Спецвозможности
Технологии

Фотоэлектронные сепараторы семян: эффективность применения

06.11.2020
1261
Фотоэлектронные сепараторы семян: эффективность применения фото, иллюстрация

Одним из путей повышения эффективности процесса разделения семенного материала в семяочистительном комплексе является его фракционирование путем применения фотоэлектронного сепаратора на конечной стадии обработки семян. Он позволяет отделить не только невыполненные (неликвидные) семена по цвету, но и распределить разные сортообразцы с выраженной морфологической окраской.

 

 

 

 

 

 

 

Специфика фотосепаратора - выбраковка тяжело отделяемых примесей, которые очень сложно, а часто и невозможно убрать традиционными очистными машинами механического и аэродинамического типа. В большинстве примесей, которые прошли первичную сортировку вместе с основным продуктом, пожие физические свойства: одинаковые форма и масса. Принцип сортировки таких продуктов основан на сравнении цвета целевых и побочных семян, причем не только в видимом спектре света. Качество работы фотосепаратора во время отделения таких примесей очень высокое (достигает даже 99,99% чистоты).

Фотосепарация относится к завершающим этапам процесса тонкой очистки. Это связано с тем, что механическая очистка не дает нужной чистоты культуры сортирующихся семян. Семена механически отсеиваются по таким параметрам, как: масса, форма, размер, электропроводность и аэродинамические свойства. Но и часть семян сорняков, содержащихся в массе семян культур, имеет такие же характеристики и проходит все предыдущие ступени очистки вместе с основной культурой.
 
Развитие современных цифровых технологий открыло новые возможности для изучения морфометрических (размер и форма) и колориметрических (вариации цвета) характеристик такого объекта селекции, как семена. Наиболее характерные параметры для этапа фотосепарации - это цвет, тип и рельеф поверхности семени. Цвет проще и достаточно быстро распознается у обследуемого объекта и позволяет отличить, например, темные мусорные семена от светлых по цвету семян злаковых культур. Тип семенной поверхности также может служить отличительным показателем для различения глянцевых и матовых семян. Рельеф семени может быть задан как неровным краем, так и впадинами и трещинами в центре объекта, что также может говорить о его принадлежности к определенной культуре.
 
Исходя из проведенного анализа научно-технической литературы, была составлена классификация имеющихся алгоритмов обработки оптических сигналов.
 
Общий алгоритм нейросетевого распознавания состоит из следующих пошаговых этапов создания «учебной» базы данных (БД) для спектрального анализа плоского изображения семян и последующего распознавания этих изображений:
 
• получить изображение семян на однотонном фоне;
 
• выделить пиксельные изображения отдельных единичных семян;
 
• установить центр масс объекта и привязать его к осям координат;

• нормализовать размеры объекта таким образом, чтобы геометрические размеры всех семян совпадали;

• провести дискретное вейвлет-преобразование цветовых составляющих всех точек, принадлежащих выделенной в предыдущих пунктах области исследования;
 
• упорядочить полученные коэффициенты;
 
• сохранить полученные данные в БД единичных вейвлет-спектров;
 
• сортировать зерносмеси по вейвлет-спектру.
 
Следующим алгоритмом является цветной анализ, основанный на оценке контраста цветовых компонентов. Этот алгоритм используют, например, для контроля качества газовой смеси при ее горении.
 
Метод включает следующие основные этапы:
 
• получают изображение исследуемого объекта;
 
• выполняют статистическую обработку числовых значений R, G, В-компонентов;
 
• выявляют закономерности изменения числовых значений цветовых компонентов;

• рассчитывают значение контрастов RGВ-составляющих;

• сортируют продукт по рассчитанному RGB-контрасту.
 
Исходя из основных этапов цветового анализа, этот алгоритм пригоден для сортировки семян подсолнечника. Причинами выбора алгоритма являются:
 
• критерий сортировки, который обеспечивает однозначное определение целевого продукта и примеси
 
• не требует сложной обработки изображения, способствует увеличению производительности сортировочного аппарата.

Впервые в мировой практике к исследованию процесса распределения компонентов сыпучей массы по цвету обратилась английская фирма Sortex. Со временем на рынке появились фотоэлектронные сепараторы фирмы. Конструкция современных фотосепараторов (рис. 1) вобрала новейшие достижения электроники, микропроцессорной техники, область их применения распространилась практически на все сыпучие продовольственные продукты, включая замороженные ягоды, овощи, фрукты, но принцип действия остался прежним: сепарированный по цвету продукт подается специальным устройством поштучно в зону контроля, где происходит сравнение электрического сигнала, образованного фотоэлементом под действием света, отраженного от анализируемой части, с эталонным сигналом, соответствующим свету, отраженному доброкачественной частицей. При совпадении величины сигналов в принятых пределах частица свободно попадает к остальному доброкачественному продукту, а при заметном отклонении величины контрольного сигнала этот сигнал усиливается и подает команду на механизм отбраковки, что выводит зерновку наружу с помощью кратковременного воздушного импульса. Сопло, направляющее воздушный поток на забракованную зерновку, расположено ниже по траектории ее падения от точки обнаружения на такое расстояние, которое она пролетает за время срабатывания электронной и пневматической систем. Под действием воздушной струи забракованная частица отклоняется от траектории полета доброкачественного зерна и попадает в места сбора недоброкачественного продукта..

Фирма Gimsoifs Sortex Ltd. (Великобритания) предложила многоканальный фотоэлектронный сепаратор с микропроцессорным управлением. Также она разработала фотооптический сепаратор на базе электронно-логического устройства. В США разработан фотоэлектронный сепаратор с двумя проекционными экранами. Японская фирма Satake представила рынку комбинированную фотоэлектронную сортировочную установку для отделения семян путем распределения по размеру, форме и цвету ядер. В другой конструкции фотоэлектронного сепаратора, разработанного фирмой Satake, семена подаются из приемного бункера тонкой струей, проходящей между источником света и цветоанализатором. Сепаратор сортирует зерна по цвету с использованием электронной обработки сигнала.
 
В ходе исследования пшеничного зерна методом анализа видеоизображения в ближней инфракрасной области спектра были применены фотолинейки и анализ видеоизображения, проведено исследование зерна методом видеонаблюдения. Данные исследований были положены в основу разработки сепаратора промышленного использования, работа которого основывалась на принципе разделения по цвету компонентов зерновой массы, однородной по физико-механическим свойствам. Также был разработан еще один вариант стенда для сепарирования зернопродуктов по цвету на основе монохроматической оптической схемы.

В мировой практике распространяется применение и производство фотоэлектронных сепараторов, а также увеличивается перечень фирм, выпускающих это оборудование. Принцип его действия находит свое воплощение в разработках различных фирм, продукты которых имеют свои как преимущества, так и недостатки. На основании сравнительного анализа известных на сегодня конструкций и результатов их работы приведена классификация зарубежных моделей фотоэлектронных сепараторов. На основе представленной информации разработана классификация оптических фотосепараторов по принципу конструктивных параметров рабочих органов и технологического процесса сортировки семян. В основу предложенной классификации фотоэлектронных сепараторов положены различные варианты выполнения их основных блоков: питание; оптического - включающий источник света и сенсор (фотоэлемент) с системой линз; электронного; изъятие забракованных по цвету частиц; управление работой сепаратора и иногда - контроля отходов. Для удобства в таблице классификации обозначены фирмы, реализующие конкретные варианты решений в своих моделях фотоэлектронных сепараторов. Также стоит отметить, что ряд фирм, которые применяют аналогичные решения, не внесены в классификацию.
 
По представленной информации разработана классификация оптических фотосепараторов по принципу конструктивных параметров рабочих органов и технологического процесса сортировки семян.
 
Оптические фотосепараторы классифицируют по следующим конструктивным параметрам:
 
1. По комплектации рабочих органов, а именно по количеству:
 
• эжекторов;

камер;

• скатных лотков;

• вибраторов.
 
2. По типу применяемых камер:
 
• CCD;
 
• NIR-опция (инфракрасная камера);

Mono- и bi-chromatic.

В оптических ФС применяют CCD-камеру для сортировки семян, а остальные камеры являются дополнительными.
 
3. По конструкции скатных лотков:
 
• с ровной поверхностью;
 
• с наличием на их поверхности желобов.
 
Скатный лоток с ровной поверхностью получил распространение в оптических фотосепараторах серии Ф (ОАО «Воронежсельмаш»), ФС-100 и модели CE компании Meiya (Китай), а скатный лоток, на поверхности которого выполнены желоба, распространен в оптических ФС типа FCS (Тайвань).
 
По технологическому процессу сортировки семян оптические фиотосепараторы классифицируют:
 
1. По технологическому процессу сортировки:
 
• первичный процесс сортировки;
 
• вторичный процесс сортировки;
 
• обратная сортировка.
 
Вторичную и обратную сортировку семенного материала выполняет оптический Фотосепаратор Sea Chrome (Италия). Первичная и вторичная сортировка проходит в оптических Фотосепаратор Matrix и моделях CE (Китай), Isort фирмы CAS и Nanta Ace (Южная Корея) Satake (Япония), Pixel (Италия).
 
2. По принципу подачи исходного материала в канал:
 
• однослойным потоком;
 
• двухслойным потоком;

методом дозировки.

В отечественных оптических фотосепараторах серии Ф и ФЛ-100 распространен принцип однослойной подачи семенного материала, поступающего на обработку, в канал. В зарубежных оптических фотосепараторах изредка применяют также и принцип двухслойной подачи семян (например, в ФС Sortex M фирмы Buhler (Швейцария). Дозированная подача семян также в оптических фотосепараторах Sortex Z+ (Швейцария).
 
3. По виду сортированной культуры.
 
В частности, по виду сортируемной культуры наиболее распространен универсальный оптический ФС, который обрабатывает все виды сельскохозяйственных культур - будь то масличные, зерновые, технические, или бобовые.
 
4. По параметрам семян, таким как: цвет, плотность, размер, форма, неровности поверхности, структура.
 
По цвету, плотности, размеру сортированного материала выполняет распределение его составляющих оптический фотосепаратор Futura HP фирмы ASM (Италия). По размеру и форме семян - FC Vision фирмы ASM (Италия). По цвету - Lux (Италия), Isort - фирмы CAS (Южная Корея) Sortex M (Швейцария), Satake (Япония).
 
По форме и цвету сепарируют семенной материал SEA Chrome (Италия). По цвету, форме, неровностям семенной поверхности - OS 900 фирмы Petkus (Германия). По размеру, цвету, форме семян - Sortex Z+ фирмы Buhler (Швейцария). По цвету, форме, структуре, размеру семян - серия фотосепараторов FCS (Тайвань).
 
Классификация фотоэлектронных сепараторов по цвету представлена на рис. 2.
 
Обобщая проведенный анализ, можно выдвинуть некоторые требования к фотоэлектронным сепараторам.

Что касается технологической эффективности, включая качество конечных продуктов, то преимущество фотоэлектронных сепараторов здесь очевидно ввиду того, что в механических сепараторах отбор ведется по всей сортируемой семенной смеси, а в фотоэлектронных сепараторах - по каждой частичке семенной смеси отдельно, что, естественно, способствует повышению качества очистки семенного материала.
 
Надежность и технологичность конструкции фотоэлектронных сепараторов также явно выигрывает на фоне механических аналогов. Ведь в фотоэлектронных сепараторах число подвижных механических деталей сведено к минимуму - это значительно увеличивает время наработки машины «на отказ», то есть пролонгирует срок эксплуатационной годности. А значит, повышает их надежность.
 
Экономическая эффективность машины обеспечивается: прогрессивным рабочим процессом; высокой производительностью; прочностью и надежностью; технологичностью выполнения сборки; низкими значениями металлоемкости, массы, энергоемкости и эксплуатационных расходов; высоким ресурсом и степенью механизации и автоматизации, простотой и безопасностью обслуживания; удобством в управлении.
 
Соответствие требованиям эргономики, СНиП, противопожарной безопасности и техники безопасности. Любая машина не могла бы выйти с конвейера предприятия производителя, если бы она на момент ее выпуска не отвечала требованиям, вынесенным в заголовок этого абзаца. Это касается и механических сепараторов, и фотоэлектронных и любых других механизмов и машин.

В результате патентно-информационных исследований технических средств для выполнения технологического процесса сепарации семян эффективная конструктивно-технологическая схема фотоэлектронного сепаратора представлена на рис. 3.
 
На рис. 3 представлен схематический принцип работы электронного сепаратора. Семена, которые сепарируется, сначала попадают в загрузочный бункер 1, далее движутся по наклонному виброкатку 2, в конце конструкции которого осматривается камерами 3, которые смонтированы в передней и задней части лотков. Переданные оптической системой сигналы обрабатывает компьютерная система контроля, после чего в пневматическую систему 4 поступает команда об отделении некондиционных семян от общей массы, которая продолжает свое движение по основному патрубку 5. Некондиционные семена под действием сжатого воздуха, нагнетаемого соответствующим эжектором, меняют свое направление и попадает в патрубок для вывода отходов 6.
 
Из вышеизложенного следует, что фотоэлектронные сепараторы имеют перспективы в сепарировании именно того семенного материала, для которого нужная чистота должна составлять 99%.

 

Е. Алиев, канд. техн. наук, старш. исследователь, заведующий отделом технико-технологического обеспечения семеноводства, Институт масличных культур НААН

Журнал «Пропозиція», №10, 2019 р.

Интервью
Елена Березовська, президент общественного союза «Органическая Украина»
Общественная Союз производителей органических сертифицированных продуктов «Органическая Украина» был создан в 2012 году. Ее инициаторами стали шесть предприятий, которые производили молоко, бакалею,
Николай Орлов
В 2016 году значительно возросло количество рейдерских захватов предприятий. Среди пострадавших есть и представители аграрного бизнеса. Только за первое полугодие с жалобами на действия рейдеров в

1
0