鬆散產品的光譜特性的測量方法及其實現裝置的製作方法
2023-07-08 00:03:01 3
專利名稱：鬆散產品的光譜特性的測量方法及其實現裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種分析儀器，尤其是光譜學、光譜方法，並涉及用於根據測量區中的一份被測樣品的補充而測量鬆散產品的光譜特性的裝置，並且本發明可用於定性和定量分析，例如，整粒的特性分析。
背景技術：
紅外光譜學方法已應用於工業和農業中，它們允許在運輸和存儲期間對不同生產階段的產品特性進行快速測試。例如，通常認可的做法是緊接收割後、在將穀物裝入儲存倉之前、在運輸後以及在用於播種或烘焙前，對穀粒進行光譜分析以確定其特性以及諸如水分、蛋白質含量等的成分。
對於光譜分析結果的主要要求是其可靠性和再現性。鬆散產品分析的具體特徵是樣品由於其特性的光學不均勻性，因而在分析期間必須對樣品的不同區域或者同一樣品的若干份進行測量然後進行平均。因此，對於獲得可靠並可再現的結果來說關鍵是用鬆散產品從樣品到樣品地恆定而可再現地填充測量區。
已知一種測量鬆散樣品的光譜特性的方法(參考文獻1、2)，該方法包括用鬆散產品手動填充光學室、將該光學室放置在測量區中、在填充後的光學室的若干區域中測量產品的光譜特性，在測量期間利用專用掃描裝置固定所述光學室並使其在所述測量之間移動。可以通過光學室的線性運動(參考文獻1)或轉動(參考文獻2)進行掃描。
該方法的主要缺點在於必須手動填充光學室，這降低了填充的可再現性和分析速度，並且還提高了成本。在有必要進行大量產品的快速分析的情況下(例如，在收割期間將穀物裝入儲存倉前)，這變得很重要。此外，分析結果取決於填充光學室的精確程度(即，操作者的技能)。
已知一種用於測量鬆散產品的光譜特性的裝置(參考文獻1)，其包括光學室、用於移動該光學室的裝置以及測量裝置。
但是所述已知裝置不具有任何自動裝載和排放被測樣品的裝置。使用了一組具有不可重新調節的固定路徑長度的光學室。
已知一種用於測量鬆散產品的光譜特性的方法和裝置(參考文獻3)。該方法包括以下步驟在重力影響下將產品輸送到測量區中；用放置在測量區下方的閘板阻止測量區中的樣品；通過振動壓實產品；測量處於靜止狀態的樣品的光譜特性；以及通過打開閘板排放樣品。
用於實現該已知方法的裝置包括鬆散產品在其中運動的通道(管道)；測量區，其中鬆散流動具有沿重力的分量；測量光學窗；用於光譜測量的光學單元；閥(閘板)，其放置在測量光學窗下方，用於鎖定測量區以保持該區中的產品；附加通道的分支(旁路)，其位於測量區上方用於提供測量區中的產品以及通過主通道(管道)的產品流的恆定高度；以及產生振動以使樣品緻密的驅動器。
所述方法及其實現裝置提供樣品的自動裝載和排放。通過產品的恆定高度並通過在測量前通過搖動來壓實樣品以使其緻密，來獲得測量區中產品的恆定且可再現的密度。
該測量鬆散樣品的光譜特性的方法及其實現裝置的主要缺點在於，用於使測量區中形成緻密產品的振動可能會導致該裝置的光學單元失調，這又會導致測量結果的可靠性和可再現性降低，而用於防止光學單元振動的各種方法會顯著增加裝置的複雜性及其成本。
參考文獻4中所描述的方法和裝置通過基本參數的組合而最接近本發明。該方法包括利用分份取樣用的裝置將樣品輸送到測量區，該裝置裝載一定量部分的產品；測量區實現為一立軸，該立軸在裝載樣品以及測量期間通過專用鎖定裝置而在底部關閉，然後記錄處於靜止狀態的樣品的光譜特性。這樣，在測量期間樣品運動或靜止，但在樣品靜止時測量光譜特性。
用於實現測量光譜特性的該已知方法的裝置包括裝載料鬥；製成葉輪的分份取樣單元；立軸；光譜特性測量單元；周期地關閉立軸的鎖定單元；以及排料鬥。
所述方法及其實現裝置確保了樣品的自動裝載和排放，這提高了分析速度並可確保結果與操作者的技能無關。
但是本方法和裝置未提供在測量區中具有期望精度的產品的恆定體積密度。該裝置未提供用於嚴格控制裝載在測量區中的樣品體積的裝置，從而可能會導致測量區中的產品體積密度顯著不均勻，例如當測量高水分含量的產品時由於粘到裝載輪的葉片上的樣品(這非常可能)就會引起這種不均勻。而且，失去了根據被分析產品的光譜特性調節光路長度的可能性，這降低了分析的精度和可再現性。
參考文獻1.InfraLUM FT-10 Operation manual，ver.152.00.00.00.PЭ。
2.InfraAlyzer2000 Operation manual，MT1-40EN-09。
3.1998年10月15日公開的國際申請No.WO 98/45678，M∏K G01N1/20，21/35。
4.2002年10月30日公開的國際申請No.WO 02/086473A2，M∏K G01N21/85。
發明內容
本發明的任務在於通過提供測量區中的被分析產品的高均勻性和恆定體積密度來獲得光譜測量結果的高可靠性和可再現性。
利用下列發明完成了設定的任務1.利用測量鬆散產品的光譜特性的方法，該方法包括按份將所述產品輸送到測量區中；將若干份(至少兩份)交替裝載到測量區的水平部分的不同區域中，從而提供完全填充以確保測量區中的產品的均勻裝載和恆定體積密度；以及在測量期間改變測量區的光路長度的可能性，以根據被分析樣品的光學特性調節所述長度，並且從測量區順序排出所述樣品。
2.利用測量鬆散樣品的光譜特性的方法，其中根據被分析樣品在被測光譜範圍內的光學吸收值設定測量區的光路長度，這確保了被測樣品的光學密度處於對應於測量的最高精度的範圍內。
3.利用測量鬆散產品的光譜特性的裝置，該裝置包括裝料鬥；進口(接收部)孔；分份取樣單元，其具有用於將產品連續均勻地交替裝載到測量區的水平部分的不同區域的裝置；測量區；測量單元；用於關閉測量區的單元；出口(排放)孔；以及樣品抽屜；其中所述用於連續均勻地裝載產品的裝置確保順序填充不少於兩份的相同體積，並且所述測量區配備有用於根據在被測光譜範圍內的樣品吸收值調節光路長度的裝置。
提供了用於將產品連續均勻地交替裝載到測量區的水平部分的不同區域的裝置的不同實施例。
提供了作為配量單元的測量區關閉單元的實施例，該配量單元進行樣品從測量區的分份排放。
提供了某些單元的不同實施例。
本發明的本質在於，提供了一些參數的組合，其通過分份裝載使產品在測量區的水平部分區域上均勻分布而使得能夠在鬆散產品的光譜特性測量期間在測量區中取得高度均勻性以及恆定的產品體積密度，其允許根據被測光譜範圍內的光學吸收和測量區中的被分析產品的體積密度調節測量區的路徑長度，並確保了測量結果的高精度且可再現性。
本發明的本質還在附圖中進行了說明，在這些附圖中圖1是用於測量鬆散樣品的光譜特性的所要求保護的裝置的示意圖；圖2是用於調節測量區的光路長度的單元的視圖；圖3是製成葉輪的分份取樣單元的其中一個實施例；圖4示出不同的葉片形狀以及葉片位置在輪上的順序；圖5是製成傳送帶的分份取樣單元；圖6示出不同的葉片形狀以及帶上的葉片型式；圖7是製成螺旋送料器的分份取樣單元的視圖，其帶有特殊形狀的自動閘板的附加裝置，用於測量區的水平部分區域的均勻樣品填充；圖8是製成螺旋送料器的測量區關閉單元的視圖；圖9是製成輪的測量區關閉單元的視圖；圖10是製成傳送帶的測量區關閉單元的視圖。
具體實施例方式
由於在裝載期間按份將樣品輸送到測量區，通過不同區域的順序填充而均勻填充測量區區域的水平部分，因此本公開的測量鬆散樣品的光譜特性的方法確保了測量區中的被分析樣品的高均勻性以及恆定的體積密度。此外，由於對測量區的光路長度進行調整，使得被分析產品在被測光譜範圍內的光學密度處於限定精度範圍內，因此本方法確保了測量的最高精度。而且，調節光路長度的可能性允許測量寬範圍內的具有根本不同光學特性的產品。
所要求保護的方法通過用於測量鬆散產品的光譜特性的裝置實現，該裝置包括裝料鬥1，其通過進口(接收部)孔2與分份取樣單元3相連(見圖1)。所述分份取樣單元通過專用通道4與測量區相連，該測量區位於該分份取樣單元下方並以光學室5的形式製成，在該處由測量單元6進行光譜特性的測量。為所述光學室配備用於調節該室的光路長度的單元7，或者將其設置成能夠更換具有不同光路長度的室。光學室5的底部由測量區關閉單元9關閉，在測量期間測量區關閉單元9阻止產品運動，而在測量後通過出口11將被分析部分排放到專用容器12。設置用於監測光學室填充水平的裝置8，該裝置8包括兩個光學傳感器，用於指示位於測量區5下方的最低產品高度hmin以及位於測量區5上方的最高高度hmax。
用於調節光路長度的單元7(見圖2)包括光學室的移動壁13、機電驅動器14以及用於測量光路長度的單元，該用於測量光路長度的單元包括壁初始位置(在測量期間光學室的最小長度)傳感器15以及用於測量光學室長度的傳感器(例如，驅動器轉動計數器)16。所要求保護的裝置的具體特徵在於，分份取樣單元3配備有用於將產品試樣均勻分份到測量區5內的專用裝置。這些裝置確保將相同體積的若干份(至少兩份)交替填充到測量區水平部分的不同區域。此外，通過根據被分析樣品的光學特性調節光路長度的可能性顯著提高了測量的可靠性。根據被分析產品在被測光譜範圍內的光學吸收選擇測量區5的長度，從而使得樣品的光學密度落入容許值的預置範圍內，因此所使用的測量單元6的動態範圍最佳並且信/噪比最高，這確保了測量結果的精度和可再現性。此外，當分份取樣單元和配量單元10同步時，填充水平指示單元8和以配量單元10形式的測量區關閉單元潛在地允許對被分析產品的體積進行非常精確的自動控制，這可用於在不將產品從測量區排出的情況下調節光學室5的光路長度，從而縮短分析時間並降低分析所需的樣品量。
進一步提供所述裝置的單元的不同實施例。
所述分份取樣單元可製成圖3所示的葉輪17的形式。被分析產品的顆粒(穀粒)的可能大小應當小於兩個相鄰葉片之間的容積(例如，大於玉米粒)，但同時葉片之間的容積應當容納足夠的產品以至少用兩份填滿光學室，因而該容積應當不大於測量區最小容積(具有最短路徑長度的測量區的容積)的一半。
相對於垂直於輪軸線的平面交替傾斜的葉輪用作用於順序將樣品均勻地交替裝載到測量區的水平部分的不同區域的裝置，葉片的表面形狀由葉片將產品裝載於其上的測量區的水平部分區域限定。例如，若葉片相對於垂直於轉動軸線的平面以角θ交替傾斜(見圖4)，則產品被裝載在光學室的不同部分中，這確保了光學室填充的高均勻性以及測量區中產品的恆定體積密度。圖4示出了葉片形狀的其它一些示例以及葉片在輪上的不同次序。為了提供用鬆散樣品完全填充葉輪以及提供單份的恆定容積，可使進口(接收部)2從通過輪的轉動軸線延伸的垂直線向一旁偏移(圖3)，並且將轉動方向選擇成使得輪的葉片向上轉動(向進口孔)。
出口孔11也可從通過輪的轉動軸線延伸的垂直線向一旁偏移(圖3)，這使得產品以最小厚度的均勻流動填充光學室。
所述分份取樣單元也可製成如圖5所示的傳送帶18的形式，帶上的葉片和空腔被製造成以等份進行產品裝載。被分析產品的顆粒(穀粒)的可能大小應當小於帶隔板的容積(例如，大於玉米)，但同時該容積應當容納足夠的產品以至少用兩份填滿光學室，因而該容積應當不大於測量區最小容積(具有最短路徑長度的測量區的容積)的一半。具有不同形狀並且以不同形式放置在帶上(圖6)的葉輪用作用於順序均勻地將樣品交替裝載到測量區的水平部分的不同區域的裝置，葉片形狀由葉片將產品裝載於其上的測量區的水平部分區域限定。例如，若葉片相對於帶運動方向以角θ交替傾斜(見圖6)，則產品被裝載在光學室的不同部分中，這確保了光學室填充的高均勻性以及測量區中產品的恆定體積密度。圖6示出了隔板形狀以及在帶上的形式的一些示例。
特殊形狀的自動閘板19用於打開測量區的水平部分的不同區域，其可用作用於順序將樣品均勻交替地裝載到測量區的水平部分的不同區域的裝置。圖7示出了這種閘板的實施例中的其中一個示例，其呈轉動的圓板形式，且在距轉動軸線不同的距離處設有孔。閘板19與分份取樣單元3同步。可實現具有與分份取樣單元相同驅動器的閘板的實施例。若使用閘板，則分份取樣單元可製成螺旋送料器20的形式(見圖7)。
此外，可在分份取樣單元3和光學室5之間安裝會分開產品流的擋板(見圖3)，從而使得在測量區的水平部分上按所需體積的份均勻填充光學室。擋板21的最簡單設計是平行於光束方向放置在通道4中並將通道4分隔成兩部分的板。當與葉輪形式的分份取樣單元4一起使用時，所述板使得通過通道4的兩個不同部分將產品裝載在光學室5中，從而確保光學室5的最緻密、均勻且可再現的填充。
要求測量區關閉單元9在光譜特性測量期間阻止產品流動以及將樣品從測量區移除。測量區關閉單元的最簡單模式為自動閘板，在這種情況下，當該閘板打開時，測量區的所有內容物都被排放。製成配量單元10形式的測量區關閉單元允許樣品按份排放並提供以高精度控制被分析樣品份的量的可能性，這可用於在不將產品從測量區排出的情況下調節光學室5的光路長度，從而縮短分析時間並使分析所需的樣品量最少化。所述配量單元可以以不同形式實現，例如，葉輪(見圖7)、螺旋送料器(見圖6)、或者傳送帶(見圖8)。
本裝置按以下方式操作將被測產品的樣品裝載在裝料鬥1中；利用光路長度調節單元7將所需光路長度設定成與被測光譜範圍中的期望光學吸收相對應；通過機電驅動器14進行所述調節，從而首先將可調光學室的移動壁13設在最小路徑長度位置，然後接通機電驅動器14以使壁13沿著增加光學室長度的方向移動；當移動壁經過初始位置時，控制該位置的傳感器觸發並且路徑長度測量傳感器檢測光學室的長度。當達到可調光學室5的所需長度時，使機電驅動器停止並接通分份取樣單元3開始填充光學室；將光學室填充到hmax高度，由高度指示單元8控制該過程，當達到hmax高度時，其發送信號以停止樣品裝載。
若將測量區關閉單元製成提供分份樣品排放的配量單元10的形式，則能夠精確監控測量區中的產品高度。若超過了最大高度，則配量單元10自動致動，並將超過hmax界限的一定量樣品排出直到達到期望界限，即，光學室5總是將產品裝載到同一高度。通過使恆定體積的分開的份隨後進入光學室5的水平部分的不同區域而進行填充，所述體積大於光學室最小路徑長度的一半(處於最小光路長度的光學室容積)，這確保了填充的均勻性和可再現性。
光學室5的這種裝載規則以及引入用於監測光學室8填充水平的單元8的可行性提供了光學室的均勻的可再現填充，並避免了由於分份取樣單元3的錯誤操作(例如，由於穀粒粘到裝料鬥的壁上)致使光學室的填充高度發生變化。在填充了光學室5後，使用測量單元6進行樣品光譜特性的第一測量。通過一起使用高度指示單元8和(以用於分份排放形式製成的)配量單元10，可通過測量單元6的輸出中的信號水平進行光路長度的精細調整，從而以高精度選擇樣品的光學密度以使得能夠有利於使用較寬的動態測量範圍。在光路長度調節期間，通過同步操作分份取樣單元3和配量單元10，使得光學室中的產品高度保持hmax不變。
例如，若有必要使光路長度變短，則同時接通配量單元10和光路長度調節單元，從而排放所需體積的產品。若有必要使光路長度變長，則接通分份取樣單元補充產品直到達到hmax高度。這樣，所述裝置允許在不完全將樣品從測量區排放的情況下重新調節光路長度。在測量了產品的第一樣品的光譜特性並且設置了最佳光路長度後，通過配量單元將第一樣品從光學室排出，而光路長度在整個樣品測量系列期間保持相同。當光學室中的產品高度低於hmin時，高度指示單元發出排放了第一被測樣品份的信號。
之後，將被測產品的第二份樣品裝載在光學室中。將樣品裝載到達hmax水平。之後測量該第二樣品的光譜特性，然後將該樣品從光學室排出，直到高度低於hmin，這確保徹底更新測量區中的被分析產品的樣品。然後對裝載周期、樣品光譜特性測量和排放重複進行幾次，通常為10至20次。在測量周期完成後，通過在測量區關閉單元9處於打開位置時或當樣品配量單元10在產品高度變得低於hmin之後的設定時間期間操作時分份取樣單元3的操作而從裝置完全排出產品。
由於測量區中的產品的均勻和可再現裝載以及根據測量區域中的產品的光學吸收調節光路長度的可能性，因此所要求保護的發明確保了測量結果的高可靠性和可再現性。所要求保護的發明的區別特徵在於，將被分析的樣品以相同體積的份輸送到測量區中，且順序裝載到測量區的水平部分的不同區域中，這提供了更均勻(具有恆定體積密度)且可再現的測量區填充。此外，不同元件的技術方案(葉輪的形狀、進口孔和出口孔的放置、傳送帶上的葉片形狀、自動閘板和擋板、測量區上方的放置)提供了具有最佳產品體積密度的樣品的更均勻和可再現的光學室填充。而且，光路長度調節的可能性允許測量具有根本不同的光學特性的寬範圍內的產品，而長度的精細調節使得能夠分析光學參數在寬範圍的值中變化的產品。
權利要求
1.一種測量鬆散產品的光譜特性的方法，其包括利用裝載裝置周期地將被測樣品輸送到測量區；在停止時記錄該樣品的光譜特性；接著將該樣品從測量區移除；其中按不少於兩份的份將樣品輸送到測量區中，以用於填充測量區；將相同體積的所述份交替放入測量區的水平部分的不同部分中，從而提供測量區內的產品的均勻填充和恆定體積密度；並且其中提供了對測量區的光路長度的再調節，以及在記錄期間根據被分析產品的光學特性對光譜特性的調節。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，根據被測樣品在被測光譜範圍內的光學吸收值設定測量區的所述光路長度，確保被分析樣品的光學密度值在用於最高精度測量的範圍內。
3.一種用於測量鬆散產品的光譜特性的裝置，其包括裝料鬥；進口(接收部)孔；分份取樣單元；測量區；測量單元；用於關閉測量區的單元；出口(排放)孔；以及樣品抽屜；其中在所述分份取樣單元中引入這樣的裝置，其用於將產品連續均勻交替地裝載到測量區的水平部分的不同區域，從而確保順序填充不少於兩份的相同體積，並且所述測量區配備有用於測量光路長度的裝置。
4.根據權利要求3所述的裝置，其特徵在於，所述分份取樣單元被製成葉輪，用於將產品均勻順序交替地填充到所述測量區的水平部分的不同區域的裝置被製成相對於垂直於輪軸線的平面交替傾斜的葉片，所述葉片的形狀由葉片將產品裝載於其上的測量區的水平部分的區域限定。
5.根據權利要求3所述的裝置，其特徵在於，所述分份取樣單元被製成傳送帶的形式，用於將產品均勻順序交替地填充到所述測量區的水平部分的不同區域的裝置被製成相對於所述帶的運動方向交替傾斜的葉片，所述葉片的形狀由葉片將產品裝載於其上的測量區的水平部分的區域限定。
6.根據權利要求3所述的裝置，其特徵在於，所述用於將產品均勻順序交替地填充到所述測量區的水平部分的不同區域的裝置允許在所述分份取樣單元和測量區之間放置一板，該板平行於光束方向並將連接所述樣品份裝載單元和所述測量區的通道分開。
7.根據權利要求3所述的裝置，其特徵在於，所述用於將產品均勻順序交替地填充到所述測量區的水平部分的不同區域的裝置設有製成轉動輪形式的閘板，其在距轉動軸線不同距離處設有孔，該閘板和所述分份取樣單元具有同一驅動器。
8.根據權利要求7所述的裝置，其特徵在於，所述分份取樣單元被製成螺旋送料器的形式。
9.根據權利要求3所述的裝置，其特徵在於，所述測量區配備有根據被測產品樣品的光譜特性和體積密度測量光路長度的裝置。
10.根據權利要求9所述的裝置，其特徵在於，所述用於測量測量區的光學長度的裝置以測量區的前移動壁、移動壁驅動單元和光學長度控制傳感器的形式製成。
11.根據權利要求9所述的裝置，其特徵在於，所述用於測量測量區的光學長度的裝置以一組具有不同光學長度的可更換的光學室的形式製成，所述光學長度從上側與樣品份裝載單元密切相關，從下側與測量區關閉單元密切相關。
12.根據權利要求3所述的裝置，其特徵在於，所述進口(接收部)孔和出口(排放)孔相對於通過所述輪的轉動軸線延伸的垂直線向一旁偏移。
13.根據權利要求3所述的裝置，其特徵在於，所述測量區關閉單元以配量裝置的形式製成，這允許產品從測量區分份排放。
14.根據權利要求13所述的裝置，其特徵在於，所述配量裝置以葉輪的形式製成。
15.根據權利要求13所述的裝置，其特徵在於，所述配量裝置以螺旋送料器的形式製成。
16.根據權利要求13所述的裝置，其特徵在於，所述配量裝置以傳送帶的形式製成。
全文摘要
本發明涉及分析儀器工程學，尤其是光譜學。本發明的用於測量鬆散產品的光譜特性的方法包括將產品分份供應到測量區域中。為了充分填充所述測量區域，裝載若干份(至少兩份)並充分地交替放置在測量區域的水平部分的不同區域內，從而提供測量區域中的產品的均勻分配和永久密度。然後，在停止時記錄樣品的光譜特性並將樣品從測量區域移除。本發明的用於測量鬆散產品的光譜特性的裝置包括進料鬥；進口(接收部)孔；分批裝載單元，其設有用於將產品均勻交替地分配到測量區域的水平部分的不同區域中的裝置；測量單元；用於關閉測量區域的單元；出口(卸載)孔；以及排放鬥。所述發明能夠在鬆散產品的光譜特徵測量期間確保測量區域中的產品的高均勻性和永久密度。
文檔編號G01F11/00GK1906477SQ200480040464
公開日2007年1月31日 申請日期2004年11月18日 優先權日2004年1月16日
發明者烏拉帝米爾·阿列克桑德羅維奇·祖布科夫, 烏拉帝米爾·安德烈耶維奇·迪莫費夫, 阿列克桑德·瓦烈裡耶維奇·沙姆賴 申請人:烏拉帝米爾·阿列克桑德羅維奇·祖布科夫, 烏拉帝米爾·安德烈耶維奇·迪莫費夫, 阿列克桑德·瓦烈裡耶維奇·沙姆賴