Содержание к диссертации
Введение
I Состояние проблемы повышения качества сыпучей зерновой продукции и обоснование необходимости применении фотоэлектронных сепараторов ... 19
1.1 Исследование особенностей процесса сортировки сыпучей зерновой продукций...
1.2 Оценка качество зерна
1.3 Анализ существующего парка механических сепараторов и его использования ка различных этапах переработки сыпучей зерновой
1.4 Анализ этапов развития фотоэлектронного сепарирования.
Классификация современных фотоэлектронных сепараторов 32
1.5 Расширение области применения фотоэлектронных сепараторов 52
1.6 Выводы 61
2 Проблемы расширения области применения фотоэлектронных сепараторов ... 63
2.1 Анализ возможностей расширения свойств первичных измерительных преобразователей, используемых в фотоэлектронных сепараторах 63
2.2 Особенности применения многоэлементных фотоприемников при контроле геоме грическнх параметров объектов 65
2.3 Методы многокритериальной классификации объектов 85
2.4 Выводы... 93
3 Обобщенная математическая модель процессов обработки информации и моделирование основных функциональных узлов фотоэлектронных сепараторов
3.1. Модель спектральных свойств поверхности ооъекта
3.2 Метод определения геометрических параметров зерна на основе выходного сигнала матричного фотоприем кика ПЧТіП-з фотоприемника
3.4 Модель выходного сигнала многоэлемептного матричного фото-приемника
3.5 Алгоритм выделения количественных характеристик объекта, использующий выходные данные матричного фото приемника
3.6 Методика расчета точностных характеристик первичного
3.7 Многокритериальная классификация ооъектов для цютоэлектронного сепаратор а
3.8 Классификация фотоэлектронных сепараторов на основе информационных критериев , 157
3.9 Моделирование оптической схемы и спектральных характеристик фотоэлектронных сепараторов І 60
3.10 Моделирование процесса выделения информации с многоэлементных фотоприемников !73
3.1.1 Моделирование процесса многокритериальной классификации АГУКЄКТЛЙ
3.12 Интегральный критерий качества фотоэлектронного сепаратора 188
Экспериментальная проработка основных узлов фотоэлектронных сепараторов. методика классификаций фотоэлектронных сепараторов 1.92
Спектральные характеристики терна различных культур 192
Фотоэлектронные сепараторы, определяющие пригодность зерна
4.3 Фотоэлектронные сепараторы на базе многоэлементных
4.4 Основные функциональные узлы фотоэлектронных сепараторов,... 240
4.5 Методика классификации фотоэлектронных сепараторов на основании их функциональных возможностей
выводы...
5 Принципы построения многофункциональных фотоэлектронных сепараторов нового поколения. пути повышения качества сортировки сыпучих сельхозпродуктов ... 250
5.1 Принципы построения многофункциональных фотоэлектронных сепараторов, пригодных для выполнения мгюгакритернальпой сортировки сыпучих зернопродуктов... 250
5.2 Многофункщюнальный фотоэлектронный сепаратор, определяющий размеры и спектральные характеристики зерна... 255
5.3 Инженерно-техническая проработка основных узлов экономичного многофункционального фотоэлектронного сепаратора , 261
5.4 Основные пути повышения качества сортировки сельскохозяйственных продуктов, требования к основным узлам и модулям фотоэлектронных сепараторов следующего поколения 271
5.5 Выводы... 273
6 Экономические показатели эффективности многокритериальных сепараторов 274
Задачи определения экономической эффективности технических пешений к еовпеменпмх хсжтиях фотоэлектронных сепараторов.
Литература
- Анализ существующего парка механических сепараторов и его использования ка различных этапах переработки сыпучей зерновой
- Особенности применения многоэлементных фотоприемников при контроле геоме грическнх параметров объектов
- Метод определения геометрических параметров зерна на основе выходного сигнала матричного фотоприем кика ПЧТіП-з фотоприемника
- Фотоэлектронные сепараторы, определяющие пригодность зерна
Введение к работе
Актуальность проблемы.
Повышение качества сельхозпродукции является крупнейшей проблемой сельскохозяйственного производства. Проблемой, которая не потеряет своей актуальности при всех возможных общественно-политических формациях, в любых уголках планеты, где вообще возможно земледелие.
Доброкачественность сыпучих пищевых продуктов в конечном счете определяется однородностью массы и, в значительной степени, цветом и размерами отдельных частиц. От технического уровня приборов контроля и оборудования сортировки, их функциональных возможностей во многом зависит качество и конкурентоспособность сельхозпродукции. К такому оборудованию относятся разнообразные сепараторы. Одной из разновидностей сепараторов - фотоэлектронным сепараторам, и посвящена настоящая работа.
Фотоэлектронное сепарирование сыпучих продуктов по цвету применяется при производстве сельхозпродукции около полувека. Оно заключается в обнаружении частиц, отличающихся по цвету от эталона, и поштучном их извлечении.
При практической реализации разработчики разных фирм используют различные технические решения, имеющие свои преимущества и недостатки.
Для всех этапов зерноочистки характерно фракционирование исходного зерна. Для этой цели применяются пневматические сепараторы, ситовые рассевы, рассев-калибровщик, цилиндрические триеры, скальператоры, сепараторы, аспирационные колонки и другие виды машин.
Общим большим недостатком всех механических сортировальных машин является их неуниверсальность (все они либо выводят из зерномассы какой-нибудь один вид примеси, либо осуществляют сортировку только по одному параметру).
Кроме того, все машины этого назначения не способны оценивать зерномассу по качеству отдельных зерен.
В отличие от агрегатов механической сортировки, существующие фотоэлектронные сепараторы способны оценивать цвет (а соответственно и качество) каждого отдельного зерна, что дает возможность повысить качество сортировки всей зерномассы.
В мировой практике использование и производство фотоэлектронных сепараторов растет. Несмотря на это, область их применения нельзя не считать ограниченной. Это связано с тем, что,
выпускаемые фотоэлектронные сепараторы, успешно справляясь с задачей оценки цвета отдельных зерен, не в состоянии оценивать другие их физические свойства (например, размеры).
Если вести сортировку дополнительно по другим критериям, например, контролировать размер и форму исследуемого зерна, то точность сортировки можно в значительной степени повысить.
Решение этой задачи становится возможным при совокупном использовании в фотоэлектронных сепараторах как традиционной элементной базы - фотодиодов, так и существенно иной -многоэлементных фотоприемников. Такое сочетание позволяет осуществить многокритериальную (по нескольким признакам) сортировку зерновой продукции.
Эффективность фотоэлектронного сепаратора определяется скоростью принятия решения по отбраковке зерна на основе информации, получаемой от первичного преобразователя. Обработка информации, поступающей с фотодиода о цвете зерновки, очень проста и практически мгновенна. Сложности возникают при обработке первичной информации о размерах и форме зерновки, поступающей с многоэлементного фотоприемника, в силу резкого возрастания ее объемов.
В связи с этим необходимо получить такие алгоритмы обработки первичной информации с многоэлементного фотоприемника, которые 6e>i не оказали тормозящего действия на быстродействие всего фотоэлектронного сепаратора. А эти вопросы на сегодняшний день практически не решены.
Прогресс любой отрасли сельскохозяйственного производства неразрывно связан с обновлением технологий. Появление и использование фотоэлектронных сепараторов как раз и является обновлением технологии сортировки зерновых, которая, в свою очередь, является непременным условием повышения качества сыпучей зерновой продукции.
В связи с изложенным настоящая диссертация посвящена решению проблемы повышения качества сыпучих зерновых продуктов путем разработки и использования фотоэлектронных сепараторов для их сортировки, построенных на базе новых принципов сепарирования, в основу которых положены результаты впервые выполненных теоретических исследований по многокритериальной оценке состояния объектов.
Цель и задачи исследований. Целью работы является разработка теоретических основ многокритериальной диагностики и оценки (качества) единичных объектов, а также техническая реализация
проведенных теоретических исследований посредством разработки и
применения эффективных фотоэлектронных сепараторов, как
современного средства малоотходного, экологически чистого и
безопасного технологического процесса получения
высококачественной зерновой продукции.
Для достижения поставленной цели потребовалось решить комплекс взаимосвязанных между собой задач:
обосновать развитие нового научного направления -многокритериального фотоэлектронного сепарирования на базе анализа существующих технологий сортировки сыпучей зерновой продукции;
обосновать методы определения основных параметров контролируемых объектов и выбор реализующих эти методы первичных измерительных преобразователей - многоэлементных матричных фотоприемников;
разработать модели оптических и электрических сигналов в фотоэлектронном сепараторе, обеспечивающие высокоточное определение геометрических размеров и формы зерновок;
разработать быстродействующие алгоритмы обработки входных данных фотоприемных устройств сепаратора, обеспечивающие его работу в реальном масштабе времени;
исследовать физические показатели качества сортируемых зерен, которые позволяют произвести сепарирование зерновой массы в потоке без отбора проб;
разработать и изготовить действующие образцы
фотоэлектронных сепараторов, провести оценку их
производительности и качественных характеристик в зависимости от используемого класса объектов и типа первичного измерительного преобразователя;
Объект исследования.
Объектом исследования являются процессы получения, обработки и преобразования первичной информации о сортируемых зерновых продуктах с различными физическими параметрами (цвет, геометрические размеры), а также процессы сортировки этих продуктов на основе полученных данных.
Предмет исследования.
Предметом исследования является получение зависимости, позволяющей классифицировать исследуемый объект на основании информации, полученной с первичного измерительного преобразователя, для принятия решения по отбраковке по результатам классификации.
Научная новизна работы.
Решение поставленных задач определило научную новизну данной диссертационной работы, которая заключается в следующем:
-
Теоретически рассмотрен и практически реализован многокритериальный подход к разделению зерновых на фракции, когда для классификации контролируемых объектов используются несколько параметров объекта.
-
Разработаны модели входных оптических и выходных электрических сигналов фотоэлектронного сепаратора, позволяющие осуществить высокоточное определение геометрических размеров и формы сортируемых зерен.
-
Разработаны быстродействующие алгоритмы обработки информации от фотоприемньгх устройств, не оказывающие тормозящего действия на работу фотоэлектронного сепаратора.
-
Разработана методика автоматического формирования базы данных о кондиционных и некондиционных зерновках на основании информации, полученной от фотоприемных устройств.
-
Разработаны принципы построения фотоэлектронных сепараторов, обеспечивающих многокритериальную диагностика и оценку качества сыпучей зерновой продукции.
Практическая ценность работы.
Практическая ценность диссертации заключается в формулировании и реализации концепции многокритериальной сортировки сыпучих зерновых продуктов в потоке без отбора проб.
Также разработаны модели входных и выходных сигналов многоэлементных матричных фотоприемников, обеспечивающих высокоточное определение линейных размеров и формы исследуемых объектов.
Разработаны методики и быстродействующие алгоритмы оценки физических параметров контролируемых зерновок, обеспечивающие работу фотоэлектронных сепараторов в реальном масштабе времени.
Реализация и внедрение результатов работы.
Предложенные автором приборы и методы внедрены в обществе с ограниченной ответственностью (ООО) «ЕНА» г. Барнаул, в 000 «ТРОМАКС» г. Барнаул, на ряде предприятий Алтайского края, а именно: в закрытом акционерном обществе (ЗАО) «Алтайская крупа» с. Советское, в 000 «Шелаболихинская зерноперерабатывающая компания» с. Шелаболиха, в ЗАО «Урожай» г. Заринск, в кооперативе «Зернышко» г. Барнаул.
Апробация работы.
Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на: Международной научно-технической конференции «Датчик 93» г. Барнаул, 1993 г.; Международной научно-технической конференции «Измерения, контроль и автоматизация производственных процессов» ИКГШ-94, г. Барнаул, 1994 г.; Международной научно-технической конференции «Датчик-95» г. Барнаул, J995 г.; Всероссийской научно-технической конференции «Методы и средства измерения физических величин» Нижний Новгород, 1997 г.; Российской научно-практической конференции «Современные проблемы техники и технологии хранения и переработки зерна» РНПК-97, г. Барнаул, 1997 г.; Международной конференции «Измерения, контроль и автоматизация производственных процессов» ИКАПП-97, г. Барнаул, 1997 г., научном семинаре кафедры «Сельскохозяйственные машины» Пензенской государственной сельскохозяйственной академии; расширенном заседании кафедр «Электроснабжение промышленных предприятий», «Электрификация и теоретические основы электротехники» АлтГТУ в 2000 г.
Па защиту выносятся следующие положения:
-
Методы обработки информации первичных измерительных преобразователей фотоэлектронных сепараторов.
-
Модель объектов сортировки фотоэлектронного сепаратора и их оптических свойств, принципы формирования оптических полей в фотоэлектронном сепараторе на базе многоэлементного фотоприемника.
-
Методы оценки точностных свойств многоэлементного фотопрнемника в случае его применения для выделения информационных критериев объектов сортировки фотоэлектронного сепаратора.
-
Методы и алгоритмы выделения информационных параметров объекта сортировки для фотоэлектронных сепараторов с многоэлсментным фотоприемником в качестве первичного измерительного преобразователя.
-
Построение настраиваемой (самообучаемой) системы классификации объектов сортировки и принятия решений, алгоритмы, которые могут использоваться в системе принятия решений для фотоэлектронного сепаратора.
-
Принцип построения многофункциональных фотоэлектронных сепараторов, основанных на применении
многоэлементных фотоприемников, требования к основным функциональным блокам фотоэлектронного сепаратора.
7. Разработанные и реализованные технические решения и практические схемы основных узлов фотоэлектронных сепараторов следующего поколения.
Публикации.
По результатам работы получен патент на изобретение N 2132756 «Фотоэлектронный сепаратор для сыпучих зерновых продуктов», г. Москва, 1999 г.; выпушена монография «Применение фотоэлектронных сепараторов для повышения качества сыпучих зерновых продуктов», г. Пенза, 1999 г.; опубликовано 34 работы, 1 методическое пособие, 2 учебных пособия.
Структура н объем работы.
Диссертация состоит из введения, шести глав, списка литературы, включающего 196 наименований, и приложений. Работа изложена на 302 страницах машинописного текста, содержит 66 рисунков, 4 таблицы.
Анализ существующего парка механических сепараторов и его использования ка различных этапах переработки сыпучей зерновой
Исследование особенностей процесса сортирої зерновой продукции оортмровка сыпучей зерновой продукции своими корнями уходит в далекое прошлое. Как только человек научился выращивать зерновые культуры, так сразу же начал наблюдать за качеством зерна и его изменением при хранении и переработке. Возникла необходимость отделить пригодное в пищу зерно от всевозможных примесей. Описание разделения озимой пшеницы па несколько групп по размерам пайдепы, в частности, в произведениях Теофаета (37 028! гг. до н.э.) и Плиния старшего (23-79 гг. н.э.) [І, 21 Отделение выполнялось вручную на основе визуального наблюдения. Однако ручная сортировка была малопроизводительной, поэтому возникла необходимость использования для этой цели каких-либо приспособлений, самыми распространенными из которых были ручные сита, используемые в модернизированном виде и в настоящее время. Примитивные сига были обнаружены при раскопках древних поселений в самых различных уголках земного шара {2].
Простейшее ситовое сепарирование зерна позволило значительно увеличить производительность труда и качество продукции. Использование в ситах различных по форме и размерам отверстий дало возможность не только вывести из зерновой массы минеральные примеси, по также разделить уже очищенную зерномассу на разные фракции по размеру зерновок. В «ать для приготовления пищи, а мелкое и дефектное пошло на корм скоту. Параллельно с развитием зерноводства развивалось и семеноводство.
Люди быстро поняли, что из крупных и целых зерновок можно получить более высокий урожай, нем из мелкого и засоренного посадочного материала. Возникла необходимость выделить наиболее пригодные для посадки зерна из всей семенной массы. Здесь также нашли свое применение простейшие сита.
Дальнейшая деятельность человека, связанная с выращиванием растений, привела к возникновению селекции - выведению новых, более урожайных и лучших по качеству сельскохозяйственных культур. В процессах селекции роль ситовых сепаоатдаов уменьшается, так как здесь селекционной раооте вновь возросла роль индивидуального визуального отбора зерен. Последовавший количественный и качественный рост производства сельскохозяйственной продукции привел к необходимости сортировки огромных объемов зерновой массы, что потребовало создания механизмов и машин (в том числе и сортировочных), способных переработать эту массу.
Одновременно расширилась и номенклатура выпускаемых перерабатывающих машин. Так, в 1947 году появились первые в мире фотоэлектронные сепараторы, сортирующие зерновую массу не в потоке, а по каждой отдельной зерновке. И такие машины стали постепенно се R пя гоитш iiiLlkii-i появляться, ьурному прогрессу в этой ооласти, а так.-». , » Fli. , производства сельхозпродуктов способствовал процесс электрификации сельского хозяйства (в первую очередь - применение электрических машин). Парк перерабатывающего оборудования начал расти количественно и качественно.
Б то же время ученые продолжали исследовать оиологичеекие, физические, механические и технологические особенности зерна, то есть те свойства и параметры, без знания которых был бы невозможен какой-либо прогресс как в зерноводетве. семеноводстве, селекции, так и в создании средств и технологий переработки зеркопродукгов. В дальнейшем ученые пришли к выводу, что для интенсификации развития перерабатывающих отраслей в сельском хозяйстве требуется непременное применение технологий с использованием новейших достижений в электронике, спектроскопии, оптике, вычислительной технике. Об этом в і 983 году писал известнейший ученый в области зерноведения Казаков Е.Д. [3].
Вообще, по мнению некоторых зарубежных ученых, разработанные в последние три десятилетия новые эффективные методы обработки и хранения зерна оказались более важными, чем все нововведения предыдущих столетий вместе взятые [4, 5, 6], Совершенствование процессов сортировки сыпучей зерновой продукции было бы невозможно без серьезных научных исследований в области сепарирования зерна.
Научные изыскания в этом направх достаточно широкую географию и привели к формированию ряда школ, специализирующихся на разработке самых разнообразных методов повышения качества сыпучей зерновой продукции через повышение качества ее сортировки.
Наибольший вклад в развігтие теории и практики сепарирования внесли работы, выполненные в Московском государственном технологическом университете пищевой промышленности и Всероссийском научно-исследовательском институте зерна [7- 211. Широко известны среди специалистов труды ученых Нижегородского отделения Всероссийского НИИ продовольственного машиностроения. Челябинского агроинжекерного университета [22, 23, 24], Кубанского технологического университета и других учебных и научных учреждений [25]. Становление сегодняшней, отечественной науки о сепарировании зерновых продуктов невозможно представить без работ крупного российского ученого Гортинского В.В., который провел глубокие теоретические исследования физических явлений, происходящих в зерновой массе в процессах ее сортировки [7-1.3].
Значительный вклад в теорию и .практику сортировки зернопродуктов внесли работы Демского А.Б,, Борискина М.А., Мерко М.Т., Мачихиной Л.И., Птушкиной Г.Е., Чирковой JIB. [14-20, 27, 28], Наибольший интерес для автора представляют работы Чирковой Л,В, в связи с тем, что в них в большой мере затрагиваются проблемы развития элекшотехнологии в сепарировании. гит посвященная созданию первого отечественного фотоэлектронного сепаратора [27], а также другая работа, развивающая это направление [28]. Свой путь в сортировке зерновых, а именно конно-электронную технологию, избрала челябинская научная школа, созданная и долгие годы возглавлявшаяся Басовым А.Н. [22, 23, 24]. Сепарированием семян и зерен электронно-ионным методом интересовался и крупнейший российский ученый в области электрификации сельского хозяйства академик Будзко И.А. [29]. ЇПҐІМКГ РЯИНИЧРОЙ чеоновки в составе зерновой массы. В Кубанском государственном технологическом университете Шаззо А.Ю. разработан измерительно-аналитический комплекс и программные продукты для исследований и математического описания геометрических параметров, формы единичной
Особенности применения многоэлементных фотоприемников при контроле геоме грическнх параметров объектов
В зоне контроля .цвета, для каждого «ручейка» зерен установлен фотоэлектронный сенсор, трансформирующий энергию света, отражаемую от пролетающей мимо него зерновки, в электрический сигнал. Этого достаточно, если дефектные зерна однородны по окраске. Если же необходимо отсортировать и зерна с повреждениями в виде пятен с одной стороны зерновки, надо ставить два или три сенсора, «осматривающих» зерновку с двух, трех сторон. Два противоположно расположенных сенсора применяются в монохроматических сепараторах японских фирм «Тоуо» и «Satake», три сенсора под углом 120 град, ставит фирма «Icore», фирма «Satake» ставит также три сенсора в бихроматических сепараторах.
Наиболее сложным в техническом отношении является блок извлечения забракованных зерен из сепарируемого потока. Трудность состоит в том. что механизм должен срабатывать за доли секунды полета зерновки от места обнаружения до места сбора рассортированных фракций, а также должен быть практически безынерционным, чтобы гарантировать срабатывание при двух, трех идущих подряд дефектных зерновках. Наибольшее распространение получили пневмовыбрасыватели или эжекторы. Экспозиция их срабатывания - 0.0005-0.0008 с. Жесткая, узко направленная струя воздуха воздействует па зерновку в течение времени, за которое она успевает пролететь в свободном падении путь, не превышающий ее собственной длины, с тех! чтобы не была задета следующая за ней летящая. доброкачественная зерновка, й через такой же интервал времени эжектор должен быть готов повторить выброс следующей дефектной зерновки. Вес фирмы, выпускающие фотоэлектронные сепараторы, имеюі МП Ґ и механизмом извлечения дефектных зерен в виде пневмоэжектора. Кроме того, фирма «Sortex» имеет модели с механическим выбраковщиком.
Блок управления работой фотоэлектронного сепаратора бывает с ручной настройкой, или полностью автоматизированным. Ручное управление иногда считают предпочтительным с точки зрения простоты конструкции, а значит и обслуживания. Однако общепринято оценивать совершенство конструкции степенью ее автоматизации. Так, в модели. сепаратора «Sortex 9401 Range» для риса (1985 г.) II микропроцессоров обеспечивают установку и корректировку световых уровней фона, чувствительности системы в зависимости от цвета сортируемого продукта и примесей, автоматически диагностируют неполадки любых блоков системы по всем, группам каналов («Sortex» группирует каналы по 4 вместе), автоматически с требуемой периодичностью протирают стекло оптической системы от пыли, при необходимости отключают питатель и эжектор, стабилизируют нагрузку через управление амплитудой питателя. Это полностью автоматизированная система с самодиагностированием и корректировкой, Аналогичный уровень управления в сепараторах японских фирм «Тоуо» и «Satake». «Tecnostra!» и «Icore» наряду с элементами автоматизации оставляют ручную настройку.
Несмотря на быстродействие и совершенство механизмов извлечения темное ядро четыре белых ядра, а при низкой исходной засоренности продукта и невысокой производительности отбракованная фракция состоит из 50% темных и 50% белых ядер. При необходимости предусматривают специальный блок контроля отходов. Так, фирма «Sortex» предпочитает установку доі голнителъного сепаратора меньшей производительности, настроенного на повышенную исходную засоренность продукта. Фирма «S oyo» встраивает в корпус основного сепаратора дополнительную аналогичную меньшую систему с вибропитателем и лотком с сенсорами и пневмоэжекторами, причем в сепараторе предусмотрены две нории: одна подает отходы первичной сортировки па контрольную систему, а вторая поднимает на первичную сортировку «очищенный» продукт с контрольной системы, и этот поток считается приоритетным перед несортированным продуктом в механизме питателя.
Фирма «Satake» в одной из моделей, а именно GS 400 FA, выделяет 5 каналов из 40 в группу контроля отходов первичной сортировки [44]. Фирма «Icore» использует новый прием гибкого сортирования с помощью новой универсальной логической системы, обеспечивающей многократную выбраковку за один пропуск.
Принцип контроля отходов может быть аналогичным первичной сепарации и обратным. При аналогичном контроле из потока крупы. забракованной при первичной сепарации, извлекают недоброкачественные частицы, более темные, чем эталон. При обратной сепарации эталон настраивают на самый светлый тон недоброкачественных зерновок, а электронный блок - на извлечение из потока отходов зерновок светлее «эталона», т.е. доброкачественной крупы.
С 1995 г. на Ленинградском объединении «Пролетарский завод» [50] предполагалось начать серийное производство отечественных сепараторов СРФ-5 для рисовой крупы на этапе ее контроля перед выбаем, но в связи с экономическими трудностями сепаратор так и не был запущен в серию.
Участие в этом проекте принимали Павловопосадский оптико-механический завод, Петербургский институт точной механики и оптики и Всероссийский научно-исследовательский институт зерна (ВЫИИЗ). разработавший исходные требования и решающий отраслевые вопросы при разработке [27].
В соответствии с описанной классификацией головной разраоотчик отечественной модели фотоэлектронного сепаратора марки СРФ-5 принял следующие технические решения блоков: питание - 56 желобов v-образного сечения (7 модулей по 8 желобов в каждом); оптика - источник света - люминесцентные лампы, обзор частиц - с одной стороны; датчик монохроматический; извлечение цветных ядер - пневмовыбрасыватель; управление сепаратором - автоматизированное на микропроцессорах; контроль отходов - отдельный модуль из 8 желобов; принцип контроля отходов - аналогичный основному.. содержащей питатель, виоролоток Отечественный фотоэлектронный сепаратор имеет модульную конструкцию с производительностью одного модуля 0,83 т/час. Количество модулей в сепараторе зависит от производительности контролируемого потока. В сепараторе производительностью 5 т/час шесть основных модулей и седьмой контрольный, который предусмотрен для снижения содержания доброкачественных ядер в отходах основных 6 секций. Конструкция унифицированной секции сепаратора состоит из механизма поштучной
Метод определения геометрических параметров зерна на основе выходного сигнала матричного фотоприем кика ПЧТіП-з фотоприемника
Как уже говорилось в предыдущей главе, для расширения области применения, фотоэлектронных сепараторов необходимо существенно расширить их функциональные возможности. В свою очередь, функциональные возможности любого прибора в значительной степени зависят от применяемых в нем первичных измерительных преобразователей и последующих алгоритмов обработки информации, поступающей с этих преобразователей. Очевидно, что чем больше информации снимается е пецвич ного из м ео ите л ьного контролируемого ооъекта может оыть выделено схемами оораоотки. Естественно, исходная информация не должна быть «линейно зависимой». т.е. не должна коррелировать в случае разных объектов для одних и тех же параметров. решением является использование уже апрооиоованыы ;х первичных измерительных преооразователей. применяем в других ооластях техники, ьезусловно, что эти первичные преооразоватеяи должны выдавать информацию, пригодную для последующего выделения хозяйственно важных параметров продукции. Как отмечалось, существенным недостатком выпускаемых фотоэлектронных сепараторов является неспособность контролировать геометрические параметры исследуемых объектов. Поэтому в первую очередь внимание должно быть уделено датчикам, информация с которых может быть пригодна для определения именно этих параметров [55].
Наиболее приемлемым вариантом в этом случае является применение в качестве первичного измерительного преобразователя многоэлементных матричных фотоприемников. Они позволяют по выходному видеосигналу определить геометрические параметры контролируемых объектов, имеющих априори неизвестные параметры. Размеры, форма зерна даже для одного сорта подвержены значительной модификационной и генотипической изменчивости. Ориентация зерна в зоне контроля также может быть любой. Поэтому первичный измерительный преобразователь должен обладать значительным запасом, адаптивности к конкретным условиям измерения, У многоэлементных матричных фотоприемников такой запас адаптивности есть, поскольку выделение информации с фотоприемника является задачей последующих алгоритмов обработки, которые решаются программно микроэвм или микроконтроллером. Программные алгоритмы обладают значительной гибкостью и могут быть модернизированы в случае надобности применительно к конкретным требованиям задачи [56].
Однако при применении в фотоэлектронных сепараторах многоэлементных матричных фотоприемников возникает ряд проблем, часть из которых специфична для данного применения, а часть характерна вообще для любых применений многоэлементных фотоприемников. Следует выделить следующие проблемы: определение размера, формы, положения и ориентации объекта на основе выходного сигнала много-элементного матричного фотоприемника; теоретический расчет и практическое определение погрешностей измерения геометрических параметров объекта для первичных измерительных преобразователей с матричным фотоприемником; ногокригериальная классификация контролируемого ооъекта, подверженных значительной изменчивости; - повышение оощего оыстродеиствия следующих систем: оораоотки изображения, формирования вектора признаков объекта и системы классификации объекта до уровня быстродействия механической части прибора (0.1 .. 0.001с).
Далее рассмотрены некоторые особенности решения перечисленных проблем, которые практически реализованы для приборов, в которых используются в качестве первичного измерительного преобразователя многоэлементные матричные фотоприемники.
Ранее такие приборы разрабатывались преимущественно для систем технического зрения и для задач робототехники. Применение подобных приборов для фотоэлектронного сепарирования зерновой массы имеет свою гено и рассмотрено в последующих главах. Особенности применения многоэлементных сротоприемынков ггои контроле геометрических параметров объектов
Многоэлементные фотоприемники традиционно делятся на две группы: линейные и. матричные. В линейных многоэлемеетных фотоприемниках отдельные светочувствительные элементы расположены вдоль одной прямой с регулярным шагом hx, в матричных элементы расположены в узлах квадратной (или прямоугольной) матрицы. В связи с этими особенностями линейные многоэлементные фотоприемники широко применяются для контроля координаты объекта, реже с их помощью можно определить размерь! объекта только в тех случаях, когда объект имеет заданную ориентацию относительно фотоприемника. Матричные фотоприемники обладают более широкими возможностями, поскольку потенциально позволяют определить любые геометрические параметры объекта: ФОРМУ, ориентацию, размеры и т.д. [5
Фотоэлектронные сепараторы, определяющие пригодность зерна
Прежде всего необходимо отметить, что в подавляющем большинстве случаев фотоэлектронные сепараторы применяются тогда, когда деление на кондиционныелтекондиционные поодукты. по цвету не представляет особых неоелых. ь этом случае критерием отооаковки даже не цвет, а интегральная отражательная спосооность поверхности проверяемого .продукта, В случае разделения гороха на зеленую и желтую Фракции цвет поверхности объектов разных классов также значительно бласти. большом количестве моделей используется следующий принцип. Если цвет (яркость) объекта совпадает с цветом (яркостью) фона, то такой объект считается кондиционным. Если же цвет (яркость) объекта значительно отличается от фонового, то объект классифицируется как некондиционный. Для обеспечения работы сепаратора по данному методу необходимо установить цвет фона соответствующим цвету кондиционного зерна. При пролете кондиционного зерна в поле зрения оптической системы на фотоприемнике не будет наблюдаться заметной вариации выходного сигнала (поскольку цвет объекта и шона совпадают, то объект «теряется» на фоне). При пролете некондиционного зерна выходной сигнал фотоприемника будет давать импульс (тока или напряжения) той или ивой полярности в зависимости от цвета зерна. При изменении вида контролируемой продукции (например, при переходе с контроля риса на контроль гороха) необходимо заменять фоновую поверхность. Очевидно, что с ростом номенклатуры контролируемых зерновых число таких поверхностей может оказаться достаточно большим. Другой проблемой является изменение оптических свойств фоновой поверхности в процессе работы за счет неизбежной запыленности контролируемого продукта. Для снятия пыли может либо использоваться остановка сепаратора с последующей очисткой, либо очистка в процессе работы, что требует применения более сложной автоматической системы периодической очистки.
В наиболее современных моделях фотоэлектронных сепараторов для решения этих проблем применяются жіщкокристаллнческие синтезирующие зкпапьг, которые могут изменять свои оптические свойства в процессе работы, что обеспечивает адаптацию как к изменению вида контролируемой продукции, так и к изменению оптических свойств поверхности,
Однако, как будет показано ниже, подобный простой подход не всеїдні способен решать более сложные задачи, например, в случае не слишком. больших вариаций цвета кондиционных и некондиционных продуктов, а также в. тех случаях, когда общая яркость кондиционных продуктов может варьироваться при неизменном цвете продукта. Для более точного учета цветовых (спектральных) характеристик объекта необходимо оценивать яркость объекта в нескольких спектральных диапазонах, т.е. применять мультиспектральные фотоприемные устройства. При этом выбор рабочего диапазона спектра должен обосновываться в первую очередь спектральными характеристиками поверхности контролируемого объекта, которые должны быть известны либо до запуска процесса разделения зерен, либо адаптивно устанавливаться при просмотре пробной партии продукта.
Если не учитывать угловую характеристику коэффициента отражения (если при отражении от объекта нет бликов, т.е. рассеяния практически диффузии), то для каждого объекта можно ввести его спектральный коэффициент отражения, т.е. зависимость коэффициента отражения г от длины волны падающего излучения:
Величины падающего и отраженного у,тр световых потоке» осматриваются интегрально по всем углам, т.е. падающий и отраженны! считаются диффузными. Будем в дальнейшем спектральнук зависимость потока излучения источника (после оптической системы обозначать ыылЛ приемник излучения ооладает таюке спектральной характеристикой, которую обозначим как к(Х}. В дальнейшем будем пользоваться именно этим параметром для отдельного канала фотоприемника, учитывая, что на самом деле к(л) представляет собой произведение как минимум трех функций: спектральной чувствительности собственно приемника, коэффициента пропускания светофильтра, выделяющего из падающего спектра ограниченный диапазон длин волн, и спектрального коэффициента пропускания оптики. В -тех областях спектра падающего излучения, где приемник обладает чувствительностью, на выходе приемника формируется электрический сигнал 1с, представляющий в общем случае сумму откликов на возбуждение приемника с разными длинами волн:
