WO2015166121A1 - Dispositivo de medición discreta por reflectancia de nir multibanda del índice glucoacídico en uva para vinificación - Google Patents
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- G01N21/35—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light
Definitions
- Discrete measuring device by reflectance of multiband NIR of the glucoacidic index in grapes for winemaking.
- the object of the invention is to detect and identify the maturity stages of grape vinification ink, from its glucoacidic index, automatically using reflectance measurements at certain near infrared wavelengths. After the calibration of the device, the measurement is carried out in a timely manner on the surface of the fruit, which is placed inside the system.
- This system is applicable to quality control in the food industry, in agriculture, as well as in related areas dedicated to research and development.
- the wine sector depends on very varied factors when it comes to achieving profitable and quality production. Climatic conditions, subscribers, irrigation regime, tillage activities, etc., are just some of the factors to consider to get a quality grape harvest. From here, in order to achieve the objective of producing a good wine, it is necessary to take into account and control many more factors, making the general process something complex and tedious.
- the state of the grape used for winemaking (Vitis. Vinifera L.) is of vital importance in the quality of the wine.
- a correct choice of the time of the harvest also fundamentally influences the future quality of a wine.
- Wine growers must decide this date annually.
- One of the most important factors that is taken into account when deciding when is the right time to harvest the grape is the relationship between the concentration of sugars and total acidity, that is, the glucoacidic index.
- the sugar content is closely related to the probable alcohol content that can be achieved in the wine and the total acidity helps control its color and quality [1].
- REPLACEMENT SHEET (RULE 26) present. It is also possible to determine the amount of sugar in a wort by measuring its refractive index. The determination of total acidity is usually done by volumetry using NaOH as a titration solution [2].
- Hyperspectral image analysis is therefore a good tool to achieve this purpose, however, the hyperspectral devices present in the market are very expensive.
- One way to reduce the costs of this type of technique may be to determine which wavelengths are most influential, and to design a spectral measurement device based only on those wavelengths.
- the automatic NIR system for determining the glucoacidic index for grape wine vinification presented here would be an option to determine this index non-destructively and faster than the methods traditionally used. And also, with a system much cheaper and more accessible than the hyperspectral devices that are being proposed for these purposes in recent times.
- the discrete NIR reflectance measuring device of the grape glucoacid index in winemaking is based on a sensor that is used to detect the information of light in the NIR that comes from the object of interest.
- it has six different lighting components each emitting at different wavelengths. These lighting components, arranged in the form of a circular crown around the sensor, are directed towards the object of interest to illuminate it at an angle of 45 ° and, by reflection, deliver the light to the sensor.
- the signal is subsequently processed by a microcontroller that determines the glucoacidic index and from it, the stage of maturity in which the grape is found. This information is subsequently transferred to the user through an LCD screen.
- Figure 1 is a cross-sectional view of the discrete measurement device by multiband NIR reflectance of the grape glucoacid index for winemaking.
- Figure 2 is a zenith view of the discrete measurement device by multiband NIR reflectance of the grape glucoacid index for winemaking.
- the discrete NIR reflectance measuring device of the grape glucoacid index for winemaking is based on an InGaAS 1 sensor whose detection range is between 800 nm and 1700 nm.
- the sensor is used to detect the light information in the NIR that comes from the object of interest.
- the discrete NIR reflectance measurement device of the grape glucoacid index for winemaking consists of six different lighting components emitting at 1050 nm, 1150 nm, 1200 nm, 1300 nm, 1450 nm, 1600 nm respectively 2-7. These are directed towards the object of interest to illuminate it at an angle of 45 ° 22 to reduce the specular reflection component that reaches the sensor. By reflection 23, the light reaches the sensor 1; where, the information of the light signal is extracted and the energy reflected by the object of interest is quantified. Once the signal is in the sensor, it converts it to an analog signal. This is conditioned by a signal conditioning stage 9 and subsequently processed by a microcontroller 8.
- Microcontroller 8 contains the algorithms and all instructions necessary for the operation of the system. Which are: control the lighting components, receive the conditioned signal, process the received signals, display data, calibration processes and identification process. Within the signal processing, the microcontroller is responsible for translating the spectral data to glucoacidic index values and with this determines the stage of maturity in which the grape is found. The output values of the glucoacid index provided by the microcontroller range from 0 to 5, considering value 3 as the threshold from which the fruit is ripe. For this, the algorithm includes several mathematical models previously developed for this purpose [3].
- the system is provided with a housing 14 for protection thereof, and also with a support 15 to place the objects of interest and carry out the calibration or identification process.
- the LCD 16 displays: the data of the sensor 1 signal, the indications for calibrating the system and the identification of the glucoacid index.
- the system automatically goes into mode: waiting for an object of interest; when an object is placed on the support 15, it proceeds to acquire the information of its discrete spectrum and, subsequently, indicates on the screen the maturity phase to which it corresponds or, failing that, displays the legend "out of range” if The information does not fit with the calibration information. If the system is not calibrated, using the LCD screen you will be asked to perform the procedure to calibrate the system.
- This LCD screen is interconnected with the microcontroller as shown in 17. Communication between the user and the device is possible thanks to three 18-20 buttons.
- the system is energized by means of a 24 V regulated source 24 connected to the current through an external connection.
- the regulated source converts the 110 V or 220 V AC signal to a 5 V regulated DC signal.
- the support 15 has the function of allowing the object of interest to be placed in such a way that it is in the correct position to receive the illumination from the lighting components 2-7 and subsequently, allow its reflection towards the sensor 1 with the information of the discrete spectrum 23.
- the calibration process is a process that is selected by the user manually. If this sequence is not chosen, the system is initialized with the pre-programmed values. This calibration process begins by requesting a reference target; subsequently, a lighting and signal capture sequence is executed
- REPLACEMENT SHEET (RULE 26) to normalize sensitivity levels.
- the analysis process occurs when the user selects the option to start sampling. At this time the device proceeds directly to use the pre-programmed values or those of the calibration process. After choosing this sequence, the system will be ready to initiate analysis of the fruit from its reflectance to detect the glucoacidic index and identification of the stage of maturity.
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Abstract
Dispositivo de medición discreta por reflectancia de NIR multibanda del índice glucoacídico en uva para vinificación. El dispositivo de medición discreta por reflectancia de NIR multibanda del índice glucoacídico en uva para vinificación tiene por objeto detectar y medir el índice glucoacídico en uva para vinificación. A partir de este índice el dispositivo identificará las etapas de madurez de la uva. Esto se hará de forma automática utilizando medidas de reflectancia en determinadas longitudes de onda del infrarrojo cercano. Tras la calibración del dispositivo, la medida se realiza de manera puntual sobre la superficie del fruto, que es colocado en el interior del sistema. Este sistema es aplicable al control de calidad en la industria alimentaria, en la agricultura y en áreas afines dedicadas a la investigación y desarrollo.
Description
TÍTULO
Dispositivo de medición discreta por reflectancia de NIR multibanda del índice glucoacídico en uva para vinificación.
OBJETO DE LA INVENCIÓN
La invención tiene por objeto detectar e identificar las etapas de madurez de uva tinta de vinificación, a partir de su índice glucoacídico, de forma automática utilizando medidas de reflectancia en determinadas longitudes de onda del infrarrojo cercano. Tras la calibración del dispositivo, la medida se realiza de manera puntual sobre la superficie del fruto, que es colocado en el interior del sistema.
Este sistema es aplicable al control de calidad en la industria alimentaria, en la agricultura, así mismo, en áreas afines dedicadas a la investigación y desarrollo.
ESTADO DE LA TÉCNICA
El sector vitivinícola depende de factores muy variados a la hora de conseguir una producción rentable y de calidad. Condiciones climáticas, abonados, régimen de riego, actividades de laboreo, etc., son solo algunos de los factores a considerar para conseguir una cosecha de uva de calidad. A partir de aquí, para conseguir el objetivo de producir un buen vino, es necesario tener en cuenta y controlar muchos más factores, convirtiendo el proceso general en algo complejo y tedioso.
El estado de la uva usada para vinificación (Vitis. vinifera L.) es de vital importancia en la calidad del vino. Además, una correcta elección del momento de la vendimia también influye de forma fundamental en la calidad futura de un vino. Los vitivinicultores deben decidir anualmente esta fecha. Uno de los factores más importantes que se tiene en cuenta para decidir cuándo es el momento adecuado para recolectar la uva es la relación entre la concentración de azúcares y la acidez total, es decir, el índice glucoacídico. El contenido en azúcar está estrechamente relacionado con el grado alcohólico probable que se podrá conseguir en el vino y la acidez total ayuda a controlar el color y calidad de éste [1].
Concentración azúcar
Indice glucoacídico = —— ;
Acidez total
Actualmente en las bodegas, el control de la madurez de la uva se consigue mediante la toma de muestras y la posterior realización de análisis físico-químicos. Para determinar la concentración de azúcar es común realizar estudios de densidad al mosto de la uva, ya que está estrechamente relacionada con la cantidad de azucares
HOJA DE REEMPLAZO (REGLA 26)
presentes. También es posible determinar la cantidad de azúcar de un mosto midiendo su índice de refracción. La determinación de la acidez total suele realizarse mediante volumetría usando NaOH como disolución valorante [2].
Los dos métodos descritos anteriormente son laboriosos y/o destructivos. Sería interesante poder remplazarlos por nuevas técnicas no destructivas, siempre que sean aproximadamente igual de precisas que los métodos físico-químicos. En los últimos tiempos han surgido técnicas de análisis de imagen hiperespectral con gran potencial para convertirse en una forma rápida y no destructiva de realizar análisis de alimentos. En un trabajo realizado anteriormente en este laboratorio [3] se determina, con la ayuda de un dispositivo de análisis de imagen hiperespectral en el infrarrojo cercano ( IR, por sus siglas en ingles), la concentración de azúcar y la acidez total en uvas de vinificación, es decir, el índice glucoacídico.
El análisis de imagen hiperespectral es por tanto una buena herramienta para conseguir este propósito, sin embargo, los dispositivos hiperespectrales presentes en el mercado son muy costosos. Una forma de reducir los costes de este tipo de técnica puede ser determinar que longitudes de onda son más influyentes, y diseñar un dispositivo de medida espectral basado solo en esas longitudes de onda.
Basándonos en un estudio realizado anteriormente en este laboratorio [3] se ha conseguido obtener un número reducido de longitudes de onda útiles para calcular el índice glucoacídico. De esta forma, se han seleccionado mediante tratamientos estadísticos las 6 longitudes de onda más características pertenecientes a la región del infrarrojo cercano comprendida entre 950 y 1650 nm, minimizando así la perdida de información espectral.
El sistema automático NIR de determinación del índice glucoacídico para uva tinta de vinificación aquí presentado sería una opción para determinar este índice de forma no destructiva y más rápida que los métodos usados tradicionalmente. Y además, con un sistema bastante más económico y accesible que los dispositivos hiperespectrales que se están proponiendo para estos propósitos en los últimos tiempos.
[1] E. Meléndez, M.C. Ortiz, L.A. Sarabia, M. íñiguez, and P. Puras, Anal. Chim Acta., 761 (2013) 53-61.
[2] OIV. Recuil de methods internationals d'Analyse des vins. Characteristiques chromatiques. 1990. París, OIV.
Ref Type: Internet Communication
[3] J. Nogales-Bueno, J.M. Hernández-Hierro, F.J. Rodríguez-Pulido, and F.J. Heredia, Food Chem., 152 (2014) 586-591.
HOJA DE REEMPLAZO (REGLA 26)
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
El dispositivo de medición discreta por reflectancia de NIR multibanda del índice glucoacídico en uva para vinificación se basa en un sensor que es utilizado para detectar la información de la luz en el NIR que proviene del objeto de interés. Además, consta con seis diferentes componentes de iluminación emitiendo cada uno a diferentes longitudes de onda. Estos componentes de iluminación, dispuestos en forma de corona circular alrededor del sensor, se dirigen hacia el objeto de interés para iluminarlo en un ángulo de 45° y, por reflexión, hacer llegar la luz hasta el sensor. La señal es posteriormente procesada por un microcontrolador que determina el índice glucoacídico y a partir de él, la etapa de madurez en la que se encuentra la uva. Posteriormente esta información es transferida al usuario mediante una pantalla LCD.
DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
La Figura 1 es un corte transversal del dispositivo de medición discreta por reflectancia de NIR multibanda del índice glucoacídico en uva para vinificación.
La Figura 2 es una vista cenital del dispositivo de medición discreta por reflectancia de NIR multibanda del índice glucoacídico en uva para vinificación.
MODO DE REALIZACIÓN DE LA INVENCIÓN
El dispositivo de medición discreta por reflectancia de NIR multibanda del índice glucoacídico en uva para vinificación se basa en un sensor InGaAS 1 cuyo rango de detección está entre 800 nm y 1700 nm. El sensor es utilizado para detectar la información de la luz en el NIR que proviene del objeto de interés.
El dispositivo de medición discreta por reflectancia de NIR multibanda del índice glucoacídico en uva para vinificación consta de seis diferentes componentes de iluminación emitiendo a 1050 nm, 1150 nm, 1200 nm, 1300 nm, 1450 nm, 1600 nm respectivamente 2-7. Estos se dirigen hacia el objeto de interés para iluminarlo en un ángulo de 45° 22 para reducir la componente de reflexión especular que llega al sensor. Por reflexión 23, la luz llega hasta el sensor 1; donde, se extrae la información de la señal luminosa y se cuantifica la energía reflejada por el objeto de interés. Una vez que la señal se encuentra en el sensor, este la convierte a una señal analógica. Esta es acondicionada por una etapa de acondicionamiento de señal 9 y posteriormente es procesada por un microcontrolador 8.
HOJA DE REEMPLAZO (REGLA 26)
El microcontrolador 8 contiene los algoritmos y todas las instrucciones necesarias para la operación del sistema. Las cuales son: controlar los componentes de iluminación, recibir la señal acondicionada, procesar las señales recibidas, desplegar datos, procesos de calibración y proceso de identificación. Dentro del procesado de la señal, el microcontrolador se encarga de traducir los datos espectrales a valores de índice glucoacídico y con esto determina la etapa de madurez en la que se encuentra la uva. Los valores de salida de índice glucoacídico que proporciona el microcontrolador van de 0 a 5, considerándose el valor 3 el umbral a partir del cual el fruto está maduro. Para esto, el algoritmo incluye varios modelos matemáticos desarrollados previamente para tal efecto [3].
Concentración azúcar
Indice glucoacídico = —— ;
Acidez total
El sistema está dotado de una carcasa 14 para protección del mismo y, también, de un soporte 15 para colocar los objetos de interés y llevar a cabo el proceso de calibración o identificación.
En la pantalla LCD 16 se despliegan: los datos de la señal del sensor 1, las indicaciones para calibrar el sistema y la identificación del índice glucoacídico. Una vez calibrado el sistema, automáticamente se pone en modo: esperando objeto de interés; cuando se coloca un objeto sobre el soporte 15, procede a adquirir la información de su espectro discreto y, posteriormente, indica en la pantalla la fase de madurez a la que corresponde o, en su defecto, despliega la leyenda "fuera del rango" si la información no con cuerda con la información de calibración. Si el sistema no se encuentra calibrado, mediante la pantalla LCD solicitará realizar el procedimiento para calibrar el sistema. Esta pantalla LCD se interconecta con el microcontrolador como se muestra en 17. La comunicación entre el usuario y el dispositivo es posible gracias a tres botones 18-20.
El sistema es energizado por medio de una fuente 24 regulada a 5 V conectada a la corriente mediante una conexión externa. La fuente regulada convierte la señal de corriente alterna de 110 V o 220 V a una señal de corriente continua regulada de 5 V.
El soporte 15 tiene la función de permitir colocar el objeto de interés de tal manera que se encuentre en la posición correcta para recibir la iluminación proveniente de los componentes de iluminación 2-7 y posteriormente, permitir su reflexión hacia el sensor 1 con la información del espectro discreto 23.
El proceso de calibración es un proceso que se selecciona por el usuario de forma manual. Si no se elige esta secuencia, el sistema se inicializa con los valores pre- programados. Este proceso de calibración se inicia solicitando un blanco de referencia; posteriormente, se ejecuta una secuencia de iluminación y captura de señal
HOJA DE REEMPLAZO (REGLA 26)
para normalizar los niveles de sensitividad. Una vez concluida esta tarea, despliega una leyenda informando que el proceso de calibrado se ha realizado satisfactoriamente.
El proceso de análisis se da cuando el usuario selecciona la opción de iniciar muestreo. En este momento el dispositivo procede directamente a utilizar los valores pre-programados o los del proceso de calibración. Después de elegir esta secuencia, el sistema estará listo para iniciar análisis del fruto a partir de su reflectancia para detectar el índice glucoacídico e identificación de la etapa de madurez.
HOJA DE REEMPLAZO (REGLA 26)
Claims
1. - Dispositivo de medición discreta por reflectancia de NIR multibanda del índice glucoacídico en uva para vinificación caracterizado porque dispone de un sensor NIR InGaAS alojado dentro de una carcasa, situado en una posición central y verticalmente sobre el soporte para muestra (15) para recibir la señal reflejada del objeto de interés.
2. - Dispositivo de medición discreta por reflectancia de NIR multibanda del índice glucoacídico en uva para vinificación caracterizado según reivindicación anterior porque dispone de seis componentes de iluminación que basan su operación en la tecnología LED, situados en una corona circular de forma que la línea que une cada uno de ellos con el soporte para muestra (15) forme 45° con la vertical, reduciéndose así la componente especular de la reflectancia recibida por el sensor.
3. - Dispositivo de medición discreta por reflectancia de NIR multibanda del índice glucoacídico en uva para vinificación según reivindicaciones anteriores caracterizado porque cada uno de dichos seis componentes de iluminación emite a distinta longitud de onda en el intervalo comprendido entre 1000 y 1650 nm para la correcta medida del índice glucoacídico.
4. - Dispositivo de medición discreta por reflectancia de NIR multibanda del índice glucoacídico en uva para vinificación según reivindicaciones anteriores caracterizado porque las distintas intensidades de radiación infrarroja detectadas por el sensor ImGaAs se transforman a niveles del índice glucoacídico en la muestra.
5. - Dispositivo de medición discreta por reflectancia de NIR multibanda del índice glucoacídico en uva para vinificación según reivindicaciones anteriores caracterizado porque se incluye un microcontrolador, encargado de controlar el sensor InGaAs, recibir la señal del sensor, procesar las señales del sensor, desplegar datos, procesos de calibración y proceso de identificación.
6. - Dispositivo de medición discreta por reflectancia de NIR multibanda del índice glucoacídico en uva para vinificación según reivindicaciones anteriores caracterizado porque los distintos componentes de iluminación dentro de la carcasa están distribuidos en forma de corona circular alrededor del sensor InGaAs y orientados hacia el soporte para la muestra con una inclinación de 45°.
7. - Dispositivo de medición discreta por reflectancia de NIR multibanda del índice glucoacídico en uva para vinificación según reivindicaciones anteriores caracterizado porque comprende una pantalla LCD, botones de interfaz de usuario, soporte, conexión externa, fuente regulada y sus posibles variantes en ubicación y modificación de tecnología para hacer más ergonómico y funcional el sistema.
HOJA DE REEMPLAZO (REGLA 26)
8. - Dispositivo de medición discreta por reflectancia de NIR multibanda del índice glucoacídico en uva para vinificación caracterizado según reivindicaciones anteriores por que las intensidades de radiación infrarroja se transforman a niveles de índice glucoacídico en un rango comprendido entre 0 y 5 unidades, de manera que se considera el fruto apto para su recogida a partir del nivel 3.
9. - Dispositivo de medición discreta por reflectancia de NIR multibanda del índice glucoacídico en uva para vinificación caracterizado según reivindicaciones anteriores porque está dotado con una secuencia pre-programada para su funcionamiento, sin necesidad de calibración.
HOJA DE REEMPLAZO (REGLA 26)
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