Фотоелектронні сепаратори насіння: ефективність використання

Одним зі шляхів підвищення ефективності процесу поділу насіннєвого матеріалу в насіннєочисному комплексі є його фракціонування шляхом застосування фотоелектронного сепаратора на кінцевій стадії обробки насіння. Він дає змогу відокремити не тільки невиповнене (неліквідне) насіння за кольором, а й розподілити різні сортозразки з вираженим морфологічним забарвленням.

 

 

 

 

 

 

 

Специфіка фотосепаратора — вибракування важковідокремлюваних домішок, які дуже складно, а часто й неможливо прибрати традиційними очисними машинами механічного та аеродинамічного типу. У більшості домі­шок, які пройшли первинне сортування разом з основним продуктом, схожі фізичні характеристики: однакові форма й маса. Принцип сортування таких продуктів заснований на порівнянні кольору цільової й побічної насінин, причому не тільки у видимому спектрі світла. Якість роботи фотосепаратора під час відокремлення таких домішок дуже висока (досягає навіть 99,99% чистоти).

Фотосепарація належить до завершальних етапів процесу тонкого очищення. Це пов’язано з тим, що механічне очищення не дає потрібної чистоти культури насіння, що сортується. Насіння механічно відсівається за такими параметрами, як: маса, форма, розмір, електропровідність і аеродинамічні властивості. Але ж і частина насіння бур’янів, що міститься в масі насіння культур, має такі самі характеристики й проходить усі попередні ступені очищення разом із основною культурою.

Розвиток сучасних цифрових технологій відкрив нові можливості для вивчення морфометричних (розмір і форма) та колориметричних (варіації кольору) характеристик такого об’єкта селекції, як насіння. Найхарактерніші параметри для етапу фотосепарації — це колір, тип і рельєф поверхні насінини. Колір найпростіше й досить швидко розпізнається в обстежуваного об’єкта й дає змогу відрізнити, наприклад, темні сміттєві насінини від світлого за кольором насіння злакових культур. Тип насіннєвої поверхні також може служити відміт­ним показником для розрізнення глянцевих і матових насі­нин. Рельєф насінини може бути заданий як нерівним краєм, так і западинами й тріщинами в центрі об’єкта, що також може говорити про його приналежність до певної культури.

Виходячи з проведеного аналізу науково-технічної літератури, було складено класифікацію наявних алгоритмів обробки оптичних сигналів.

Загальний алгоритм нейромережевого розпізнавання складається з таких покрокових етапів створення «навчальної» бази даних (БД) для спектрального аналізу плаского зображення насінин і подальшого розпізнавання цих зображень:

• отримати зображення насінин на однотонному фоні;

• виділити піксельні зображення окремих одиничних насінин;

• установити центр мас об’єкта й прив’язати його до осей координат;

• нормалізувати розміри об’єкта таким чином, щоб геометричні розміри всіх насінин збігалися;

• провести дискретне вейвлет-перетворення колірних складових усіх пікселів, що належать виділеній у попередніх пунктах області дослідження;

• впорядкувати отримані коефіцієнти;

• зберегти отримані дані в БД одиничних вейвлет-спектрів;

• сортувати зерносуміші за вейвлет-спектром.

Наступним алгоритмом є кольоровий аналіз, який ґрунтується на оцінці контрасту колірних компонентів. Цей алгоритм використовують, наприклад, для контролю якості газової суміші під час її горіння.

Метод містить такі основні етапи:

• отримують зображення досліджуваного об’єкта;

• виконують статистичну обробку числових значень R, G, В-компонентів;

• виявляють закономірності зміни числових значень колірних компонентів;

• розраховують значення контрастів RGВ-складових;

• сортують продукт за розрахованим RGB-контрастом.

Виходячи з основних етапів колірного аналізу, цей алгоритм придатний для сортування насіння соняшнику. Причинами вибору алгоритму є:

• критерій сортування, що забезпечує однозначне визначення цільового продукту й домішки;

• не потребує складної обробки зображення, що сприяє збільшенню продуктивності сортувального апарата.

Вперше у світовій практиці до дослідження процесу розподілу компонентів сипкої маси за кольором звернулася англійська фірма Sortex. З часом на ринку з’явилися фотоелектронні сепаратори цієї фірми. Конструкція сучасних фотосепараторів (Рис. 1) увібрала новітні досягнення електроніки, мікропроцесорної техні­ки, область їхнього застосування поширилася практично на всі сипкі продовольчі продукти, включаючи заморожені ягоди, овочі, фрукти, але принцип дії залишився тим самим: сепарований за кольором продукт подається спеціальним пристроєм поштучно в зону контролю, де відбувається порівняння електричного сигналу, утвореного фотоелементом під дією світла, відбитого від аналізованої частки, з еталонним сигналом, відповідним світлу, відбитому доброякісною часткою. За збігу величини сигналів у прийнятих межах частка вільно потрапляє до решти доброякісного продукту, а за помітного відхилення величини контрольного сигналу цей сигнал посилюється й подає команду на механізм відбракування, що виводить зернівку назовні за допомогою короткочасного повітряного імпульсу. Сопло, що спрямовує повітряний стру­мінь на забраковану зернівку, розташоване нижче по траєкторії її падіння від точки виявлення на таку відстань, яку вона пролі­тає за час спрацьовування електронної та пневматичної систем. Під дією повітряного струменя забракована частка відхиляється від траєкторії польоту доброякісного зерна й потрапляє до місця збору недоброякісного продукту.

Фірма Gimsoifs Sortex Ltd. (Велика Британія) запропонувала багатоканальний фотоелектронний сепаратор із мікропроцесорним управлінням. Також вона розробила фотооптичний сепаратор на базі електронно-логічного пристрою. У США розроблено фотоелектронний сепаратор із двома проекційними екранами. Японська фірма Satake представила ринку комбіновану фотоелектронну сортувальну установку для відокремлення насіння шляхом розподілу за розміром, формою і кольором ядер. У іншій конструкції фотоелектронного сепаратора, розробленого фірмою Satake, насіння подається з приймального бункера тонким струменем, що проходить між джерелом світла й кольороаналізатором. Сепаратор сортує зерна за кольором із використанням електронної обробки сигналу.

В перебігу дослідження пшеничного зерна методом аналізу відеозображення в ближній інфрачервоній області спектра було застосовано фотолінійку й аналіз відеозображення, проведено дослідження зерна методом відеоспостереження. Дані досліджень було покладено в основу розробки сепаратора промислового використання, робота якого ґрунтувалася на принципі розподілу за кольором компонентів зернової маси, однорідної за фізико-механічними властивостями. Також було розроблено ще один варіант стенду для сепарування зернопродуктів за кольором на основі монохроматичної оптичної схеми.

У світовій практиці поширюється застосування та виробництво фотоелектронних сепараторів, а також збільшується перелік фірм, що випускають це обладнання. Принцип його дії знаходить своє втілення у розробках різних фірм, продукти яких мають свої як переваги, так і недоліки. На підставі порівняльного аналізу відомих на сьогодні конструкцій і результатів їхньої роботи наведено класифікацію зарубіжних моделей фотоелектронних сепараторів. На основі представленої інформації розроблено класифікацію оптичних фотосепараторів за принципом конструктивних параметрів робочих органів і технологічного процесу сортування насіння. В основу запропонованої класифікації фотоелектронних сепараторів покладено різні варіанти виконання їхніх основних блоків: живлення; оптичного — який включає джерело світла й сенсор (фотоелемент) із системою лінз; електронного; вилучення забракованих за кольором часток; управління роботою сепаратора й іноді — контролю відходів. Для зручності в таблиці класифікації позначено фірми, що реалізують конкретні варіанти рішень у своїх моделях фотоелектронних сепараторів. Також варто зазначити, що низка фірм, які застосовують аналогічні рішення, не внесені в класифікацію.

За представленою інформацією розроблена класифікація оптичних фотосепараторів за принципом конструктивних параметрів робочих органів і технологічного процесу сортування насіння.

Оптичні фотосепаратори класифікують за такими конструктивними параметрами:

1. За комплектацією робочих органів, а саме за кількістю:

• ежекторів;

• камер;

• скатних лотків;

• вібраторів.

2. За типом застосовуваних камер:

• CCD;

• NIR-опція (інфрачервона камера);

• Mono- і bi-chromatic.

У оптичних ФС застосовують CCD-камеру для сортування насіння, а решта камер є додатковими.

3. За конструкцією скатних лотків:

• із рівною поверхнею;

• із наявністю на їхній поверхні жолобів.

Скатний лоток із рівною поверхнею набув поширення в оптичних фотосепараторах серії Ф (ВАТ «Воронежсельмаш»), ФС-100 і моделі CE компанії Meiya (Китай), а скатний лоток, на поверхні якого виконані жолоби, поширений в оптичних ФС типу FCS (Тайвань).

За технологічним процесом сортування насіння оптичні фіотосепаратори класифікують:

1. За технологічним процесом сортування:

• первинний процес сортування;

• вторинний процес сортування;

• зворотне сортування.

Вторинне й зворотне сортування насіннєвого матеріалу виконує оптичний фотосепаратор Sea Chrome (Італія). Первинне й вторинне сортування відбувається в оптичних фотосепараторах Matrix і моделях CE (Китай), Isort фірми CAS і Nanta Ace (Південна Корея), Satake (Японія), Pixel (Італія).

2. За принципом подавання вихідного матеріалу в канал:

• одношаровим потоком;

• двошаровим потоком;

• методом дозування.

У вітчизняних оптичних фотосепараторах серії Ф і ФЛ-100 поширений принцип одношарового подавання насіннєвого матеріалу, що надходить на обробку, в канал. У зарубіжних оптичних фотосепараторах зрідка застосовують також і принцип двошарового подавання насіння (наприклад, у ФС Sortex M фірми Buhler (Швейцарія). Дозоване подавання насіння також у оптичних фотосепараторах Sortex Z+ (Швейцарія).

3. За видом сортованої культури.

Зокрема, за видом сортованої культури найпоширеніший універсальний оптичний ФС, який обробляє всі види сільськогосподарських культур — чи то олійні, зернові, тех­нічні, чи бобові.

4. За параметрами насіння, такими як: колір, густина, роз­мір, форма, нерівності поверхні, структура.

За кольором, щільністю, розміром сортованого матеріалу виконує розподіл його складових оптичний фотосепаратор Futura HP фірми ASM (Італія). За розміром і формою насінин — FC Vision фірми ASM (Італія). За кольором — Lux (Італія), Isort — фірми CAS (Південна Корея), Sortex M (Швейцарія), Satake (Японія).

За формою і кольором сепарують насіннєвий матеріал SEA Chrome (Італія). За кольором, формою, нерівностями насіннєвої поверхні — OS 900 фірми Petkus (Німеччина). За розміром, кольором, формою насіння — Sortex Z+ фірми Buhler (Швейцарія). За кольором, формою, структурою, роз­міром насінин — серія фотосепараторів FCS (Тайвань).

Класифікація фотоелектронних сепараторів за кольором представлена на рис. 2.

Узагальнюючи проведений аналіз, можна висунути деякі вимоги до фотоелектронних сепараторів.

Щодо технологічної ефективності, що включає якість кінцевих продуктів, то перевага фотоелектронних сепараторів тут очевидна з огляду на те, що в механічних сепараторах від­бір ведеться за всією сортованою насіннєвою сумішшю, а у фотоелектронних сепараторах — за кожною частинкою насіннєвої суміші окремо, що, природно, сприяє підвищенню якос­ті очищення насіннєвого матеріалу.

 Надійність і технологічність конструкції фотоелектронних сепараторів також явно виграє на тлі механічних аналогів. Адже у фотоелектронних сепараторах число рухомих механічних деталей зведено до мінімуму — це значно збіль­шує час напрацювання машини «на відмову», тобто пролонгує термін їхньої експлуатаційної придатності. А отже, підвищує їхню надійність.

Ž Економічна ефективність машини забезпечується: прогресивним робочим процесом; високою продуктивністю; міцністю і надійністю; технологічністю виконання збірки; низькими зна­ченнями металомісткості, маси, енергоємності та експлуатаційних витрат; високим ресурсом і ступенем механізації та автоматизації, простотою й безпекою обслуговування; зручніс­тю в управлінні.

Відповідність вимогам ергономіки, СНіП, протипожежної безпеки й техніки безпеки. Будь-яка машина не могла б вийти з конвеєра підприємства виробника, якби вона на момент її випуску не відповідала вимогам, винесеним у заголовок цього абзацу. Це стосується й механічних сепараторів, і фотоелектронних, і будь-яких інших механізмів і машин.

У результаті патентно-інформаційних досліджень техніч­них засобів для виконання технологічного процесу сепарації насіння найефективніша конструктивно-технологічна схема фотоелектронного сепаратора представлена на рис. 3.

На рис. 3 подано схематичний принцип роботи електронного сепаратора. Насіння, що сепарується, спочатку потрапляє в завантажувальний бункер 1, далі рухається похилим віброкотком 2, наприкінці конструкції якого оглядається камерами 3, які змонтовані в передній і задній частині лотків. Передані оптичною системою сигнали обробляє комп’ютерна система контролю, після чого в пневматичну систему 4 надходить команда про відокремлення некондиційного насіння від загальної маси, яка продовжує свій рух основним патрубком 5. Некондиційне насіння під дією стиснутого повітря, що нагнітається відповідним ежектором, змінює свій напрям і потрапляє в патрубок для виведення відходів 6.

Із вищевикладеного випливає, що фотоелектронні сепаратори мають перспективи у сепаруванні саме того насіннєвого матеріалу, для якого потрібна чистота має становити 99%.

 

Е. Алієв, канд. техн. наук, старш. дослідник, завідувач відділу техніко-технологічного забезпечення насінництва, Інститут олійних культур НААН

Журнал «Пропозиція», №10, 2019 р.