ES2178950B2 - Analizador electronico de calidad de semillas. - Google Patents
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Abstract
El Analizador Electrónico Automático de Calidad de Semillas resuelve el problema de la determinación a priori de la calidad de un lote de semillas en virtud de su vigor para la germinación. Este análisis es realizado de forma automática mediante la medida de la conductividad eléctrica generada por la imbibición de semillas en agua desionizada. Presenta como ventajas la posibilidad de realizar múltiples medidas sobre lotes diferentes de forma paralela y automática, la modularidad de sus componentes que permite su limpieza y sustitución en caso de fallo y la conexión directa a ordenador personal para el almacenamiento de los datos y la generación de informes de calidad tras un análisis estadístico y matemático. El sistema puede ser programado para la realización de una campaña de medidas evitando la necesidad de la presencia de un supervisor. Todo ello lo hace un equipo completo y novedoso.
Description
Analizador electrónico automático de calidad de
semillas.
Diseño de circuitos electrónicos, integración
software, electrónica agrícola.
El test de conductividad eléctrica para la medida
de calidad de semillas fue desarrollado para especies de altramuces
y consiste en medir la conductividad eléctrica (CE) del exudado,
después de que las semillas hayan sido sumergidas en agua por un
determinado tiempo. Desde el año 1968, aparece referida la relación
existente entre la facilidad con que los solutos eran lixiviados a
partir de diferentes lotes de semillas de guisante y su capacidad de
emergencia en campo. Posteriormente varios autores comprobaron, que
en lotes de semillas con niveles aceptables de germinación (>
80%) al ser sumergidas en agua, aquellos que ceden grandes
cantidades de electrólitos al agua, emergen pobremente en el
campo.
campo.
El test de CE es internacionalmente aceptado para
identificar el vigor de un lote de semillas de leguminosas, siendo
ampliamente adoptado como test de vigor, generando interés por el
mecanismo fisiológico y su posible empleo en otros cultivos.
El primer dispositivo que nos consta que
realizaba un análisis basado en conductividad eléctrica se
fundamenta en la patente U.S. Pat. Num. 3852914. En ella se
estudiaba la viabilidad de una semilla midiendo la corriente que
pasa a través de la celda en que se encuentra dicha semilla junto
con agua desionizada. En este dispositivo únicamente se podía medir
la calidad de una semilla a la vez.
Posteriormente apareció un dispositivo que es
capaz de determinar dicha conductividad eléctrica, denominado ASAC y
que puede estar basado en la patente US.4230983. Este dispositivo
aplica a varias celdas en las cuales se encuentran sumergidas las
semillas, la tensión eléctrica y mide la corriente que las
atraviesa, determinando de este modo la conductividad de la celda.
Sin embargo solo permite cambiar la tensión de ataque entre cuatro
valores posibles, y solo permite mandar los datos a una impresora,
no almacenarlos ni transmitirlos. Además este dispositivo sólo
permite disponer un cabezal conectado al sistema central de
procesamiento.
Otros dispositivos, como el SAD 2007, han
mejorado su funcionamiento conectando el sistema a un ordenador
personal, pero sin permitir la versatilidad que supone el usar un
microcontrolador en el sistema central, lo cual posibilita cambiar
fácilmente el programa y programar una campaña de medidas
off-line, sin conexión al ordenador. Por otra
parte, el equipo mencionado sigue permitiendo la conexión de un
cabezal de medida sola-
mente.
mente.
El analizador Electrónico Automático de Calidad
de Semillas es un Sistema de adquisición y tratamiento de datos que
mide la capacidad de germinación de diferentes lotes de semillas a
partir de uno o varios ensayos de CE realizados sobre muestreos de
dichos lotes. Es decir, permite medir la conductividad eléctrica de
distintos lotes de semillas al mismo tiempo.
El sistema presenta las siguientes
características:
- -
- Los datos provendrán de la medida de conductividad eléctrica del agua de 100 celdas independientes, en cada una de las cuales se depositará una semilla (Figura 2).
- -
- Cada cabezal analiza un lote de semillas diferente con cada semilla inmersa en agua desionizada.
- -
- Cada medida sobre 100 celdas se realiza mediante un cabezal porta electrodos, pudiendo existir varios de estos cabezales conectados en paralelo al sistema de control para la medida de distintos lotes de 100 semillas cada uno.
- -
- Las partes de los cabezales se modulan pudiendo separarse en caso de avería o para limpieza.
- -
- Cada una de esas celdas de medida se atacará de forma independiente con una tensión ajustable según el tipo de semilla a analizar.
- -
- Debido al elevado número de canales a medir, se dispondrá de un sistema multiplexor para la lectura sobre cada celda.
- -
- El sistema irá comandado por un microprocesador, que tomará los datos y será capaz de gestionar su paso hasta un PC remoto, que será el que utilice esos datos para el análisis de calidad. Esto permite solucionar el problema de la operación off-line (sin operario presente).
- -
- Como mejora sobre sistemas de un sólo cabezal, podrá haber hasta 15 cabezales diferentes conectados al mismo sistema central de control funcionando a la vez y cada uno utilizando una tensión de ataque diferente.
En definitiva, se trata de un sistema que toma
datos de conductividad eléctrica de imbibiciones de semillas,
comandado por un programa de gestión instalado en un PC remoto que
permite gestionar la configuración de cabezales, comunicación con el
sistema central, almacenamiento de datos, y su posterior tratamiento
estadístico-matemático (obtención de informes de
calidad de los lotes en base a los análisis). Todo ello de forma
automática y concurrente, es decir, sin necesidad de la presencia de
un operario, y que puede analizar varios lotes de semillas al mismo
tiempo debido a la conexión de varios cabezales.
En el estado de la técnica actual, sólo se pueden
realizar medidas sobre un único lote al mismo tiempo, puesto que los
sistemas disponen de un único cabezal, debiendo cambiar el cabezal
de posición para pasar a analizar otros lotes. Esto resta
automatización al proceso e implica mayores costes, si se opta por
disponer de varios analizadores, o mayor tiempo de análisis, si un
único analizador se utiliza para varios ensayos diferentes.
La configuración del Analizador Electrónico
Automático de Calidad de Semillas tiene como esquema básico el de la
Figura 1. En éste, el sistema multiplexor va conectado a entradas y
salidas de un PC esclavo y éste PC esclavo es el que está conectado
a través de bus externo a un PC maestro. Se considera que el PC
esclavo añade a las funciones de PC las de microcontrolador. Además,
el sistema multiplexor no va conectado directamente a su bus
interno, sino a entrados y salidas digitales y analógicas, por lo
que el sistema dispone de dos subsistemas PC de bus
externo.
externo.
Los elementos físicos se pueden agrupar en tres
sistemas:
- 1.
- Cabezales modulares (al menos dos) portaelectrodos con sistema multiplexor.
- 2.
- Sistema central de control del multiplexor.
- 3.
- PC remoto para el análisis de los datos.
El cabezal consta de un circuito impreso de fibra
de vidrio sobre el que se alojan los 100 pares de electrodos unidos
a pistas de cobre. De cada par de electrodos, uno va unido mediante
su pista de cobre a un punto común a todo el circuito denominado
punto de masa y el otro irá unido a una pista que acaba en un
conector. Utilizando conectores conseguimos modularidad en el
sistema.
Sobre el circuito impreso que alberga los
electrodos, y unido a este por dos cables de 50 hilos cada uno mas
otro hilo que una la masa, se sitúa el circuito impreso que
multiplexa el ataque en tensión a cada par de electrodos. Los
circuitos integrados fundamentales de éste elemento son los
multiplexores analógicos 4051 en tecnología CMOS.
Este circuito, además de dejar pasar la tensión a
una única celda en cada instante de tiempo, tiene un chip comparador
74LS85, que discrimina si el cabezal que recibe la orden es el que
debe dar paso a la tensión a cada celda o es otro con otra
numeración diferente. Esta numeración se determina mediante un
microinterruptor de cuatro cifras, dando por tanto 16 posibles
cabezales a conectar. Sin embargo, se reserva una dirección para la
no conexión de Cabezal o estado de reposo, siendo finalmente el
número de posibili-
dades 15.
dades 15.
Las señales de mando con las que se direcciona
hacia que par de electrodos se dejará pasar la tensión de ataque a
las celdas, llegan desde el sistema central de control a través de
sus salidas digitales. El dato de tensión de ataque es fijado por el
PC remoto, que le da la orden al sistema central de control y éste
fija dicha tensión en su salida analógica, que es llevada hasta la
entrada de los multiplexores. La caída de tensión que aparece en una
celda en un instante determinado será llevada hasta la entrada
analógica del sistema central de control y será el dato que
determine la conductividad eléctrica de la celda al ser comparado
con la tensión de ataque. Tanto las señales digitales, como las
analógicas, son llevadas desde el sistema central de control hasta
el cabezal a través de un cable apantallado con sendos conectores en
los extremos, lo que lo hace totalmente modular.
Los circuitos del cabezal van convenientemente
protegidos. El que alberga los electrodos se recubre con pasta
sellante aislante por una de sus caras, puesto que estará en
contacto directo con el agua. Por la otra cara, donde el circuito
multiplexor reposa sobre el circuito portaelectrodos, se protegerá
todo con parafina. Esto tiene la ventaja de que en caso de avería
parcial de alguno de los componentes se puede retirar la parafina y
proceder a su reparación puesto que todos los circuitos integrados
van sobre zócalos y las distintas placas van unidas entre sí por
conectores.
Constituido por un microcontrolador con un
microprocesador 386, lo cual proporciona ventajas muy grandes frente
a otros microcontroladores, pese a ser de mayor coste. La principal
de las ventajas es la facilidad de programación y la compatibilidad
con otros sistemas basados en PC con los que ha de comunicarse, como
será la conexión a un PC remoto. El programa, codificado
inicialmente en C y compilado a lenguaje máquina de PC, ejecuta una
secuencia de sondeo continuamente esperando una orden del PC remoto.
Si esa orden llega y es correcta, pasa a ejecutaría sobre el cabezal
portaelectrodos, configurándolo según dicha instrucción en cuanto a
la tensión de ataque a través de su salida analógica y midiendo a
través de su entrada analógica la tensión que cae en cada celda
debido a la circulación de corriente eléctrica. El ataque de una u
otra celda se hace a través de las salidas digitales, así como la
selección en cada momento del cabezal que estará operativo en un
instante dado.
La función del control del sistema multiplexor la
lleva a cabo la tarjeta PC microcontroladora, sin embargo, quien le
indica a dicha tarjeta cuándo realizar las lecturas será un
ordenador denominado PC remoto. Esta indicación también se la puede
mandar el PC remoto al sistema central de control para que éste
opere de forma off-line, sin conexión alguna
al PC.
El PC remoto se conecta a uno de los puertos
serie de la tarjeta PC microcontroladora para transferirle las
órdenes y para recuperar los datos de la lectura por otro. Dicho
control está gestionado por un programa desarrollado en el entorno
gráfico LabVIEW, que hace su utilización mucho más sencilla e
intuitiva.
El programa del PC remoto no solo controla el
sistema multiplexor, sino que también gestiona los datos y hace un
análisis de los mismos de acuerdo a un sistema previamente calibrado
de curvas de calidad en función de la conductividad eléctrica
detectada. Por ello se necesita un sistema con rapidez en los
cálculos. Para que el programa opere con la rapidez adecuada, se
aconseja un PC remoto con procesador Pentium (aun cuando con un 486
también funcionaría) y 8 Mb de memoria RAM. En él se instalará el
programa de control, que ocupa en tomo a 5Mb de memoria en disco
duro. Pero hay que dejar espacio también para los datos tomados de
los ensayos, por lo tanto se aconseja tener 10Mb de espacio libre en
el disco duro antes de la instalación del programa.
En la actual versión se hace necesaria la
configuración de la pantalla en 800x600 puntos para poder visualizar
correctamente todos los controles y datos en el monitor, por ello se
necesita una pantalla super VGA.
Por otra parte, la robustez de la tarjeta PC
microcontroladora, hace que el sistema tenga precisión y fiabilidad,
consiguiendo la armonía necesaria entre sencillez y calidad.
Figura 1. - Configuración esquemática del sistema
de medida. Se representa un esquema de bloques de la totalidad del
sistema:
- (1)
- Cabezales con sensores y sistema multiplexor
- (2)
- Lotes de semillas a medir
- (3)
- Conexión a través de entradas/ salidas digitales y analógicas
- (4)
- Tarjeta CPU industrial + Fuente de Alimentación
- (5)
- Conexión a través de RS-232
- (6)
- PC remoto
Figura 2.- Esquema de los elementos en las celdas
de ensayo donde:
- (1)
- Celda de ensayo
- (2)
- Circuito portaelectrodos
- (3)
- Electrodos
- (4)
- Semilla
- (5)
- Agua desionizada.
Siendo la distancia entre electrodos (A) de 12
mm.
La profundidad de la celda (B), la longitud de
los electrodos (C) y la longitud del lado superior interior de cada
celda cuadrada (E) iguales y de 20 mm.
La longitud del lado interior inferior de cada
celda cuadrada (D) de 15 mm.
La longitud del lado exterior superior de cada
celda cuadrada (F) de 25 mm.
Se expone a continuación como son cada uno de los
elementos del sistema de medida o analizador:
Entre los materiales más adecuados para la
fabricación de los electrodos se encuentra el acero inoxidable. Se
elige este material debido a su dureza, resistencia a la oxidación y
por contaminar el agua en que es sumergido menos que otros
materiales como el cobre, en el cual se disuelve la capa de óxido
que sobre él se forma.
El acero inoxidable tiene como ventajas las ya
mencionadas de resistencia a la inmersión y la limpieza. Sin
embargo, presenta el inconveniente de la dificultad para ser
soldado. Esto es debido a que el estaño, que debería hacer de puente
entre el acero inoxidable y el cobre de las pistas del circuito
impreso, no agarra sobre el acero inoxidable. Cuando es fundido con
el soldador, el estaño resbala sobre el acero sin agarrarse a él, lo
cual presenta un serio problema, puesto que las soldaduras de
circuitos impresos están normalmente hechas con es-
taño.
taño.
Para hacer una soldadura lo que se hace es
excitar los materiales a soldar para que se creen poros entre los
cuales se inserte el material que unirá ambos. Normalmente esto se
hace con calor, sin embargo, para excitar con calor el acero
inoxidable hay que alcanzar temperaturas muy altas. Si se intentara
de esta manera, la fibra de vidrio del circuito impreso se quemaría.
Por lo tanto, la forma adecuada para conseguir excitar el acero
inoxidable es con ácido clorhídrico más calor, pero calor únicamente
necesario para fundir el estaño.
La precisión del sistema de medida depende de la
elección de un sistema multiplexor compatible con las
características de la señal a medir. Puesto que se miden
resistencias altas, la resistencia RON del canal cerrado de los
multiplexores ha de ser inferior a 1 k\Omega. Por otro lado
necesitamos un sistema fácilmente controlable. A través de las
líneas digitales de la CPU del PC microcontrolador, podremos
seleccionar el canal sin necesidad de interfaces exclusivos, ya que
son niveles TTL.
El esquema del circuito multiplexor ya ha sido
presentado en el apartado de descripción de funcionamiento y aparece
en la Figura 5. Como ya se dijo, el circuito multiplexor y el
circuito portaelectrodos, que conforman el cabezal, irán protegidos
con pasta sellante en la cara expuesta directamente al agua, y con
parafina en la cara opuesta. Todo el cabezal estará fabricado en
metacrilato o en PVC y de él partirá un cable apantallado de 25
hilos que llevarán las señales de control y de medida, tal y como se
ve en la Figura 6.
Para implementarlo se ha elegido un
microcontrolador de la firma Octagon, concretamente el PC
Microcontroler con CPU 6040. Pero se puede elegir cualquier
microcontrolador con las siguientes características:
- -
- Conexión serie RS-232
- -
- Al menos 11 salidas digitales
- -
- Un canal analógico de salida
- -
- Un canal analógico de entrada
- -
- CPU basada en la familia 8086 de Intel.
Esto último no es imprescindible, pero si muy
útil si se quiere compilar el programa desde un compilador estándar
para PC y facilita las comunicaciones con un PC remoto.
El programa tendrá que estar continuamente
esperando una orden del PC remoto, aunque también puede quedarse
dormido y despertar mediante una interrupción provocada por la
presencia de datos en el puerto serie. Cuando llegue la orden
precisa, debe realizar un barrido de las celdas colocando en las
salidas digitales los códigos que sólo cierran un canal multiplexor
en cada momento, generando la salida analógica indicada por el PC
remoto y leyendo la caída de tensión que ocurre en el canal cerrado,
fruto de la conductividad eléctrica de la celda a la que ataca el
canal.
La principal aplicación de la invención es a las
empresas productoras y laboratorios de calidad de semillas. De un
lado, permite automatizar los ensayos de vigor para determinar de
forma estadística la calidad de una partida de semillas. De otro, es
capaz de almacenar gran cantidad de datos para mantener un histórico
de la calidad de la producción y de generar informes impresos con
los datos necesarios para ser firmados por un operario que de fe de
que esa medida ha sido llevada a cabo.
El funcionamiento programado permite que no haya
un supervisor continuamente realizando las medidas y el conexionado
de varios cabezales a un mismo sistema central permite aún mas
ahorrar tiempo y recursos, pudiéndose realizar varios ensayos en
\hbox{paralelo.}
Claims (3)
1. Analizador electrónico automático de calidad
de semillas, caracterizado por medir la conductividad
eléctrica de distintos lotes de semillas al mismo tiempo, constar de
cabezales modulares portaelectrodos, al menos dos, con sistema
multiplexor incorporado, un sistema de control del multiplexor, un
PC remoto para análisis de datos, y en donde las tensiones de
ataque (más de cuatro valores posibles) es fijada por el PC
remoto.
2. Analizador electrónico automático de calidad
de semillas, caracterizado porque hasta 15 cabezales de
medida se pueden conectar en paralelo al sistema de control, cada
cabezal analiza un lote de semillas diferente con semillas inmersas
en agua desionizada, presentándose los resultados en pantalla
gráfica y almacenándose en memoria, y en donde las partes de los
cabezales se modulan pudiendo separarse en caso de avería o para
limpieza.
3. Analizador electrónico automático de calidad
de semillas, caracterizado por incluir un programa de
gestión para la configuración de cabezales, comunicación con el
sistema central, almacenamiento de datos y obtención de informes de
calidad de los lotes en base a análisis
estadístico-matemáticos.
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BASE DE DATOS WPIL en QUESTEL, semana 199221, Londres: Derwent Publications Ltd., AN 1992-174085, SU 1658858 A (KHARK AGRIC. MECHN. ELECTRIF. INST.), resumen. * |
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