меньшей мере, одной призмы, что также обеспечивает конструктивную простоту и экономичность измерительного устройства.
В третьем примере выполнения измерительного устройства световой луч источника освещения частично отклоняется с направлением посредством световода, что дает возможность расположить эталонный объект любым образом по отношению к источнику освещения без дорогостоящих конструктивных средств.
Согласно предпочтительному примеру осуществления исследуемый материал и/или эталонный объект отражают световой луч источника освещения, а свет, диффузно отраженный от материала или от эталонного объекта, принимается, по меньшей мере, одним световодом, при этом световоды направляют диффузно отраженный свет к спектрометру. При этом создается возможность расположения спектрометра в любом положении на уборочной машине. Кроме того, со спектрометром могут быть связаны другие световоды других измерительных устройств.
Благодаря тому, что эталонный объект содержит черный эталон и белый эталон, при калибровке измерительного устройства могут учитываться как колебания интенсивности света источника освещения, так и изменения чувствительности измерительного устройства, что позволяет избежать получения ошибочных величин измерения.
Согласно предпочтительному примеру осуществления перед спектрометром включен мультиплексор, при этом мультиплексор управляет тем, какой световод передает свет на спектрометр. За счет этого обеспечивается возможность автоматического переключения между рабочими измерениями и калибровкой измерительного устройства, при этом калибровка производится в пределах тысячных долей секунды.
В предпочтительном примере осуществления спектрометр определяет данные измерений света, диффузно отраженного от материала и/или от эталонного объекта. За счет этого исключается возможность, например, приема световодами отраженного света пластинки, расположенной между источником освещения и убранной массой, что приводило бы к получению ошибочных величин измерения.
В предпочтительном примере осуществления спектрометр связан с устройством управления и обработки данных, причем устройство управления и обработки данных по данным измерений, определенным спектрометром, вычисляет содержание компонентов и/или свойства исследуемого материала. За счет этого обеспечивается возможность быстрого, свободного от возмущений анализа исследуемого материала.
Предпочтительно источник освещения выполнен в виде источника инфракрасного излучения, поскольку длины волн в области, близкой к области инфракрасного излучения, являются наиболее оптимальными для выявления в исследуемом материале таких компонентов как белок и подобных компонентов.
Предпочтительно исследуемый материал представляет собой текущий поток сельскохозяйственной продукции, так что при этом может производиться непрерывное измерение в режиме реального времени непрерывно транспортируемого потока убранной массы.
Предпочтительно измерительное устройство расположено на уборочной машине, так что анализ убранной массы может производиться в процессе уборки, выполняемой этой уборочной машиной.
Другие предпочтительные примеры осуществления изобретения являются предметом защиты в зависимых пунктах формулы изобретения.
Краткий перечень чертежей
Далее со ссылками на прилагаемые чертежи будут подробно описаны примеры осуществления изобретения.
На чертежах:
фиг.1 изображает на виде сбоку полевой измельчитель с измерительным устройством по изобретению,
фиг.2 изображает измерительное устройство,
фиг.3 изображает измерительное устройство с отражателем для отклонения световых лучей,
фиг.4 изображает измерительное устройство с призмой для отклонения световых лучей.
Осуществление изобретения
На фиг.1 показана сельскохозяйственная уборочная машина 2, выполненная в виде полевого измельчителя 1 с передним навесным аппаратом 3. При работе полевого измельчителя навесной аппарат 3 принимает убираемую массу 4, срезает ее и подает к расположенным сзади вращающимся каткам 5 приема и предварительного прессования. Катки 5 направляют убранную массу 4 на расположенный сзади вращающийся измельчительный барабан 6, который измельчает убранную массу 4, взаимодействуя с противорежущей пластиной 7. Далее измельченная убранная масса 4 передается на устройство 8 дополнительного измельчения, которое производит дробление зерен, таких как зерна кукурузы, и передает массу далее по транспортирующему трубопроводу 9 на метатель 10. Метатель 10 ускоряет поток убранной массы 4 и транспортирует ее через горизонтально и вертикально регулируемую разгрузочную трубу 11 на не показанное транспортное средство.
В соответствии с изобретением на разгрузочной трубе 11 расположено измерительное устройство 14, которое будет подробно описано далее и предназначено для анализа убранной массы 4, транспортируемой через разгрузочную трубу 11.
Возможны варианты осуществления изобретения, в которых измерительное устройство 14 предназначено для установки в подающем канале машины для прессования цилиндрических тюков сена или в наклонном питателе, или в загрузочном шнеке зернового бункера зерноуборочного комбайна.
Известное само по себе измерительное устройство 14 служит для определения компонентов состава убранной массы 4. В отношении определения компонентов способ подробно раскрыт в патентном документе ЕР 1053463, описание к которому включено в данное описание в качестве ссылки. Измерительное устройство 14 определяет содержание компонентов в составе, например содержание влаги, сырого белка или жиров, а также другие параметры убранной массы 4, такие как длина волокон, наличие волокон и сухого вещества.
На фиг.2 подробно показано измерительное устройство 14, установленное на разгрузочной трубе 11. В разгрузочной трубе 11 предусмотрено окно 15, в области которого расположено измерительное устройство 14. Измерительное устройство содержит датчик 16, который является оптическим сенсорным датчиком, работающим в режиме отражения.
Датчик 16 содержит расположенный в корпусе 17 источник 18 освещения, выполненный в виде инфракрасного излучателя. С помощью расположенного над ним параболического зеркала 19 источник 18 освещения направляет коллимированный световой луч 20 вниз в направлении разгрузочной трубы 11. Световой луч 20 частично принимается световодами 21, также расположенными в корпусе 17, и направляется ими в направлении разгрузочной трубы 11. Световые лучи 22, выходящие из нижних концов световодов, проходят через пластинку 23 корпуса 17, расположенную в области окна 15 разгрузочной трубы 11, в транспортирующий канал 24 разгрузочной трубы 11, через который движется поток убранной массы 4. Световые лучи 22 отражаются убранной массой диффузным образом. Внутри корпуса 17 расположены дополнительные световоды 25 для сбора части диффузно отраженного света 26. Концы световодов 25 расположены под углом примерно 45° к пластинке 23, чтобы не улавливать свет, отражаемый пластинкой 23.
Световоды 25 направляют диффузно отраженный свет 26 через мультиплексор 27, который будет подробнее описан далее, к спектрометру 28. Спектрометр 28 на основе измерения длин волн определяет спектр отраженного света 26 и соответственно отражательную способность убранной массы 4.
Спектрометр 28 связан с устройством 29 управления и обработки данных. Как это подробно описано в упомянутом патентном документе ЕР 1053463 B1, устройство 29 управления и обработки данных по сигналам, получаемым от спектрометра 28, определяет содержание в составе убранной массы 4 определенных компонентов, таких как, например, вода, крахмал, органические вещества, неорганические вещества, сырой белок, масло и другие. Вычисленные величины передаются на бортовой компьютер 30, который картирует величины с привязкой к месту, при этом величины дополнительно указываются на индикаторном устройстве 31.
Внутри корпуса 17 расположен эталонный объект 34, который снабжен черным эталоном 32 и белым эталоном 33 и по которому с помощью эталонного сигнала может производиться калибровка измерительного устройства.
Согласно изобретению для обеспечения возможности эталонного измерения часть светового луча 20 источника 18 освещения отклоняется на эталонный объект 34. В показанном примере выполнения отклонение производится с помощью изогнутых световодов 35, 36, концы которых направлены к источнику 18 освещения и соответственно к черному эталону 32 и белому эталону 33. Световоды 35, 36 принимают часть светового луча 20 источника 18 освещения и направляют весь свет на эталоны 32, 33.
Диффузно отраженный свет собирается раздельно от белого эталона 33 и от черного эталона 32 соответственно первым световодом 37 и другим световодом 38 и направляется ими к мультиплексору 27.
Мультиплексор 27 управляет тем, какой отраженный свет направляется далее на спектрометр 28: либо отраженный свет от убранной массы 4, передаваемый на мультиплексор 27 световодами 21, либо отраженный свет от белого эталона 33, передаваемый на мультиплексор 27 световодами 37, либо отраженный свет от черного эталона 32, передаваемый на мультиплексор 27 световодами 38.
Перед калибровкой измерительного устройства 14 мультиплексор 27 передает дальше на спектрометр 28 друг за другом отраженный свет от белого эталона 33, передаваемый световодами 37, и отраженный свет от черного эталона 32, передаваемый световодами 38.
Спектрометр 28 передает присвоенные эталонам 32, 33 данные измерений на устройство 29 управления и обработки данных, которое с помощью этих данных измерений производит калибровку измерительного устройства 14.
При определении компонентов состава убранной массы 4 мультиплексор 27 передает на спектрометр 28 только отраженный свет убранной массы 4, который передается на мультиплексор 27 световодами 21.
Для калибровки измерительного устройства 14 необходимы перерывы в определении состава убранной массы 4, однако следует учитывать, что калибровка производится в течение тысячных долей секунды, так за этот короткий промежуток времени состав проходящего потока убранной массы 4 не изменяется существенным образом.
В рамках изобретения возможен вариант выполнения, при котором, в отличие от описанного примера, отраженный свет от белого эталона 33, передаваемый световодами 37, и отраженный свет от черного эталона 32, передаваемый световодами 38, направляется на первый спектрометр, а отраженный свет от убранной массы 4 направляется на второй спектрометр. Особенное преимущество такого примера осуществления заключается в том, что исследование убранной массы 4 может производиться непрерывно также и в ходе калибровочных измерений, так как аналитическая обработка отраженного света от эталонов 32, 33 и отраженного света от убранной массы 4 может производиться в отдельных спектрометрах независимо друг от друга.
Фиг.3 изображает измерительное устройство 14 по изобретению, в котором часть направляемых на убранную массу 4 световых лучей 21 источника 18 освещения падает на отражатель 40, расположенный под углом к световым лучам 21, Отражатель 40 отклоняет эти лучи 21 и направляет их на эталонный объект 34.
В примере выполнения по фиг.4 в измерительном устройстве 14 часть направляемых на убранную массу 4 световых лучей 21 источника 18 освещения падает на призму 41, которая отклоняет их на эталонный объект 34.
Для специалиста в данной области понятно, что при осуществлении изобретения возможны различные изменения и модификации, не выходящие за пределы объема защиты, а также использование его в других машинах для получения описанных преимуществ.
1. Измерительное устройство (14), содержащее датчик (16) для определения, по меньшей мере, одного компонента и/или, по меньшей мере, одного из свойств материала (4), исследуемого датчиком (16), причем датчик (16) содержит, по меньшей мере, один источник (18) освещения, который направляет, по меньшей мере, один световой луч (20) на подлежащий исследованию материал (4), а измерительное устройство (14) содержит, по меньшей мере, один эталонный объект (34, 32, 33) для калибровки измерительного устройства (14), отличающееся тем, что часть светового луча (20) источника (18) освещения отклоняется на эталонный объект (34, 32, 33) и свет от эталонного объекта направляется посредством световодов.
2. Измерительное устройство по п.1, отличающееся тем, что световой луч (20) источника (18) освещения частично отклоняется посредством, по меньшей мере, одного отражателя (40).
3. Измерительное устройство по п.1, отличающееся тем, что световой луч (20) источника (18) освещения частично отклоняется посредством, по меньшей мере, одной призмы (41).
4. Измерительное устройство по любому из пп.1-3, отличающееся тем, что световой луч (20) источника (18) освещения частично отклоняется с направлением посредством световода (35, 36).
5. Измерительное устройство по любому из пп.1-3, отличающееся тем, что исследуемый материал (4) и/или эталонный объект (32, 33, 34) отражают световой луч (20) источника (18) освещения, а свет, диффузно отраженный от материала (4) или от эталонного объекта (32, 33, 34), принимается, по меньшей мере, одним световодом (21, 37, 38), при этом световоды (21, 37, 38) направляют диффузно отраженный свет к спектрометру (28).
6. Измерительное устройство по любому из пп.1-3, отличающееся тем, что эталонный объект (34) содержит черный эталон (32) и белый эталон (33).
7. Измерительное устройство по п.5, отличающееся тем, что перед спектрометром (28) включен мультиплексор (27), при этом мультиплексор (27) управляет тем, какой световод (21, 37, 38) передает свет на спектрометр (28).
8. Измерительное устройство по п.5, отличающееся тем, что спектрометр (28) определяет данные измерений света, диффузно отраженного от материала (4) и/или от эталонного объекта (32, 33, 34).
9. Измерительное устройство по п.8, отличающееся тем, что спектрометр (28) связан с устройством (29) управления и обработки данных, причем устройство (29) управления и обработки данных по данным измерений, определенным спектрометром, вычисляет содержание компонентов и/или свойства исследуемого материала (4).
10. Измерительное устройство по любому из пп.1-3, 7, 9, отличающееся тем, что источник (18) освещения представляет собой источник инфракрасного излучения.
11. Измерительное устройство по любому из пп.1-3, 7, 9, отличающееся тем, что исследуемый материал (4) представляет собой текущий поток сельскохозяйственной продукции.
12. Измерительное устройство по любому из пп.1-3, 7, 9, отличающееся тем, что измерительное устройство (14) расположено на уборочной машине (1, 2).
