PL247769B1 - Czujnik przepływu mieszanin ziarnistych z układem optycznym - Google Patents

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest czujnik przepływu mieszanin ziarnistych z układem optycznym z podwójną wiązką układu kontroli siewników mechanicznych i mechaniczno-pneumatycznych posiadający umieszczone po obu stronach kanału przepływowego materiału ziarnistego dwa zwierciadła (2) rozmieszczone względem siebie równolegle, z których jedno wyposażone jest w element odblaskowy - Pryzmatem (6). Posiada także - połączone przewodowo z układem zasilania oraz przewodowo lub bezprzewodowo z centralną jednostką kontrolująco-sterującą układ kontroli - źródło wiązki światła (1) w postaci diody laserowej albo diody LED i element fotoczuły (3).

Description

Przedmiotem wynalazku jest czujnik przepływu mieszanin ziarnistych z układem optycznym, z podwójną wiązką światła, znajdujący zastosowanie do kontroli przepływu oraz ilości dozowanych nasion i nawozów granulowanych w układach siewników mechanicznych oraz mechaniczno-pneumatycznych oraz innych układach gdzie niezbędny jest monitoring przepływu.

W związku z ciągłym rozwojem technologicznym maszyn rolniczych oraz naciskiem na poprawę wydajności, coraz częściej stosowane są maszyny o dużych szerokościach roboczych gdzie niezbędne są układy kontrolujące. W wysoko wydajnych maszynach do siewu w postaci siewników oraz agregatów uprawowo siewnych ważnym aspektem z punktu widzenia rolnictwa precyzyjnego jest kontrola ilości wysiewu oraz wykrywanie przepustów (przerw wysiewu) powodowanych przez zatkane przewody nasienne lub redlice.

W stanie techniki można napotkać stosowane powszechnie czujniki optyczne czujniki monitoringu plonu. Jednym z nich jest system o nazwie handlowej „seed eye” opracowany przez firmę Vederstad, kolejnym system „ Pro-Seeder D30 ” włoskiej formy MC Electronics oraz system kontroli wysiewu oferowany przez firmę Farmet gdzie wszystkie informacje o pracy siewnika wyświetlają się na terminalu ISO-bus w ciągniku rolniczym.

Inne rozwiązania przedstawiają również opisy wynalazków US2002170476 (A1) gdzie możliwa jest rejestracja danych na temat obsiewanych poletek czy też US9179594 (B2) gdzie zliczane są ilości dwóch odmian nasion.

W literaturze patentowej odnaleźć można również próby zastosowania czujników pojemnościowych US4782282 (A) w konstrukcjach układów sadzarek, choć ze względu na niewielkie zmiany pojemności metoda ta nie zachęca do stosowania. Czujniki pojemnościowe wykrywają nasiona przelatujące pomiędzy dwiema elektrodami stanowiącymi płaski kondensator powietrzny. Nie zakłócają one przepływu nasion ale odznaczają się stosunkowo małą rozdzielczością i są stosowane dość rzadko. Wymagają też stosowania czułych i kosztownych analogowych układów elektronicznych do formowania standardowych impulsów. W stanie techniki napotkać można również czujnik do pomiaru zawartości wytrąconej wody w śniegu JPH09210903A. Wytrącona woda z śniegu prześwietlana jest światłem o różnej długości, natomiast mierzone jest natężenie tego światła po wielokrotnym przejściu przez strumień płynu. W proponowanym rozwiązaniu wąski promień odbija się wielokrotnie tworząc gęstą palisadę, której przerwanie w dowolnym punkcie daje impuls do licznika materiału ziarnistego.

Znane też jest rozwiązanie CN107091796A, jednak do pomiaru wielkości a nie ilości cząstek.

Znane jest też rozwiązanie do analizy bardzo małych cząstek np. DNA JPH09166541A, jednak nie nadaje się do pomiaru ilości większego materiału ziarnistego jak np. ziaren zbóż czy ziaren piasku. Napotkać można również rozwiązanie do ilościowego monitorowania plonu EP2189781A2, jak również określania strumienia masy materiałów w postaci pyłów PL323792A1 jednak nie nadają się one do precyzyjnego zliczania pojedynczych cząstek (ziarniaków).

W stosowanych powszechnie w praktyce siewnikach mechanicznych i pneumatycznych nie przewiduje się na ogół możliwości kontrolowania wysiewu nasion oraz granul nawozów mineralnych w poszczególnych przewodach nasiennych, choć można zauważyć prace poświęcone rozwojowi nowych metod. Tego rodzaju podejście przedstawiane jest m.in. w publikacjach E. ęakir, I. Aygun, A. Yazgi, Y. Karabulut. Determination of in-row seed distribution uniformity using image processing. Turkish Journal of Agriculture and Forestry, 40: 874-881. (2016); Ł. Gierz. Correction method of the uniform distribution of grain in the pneumatic drill head. Journal of Research and Applications in Agricultural Engineering, vol.62/1, s.27-30 Poznań (2017); D. Karayel, M. Wiesehoff, A. Ozmerzi, J. Muller, Laboratory measurement of seed drill seed spacing and velocity of fall of seeds using high-speed camera system, Computers and Electronics in Agriculture 50 (2006); Y. Lan , M. F. Kocher, A. Smith. Optoelectronic sensor system for laboratory measurement of planter seed spacing with small seeds. Journal of Agricultural Engineering Research, 72: 119 127 (1999); A. Ozmerzi, D. Karayel, M. Topakci. Effect of sowing depth on precision seeder uniformity. Biosystems Engineering, 82(2): 227-230. (2002); W. Kęska, Ł. Gierz., Mathematical modeling and computer simulation of sowing, Proceedings of 69 International Conference on Agricultural Engineering Land TECHNIK AgEng 2011 nt. „Solutions for Intelligent and Sustainable Farming”, VDI_Berichte Nr 2124.2011, Hannover, Germany, 2011, s.459-464.(2011) oraz V. J. Kumar, C. Divaker, C. Durairaj. Influence of Head Geometry on the butive Performance of Air assisted Seed Drills J. agric. Engng Res. v.75. p. 81-95 (2000).

W literaturze można natrafić na przykłady rozwiązań realizowanych w oparciu o czujniki optyczne - o czym piszą Ł. Gierz, W. Kęska W. Laboratory tests of grain flow sensors for seed drill, Journal of Research and Applications in Agricultural Engineering, vol. 56/2, s., Poznań (2011); Ł. Gierz. Comparative Studies of grain flow sensor. Journal of Research and Applications in Agricultural Engineering, vol 60/1, s.11-13, Poznań, (2015) oraz H. Karimi., H. Navid, A. Mahmoudi; Online laboratory evaluation of seeding-machine application by an acoustic technique; Spanish Journal of Agricultural Research, 13(1), e02-002, (2015). Jedną z alternatyw mogłoby być zastosowanie liniowego przetwornika obrazu, choć rozwiązanie to jest nadal kosztowne i wymaga skomplikowanego oprogramowania do analizy obrazu [K.. Deguchi, An image processing technique for high-speed measurement of particle-size distributions, Measurement, Volume (1986)].

Najbliższym wynalazkowi rozwiązaniem jest czujnik przepływu mieszanin ziarnistych ujawniony w polskim zgłoszeniu wynalazku P.431153. Poprzez modyfikację konstrukcji czujnika i dodanie reflektora rogowego zwiększono efektywność wykrywania nasion.

W literaturze naukowej można natrafić również na badania naukowe skuteczności rejestracji wysiewanych nasion czterech rodzajów czujników w tym trzech optycznych opublikowanych w monografii Markowskiego - Uniwersytet Warmińsko-Mazurski gdzie wykazano, że najlepszym rozwiązaniem jest zastosowanie krzyżowego układu czujników fotoelektrycznych dla którego błąd względny w stosunku do stanowiska z taśmą klejową wynosił od -3,1% do 13,75%. Tak więc najpopularniejszymi rozwiązaniami obecnie są czujniki fotoelektryczne w których przelatujące ziarna lub granule nawozów mineralnych przerywają promień światła przebiegający od źródła światła - najczęściej diody LED - do fotoelementu - najczęściej fototranzystora lub fotorezystora. W zaawansowanych rozwiązaniach wykorzystywanych między innymi przez firmę Dickey John stosuje się dość złożony analogowy układ elektroniczny pozwalający kompensować osłabienie oświetlenia fotoelementu spowodowane zabrudzeniem, oraz odróżniać blisko siebie przelatujące nasiona. W najnowszych rozwiązaniach firmy Vaderstad nagradzanych na targach maszyn rolniczych, stosuje się bariery optyczne w formie palisady pojedynczych promieni. Producent podaje, że wykrywalność nasion przez te czujniki osiąga poziom 98%. W stanie techniki znane są również czujniki piezoelektryczne wykrywające nasiona uderzające w powierzchnię czujnika, które opisuje praca wykonana na Uniwersytecie w Paderborn, w wyniku której stworzono czujnik piezoelektryczny do zliczania nasion, monitoringu przepływu w postaci plastra miodu zamontowany na szczycie głowicy rozdzielczej oraz w przewodach. Mają one tę zaletę, że są niewrażliwe na zabrudzenia i pył. Z zasady ich działania wynika, że ingerują one w przepływ nasion, co może być zarówno zaletą jak i ich wadą.

Dążąc do poprawy jakości działania czujników fotoelektrycznych i obniżenia ich kosztów wytworzenia podjęto prace badawczo-rozwojowe. Skoncentrowano się na rozwiązaniu problemów omijania barier optycznych to jest promienia świetlnego przez rozproszone na szerokości przewodu nasiennego przelatujące nasiona lub granule nawozów mineralnych poprzez zwiększenie powierzchni obserwacji. Użycie zdublowanego pojedynczego promienia wielokrotnie odbitego, którego podwójna wiązka może być całkowicie zasłonięta przez przelatujące ziarno, stwarza możliwość uproszczenia układu elektronicznego, który na wyjściu powinien dawać impuls prostokątny. Takie impulsy mogą być łatwo zliczane przez liczniki elektroniczne, znajdujące się w każdym mikro-sterowniku. Zasadniczym problemem jaki powstaje w tym przypadku jest duże prawdopodobieństwo przelatywania przez bramkę optyczną kilku nasion lub granul nawozów mineralnych jednocześnie, gdyż jak wykazały badania empiryczne i symulacyjne rozkład odległości pomiędzy lecącymi w przewodzie nasiennym nasionami jest rozkładem wykładniczym, w którym najbardziej prawdopodobną odległością jest odległość bliska zeru. To powoduje, że nie da się w ten sposób dostrzec wszystkich nasion. Rozróżnialność nasion jest tym większa im większa jest prędkość przepływu nasion w przewodzie nasiennym lub występuje mniejsze zagęszczenie. Daje to możliwość matematycznej korekty wyniku zliczania, która jest też stosowana w niektórych znanych czujnikach przepływu nasion. Cel wynalazku sprowadza się do zastosowania promienia świetlnego generowanego przez laser półprzewodnikowy, który to promień ulega wielokrotnemu odbiciu od dwóch zwierciadeł leżących naprzeciwko siebie oraz elementu odblaskowego.

Istotą wynalazku jest czujnik przepływu mieszanin ziarnistych z układem optycznym do zastosowania w układzie kontroli siewników mechanicznych i mechaniczno-pneumatycznych. Czujnik posiada umieszczone po obu stronach kanału przepływowego materiału ziarnistego dwa zwierciadła, które są rozmieszczone względem siebie równolegle. Nadto posiada połączone przewodowo z układem zasilania oraz przewodowo lub bezprzewodowo z centralną jednostką kontrolująco-sterującą układ kontroli, źródło wiązki światła w postaci diody laserowej albo diody LED oraz element fotoczuły. Źródło wiązki światła umieszczone jest na początku jednego ze zwierciadeł pod kątem a względem zwierciadeł - tj. pod kątem odchylonym od prostopadłego o taką wartość, by odległość pomiędzy kolejno odbijanymi odcinkami promienia odbijanego od leżącego naprzeciwko zwierciadła nie była większa od dwukrotności rozmiaru ziarna. Element fotoczuły umieszczony jest przeciwległe względem źródła wiązki światła, na początku drugiego ze zwierciadeł, w miejscu umożliwiającym rejestrację odbijanego od zwierciadeł promienia. Dodatkowo na końcu jednego ze zwierciadeł, przeciwległego względem źródła wiązki światła, jest zamocowany element odblaskowy w postaci pryzmatu, odbijający wiązkę światła odwracający jej kierunek promienia równolegle, dzięki czemu wąska wiązka wraca na początek luster. W konstrukcji czujnika wykorzystano zjawisko reflektora rogowego. Reflektor taki składa się z trzech wzajemnie prostopadłych powierzchni odbijających. Oświetlony pryzmat prostopadle do podstawy sprawia, iż światło ulega całkowitemu wewnętrznemu odbiciu o kąt 180° (odbicie następuje kolejno od każdej ze ścianek i wraca w kierunku równoległym do kierunku padania), przez co zwiększy się zakres detekcji ziaren.

Korzystnie element fotoczuły stanowi fototranzystor, fotodioda lub fotorezystor.

W optymalnym wariancie zwierciadła oraz elementy optyczne są osadzone na podbudowie z tworzywa sztucznego i zamknięte w szczelnej obudowie z układem mocowania do opasania przewodu o dowolnym kształcie, w którym będzie transportowany materiał ziarnisty.

Czujnik działa następująco. Promień generowanego przez źródło wiązki światła ulega wielokrotnemu odbiciu od dwóch zwierciadeł leżących naprzeciwko siebie i elementu odblaskowego. Optymalnie maksymalna odległość pomiędzy kolejnymi odcinkami linii łamanej wyznaczającej bieg promienia odbijanego od naprzeciwko siebie leżących równoległych zwierciadeł jest równa d=2*a *h, gdzie „a ” to kąt padania promienia na pierwsze zwierciadło mierzony od linii normalnej zaś „h” odległość między zwierciadłami. Odległość ta może być łatwo regulowana przez zmianę kąta „a”. Przecięcie tego promienia przez przelatujące ziarno w dowolnym miejscu daje sygnał binarny na elemencie fotoczułym. W ten sposób cała powierzchnia przekroju przewodu nasiennego jest kontrolowana przez pojedynczy promień świetlny. Taki czujnik od razu daje sygnał binarny łatwy do obróbki przez układy cyfrowe i zapewnia większą powierzchnię obserwacji. Czujnik przepływu mieszanin ziarnistych według wynalazku oparty na pojedynczym promieniu światła i prostych układach cyfrowych daje możliwość łatwego wykrywania zatkań oraz w pewnej mierze kontroli normy wysiewu i symetrii rozdziału strumienia nasion oraz granul nawozów mineralnych w głowicach rozdzielczych - po uwzględnieniu matematycznej korekty wyniku zliczania na podstawie teorii prawdopodobieństwa.

Czujnik przepływu mieszanin ziarnistych z układem optycznym według wynalazku przedstawiono w przykładzie wykonania na rysunku gdzie fig. 1 pokazuje schemat ideowy czujnika laserowego z wielokrotnym odbiciem zdublowanego promienia światła dla przewodu o przekroju okrągłym.

Przykładowy czujnik przepływu mieszanin ziarnistych z układem optycznym, jako element układu kontroli siewników mechanicznych i mechaniczno-pneumatycznych, zawiera umieszczone po obu stronach kanału przepływowego materiału ziarnistego 5 dwa zwierciadła 2. Zwierciadła 2 rozmieszczone są względem siebie równolegle. Czujnik zawiera także połączone przewodowo z układem zasilania oraz przewodowo lub bezprzewodowo z centralną jednostką kontrolująco-sterującą układ kontroli, źródło wiązki światła 1 oraz element fotoczuły 3. W wariancie realizacji przewiduje się, że źródło wiązki światła 1 stanowi dioda laserowa, a element fotoczuły 3 stanowi fototranzystor. Istotnym jest aby źródło wiązki światła 1 umieszczone zostało naprzeciw jednego ze zwierciadeł 2 pod kątem odchylonym od prostopadłego o taką wartość, by odległość pomiędzy kolejno odbijanymi odcinkami promienia odbijanego od leżących naprzeciwko zwierciadła nie była większa od dwukrotności rozmiaru ziarna, a element odblaskowy - pryzmat 6 znajdował się na końcu zwierciadła przeciwległego zwierciadła gdzie występuje źródło wiązki światła 1. Natomiast element fotoczuły 3 umieszczony jest przeciwległe względem źródła wiązki światła 1, na początku drugiego ze zwierciadeł, w miejscu umożliwiającym rejestrację odbijanego od zwierciadeł 2 promienia. W różnych wariantach implementacji źródło wiązki światła 1 może stanowić dioda laserowa albo dioda LED, element fotoczuły 3 zaś fototranzystor, fotodioda albo fotorezystor.

W optymalnym wariancie wykonania dwa zwierciadła 2, element odblaskowy (pryzmat) 6 oraz elementy optyczne 1 i 3 są osadzone na podbudowie z tworzywa sztucznego i zamknięte w szczelnej obudowie przystosowanej do opasania przewodu, w którym będzie transportowany materiał ziarnisty. Czujnik przeznaczony jest do umieszczania w przewodach nasiennych reprezentowanych przez przestrzeń w kształcie okręgu 5 lub innych kanałach, króćcach dolotowych głowic rozdzielczych o dowolnym kształcie gdzie transportowane są mieszaniny ziarniste, granule nawozów mineralnych lub ziarniaki 4. Czujnik umieszczony na każdym przewodzie lub w króćcach przyłączeniowych głowic rozdzielczych tworzy wraz z układem filtrowania i kondycjonowania system kontroli siewników mechanicznych i mechaniczno-pneumatycznych.

Claims (3)

1. Czujnik przepływu mieszanin ziarnistych z układem optycznym, do układu kontroli siewników mechanicznych i mechaniczno-pneumatycznych posiadający umieszczone po obu stronach kanału przepływowego materiału ziarnistego dwa zwierciadła, rozmieszczone względem siebie równolegle oraz połączone przewodowo z układem zasilania oraz przewodowo lub bezprzewodowo z centralną jednostką kontrolująco-sterującą układ kontroli, źródło wiązki światła w postaci diody laserowej albo diody LED oraz element fotoczuły, znamienny tym, że źródło wiązki światła (1) umieszczone jest na początku jednego ze zwierciadeł, pod kątem ά względem zwierciadeł (2) odchylonym od prostopadłego o taką wartość, by odległość pomiędzy kolejno odbijanymi odcinkami promienia odbijanego od leżących naprzeciwko zwierciadła nie była większa od dwukrotności rozmiaru ziarna, a element fotoczuły (3) umieszczony jest przeciwległe względem źródła światła, na początku drugiego ze zwierciadeł, w miejscu umożliwiającym rejestrację odbijanego od zwierciadeł (2) promienia, nadto na końcu jednego ze zwierciadeł, przeciwległego względem źródła świtała (1) jest zamocowany pryzmat (6).

2. Czujnik według zastrz. 1, znamienny tym, że element fotoczuły (3) stanowi fototranzystor, fotodioda lub foto rezystor.

3. Czujnik według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że zwierciadła (2), pryzmat (6) oraz elementy optyczne (1) i (3) są osadzone na podbudowie z tworzywa sztucznego i zamknięte w szczelnej obudowie z układem mocowania do opasania przewodu o dowolnym kształcie, w którym będzie transportowany materiał ziarnisty.