RU2664317C1

RU2664317C1 - Device for determining the quality of grain in combine

Info

Publication number: RU2664317C1
Application number: RU2017133435A
Authority: RU
Inventors: Александр Владимирович Молодушкин; Алексей Анатольевич Орлов; Алексей Юрьевич Середин
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Комбайновый завод "Ростсельмаш"
Priority date: 2017-09-25
Filing date: 2017-09-25
Publication date: 2018-08-16

Abstract

FIELD: agriculture.

SUBSTANCE: invention relates to agriculture. Apparatus for determining grain quality in a combine comprises a light source, a diffuse diffuser, a grain sampler, a micromill, a measuring device and an analog-to-digital converter, in this case, a subject table, an objective, a polychromator, a calculator, a memory unit, a digital logger and a monitor are inserted into it, the sampler and the micromill are mechanically connected to the object table, the output of the measuring device is connected to the analog input of the analog-to-digital converter whose digital output is connected to a computer in parallel connected to the memory unit, to the monitor and to the first input of the digital recorder, the second input of which is connected to the output of the receiver of the satellite navigation system.

EFFECT: invention makes it possible to measure the main indicators of grain quality: gluten, protein, lipids, water, to ensure the determination of the contents of the listed substances in the grain irrespective of the crop being harvested and to increase the accuracy of the measurements.

4 cl, 1 dwg

Description

Заявляемое изобретение относится к сельскохозяйственному машиностроению, а конкретно к устройствам определения процентного содержания в зерне клейковины, протеинов, липидов, воды и других веществ в процессе уборки урожая зерноуборочными комбайнами, оснащенными системами спутниковой навигации и связанными с ними цифровыми картами поля.The claimed invention relates to agricultural machinery, and in particular to devices for determining the percentage of gluten, proteins, lipids, water and other substances in the grain during harvesting by combine harvesters equipped with satellite navigation systems and associated digital field maps.

Известны способ и устройство определения количества клейковины в зерне [1. Патент RU 2138042 от 14.04.1998; 2. Заявка на изобретение RU 2011102636 от 24.01.2011]. Они основаны на измерении спектральных характеристик образцов пшеницы и последующем определении количества клейковины по их значениям с учетом градуировочных измерений. Устройство для определения количества клейковины по патенту RU 2138042 от 14.04.1998 состоит из источника света, диффузного рассеивателя, кюветы, двух светофильтров для пропускания излучения соответственно в области 400-600 нм и в области 600-850 нм и его регистрации двумя фотоприемниками, причем каждым - в одной из этих двух спектральных областей, и измерительного устройства.A known method and device for determining the amount of gluten in grain [1. Patent RU 2138042 from 04/14/1998; 2. Application for the invention RU 2011102636 from 01.24.2011]. They are based on measuring the spectral characteristics of wheat samples and then determining the amount of gluten from their values, taking into account calibration measurements. The device for determining the amount of gluten according to the patent RU 2138042 from 04/14/1998 consists of a light source, a diffuse diffuser, a cuvette, two filters for transmitting radiation, respectively, in the region of 400-600 nm and in the region of 600-850 nm and its registration with two photodetectors, each - in one of these two spectral regions, and a measuring device.

Недостатками перечисленных способа и устройства являются низкая точность измерения содержания клейковины в убранном зерне, невозможность измерения этого параметра в процессе работы комбайна и привязки его значений к карте убираемого поля.The disadvantages of the above method and device are the low accuracy of measuring the gluten content in harvested grain, the impossibility of measuring this parameter during the operation of the combine and binding its values to the map of the harvested field.

Наиболее близким к заявляемому изобретению по технической сущности является устройство по заявке на изобретение RU 2015124680/13 от 23.06.2015, содержащее источник света, диффузный рассеиватель, пробоотборник зерна, микромельницу, измерительное устройство и аналого-цифровой преобразователь, связанный с цифровой картой убираемого поля.Closest to the claimed invention in technical essence is a device according to patent application RU 2015124680/13 of 06.23.2015, containing a light source, a diffuse diffuser, a grain sampler, a micromill, a measuring device and an analog-to-digital converter connected to a digital map of the harvested field.

Недостатками прототипа являются: невозможность измерения в процессе уборки урожая, наряду с определением содержания клейковины в зерне, таких важных показателей качества зерна (параметров), как содержание протеинов, липидов, воды и др., и низкая точность измерений.The disadvantages of the prototype are: the inability to measure during the harvest process, along with the determination of gluten content in grain, such important indicators of grain quality (parameters) as the content of proteins, lipids, water, etc., and low measurement accuracy.

Цель изобретения - обеспечение возможности измерения основных показателей качества зерна: клейковины, протеина, липидов, воды; обеспечение определения содержания перечисленных веществ в зерне независимо от убираемой культуры, то есть не только в пшенице, но и в таких культурах, как ячмень, рожь, кукуруза, овес, рис и др., и повышение точности измерений.The purpose of the invention is the ability to measure the main indicators of grain quality: gluten, protein, lipids, water; ensuring the determination of the content of the listed substances in the grain, regardless of the crop being harvested, that is, not only in wheat, but also in crops such as barley, rye, corn, oats, rice, etc., and improving the accuracy of measurements.

Технический результат достигается за счет того, что в устройство, содержащее источник света, диффузный рассеиватель, пробоотборник зерна, микромельницу, измерительное устройство и аналого-цифровой преобразователь, введены предметный стол, объектив, полихроматор, включающий в себя регулируемую по ширине щель, дифракционную решетку и матричный фотоприемник, вычислитель, блок памяти, цифровой регистратор и монитор, при этом пробоотборник и микромельница механически связаны с предметным столом, выход измерительного устройства связан с аналоговым входом аналого-цифрового преобразователя, цифровой выход которого связан с вычислителем, параллельно соединенным с блоком памяти, с монитором и с первым входом цифрового регистратора, второй вход которого соединен с выходом приемника системы спутниковой навигации (ССН). Матричный фотоприемник состоит из n столбцов и m строк и обладает высокой чувствительностью в широком спектральном диапазоне оптического излучения, представляет собой, например, микроболометрическую матрицу и обеспечивает высокую чувствительность в спектральном диапазоне от 1 мкм до 25 мкм. В этом спектральном диапазоне имеются хранящиеся в блоке памяти эталонные спектры отражения практически всех веществ, входящих в состав зерна различных злаков: пшеницы, ячменя, ржи, овса, кукурузы, риса и др. Если расположить матрицу так, чтобы столбцы матрицы были параллельны изображению щели полихроматора, то суммарный видеосигнал на ее выходе, пропорциональный определенной спектральной составляющей текущего спектра отражения, можно усилить в

раз за счет линейного сложения сигналов с выхода каждого чувствительного элемента матрицы и последующего усреднения результата. Шумы при этом суммируются среднеквадратично, за счет чего достигается существенное повышение отношения сигнал/шум на выходе приемной матрицы.The technical result is achieved due to the fact that in the device containing a light source, a diffuse diffuser, a grain sampler, a micro mill, a measuring device and an analog-to-digital converter, an object table, a lens, a polychromator, including a slit adjustable in width, a diffraction grating and a matrix photodetector, calculator, memory unit, digital recorder and monitor, while the sampler and micromill are mechanically connected to the object table, the output of the measuring device is connected to the analogue input of the analog-to-digital converter, the digital output of which is connected to a computer connected in parallel with the memory unit, to the monitor and to the first input of the digital recorder, the second input of which is connected to the output of the satellite navigation system (CCH) receiver. The matrix photodetector consists of n columns and m rows and has high sensitivity in a wide spectral range of optical radiation, is, for example, a microbolometric matrix and provides high sensitivity in the spectral range from 1 μm to 25 μm. In this spectral range, there are reference reflection spectra stored in the memory block of almost all the substances that make up the grain of various cereals: wheat, barley, rye, oats, corn, rice, etc. If you arrange the matrix so that the columns of the matrix are parallel to the image of the polychromator slit , then the total video signal at its output, proportional to a certain spectral component of the current reflection spectrum, can be amplified by

times due to the linear addition of signals from the output of each sensitive element of the matrix and the subsequent averaging of the result. In this case, the noise is summed rms, due to which a significant increase in the signal-to-noise ratio at the output of the receiving matrix is achieved.

В заявляемом устройстве измерение основных показателей качества зерна осуществляют путем сравнения эталонного спектра отражения конкретного вещества, входящего в состав зерна, с его текущим спектром отражения, измеренным в процессе уборки урожая, и выдачей полученного значения на монитор, для информирования оператора, и в цифровой регистратор для нанесения на цифровую карту поля с привязкой к координатам убираемого участка поля.In the inventive device, the measurement of the main indicators of grain quality is carried out by comparing the reference reflection spectrum of a particular substance that is part of the grain, with its current reflection spectrum, measured during the harvesting process, and outputting the obtained value to the monitor, to inform the operator, and to a digital recorder for drawing on the digital map of the field with reference to the coordinates of the harvested field.

Заявляемое изобретение иллюстрируется чертежом, на котором изображена функциональная схема устройства.The invention is illustrated in the drawing, which shows a functional diagram of the device.

Заявляемое устройство включает в себя следующие функциональные элементы: 1 - пробоотборник; 2 - микромельница; 3 - предметный стол; 4 - источник света; 5 - диффузный рассеиватель; 6 - полихроматор; 7 - объектив полихроматора; 8 - щель полихроматора; 9 - дифракционная решетка полихроматора; 10 - матричный приемник оптического излучения (ПОИ); 11 - микропроцессорный анализатор сигнала; 12 - измерительное устройство; 13 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП); 14 - цифровой вычислитель; 15 - блок памяти; 16 - монитор; 17 - цифровой регистратор; 18 - приемник системы спутниковой навигации (в состав заявляемого устройства не входит), при этом пробоотборник 1, микромельница 2 и предметный стол 3 связаны друг с другом механически, выходы чувствительных элементов матричного ПОИ электрически связаны с входами измерительного устройства 12, выход которого соединен с входом АЦП 13, выход АЦП 13 связан с первым входом вычислителя 14, второй вход которого соединен с выходом блока памяти 15, первый выход вычислителя 14 соединен с входом монитора, а второй выход - с первым входом цифрового регистратора 17, второй вход которого соединен с выходом приемника ССН 18.The inventive device includes the following functional elements: 1 - sampler; 2 - micro-mill; 3 - subject table; 4 - light source; 5 - diffuse diffuser; 6 - polychromator; 7 - polychromator lens; 8 - polychromator slit; 9 - diffraction grating of a polychromator; 10 - matrix receiver of optical radiation (POI); 11 - microprocessor signal analyzer; 12 - measuring device; 13 - analog-to-digital Converter (ADC); 14 - digital computer; 15 - memory block; 16 - monitor; 17 - digital recorder; 18 is a receiver of a satellite navigation system (is not included in the inventive device), while the sampler 1, the micromill 2 and the object table 3 are mechanically connected to each other, the outputs of the sensitive elements of the matrix POI are electrically connected to the inputs of the measuring device 12, the output of which is connected to the input ADC 13, the output of ADC 13 is connected to the first input of the calculator 14, the second input of which is connected to the output of the memory unit 15, the first output of the calculator 14 is connected to the input of the monitor, and the second output is connected to the first input of the digital recorder 17, a second input coupled to the output of the receiver 18 CCH.

Заявляемое устройство работает следующим образом.The inventive device operates as follows.

Зерна пшеницы из пробоотборника 1, связанного с зернопроводом (не показан), поступают в микромельницу 2, из которой мука подается на предметный стол 3. Излучение источника света 4 направляют через диффузный рассеиватель 5 на предметный стол 3. Отраженное от муки, равномерно распределенной по поверхности предметного стола 3, излучение через объектив 7 и регулируемую по ширине щель 8 полихроматора 6 освещает дифракционную решетку, разлагающую оптическое излучение в спектр (спектр - это зависимость потока излучения от длины волны), который с помощью матричного приемника преобразуется в электрические сигналы, снимаемые с выхода каждого чувствительного элемента и усредняемые по столбцам матрицы приемника. Электрические сигналы с выхода матричного ПОИ поступают в микропроцессорный анализатор сигнала 11 на измерительное устройство 12 и далее в аналого-цифровой преобразователь 13 для преобразования в цифровую форму. В вычислителе 14 производится сравнение измеренных текущих спектров веществ, содержащихся в убираемом зерне, с их эталонными спектрами, хранящимися в блоке памяти 15. Блок памяти содержит набор эталонных оптических спектров веществ, входящих в состав зерна. На основе результата сравнения вычисляют процентное содержание в зерне клейковины, протеинов, липидов, воды и других веществ. Полученные значения этих параметров поступают в цифровой регистратор 17 для нанесения на цифровую карту поля с координатной привязкой, обеспечиваемой данными, получаемыми от приемника ССН 18, и на монитор для информирования оператора комбайна. В результате получают цифровую карту убираемого поля с полным набором данных о качестве убранного зерна.Wheat grains from a sampler 1 connected to a grain wire (not shown) enter a micro mill 2, from which the flour is fed to an object table 3. The radiation from a light source 4 is directed through a diffuse diffuser 5 to an object table 3. Reflected from the flour uniformly distributed over the surface of the stage 3, the radiation through the lens 7 and the slit 8 of the polychromator 6, which is adjustable in width, illuminates the diffraction grating, which decomposes the optical radiation into a spectrum (the spectrum is the dependence of the radiation flux on the wavelength), which The матри matrix receiver is converted into electrical signals taken from the output of each sensitive element and averaged over the columns of the receiver matrix. The electrical signals from the output of the matrix POI are fed to a microprocessor signal analyzer 11 to the measuring device 12 and then to the analog-to-digital converter 13 for conversion to digital form. The calculator 14 compares the measured current spectra of the substances contained in the harvested grain with their reference spectra stored in the memory unit 15. The memory unit contains a set of reference optical spectra of the substances included in the grain. Based on the result of the comparison, the percentage in the grain of gluten, proteins, lipids, water and other substances is calculated. The obtained values of these parameters are sent to a digital recorder 17 for applying to the digital map a field with a coordinate reference provided by the data received from the CCN receiver 18, and to a monitor to inform the operator of the combine. The result is a digital map of the harvested field with a complete set of data on the quality of the harvested grain.

Введение в состав заявляемого устройства полихроматора с матричным приемником оптического излучения, микропроцессорного анализатора сигнала и использование сравнения текущих и эталонных оптических спектров веществ, входящих в состав убираемого зерна, позволяет существенно повысить точность измерения процентного содержания этих веществ в зерне и скорректировать цифровую карту поля с помощью этих данных для последующего прицельного внесения удобрений на участки с пониженным содержанием входящих в них химических элементов.The introduction of the inventive device polychromator with a matrix receiver of optical radiation, a microprocessor signal analyzer and the use of a comparison of the current and reference optical spectra of the substances that are part of the harvested grain, can significantly improve the accuracy of measuring the percentage of these substances in the grain and adjust the digital field map using these data for subsequent targeted fertilizer application in areas with a low content of chemical elements included in them.

Технический результат заключается в обеспечении возможности измерения основных показателей качества зерна: клейковины, протеина, липидов, воды и др., - независимо от убираемой культуры, то есть не только в пшенице и не только клейковины, что обеспечивают известные устройства, но и в таких зерновых культурах, как ячмень, рожь, кукуруза, овес, рис и др., и в повышении точности измерений.The technical result consists in providing the ability to measure the main indicators of grain quality: gluten, protein, lipids, water, etc., regardless of the crop being harvested, that is, not only in wheat and not only gluten, which is provided by known devices, but also in such cereals crops like barley, rye, corn, oats, rice, etc., and in improving the accuracy of measurements.

Claims

1. A device for determining the quality of grain in a harvester containing a light source, a diffuse diffuser, a grain sampler, a micro mill, a measuring device and an analog-to-digital converter, characterized in that an object table, lens, polychromator, calculator, memory unit, digital a recorder and a monitor, while the sampler and the micromill are mechanically connected to the object table, the output of the measuring device is connected to the analog input of the analog-to-digital converter, the digital output of which Knit with the calculator, connected in parallel with the memory unit, a monitor and a first input of the digital recorder, a second input coupled to an output of the receiver satellite navigation system.

2. The device according to p. 1, characterized in that the polychromator includes an optically coupled slit adjustable in width, a diffraction grating, and an array photodetector.

3. The device according to claim 1, characterized in that a microbolometric matrix is used as a matrix photodetector.

4. The device according to p. 1, characterized in that the memory unit contains a set of reference optical spectra of substances that are part of the grain.