CN103501924A - 分类设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于将颗粒分类为质量等级的设备和方法。该设备包括用于确定所述颗粒的至少一个分析特性的测量装置（400）。输送装置（300）将颗粒输送经过测量装置。分类装置（500）操作地联接至测量装置并且基于分析特性将颗粒分类为至少两个质量等级。为了实现快速可靠的输送，输送装置包括构造成沿输送方向运动的输送表面（310）。输送表面具有多个穿孔。输送装置还包括泵（130），该泵用于向这些穿孔施加压差，以使供给至输送装置的颗粒被抽吸至穿孔并且在输送表面上被输送经过测量装置到达分类装置。在优选实施例中，输送表面实施为环形输送带或输送滚筒。

Description

分类设备

技术领域

本发明涉及一种用于对具有混合分析特性的颗粒进行实时、非侵入性和非破坏性分析以及分类为两个或更多质量等级的设备和方法，其中颗粒例如为种子、谷粒、籽粒、豆类、珠子、药丸、塑料颗粒、矿物颗粒或任何其他颗粒状材料。质量等级包含具有类似分析特性的颗粒，其中分析特性可以包括物理特性、化学特性、生化特性或由污染物或传染物污染的程度。颗粒可以是农业来源，如在种子、谷粒和籽粒的情况下，或者可以是任何其他来源。

背景技术

现有技术中已提出根据各种标准用于对颗粒状材料进行分类的很多系统，其中所述标准例如为大小、形状、颜色、某种材料的存在或缺乏、或诸如湿度、密度或蛋白质含量的有机特性。至此，已知的是将颗粒输送经过测量机构，该测量机构获取颗粒的图像和/或测量在电磁光谱的IR、可见或UV区域中的颗粒的光谱特性。

已提出用于将颗粒输送经过测量机构的各种装置。特别地，已提出各种布置，其中颗粒沿斜槽下滑或者由传送带输送至测量区域，颗粒以自由落体的方式穿越该测量区域。通过来自加压空气喷嘴的空气流使选定的颗粒偏转进入独立容器中而对颗粒进行分类。示例包括US6,078,018、US6,013,887和US4,699,273。在这些布置中，分类期间处理颗粒的过程未受到控制，因此难以适当地使测量步骤和分类步骤同步，这可能会导致应偏转的颗粒被空气流错过，或者可能会导致错误的颗粒发生偏转。这些布置的其他缺点在于，测量步骤期间颗粒的定向和精确轨迹是不确定的。此外，这种机构关于测量条件仅提供非常有限的灵活性；仅通过示例的方式，一旦已选择某个机构，则该机构将确定颗粒穿越测量区域的速度并因此确定检测器的最大积分时间。这在待确定的分析特性将发生变化的情况下是不利的，因为不同分析特性可能需要检测器的不同积分时间。另一个缺点是这些布置通常将颗粒仅分类为两个质量等级，而且分类为多于两个质量等级的变型难以实现或者甚至不可能。

US7,417,203公开了一种分类装置，其中颗粒在旋转滚筒的内侧上被输送经过测量区域，该旋转滚筒在其内侧配置有大量的袋状物。以这样的速度旋转滚筒，使得通过离心力使颗粒单一化地保持在袋状物中。袋状物设置有穿孔。检测器通过这些穿孔测量颗粒的特性，并且颗粒被空气脉冲分类至不同容器中。这样的机构的缺点在于旋转滚筒的可能的转速（角速度）范围是非常有限的。如果转速太小，那么在测量和分类过程期间颗粒可能未被适当地保持在其袋状物中。另一方面，如果转速太高，则存在使袋状物过满地填装有若干颗粒的风险。

US5,956,413公开了一种通过视频成像同时评价多个谷物籽粒的设备。通过具有多个横向凹槽的振动传送带将籽粒输送经过摄像机。谷物籽粒在第二传送带的帮助下被散布到这些凹槽中。为了从不同凹槽分离籽粒，提出由第三带覆盖第一带的凹槽，其中第三带具有与第一带的凹槽对准的类似凹槽，从而在两个带之间形成圆柱形通道。加压空气源用于将选定通道的籽粒吹入单独容器中。该布置的缺点在于选定通道中的所有籽粒被吹入相同容器中，即，单个籽粒的个体选择是不可能的。

WO2006/054154公开了利用反射分光学对无机矿物颗粒进行分类的设备的不同实施例。在一个实施例中，颗粒被供给至带有纵向凹槽的传送带并且被输送经过反射光谱仪。基于从光谱仪获得的光谱信息，对矿物颗粒进行分类，并且可以由单个气动微旋风分离器从传送带拾取个体识别的颗粒。由于用于从带拾取个体颗粒的仅单个装置的存在，该设备仅适用于从大颗粒样本拾取感兴趣的相对较小数量的颗粒；然而，这种设备不太适用于将颗粒分类为具有类似大小的不同质量等级。

由播种机可知，在具有穿孔的滚筒的帮助下分配单个种子，向滚筒施加抽吸以使滚筒在真空作用下能够拾取种子。在US4,026,437、DE10140773、EP0598636、US5,501,366和EP1704762中提供了这种机器的示例。在这些机器中，由滚筒从拾取容器或料斗拾取种子，并且一直在滚筒的外部表面上输送种子直到在释放区域中从表面释放种子为止，种子从释放区域沉积在土壤中。通过滚筒内部的被动机械装置，可能与滚筒外部的刮削器结合，阻止真空作用来执行释放。这些装置仅用作定位机构，根本不进行分析或分类。其通常安装在诸如农用拖拉机的农业机器上，这些农业机器以低速行进以允许在土壤中适当地分配种子。

Martin等的“单籽粒小麦表征系统的发展（Development of a singlekernel wheat characterizing system）”（美国农业工程师协会会议记录（Transactions of the ASAE），第36卷第1399-1404页（1993））公开了一种用于借助旋转滚筒将谷粒逐一地供给至随后的压碎装置的方法。滚筒具有将谷粒输送至滚筒一端处的U形凹槽的内螺旋凹槽。U形凹槽具有用于在真空作用下将籽粒保持在该凹槽内部的六个拾取孔。以该方式保持的籽粒被输送至截取凹槽，在截取凹槽处将其释放并向下落入压碎装置中。滚筒以30rpm的低速进行旋转。输送能力为每秒大约2个籽粒。不进行分类。该机械设计防止系统被增大至较高速度，因此不适于快速分类应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种分类设备，其能够快速且可靠地将各个颗粒分类为具有类似分析特性的质量等级，其能够容易地被修改成允许分类为多于两个质量等级，并且其在选择颗粒产量和测量参数方面提供了增大的灵活性。

通过根据权利要求1的设备实现该目的。

本发明还涉及根据权利要求21的一种分类方法。

本发明的其他实施例被放在从属权利要求中。

本发明提供一种用于将颗粒分类为质量等级的设备，其包括：

测量装置，该测量装置用于确定所述颗粒的至少一个分析特性；

输送装置，该输送装置用于将颗粒输送经过测量装置；以及

分类装置，该分类装置操作地联接至所述测量装置，用于基于所述分析特性将颗粒分类为至少两个质量等级。

为了实现高效、快速和明确限定地将颗粒输送经过测量装置，输送装置包括构造成沿输送方向运动的输送表面，输送表面具有多个穿孔。输送装置还包括泵，泵用于至少在输送表面的选定区域中向所述穿孔施加压差，以使供给至输送装置的颗粒被抽吸至所述穿孔并且在所述输送表面上沿着输送方向被输送经过测量装置到达分类装置。

因此，将在输送表面的第一侧上在由穿孔限定的明确限定的位置中输送颗粒，这些穿孔一般小于颗粒的最小尺寸，从而避免颗粒通过穿孔。泵优选地为抽吸泵，该泵将低于环境压力的真空施加于由输送表面的相对（第二）侧限制的空间，从而通过真空作用抽吸颗粒。然而，还可以设想，泵将过压施加于由第一侧限制的空间，从而产生通过穿孔从输送表面的第一侧到第二侧的空气流，这将引起如同将真空施加于第二侧的等同方式的抽吸。

测量装置可以包括一个或更多光谱仪、成像光谱仪、照相机、质谱仪、声可调谐过滤器等等，以关于颗粒的分析特性分析像是谷粒、豆类或种子的颗粒。本设备能够通过测量经受调查的颗粒的光谱特性（即，取决于像是反射或透射的关于波长的某些光学特性）同时评价一个或若干分析特性。用这样的设备和方法能够分类的颗粒的类型包括但不限于农业颗粒，例如谷粒、豆类、像是小麦、大麦、燕麦、大米、玉米或高粱的谷物、大豆、可可豆和咖啡豆的种子或籽粒、以及许多其他颗粒。能够评价的分析特性的类型为但不限于化学或生化特性、由污染物和/或传染物和/或其他病原体污染的程度、和/或诸如大小、形状和颜色等几何和感知特性。特别地，生化特性应理解为反映活生物体中物质的结构、组分和化学反应的特性。生化特性包括但不限于蛋白质含量、油含量、糖含量和/或氨基酸含量、水分含量、多糖含量、特别是淀粉含量或面筋含量、脂肪或油含量、或者具体生化或化学标记（例如，化学降解的标记）中的内容物，正如其通常在本领域中是已知的。污染物或传染物包括有害化学物质和微生物，这些有害化学物质和微生物会导致消费者生病并且包括但不限于杀菌剂、除草剂、杀虫剂、病原体、细菌和真菌。

在第一优选实施例中，输送装置包括限定所述可运动表面的环形输送带（传送带），该带具有穿孔。这样，输送装置优选地还包括向其底部开口的箱，箱的底部被所述输送带覆盖，箱连接至泵用于将真空施加于所述箱。这样，能够以非常简单的方式将真空施加于输送带的明确限定区域。箱可以容纳所述测量装置的至少一部分和/或所述分类装置的至少一部分。通过示例的方式，箱可以容纳用于分析颗粒的像是光源或声源的一个或多个能量源、用于接收从透射穿过颗粒和/或从颗粒反射或散射的能量的一个或多个检测器、和/或用于从限定位置处的穿孔选择性地喷射颗粒的诸如气动喷嘴的一个或多个致动器。

在另一个优选实施例中，输送装置包括具有限定所述可运动表面的圆周表面或生成表面的可旋转输送滚筒或轮。然后，滚筒优选地连接至泵用于将真空施加于所述滚筒的内部。特别地，泵能够通过滚筒的中空中央轴连接至滚筒的内部。所述测量装置的至少一部分和/或所述分类装置的至少一部分可以布置在所述滚筒的内部。

在所有实施例中，如果穿孔布置在沿输送方向延伸的多个平行列中，则是优选的。这样，可以使多个颗粒在明确限定的位置中同时运动经过所述测量装置。列之间的侧向距离优选地略大于颗粒的（平均）最大尺寸从而避免颗粒重叠。相邻列的穿孔可以沿输送方向布置在相同位置中，使得穿孔在输送表面上形成矩形格栅，或者其可以沿输送方向布置在不同位置中，使得穿孔形成倾斜格栅或甚至不规则布置。

供给装置可以补充至该设备，供给装置用于接收大量的所述颗粒，用于使所述颗粒单一化，并且用于将所述单一化颗粒供给至所述输送装置。在优选实施例中，供给装置包括环形供给带，环形供给带构造成接收来自可能与单一化装置（例如振动台）联接的某个存储装置（比如料斗）的所述颗粒，以及沿输送方向将所述颗粒输送至所述输送表面，以使所述颗粒能够被抽吸至输送表面的穿孔。供给带优选地沿输送方向以低于但接近于输送表面的速度的速度运动，上述速度优选地为输送表面的速度的50%-100%，特别是70%-90%，从而优化抽吸以及当颗粒被抽吸至输送表面时使颗粒沿输送方向的加速最小化。这使得输送表面与没有供给带的情况相比能够以更高速度运动。供给带可以具有带有沿输送方向延伸的多个平行凹槽的外表面，凹槽具有与输送表面的穿孔之间的侧向距离相对应的侧向距离，以便将颗粒更好地定位在穿孔的下方。在一些实施例中，还可以以与输送表面相似的方式对供给带进行穿孔，也将压差施加于供给带。这样，优选的是，在供给带与输送表面重叠的用于将颗粒从供给带抽吸至输送表面的区域中，施加至供给带的压差为零或者比施加至输送表面的压差小得多。

再循环管道可以设置用于将未被抽吸至所述输送表面的颗粒输送回到所述供给装置。再循环管道可以联接至同样产生输送表面的压差的相同泵。

在优选实施例中，颗粒的分析通过光学装置进行，并且所述测量装置包括至少一个光源和至少一个光检测器。术语“光”将理解为涵盖从电磁光谱的远红外（IR）区域到远紫外（UV）或甚至到X射线区域的所有种类的电磁辐射。光源和光检测器可以布置在输送表面的不同侧上，从而发出穿过所述穿孔的光，然后可以布置光检测器以接收透射穿过在所述输送表面上运动经过测量装置的颗粒的光。在其他实施例中，光源和光检测器可以布置在输送表面的相同侧上（优选地在输送颗粒的那一侧上），光检测器被布置成接收从在所述输送表面上运动经过测量装置的颗粒反射的光。为了增加设备的产量，测量装置可以包括多个光检测器，多个光检测器沿横向于输送方向延伸的横向方向布置，从而能够同时测量在不同横向位置运动经过测量装置的颗粒的分析特性。

光检测器可以包括至少一个光谱仪，光谱仪构造成记录从运动经过测量装置的颗粒接收到的光的光谱。然后，这些光谱可以经过分析以从光谱得到分析特性。在一些实施例中，光检测器可以包括成像光谱仪，成像光谱仪构造成记录在不同横向位置运动经过测量装置的颗粒的空间分辨光谱。这样，不仅可以分析这些颗粒的光谱特性，而且可以得到诸如大小或形状的几何特性。在其他实施例中，光检测器可以包括照相机、特别是线扫描照相机或具有二维图像传感器的照相机。这允许独立于其他特性分析大小和/或形状。

可以以各种不同方式进行分类，包括气动、压电、机械和其他类型的分类机。例如，分类装置可以包括至少一个气动喷嘴，气动喷嘴操作地联接至所述测量装置以产生空气喷射，用于将运动经过所述喷嘴的颗粒选择性地吹离输送表面。然后，喷嘴优选地定位在输送表面的与输送颗粒的一侧相对的那一侧上，从而产生通过所述穿孔的空气喷射。这能够实现对选定的单个颗粒的非常良好地限定的喷射。

根据本发明的将颗粒分类为质量等级的方法包括：

将颗粒输送经过测量装置；

由所述测量装置确定所述颗粒的至少一个分析特性；以及

基于所述分析特性将颗粒分类为至少两个质量等级。

根据本发明，通过沿输送方向运动的输送表面来输送颗粒，输送表面具有多个穿孔，以及供给至所述输送装置的颗粒被抽吸至所述穿孔并且在所述输送表面上沿输送方向被输送经过测量装置。

可以通过光学测量（包括X射线测量）、声测量和质谱测量中的一个或更多个来确定分析特性。如果测量是光学的，则可以从输送表面的一侧对颗粒进行照明，然后可以在输送表面的相对侧检测透射穿过所述穿孔的光。可替代地，可以从输送表面的一侧对颗粒进行照明，然后可以在输送表面的相同侧对从在所述输送表面上运动经过测量装置的颗粒反射或散射的光进行检测。如上文所解释的，可以同时测量运动经过测量装置的多个颗粒的分析特性。如上文所解释的，确定至少一个分析特性的步骤可以包括记录从运动经过测量装置的颗粒接收到的光的光谱，特别地，记录从同时运动经过测量装置的多个颗粒接收到的光的空间分辨光谱。分类步骤可以包括产生空气喷射，用于将颗粒选择性地吹离输送表面，其中所述空气喷射优选地通过所述穿孔以将颗粒吹离输送表面。如上文所解释的，未被抽吸至输送表面的颗粒可以从所述输送表面再循环回到供给装置。

附图说明

在下文中参考附图对本发明的优选实施例进行描述，附图是为了示出本发明的当前优选实施例的目的，而不是对其进行限制的目的。在附图中，

图1示出根据本发明的第一实施例的分类设备；

图2从左侧示出处于局部打开状态的图1的分类设备；

图3从右侧示出处于局部打开状态的图1的分类设备；

图4示出图1的分类设备的分解图，其中一些部件已被移去以便更好的可视性；

图5示出在图1的设备中对传送带的真空作用的示意图；

图6示出在图1的设备中将颗粒抽吸到传送带的穿孔的示意图；

图7示出在图1的设备中从传送带释放选定的颗粒的示意图；

图8示出用于在反射模式下测量的光源和检测器的第一示例性布置的示意图；

图9示出用于在反射模式下测量的光源和检测器的第二示例性布置的示意图；

图10示出利用多个光纤在反射模式下进行多个测量的示意图；

图11示出用于在透射模式下测量的光源和检测器的布置的草图；

图12示出在用于透射模式下测量的布置中照明和检测光纤的两个不同的可能对准方式的草图；

图13示出用于透射模式下多个测量的多个子单元的布置的草图；

图14示出用于透射模式下多个测量的多个子单元的可替代布置的草图，其使用多分叉光学光纤；

图15示出说明成像光谱仪的操作原理的草图；

图16示出说明成像光谱仪与多个光纤一起使用的草图；

图17示出说明通过成像光谱仪同时检测多个颗粒的草图；

图18示出根据本发明的第二实施例的分类设备；

图19示出说明用图1的设备确定的蛋白质含量的分布的图表；

图20示出说明蛋白质含量随着时间而变化的图表；

图21示出说明用图1的设备确定的淀粉含量的分布的图表；以及

图22示出说明在输送表面上输送期间种子所采用的优选定向的草图。

具体实施方式

第一实施例

根据本发明的第一实施例的分类设备在图1至图4中示出。该设备包括供给单元100、加速单元200、输送单元300、测量单元400和分类单元500。这些单元受公用控制单元（图未示）控制。

供给单元100包括安装在振动台上的料斗110，该料斗用作储料器以及用作分配单元。料斗填充有颗粒，并且手动或自动地致动的振动台被设置成使得在限定的时间间隔内进入料斗的颗粒的数量粗略地对应于用于分析和分类的离开料斗的颗粒的数量。颗粒从供给单元100被释放至加速单元200。

加速单元200包括第一传送带210，第一传送带210由具有轴212的辊子211引导、由轴承213支承并且由马达220经由传动带221、222进行驱动。传送带210在其外表面上具有多个纵向凹槽，这些纵向凹槽更详细地示出在图6中。在本示例中，这些凹槽由纵向肋214形成，纵向肋214的侧向距离确定了凹槽的宽度并且大致对应于待分析和分类的颗粒的侧向尺寸。传送带210定位在供给单元100的出口的下方。其用于接收来自供给单元100的颗粒，用于以单一化形式逐个地将颗粒定位在多个行中，以及用于使颗粒沿输送方向朝着输送单元300加速。

输送单元300包括具有若干平行的纵列穿孔（通孔）314的第二传送带310，穿孔314更详细地示出在图5至图7中。输送单元300还包括真空箱320，真空箱320朝向其底部开口；真空箱320在其底部被传送带310封闭。箱320经由真空管140（参见图3）联接至空气泵130，以在箱320的内部产生相对于环境压力减小的压力。当启动空气泵130时，由真空力F_V将传送带130另外地抽吸并压靠在真空箱320的下端壁上，因此形成改善的密封以避免空气损失。这示意性地示出在图5中。现在，仅通过在传送带310的封闭真空箱的底部的区域中的穿孔314将空气吸入真空箱320内。由此在这些穿孔处产生抽吸作用，其足以抽吸和保持存在于穿孔314附近的颗粒。

输送单元300的侧面被侧盖301覆盖，在图2和图3中已移去侧盖301从而允许观察输送单元的内部。在这些附图中，真空箱的侧壁中的一个也已移去。

第二传送带310被放置在第一传送带210上方的一定的竖直距离h处并且沿着输送方向处于下游位置，使得这两个带沿着输送方向仅部分重叠。选择距离h，一方面使得颗粒具有足够空间运动通过这两个带之间，并且另一方面使得来自第一传送带210的颗粒被抽吸并向上提升至第二传送带310的穿孔。真空箱320内部的真空现在将单个颗粒牢牢地保持在第二传送带310外部的每个穿孔314上。

为了确保颗粒彼此不干涉，穿孔314之间的间隙被选择成大于颗粒的最长线性尺寸。另一方面，间隙距离应选择为尽可能的小，从而在没有不必要地提高带速的情况下实现高的传输和/或测量能力。穿孔314的直径应小于颗粒的最短线性尺寸以避免颗粒能够穿过孔并进入真空箱320。

可选地，在第二传送带接收来自供给单元100的颗粒的区域中，类似的真空系统也可以被采用用于第一传送带210。真空不应作用在第一传送带210的与第二传送带310重叠的区域上，以避免与抽吸到第二传送带310的穿孔上的颗粒干涉。

第一传送带210的线速度应设置成使得该传送带上的颗粒被加速至足够的速度，以允许第二传送带310容易地收集颗粒。通过第一传送带210对颗粒的这种预加速允许使用第二传送带310的更高速度，或者换句话说，实现了增大的传输能力。第一传送带210的最佳速度将非常接近第二传送带310的速度。实际上，如果第一传送带210的速度比第二传送带310的速度小得多，则颗粒将不得不几乎瞬间加速以便被第二传送带310收集，这可能会使颗粒从第二传送带310掉落或者在高速下以降低的效率水平被收集。

这样，颗粒被输送单元300逐个地收集并朝向测量单元400输送。未被输送单元300收集而离开加速单元200的颗粒下落到再循环管道120内，并且由泵130输送返回至料斗110中。

测量单元400一般包括用于将经受调查的颗粒暴露于电磁辐射或声波的至少一个能量源、以及布置成用于接收来自经受调查的颗粒的电磁辐射或声波的至少一个检测器。在图1至图4中，仅通过光学光纤的线性阵列的端部非常示意性地用符号表示出能量源，每个光纤终止于传送带310的穿孔的一个纵列的上方，这些光纤一起表示一般照明系统410。通过用于接收透射穿过被保持在这些穿孔上的颗粒的光的相应光学光纤阵列符号表示出检测器，这些光学光纤一起表示一般检测系统420。

在优选实施例中，照明系统利用电磁辐射（下文中一般称为“光”）照明颗粒，并且一旦辐射与颗粒发生相互作用则检测系统420对辐射进行检测。为了增加被检测的信号的量，诸如例如透镜、镜子、光学光纤或这些元件的组合的聚焦、成像或引导系统可被用于将源辐射集中到颗粒上并且用于收集由颗粒朝向检测器发射、反射、散射或透射的信号。这些元件未示在附图中，因为其在相关光学领域中是众所周知的。

测量单元400可以提供多变量测量以便评价颗粒的一些具体特征，比如其生化组成或其他分析特性。在优选实施例中，一旦光与经受研究的颗粒发生相互作用则通过测量光的光谱组成来获得多变量测量。

控制单元接收来自测量单元400的信号并且由这些信号确定每个颗粒所属的质量等级，以及将相关控制信号发送至分类单元500。

分类单元500包括喷射系统510和收集器520，喷射系统510具有联接至气动喷射阀512的喷嘴511，收集器520具有多个仓，每个质量等级一个仓。为简化起见，在图1至图4中已移去所有气动管件。对于每个质量等级（除一个之外），存在具有相关阀512的一组喷嘴511。作为示例，如果颗粒将要被分类为三个质量等级，那么采用仅两组喷嘴511。喷嘴511产生通过第二传送带310的选定的穿孔的气流，该气流克服由真空所产生的吸力，从而使被保持在这些穿孔上的任何颗粒从穿孔落下并被收集在与其质量等级相对应的仓内。当还未被任何喷嘴吹走的颗粒到达真空箱320的端部时，因为这些颗粒现在将由于在该区域失去抽吸而从第二传送带310落下，因此则自动地获得分类为第三质量等级。在此可以采用另外的被动喷射装置，例如刮具或能够从第二传送带310机械地去除任何残留颗粒的任何其他装置。

取代喷嘴511，可以使用从第二传送带选择性地移除颗粒的任何其他装置，例如，压电装置、磁装置、活动折板或能够被控制单元致动和控制的任何其他装置。

分类处理的结果是从初始不均匀批次开始以均匀批次收集颗粒。

在分类单元的下游，可选的清洁单元可以在从加速单元200收集其他颗粒之前从输送单元300移除任何类型的残留物、不期望的材料，例如灰尘或小颗粒。该清洁单元可以是被动的或主动的。

控制单元用于：（a）控制机械零件的运动，（b）控制真空泵，（c）致动喷射装置，（d）控制用于数据采集的测量单元，（e）处理所记录的信号以及检索任何校准信息，以及（f）监控分类装置的总体运行。控制单元可以包括通用计算机，例如，标准笔记本式计算机，通用计算机执行用于处理所记录的信号和用于基于所记录的信号得到关于喷射装置的控制信号的专用软件。

关于检测的考虑事项

任何合适的光源可以用于提供为多变量测量而考虑的波长范围的宽带照明。优选的光源是能够提供用于多变量测量的全部光谱响应的光的光源，但是具有较窄光带的若干光源可以组合作为备选方案。这样的光源的示例包括但不限于卤素灯、卤钨灯、氙灯、霓虹灯、汞灯和LED。在优选实施例中，使用提供360至2000纳米范围内的光的卤钨光源，例如海洋光学有限公司（Ocean Optics Inc.,830Douglas Ave.,Dunedin,FL34698,USA）的HL-200光源。该光源与光纤结合使用以朝向样本引导照明光。

记录来自被照明颗粒的多变量信号。为此，检测器可以专用于分光镜测量，即，关于波长的光强度的测量。本领域技术人员意识到：可以使用能够从所检测的信号提取光谱信息的任何设备。通过使过滤器与检测器相关联，能够进行特定波长范围内的光强度的直接测量。这样的过滤器的示例包括但不限于吸收滤色器、分色镜和声光可调过滤器。为了更全面的多变量测量，可以在适应的光谱范围上记录连续光谱。这可以利用例如与可控厚度的光学腔配对的单个检测器（例如，光电二极管）完成，通常被称为傅里叶变换光谱测定法。这还可以通过检测器和色散元件的联合完成，其中，检测器由若干子单元或像素构成，色散元件例如为棱镜或衍射光栅并且在空间上将构成信号的不同波长分离到检测器的像素上，通常被称为扩散光谱仪。此外，扩散光谱仪可以使用单排像素以提供一个光谱，但是其也可以通过使用成像结合和二维像素阵列同时监测若干光谱。后者的构造通常被称为“成像光谱仪”。

光源和检测器可以定位在第二传送带310的相同侧或相对侧上。下文中，沿着处于与照明方向相反的半空间中的方向从颗粒接收的光被称为“反射光”，而不考虑其是否通过直接或漫反射、通过荧光等等进行反射。从包含照明方向的半空间中的样本接收的光被称为“透射光”，而不考虑其是否被直接透射或散射。反射光和透射光的这些定义旨在考虑在围绕颗粒的各个角度处可能被检测到的漫反射和透射。在此考虑的两个主要构造则可以被称为“反射模式”构造和“透射模式”构造。在“反射模式”构造中，光源和检测器均处于第二传送带310的相同侧，以便相对于照明传播方向向后地收集由颗粒发射、散射和反射的辐射。在“透射模式”构造中，光源位于第二传送带310的一侧，而检测器位于第二传送带310的另一侧。相对于照明传播方向向前地检测由颗粒发射、散射、透射的辐射。

图8至图17示出光源和检测器在这些构造中的可能的布置。

图8示出“反射模式”构造，其中相对于照明轴线以一定角度检测从经受调查的颗粒K反射的光。连接至光源的第一光纤412终止于指向颗粒K的光纤端部413。连接至检测器的第二光纤412’终止于指向颗粒K的光纤端部413’，从而在该颗粒上重叠这两个光纤的相应视场；第二光纤定向成相对于第一光纤成非零角度。该构造尤其适于收集扩散地反射的光。

图9示出单根光纤用于照明和检测的布置。光纤在组合器/分路器430中被分成两部分，光纤的一部分连接至光源411，另一部分连接至检测器421。在可替代的构造中，可以使用并排终止的两个单根光纤，代替分叉光纤。

图10示出如何利用来自单个光源/检测器单元440的若干光纤执行多个测量。

图11示出“透射模式”构造，其中光从光源411透射穿过颗粒K并且通过传送带的穿孔，由聚焦单元422收集并且通过光纤412’传输至检测器412。

图12在部分（a）中示出用于照明的光纤和用于检测的光纤同轴布置的“透射模式”构造；以及在部分（b）中示出这两个光纤以角度α布置的可替代构造。后者布置特别适用于检测分散地散射的光。

图13示出：可以通过一起形成照明系统410的若干独立光源411执行照明，以及可以通过一起形成检测系统420的若干独立检测器421执行检测。如图14所示，在可替代构造中，单个光源411可以经由一束光纤或经由分路器430以形成多个子光源414来对多个颗粒K进行照明。可替代地，可以形成连续照明区域，覆盖检测颗粒的区域。

图15至图17示出成像光谱仪450的使用。成像光谱仪450包括入射狭缝451、光敏感像素的二维阵列453和光学单元452，光学单元452包括色散元件和成像系统的组合。沿着阵列的一个方向（通过波长λ进行标记）记录进入狭缝的光的光谱组成，而另一个方向对应于入射狭缝的图像。

利用这样的布置，可以通过为每个兴趣点设置单个光谱检测器来实施多点光谱测量，或者成像光谱仪可以与单个分光镜装置一起用于多点光谱测量。成像光谱仪还可以用于收集颗粒上的空间信息，与所记录的光谱信息耦合的该空间信息允许每个颗粒的若干测量点的收集。

可以利用与收集光纤束（图16）配对的成像光谱仪来实施多点测量。用于收集来自样本的光的光纤412’被组装成线性束并且存在于成像光谱仪的入射狭缝处。每个光纤沿一个方向成像在二维检测器阵列上的不同位置处。另一个方向用于记录光谱。因此，成像光谱仪提供与每个光纤输出相对应的光的光谱组成的测量。

可以利用与外部光学成像系统（图17）配对的成像光谱仪实施成像测量。该光学成像系统454提供成像光谱仪的入射狭缝和采样单元的表面处的检测线之间的图像结合。由采样单元承载的颗粒正沿相对于该检测线的垂直方向运动。当颗粒正通过检测线时，成像光谱仪获取一系列光谱图像。通常称为线扫描成像的这种技术允许重建颗粒的光谱图像，即，颗粒的关于其光谱内容的形态学图像。

不管使用的照明和检测的类型如何，由检测器记录的值被控制单元利用，以得到每个颗粒的至少一个分析特性。控制单元利用所测得的特性来做出每个颗粒属于哪个质量级别的决定。

第二实施例

本发明的第二实施例示出在图18中。与第一实施例中相同的部件采用相同的附图标记并且不再进行描述。在第二实施例中，使用具有穿孔生成表面的轮330，取代第二传送带310。通过振动台230而不是第一传送带210来完成供给；然而，同样良好地可以采用结合第一传送带210的轮330，或者采用结合振动台230的第二传送带310。

轮330的两侧被密封，并且通过真空泵在轮的内部产生真空，例如，在US4,026,437中所描述的。这种构造通过轮的生成表面上的穿孔产生空气抽吸，其足够强以捕获颗粒并将其牢牢地保持就位。成列地放置并且由振动台230加速的颗粒到达旋转轮330。轮330的表面上的穿孔可以布置成平行列，然而其他构造是可能的。由于空气抽吸以及由于小尺寸的穿孔，每次一个颗粒被轮的每个穿孔捕获并在轮的旋转期间被保持就位。图18所示的颗粒的定向不一定符合实际；颗粒只是示意性地示出，用于图示输送和分类是如何进行的。在一些实施例中，定位装置（未示出），例如梳状板或气流或其他装置，可以帮助谷粒定位，并且避免在每个穿孔中捕获多于一个的谷粒。

同轴地布置在轮330的内部的固定内轮331承载测量单元400（在此通过光源进行符号表示）和喷射系统510的部分。颗粒被分类至三个仓521、522、523中。铲削器524确保未到达仓521或522的所有剩余颗粒被移至仓523中。

在本实施例中仅处于外轮330与内轮331之间的空间需要施加真空。然而，同样良好地可以使轮的整个内部承受真空，并且将测量和分类单元的部分安装在轮330内部的除内轮331之外的任何其他结构上。

尽管在本示例中轮330的旋转轴线水平地定向，然而该旋转轴线可以具有三维空间中的任何定向。合适的马达或产生旋转的任何其他类型的机构被用于使轮运动。

如第一实施例中的关于测量单元、关于分类单元以及关于控制单元的相同考虑事项也适用于第二实施例。

另外的实施例

在另外的可替代实施例中，可以通过由气流输送颗粒的输导系统来实现颗粒的加速。本领域技术人员将意识到，能够以高速进行加速、输送和单一化颗粒的任何设备可以用作加速单元。

示例1：小麦中的蛋白质

蛋白质含量是处理小麦时的主要质量参数之一。在现有技术中，通常通过获取3至5dl（分升）的样本并且通过近红外光谱仪NIRS对该样本进行分析来确定蛋白质含量。结果为样本中籽粒的平均蛋白质含量。当子样本被用于确定全部份额的蛋白质含量时，可能会发生重大采样误差。通过分析单个籽粒可以减小误差，并且当进一步处理谷粒时可以获得份额的全值。

已发现小麦籽粒中的蛋白质含量在地块之间、栽培变种之间以及在小麦植物的相同麦穗内会发生显著变化。文献资料中熟知的是：两个籽粒之间的蛋白质含量的区别可以是几个百分点。

从10kg批次的谷粒中获取大约3dl的三个样本。在现有技术的NIR（近红外光谱技术）整个籽粒分析器上对每个样本进行测量。结果是：12.3%、12.4%和13.1%的蛋白质含量。这些结果中的变化是由于批次的分布非均质性，意味着批次的不同部分具有不同的蛋白质含量。

此后用根据本发明的第一实施例的装置以单个籽粒水平对该批次进行分析和分类。籽粒的总数量N为186282。籽粒中的蛋白质含量P[%]的测量分布示出在图19中。平均浓度为P=12.6%。

当各个籽粒测量值（P[%]）随时间（t/a.u.）绘制如图20时，可以看到：该批次由不同谷粒组构成。这可能是因为物理改变，例如输送期间的分离。还可能是：通过组合不同品种、来自不同地块等等的谷粒批次而构成了该10kg批次。谷粒是不同种类的，并且批次具有明显的分布非均质性，意味着：在平均水平方面，批次中的不同地方的蛋白质浓度不同。这是用NIR分析器分析批次时所观察到的。在子样本上作出的测量由于单个籽粒之间的非均质性而具有相关的采样误差。当分析所有的单个籽粒时则消除了采样误差。

10.0%和13.0%蛋白质的阈值被用于进行分类。低于10%的所有籽粒被分类为等级1，高于10%但低于13%的籽粒被分类为等级2，以及高于13%蛋白质的籽粒被分类为等级3。表1提供了与平均蛋白质含量一起示出的三个等级中的籽粒的分布。

	蛋白质含量[%]	籽粒的数量	籽粒占总量的百分比
				等级1	9.7	1218	0.7

等级2	12.0	122242	65.6
				等级3	13.7	62822	33.7
所有籽粒的平均值	12.6	186282	100

表1：分类后等级1、2和3中的籽粒的分布。阈值设定为10%和13%。

三个等级中的每一个的平均蛋白质含量是不同的，并且三分之一批次具有非常高的蛋白质含量，其能够用于高价值产品。

因此，能够在单个籽粒水平上对小麦批次或小麦的连续流进行分析和分类并且能够可视化谷粒的非均质性的清晰图片，采样误差能够得以消除并且能够根据用于不同目的（如同意大利面、小麦啤酒和面包）的不同生化特性将籽粒分类为各等级。

示例2：玉米中的虫害

真菌污染和虫害由于存储谷粒的收获后恶化以及使谷粒降级的风险而会造成重大损失。在单个籽粒水平上分析和分类谷粒能够移除被侵害的籽粒并且确保存储稳定性和一致性的质量。在该示例中，表明：利用本发明能够从一批次玉米中清除掉被侵害的籽粒。存储的玉米批次中的虫害和真菌侵害能够因为收获后的损失或降级而显著地降低价值。在整个批次中侵害很可能不均匀地分布，并因此存在未被检测的高风险。

将确保未受到侵害的玉米批次（大约1kg）与确保受到玉米象鼻虫侵害的100个籽粒进行混合。在进一步处理之前将籽粒完全混合。利用本发明在单个籽粒水平上对籽粒进行分析和分类（总共2866个籽粒）。分级算法根据侵害对籽粒进行分级。在分类过程中除去确认受到侵害的籽粒。产生的两部分籽粒由侵害籽粒和非侵害籽粒组成。表2显示了分级的结果。

表2：根据虫害对2866个玉米籽粒进行分级的分级结果。已知100个籽粒受到侵害，这些籽粒中的98个籽粒被确认为受到侵害并且2个籽粒未被识别。2766个籽粒未受到侵害，这些籽粒中有89个被确认为受到侵害。

几乎所有受侵害的籽粒被确认并且从批次中除去，由此减小了收获后恶化和降级的可能性，因此减小了经济损失。

示例3：通过育种提高玉米中的淀粉含量

玉米是用于生物燃料的重要农作物。淀粉能够发酵为乙醇，其用作生物燃料。基于淀粉含量选择种子谷粒能够提高产生高产量栽培变种的育种效率。必须在透射中对玉米籽粒进行分析以获得总含油量的可靠结果。透射测量通过使用长的积分时间才能完成。在该示例中，表明：如何使用本发明来确定玉米中的淀粉含量并且选择总籽粒中的一部分以便进一步工作。

玉米种子可以用于生产生物燃料，其中淀粉发酵成乙醇并用作生物燃料。用于生物燃料生产的玉米栽培变种是长且复杂的育种程序的结果。选择具有高淀粉含量的种子能够潜在地提高育种程序的效率。籽粒中的淀粉含量的范围从大约30%至70%。因此，个体地且以非破坏性方式分析玉米籽粒能够帮助分离具有高淀粉含量的籽粒，这些具有高淀粉含量的籽粒更好地用于生物燃料的生产。

根据淀粉含量对1kg批次的玉米籽粒进行分析和分类。阈值设定为60%。在该应用中生产量并不重要，因此以透射模式分析籽粒，这与反射模式相比需要更长的积分时间。本发明被设计成能够针对宽范围的积分时间进行操作。

图21示出批次中籽粒（籽粒数量N）的分布。淀粉含量S[%]的分布遵循正态分布。

具有超过60%的淀粉含量的籽粒被选择用于进一步工作。在该示例中使用淀粉含量，但是与组份不直接相关的其他特性也能够被测量和分类。

另外的考虑事项

图22示出正由穿孔的传送带310输送时的具有大体长椭圆或卵形形状的颗粒，其具有长极轴a和短赤道轴b和c。在此，a>b并且a>c，而b和c在量级方面大致相似。许多农业颗粒（特别是谷粒和种子）具有能够与该大致椭圆形形状良好地近似的形状。在实验中已发现：这些颗粒在穿孔314上通常采用与图22所示的定向相似的定向，即，长轴定向为大体垂直于输送表面。输送装置因此不仅用于输送处于明确限定位置（由穿孔314的位置限定）的颗粒，而且引起颗粒的明确限定的定向。

因此，以明确限定的定向将颗粒输送经过测量装置，其长轴垂直于输送表面。在颗粒的大小或形状将确定作为分析特性的情况下，这是特别有利的。特别地，在颗粒的定向已知的情况下，用于从照相机所记录的图像确定颗粒大小或形状的数据分析被大大地简化。在一些实施例中，可以采用具有限定一排像素的传感器的线扫描照相机，所述的排平行于颗粒的长轴（即，垂直于输送表面）。然后，可以通过计数包含来自颗粒的图像信息的像素的数量来确定颗粒大小。

附图标记列表

100        供给单元

101        种子

110        料斗

120        返回管道

130        空气泵

140        真空管

200        加速单元

201        侧盖

210        带

211        辊子

212        轴

213        轴承

214        肋

220        马达

221        传动带

222        传动带

230        振动台

300        输送单元

301        侧盖

310        带

311        辊子

312        轴

313        轴承

314        穿孔

320        真空箱

400        测量单元

410        照明系统

411        能量源

412、412’ 光学光纤

413、413’ 光纤端部

420        检测系统

421        检测器

422        聚焦单元

430        组合器/分路器

440        光源/检测器单元

450        成像光谱仪

451        入射狭缝

452        光学单元

453        阵列检测器

500        分类和收集单元

510        喷射系统

511        喷嘴

520           收集器

521、522、523 仓

524           铲削器

Fv            真空力

K             颗粒

P             蛋白质含量

S             淀粉含量

N             数量

t             时间

λ            波长

y             侧向尺寸

Claims (32)

1.一种用于将颗粒分类为质量等级的设备，包括：

测量装置（400），所述测量装置（400）用于确定所述颗粒的至少一个分析特性；

输送装置（300），所述输送装置（300）用于将所述颗粒输送经过所述测量装置；以及

分类装置（500），所述分类装置（500）操作地联接至所述测量装置（400），用于基于所述分析特性将所述颗粒分类为至少两个质量等级，

其特征在于，所述输送装置（300）包括构造成沿输送方向运动的输送表面，所述输送表面具有多个穿孔（314），以及所述输送装置还包括泵（130），所述泵（130）用于向所述穿孔施加压差，以使供给至所述输送装置的颗粒被抽吸至所述穿孔并且在所述输送表面上沿所述输送方向被输送经过所述测量装置（400）到达所述分类装置（500）。

2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述输送装置包括限定所述可运动表面的环形输送带（310）。

3.根据权利要求2所述的设备，包括箱（320），所述箱向其底部开口，所述箱的底部被所述输送带（310）覆盖，所述箱连接至所述泵（130）以向所述箱（320）施加真空。

4.根据权利要求3所述的设备，其中，所述测量装置（400）的至少一部分和/或所述分类装置（500）的至少一部分被设置在所述箱的内部。

5.根据权利要求1所述的设备，其中，所述输送装置包括具有圆周表面的可旋转滚筒（330），所述圆周表面限定所述可运动表面。

6.根据权利要求5所述的设备，其中，所述滚筒连接至所述泵（130）以向所述滚筒（330）施加真空。

7.根据权利要求5或6所述的设备，其中，所述测量装置（400）的至少一部分和/或所述分类装置（500）的至少一部分被设置在所述滚筒（330）的内部。

8.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述穿孔（314）被布置在沿所述输送方向延伸的多个平行列中。

9.根据前述权利要求中任一项所述的设备，还包括供给装置（100、200），所述供给装置（100、200）用于接收大量的所述颗粒，用于使所述颗粒单一化，以及用于将所述单一化的颗粒供给至所述输送装置（300）。

10.根据权利要求9所述的设备，其中，所述供给装置（100、200）包括环形供给带（210），所述环形供给带（210）构造成接收所述颗粒并且沿所述输送方向将所述颗粒输送至所述输送表面，以使所述颗粒能够被抽吸至所述输送表面的所述穿孔。

11.根据权利要求10所述的设备，其中，所述供给带（210）具有外表面，所述外表面具有沿所述输送方向延伸的多个平行凹槽，所述凹槽具有与所述输送表面的所述穿孔（314）之间的侧向距离相对应的侧向距离。

12.根据权利要求9至11中任一项所述的设备，还包括再循环管道（120），所述再循环管道（120）用于将未被抽吸至所述输送表面的颗粒输送回到所述供给装置（100、200）。

13.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述测量装置（400）包括至少一个光源（411）和至少一个光检测器（421）。

14.根据权利要求13所述的设备，其中，所述光源（411）和光检测器（421）布置在所述输送表面的不同侧上，以便发出穿过所述穿孔（314）的光，所述光检测器（421）布置成接收透射穿过在所述输送表面上运动经过所述测量装置（400）的颗粒的光。

15.根据权利要求13所述的设备，其中，所述光源（411）和光检测器（412）布置在所述输送表面的相同侧上，所述光检测器（412）布置成接收从在所述输送表面上运动经过所述测量装置（400）的颗粒反射的光。

16.根据权利要求13至15中任一项所述的设备，其中，所述测量装置（400）包括多个光检测器（412），所述多个光检测器（412）沿着横向于所述输送方向延伸的横向方向布置，以便能够同时测量在不同横向位置中运动经过所述测量装置（400）的颗粒的分析特性。

17.根据权利要求13至16中任一项所述的设备，其中，所述光检测器（412）包括至少一个光谱仪，所述至少一个光谱仪构造成记录从运动经过所述测量装置的颗粒接收到的光的光谱。

18.根据权利要求13至17中任一项所述的设备，其中，所述光检测器包括成像光谱仪（450），所述成像光谱仪（450）构造成记录运动经过所述测量装置的颗粒、特别是在不同横向位置中运动经过所述测量装置的多个颗粒的空间分辨光谱。

19.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述至少一个分析特性包括下列特性中的至少一个：

化学特性；

生化特性；和/或

具有至少一种污染物、传染物和/或其他病原体的污染的测量值。

20.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述分类装置包括至少一个气动喷嘴（511），所述至少一个气动喷嘴（511）操作地联接至所述测量装置（400）以产生空气喷射，用于将运动经过所述喷嘴（511）的颗粒选择性地吹离所述输送表面。

21.根据权利要求20所述的设备，其中，所述输送装置被构造成在所述输送表面的第一侧上将所述颗粒抽吸至所述穿孔（314），以及其中，所述喷嘴（511）定位在所述输送表面的第二相对侧，从而产生通过所述穿孔（314）的空气喷射。

22.一种将颗粒分类为质量等级的方法，包括：

将所述颗粒输送经过测量装置（400）；

由所述测量装置（400）确定所述颗粒的至少一个分析特性；以及

基于所述分析特性将所述颗粒分类为至少两个质量等级，

其特征在于，通过沿输送方向运动的输送表面来输送所述颗粒，所述输送表面具有多个穿孔（314），以及供给至所述输送装置的颗粒被抽吸至所述穿孔（314）并且在所述输送表面上沿着所述输送方向被输送经过所述测量装置（400）。

23.根据权利要求22所述的方法，其中，通过光学测量来确定所述分析特性。

24.根据权利要求23所述的方法，其中，从所述输送表面的一侧对所述颗粒进行照明，以及其中在所述输送表面的相对侧上对透射穿过所述穿孔（314）的光进行检测。

25.根据权利要求23所述的方法，其中，从所述输送表面的一侧对所述颗粒进行照明，以及其中在所述输送表面的相同侧上对从在所述输送表面上运动经过所述测量装置的颗粒反射的光进行检测。

26.根据权利要求22至25中任一项所述的方法，其中，运动经过所述测量装置的多个颗粒的分析特性同时被测量。

27.根据权利要求22至26中任一项所述的方法，其中，确定至少一个分析特性的步骤包括记录从运动经过所述测量装置（400）的颗粒接收到的光的光谱。

28.根据权利要求22至27中任一项所述的方法，其中，确定至少一个分析特性的步骤包括记录从同时运动经过所述测量装置（400）的多个颗粒接收到的光的空间分辨光谱。

29.根据权利要求22至28中任一项所述的方法，其中，所述至少一个分析特性包括下列特性中的至少一个：

化学特性；

生化特性；和/或

具有至少一种污染物、传染物和/或其他病原体的污染的测量值。

30.根据权利要求22至29中任一项所述的方法，其中，分类步骤包括产生空气喷射，用于将颗粒选择性地吹离所述输送表面。

31.根据权利要求30所述的设备，其中，所述空气喷射穿过所述穿孔以将颗粒吹离所述输送表面。

32.根据权利要求22至31中任一项所述的方法，其中，未被抽吸至所述输送表面的颗粒从所述输送表面再循环回到供给装置。

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