CN110462375A - 用于取样散装物料的光谱探头以及配备该探头的用于取样的自动取样器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于取样散装物料的光谱探头以及用于取样散装物料的自动取样器，其允许直接获取待取样材料的成分参数，避免需要在经过培训的专业人员的观察和分析下在外部检查的样品的提取和转移，从而优化操作了时间并降低了相关成本。
Description
技术领域
本发明涉及用于散装物料，例如收获后的谷物，取样的仪器、设备或装置的领域，且更具体地本发明涉及一种用于在存放散装物料的相同位置处，如筒仓、卡车或运输货车，直接取样的散装物料的质量和组成参数的光谱探头和自动取样器，无需对必须转移至远处装置进行检查和评估的样品进行取样。
在本说明书中以示例性的方式参照了谷物的取样，这并不意味着本发明仅限于此，而是可以对不同类型的散装物料进行取样，可以独立地或者与用于该散装物料取样或处理的其他仪器、装置或者相关设备联合进行。
背景技术
收获后的散装物料的取样是众所周知的，并且在商业化之前熟悉，例如谷物，的状况是已知的基本实践。为了进行取样，所使用的方法将取决于将谷物运输至筒仓或航运港的车辆或装置的类型。在这些方法中，可以找到以下方法：麻袋装的谷物的取样、探头取样、通过腾空麻袋进行取样、散装谷物的取样、静止状态下的产品取样、运动中产品的取样、椎体法、还有许多其他的方法。在所有情况下，含水率测量和相应的质量分析将在最终的样品上进行。
关于静止状态下的谷物取样，通常谷物由卡车/货车运输至检验车间以便利用自动探头取样器进行取样。考虑到操作员对每辆货车逐一进行人工取样不仅低效危险而且难以实现，并且卡车队列延绵不绝，故采用自动取样器，所述自动取样器为由操控室远程操控的探头，探头多次插入至卡车负载中的不同位置，均位于底架中以及在拖车中，以进行取样。
一旦探头插入至卡车或者货车的底架/拖车中存放的谷物中，沿着整个探头设置的多个管嘴自动开启以使得样品在重力的作用下进入。通常来说，在顶部、中部和底部取样，收集的样品通过本领域公知的气动装置输送至收料床，被多个部分(上部、中部、下部和底部管嘴)分隔。这样，受过训练的操作员执行“商业的”视觉质量控制，这是一种没有执行样品组成分析的物理分析。为了进行谷物的组成分析，应人工挑选一些样品，制作成组并用于在工作台面光谱仪(countertop spectrometer)中进行后续处理。通过这最后一道工序，获得被取作样品的谷物组成的参数，将结果与标准参数进行比对以了解它们是否适合商业化。
尽管，传统自动取样的正常操作耗时大约2到3分钟每辆卡车/货车，取决于工厂和操作员，但如果执行谷物的组成分析(蛋白质、水分、脂肪)这段时间将会变得更长。这导致了更长的操作时间，额外的成本，并且需要严格依靠专员人员进行分析。不仅如此，取决于操作员对组的组合，样品将不具有100％的代表性，将产生主观性和处理成本。
由于上述原因，建议采用新的用于散装物料取样的装置、仪器或取样器，以直接知晓组成参数，无需对需要转移的样品进行取样，不会产生额外的时间或处理错误。
发明内容
因此本发明的一个目的在于提供一种具有取样模块的光谱探头，所述取样模块以一种允许直接获取散装物料的组成参数的形式配备或安装在所述探头上，而无需进行该材料的取样。
本发明的另一个目的在于提供一种光谱探头，所述光谱探头可以显著地减少操作时间以及相关成本。
本发明的再一个目的在于提供一种取样模块，所述取样模块直接使用光谱仪操作以进行谷物或散装物料的组成分析。
本发明的又一个目的在于提供一种光谱探头，所述光谱探头进行非侵入性的、非破坏性的以及无害化的取样，不使用试剂或者不会生成化学残留物。
本发明的又一个目的在于提供一种同步自动操作，实时地，具有在散装物料上进行的取样过程。
本发明的又一个目的在于提供一种取样模块，其能够与设置有多个用于取样的管嘴的探头或者不设置管嘴的探头协同操作。
本发明的又一个目的在于提供一种用于取样散装物料的光谱探头，其直接进行取样，无需取样之后送至外部建筑物。
本发明还有一个目的在于提供一种用于散装物料取样的光谱探头，其包括至少一个取样模块，所述取样模块安装在所述探头的任一部分上，所述取样模块由具有至少一个前壁的壳体构成，所述前壁具有透明的检查窗口，所述壳体还具有电容传感器，所述电容传感器突出至壳体外部以接触大部分待取样的散装物料，且所述壳体中设置有至少一个光学取样传感器，所述光学取样传感器根据读取路径朝向所述检查窗口，所述光学取样传感器可操作地连接至远程控制面板。
本发明的又一个目的在于提供一种用于散装物料取样的配备有光谱探头的自动取样器，其包括由关节臂驱动的所述探头，所述探头具有多个用于取样的管嘴，所述管嘴位于探头的至少一个上部、中部和下部，关节臂通过其一端固定到具有垂直支撑的立柱上，此外，所述关节臂由气缸/电动-气动缸/液压缸驱动，气缸/电动-气动缸/液压缸的一端固定于所述垂直支撑的底座上，与第一个端部相对的另一端固定在所述关节臂上。
附图说明
为了更加明晰和理解本发明的目的，在多张附图中进行了说明，附图中示出了本发明的一个优选的实施例，所有附图都是作为示例，其中：
图1展示了用于散装物料取样的检验车间的说明性示意图，其中可以观察到本发明的具有光谱探头的自动取样器，其位于大量散装物料中，所述大量散装物料盛放于载重车辆，如载重车箱、铁路货车的拖车中；
图2为本发明的采样模块的侧剖视图；及
图3为本发明各部件间的连接示意图。
具体实施方式
现在参考附图，可以看出本发明包含新型的光谱探头和用于取样散装物料的自动取样器，其中探头允许直接获得大量物料的组成中关注的参数信息，例如蛋白质，水分，脂肪和其他物质，避免将待检测样品转移到外部由训练有素的专业人员观察和检测，因此优化操作时间并降低相关成本。需要强调的是，当提及“取样”操作时，应理解为与技术领域相关的任何类型的光学采样参数、扫描和分析的取样，而不一定意味着采集和提取物料的实物样本。同样的，本发明的探头可以在可见光和NIR之间变化的波长下操作，该范围根据每个用户的需要和要求使用。
因此，根据图1至图3，本发明的自动取样器由整体标记(1)表示并且包括管状臂，所述管状臂可以是也可以不是本发明的光谱探头(2)，其由关节臂(3)驱动，所述关节臂(3)通过其一端固定在具有垂直支撑(5)的立柱(4)上。关节臂(3)可以由气缸/电动-气动缸/液压缸(6)驱动，所述气缸/电动-气动缸/液压缸(6)一端固定在所述支撑(5)的底座上，且与第一个端部相对的另一端固定在所述关节臂(3)上，从而允许探头(2)以任意方向和方式自由移动。相应地，探头(2)具有下端(7)和上端(8)。
根据本发明的一个实施例，探头(2)具有光谱取样模块(16)，其将在下面被引用。
根据本发明的另一个实施例，探头(2)和采样模块(16)组合在已知的自动取样器中，且所述自动取样器包括具有多根导管(未示出)的部分(14)，每根导管具有单独的用于取样谷物的管嘴(14’)。应该注意的是，取样管嘴(14’)可以位于探头(2)的上部、中部或者下部，由于其为本领域中公知的，因此我们不再探究它们的描述性细节。
另一方面，为了实现管嘴或者进气口(14’)的“开启”，探头的内部可以设置由外部马达(未示出)驱动的旋转“C”形半轴。这样，当通过转动所述“C”形半轴开启管嘴(14’)时，谷物或散装物料进入，从而允许从卡车或货车的拖车中取样以用于进一步的分析。样品被转移到外部建筑物或者外部房间(15)，其中至少有一名训练有素的专业人员对样品进行目视检查，并且如果需要的话，按照常规的方式进行组成分析。
应解释的是，本发明的两个实施例，即具有光谱取样模块(16)的探头(2)的实施例，以及具有可采集谷物实物样本的部分(14)的取样器的实施例，都在图1中示出，如此可减少附图的数量，但是很清楚的是探头(2)和模块(16)可以省略导管的部分(14)，(14’)。
根据本发明，光谱探头设有取样模块(16)，所述取样模块(16)可免于将谷物样本运送至外部房间进行其后续的组成分析。也就是说，利用本发明的取样模块(16)，可以直接获取谷物不同的组成参数，从而显著地减少时间和相关成本。
这样，取样模块(16)可以配备或者安装在探头(2)的下端(7)的附近，且包括壳体，所述壳体具有前壁(17)、后壁(20)和两面侧壁(21)，所述前壁(17)设有开孔(18)和透明的检查窗口(19)，所述透明的检查窗口(19)可以由石英、蓝宝石或者其他任何可作为高NIR(近红外光辐射)发射器的光学材料制得。其中，所述取样模块(16)可包括选自金属、聚合物、陶瓷材料或者上述材料组合的材料。同样的，所述取样模块(16)在内部设置至少一个电容传感器(22)，所述电容传感器(22)可以向外设置并恰好超出模块(16)的前壁(17)的开孔(18)，或者与其齐平，以与散装物料接触，电容传感器(22)连接电子控制单元(23)。所述取样模块还具有至少一个光学取样传感器(24)，所述光学取样传感器(24)包括光源(25)，所述光源(25)定义了沿着指向所述窗口(19)的照明路径的光束，还包括反射在谷物上的光的读取器(26)，其中所述读取器(26)根据所述读取路径定向，并通过光纤(29)连接至远程控制面板(27)。
需要强调的是，所述光源(25)安装在支撑件(28)上，并且可以是设置在靠近位于前壁(17)上的透明检查窗口(19)的灯或者其他类型的相关光源，同时，所述光读取器(26)为光纤读取器，其也安装在所述支撑件(28)上，相对于光源(25)的水平位置呈约35°到45°的夹角。以这种方式，由光源(25)发出的光束落在样品上，产生夹角在35°到45°之间的反射光束，所述反射光束被在所述角度之间成角度设置的读取器(26)感知和读取。读取器(26)读取的数据，随后被发送到控制面板(27)，所述控制面板(27)将，基于不同的比较和数据获取(被称为校准的数学模型)，确定谷物或者样品的不同的组成参数。
就其本身而言，所述控制面板(27)可以包含NIR光谱仪，其根据所使用的波长也可以是可见光的，是受保护且绝热稳定的。其为水密式，受保护的以及绝热稳定的，具有工业触摸屏，具有集成二极管阵列，并且所述光学取样传感器(24)是覆盖整个光谱带宽的光学传感器。尽管已经示出了设置在透明的检查窗口(19)的相对端的电容传感器(22)，但这不构成对本发明的限制，因为所述电容传感器可以设置在透明的窗口(19)的附近，这没有任何不便。
另一方面，当探头(2)插入至谷物中时，电容传感器(22)用于发送通知取样模块(16)已经完全没入大量的散装物料中的信号。相反地，当探头(2)从大量的散装物料中移出时，电容传感器(22)将检测到探头已经不再与大量的材料接触，并且该信息会被软件用于，例如，中断测量和数据收集。
为了让装置中设置的软件能够参数化测量结果并且在坐标轴系统中绘制相应的曲线，取样模块(16)还包括线性驱动器(9)，所述线性致动器(9)包括驱动器(10)，例如步进电机，其推动活塞(11)，所述活塞(11)在其端部带有黑色板(12)和白色板(13)，旨在放置于光纤读取器(26)的读取路径的相对位置以确定极点值，其中零读数的极点值为通过插入黑色板的零反射，以及最大读数的极点值为通过插入白色板的最大反射。其中，所述黑色板由选自哑光黑色阳极氧化铝激光切割和/或黑色EVA橡胶的材料制成，所述白色板由釉面Teflon矩形切割的材料制成，但其也可以是2至4nm厚的陶瓷或者镀金金属板，Spectralon品牌。
因此，在开始读取散装物料上的反射之前，移动线性驱动器以伸出活塞并放置黑色板，以使其位于光纤读取器的读取路径的前方。基于此软件随后建立起零点或者零读数点。然后移动驱动器以将白色板放置在光纤读取器的读取路径，所述光纤读取器将读取灯发出的光在由高反射材料(Spectralon型)制成的白色板上反射的反射光。装置的软件将白色板上反射的光的读取作为最大反射点。之后，在由软件确定的零反射点和最大反射点之间，可以绘制出在谷物上测量的反射曲线。该软件可以进行系统中央命令、采集、测量、数据记录以及与计算机云或者地方的工厂系统自动通信。
关于近红外光辐射NIR，通过使用近红外光辐射进行的测量是基于某些分子在已建立的波段上吸收能量的能力。这是一种与不同分子自身及独特的动力学密切相关的能量现象。由散装物料的样品吸收的能量会在光谱仪检测器敏感的整个波长范围内形成光谱图像，优选工作在900nm和2500nm之间，但是应理解本发明不限于所述范围，因为在400nm和3000nm之间变化的任意波长下使用没有任何不便，根据每个用户的需求可以是可见光和/或NIR，并且针对不同的将来可能出现的应用具有其他的光谱范围。也就是说，本发明的探头可以根据每个用户的需要在NIR或者可见光之间变化的波长下操作。所述图像独特且唯一，具有所分析产品的特征。因此，通过分析哪些波段(峰值位置)构成光谱，可以推断出样本包含了什么。通过分析吸收了多少能量(峰值强度)可以计算出不同成分的浓度。其中，每个分子团(蛋白质、脂肪酸、纤维素、淀粉)在特定的波段中有一定的吸收，并且表现为对非同源波段“透明”。
关于探头的操作模式，首先用于运输谷物散装物料的卡车、货车或者车辆(30)进入取样通道。经过培训的专业操作员输入提货单，激活相应软件中的相应记录。取样操作员开始取样操作。探头(2)被插入至卡车的负载的第一位置。当大量的散装物料覆盖石英窗口(19)时电容传感器(22)开始检测。光谱获取过程由光源(25)产生的并穿过窗口(19)的光束自动触发。所述系统像“相机”一样工作，获取完整的光谱。所述“扫描”过程持续到探头(2)到达底部并且取样管嘴(14)开启。
软件检测到开启脉冲并停止光谱采集。所述软件将下降时获取的光谱平均分配并分段提供部分结果。如此一来提供了立即和准确的重新取样的可行性，通过一旦取样完成即重复操作的方式显著地节省了时间。当开始上升时，软件检测到脉冲会重新开始光谱采集并且继续叠加完整精确的光谱。当电容传感器(22)暴露在“空气”(没有散装物料)中时，完成采样的指示到达软件。所述软件平均并提供取样的部分结果。
在每次取样中重复所述过程。完成后，其被命令停止生成所述卡车的总平均数，从而为云和系统生成完整的网格。所述系统已经为下一辆卡车/货车准备就绪，其在探头第一次进入时自动触发。
因此，使用本发明，通过降低探头和取样(特定焦点的检测和/或重复取样)而不损失时间来实现部分质量测定：负载精度和欺诈控制。通过卡车(卡车的端部)或者货车来平均最终测定。通过取样和分段(上部、中部和下部)来完成质量图。与卡车/货车原产地的自动信息关联：可追溯性。平均的部分和最终数据(水分、蛋白质、脂肪)实时的在工业触摸屏上的可视化。用于改善加工产品质量的原料分类。
反过来讲，众所周知，没有数据、历史纪录以及真实统计，就无法改善当前产业。信息的价值对于做出正确的决策至关重要，决策的目的是为了增强和优化：生产、质量、基础设施、市场定位、增加生产链价值、有效利用土地和水资源、成本和效益、智能和可持续农业、控制和可追溯性、环境保护等等。
取样模块可以安装或者不安装到取样探头中，其主要目的是为了扩大和封闭谷物质量控制环，生成可靠的、可追溯的历史信息以追求公共福利，促进可持续区域农业生产发展，改善和优化原料的营养组分，通过资源的有效利用以及校正行为。
另一方面，应该清楚的是，尽管在本描述中以示例性的方式提及了谷物的取样，但并不意味着本发明仅限于此，而是所述取样可以运用于不同的散装物料，可以独立地或者与其他仪器、供应品或者相关设备联合联合进行，这没有任何不便。
Claims (10)
1.用于取样散装物料的光谱探头，其特征在于，包括：
至少一个取样模块，所述取样模块安装在所述探头的一个部分上，取样模块由具有至少一面前壁的壳体构成，所述前壁具有透明的检查窗口，所述壳体还包括电容传感器，所述电容传感器突出至壳体外部用于接触需要取样的大量散装物料，并且在所述壳体内部设置有至少一个光学取样传感器，所述光学取样传感器根据读取路径朝向所述检查窗口，光学取样传感器可操作地连接至远程控制面板。
2.根据权利要求1所述的光谱探头，其特征在于，所述光学取样传感器包括定义了沿着朝向所述窗口的照明路径的光束的光源，以及大量散装物料的反射光的读取器，其中所述读取器根据所述读取路径定向，所述读取器通过光纤连接至控制面板。
3.根据权利要求1或2所述的光谱探头，其特征在于，所述反射光的读取器为光纤读取器。
4.根据前述权利要求所述的光谱探头，其特征在于，所述光源和所述光纤读取器安装在支撑件上并且在大约35°到45°之间成角度偏移地设置。
5.根据权利要求1或2所述的光谱探头，其特征在于，所述控制面板为光谱仪，同时所述光学传感器为覆盖了所有光谱波段的光学传感器。
6.根据权利要求1所述的光谱探头，其特征在于，所述电容传感器可操作地连接到电子控制单元。
7.根据权利要求1所述的光谱探头，其特征在于，所述取样模块包括所述前壁、后壁以及相应的侧壁，可由选自金属、聚合物、陶瓷材料、或其组合的材料制成。
8.根据权利要求3或7所述的光谱探头，其特征在于，所述取样模块还具有线性驱动器，所述线性驱动器包括驱动器，所述驱动器连接至活塞，所述活塞在其端部设置有黑色板和白色板，所述黑色板和白色板位于临时操作位置之间，所述临时操作位置在光纤读取器读取路径的前方。
9.根据权利要求8所述的光谱探头，其特征在于，所述黑色板由选自哑光黑色阳极氧化铝激光切割和/或黑色EVA橡胶材料制成，而所述白色板由选自2至4nm厚的Spectralon材料矩形切割制成。
10.一种采用前述权利要求中任一项所述的光谱探针的用于取样散装物料的自动取样器，其特征在于，包括：
所述探头由关节臂驱动，其具有多个管嘴，所述多个管嘴位于探头的至少一个上部、中部和下部以对材料取样，所述关节臂通过其一端固定到具有垂直支撑的立柱上，此外，所述关节臂由气缸/电动-气动缸/液压缸驱动，所述气缸/电动-气动缸/液压缸的一端固定在所述垂直支撑的底座上，且与第一个端部相对的另一端，固定在所述关节臂上。
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