CN1906477B - 松散产品的光谱特性的测量方法及其实现装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及分析仪器工程学，尤其是光谱学。本发明的用于测量松散产品的光谱特性的方法包括将产品分份供应到测量区域中。为了充分填充所述测量区域，装载若干份(至少两份)并充分地交替放置在测量区域的水平部分的不同区域内，从而提供测量区域中的产品的均匀分配和永久密度。然后，在停止时记录样品的光谱特性并将样品从测量区域移除。本发明的用于测量松散产品的光谱特性的装置包括：进料斗；进口(接收部)孔；分批装载单元，其设有用于将产品均匀交替地分配到测量区域的水平部分的不同区域中的装置；测量单元；用于关闭测量区域的单元；出口(卸载)孔；以及排放斗。所述发明能够在松散产品的光谱特征测量期间确保测量区域中的产品的高均匀性和永久密度。

Description

松散产品的光谱特性的测量方法及其实现装置
技术领域
本发明涉及一种分析仪器，尤其是光谱学、光谱方法，并涉及用于根据测量区中的一份被测样品的补充而测量松散产品的光谱特性的装置，并且本发明可用于定性和定量分析，例如，整粒的特性分析。
背景技术
红外光谱学方法已应用于工业和农业中，它们允许在运输和存储期间对不同生产阶段的产品特性进行快速测试。例如，通常认可的做法是紧接收割后、在将谷物装入储存仓之前、在运输后以及在用于播种或烘焙前，对谷粒进行光谱分析以确定其特性以及诸如水分、蛋白质含量等的成分。
对于光谱分析结果的主要要求是其可靠性和再现性。松散产品分析的具体特征是样品由于其特性的光学不均匀性，因而在分析期间必须对样品的不同区域或者同一样品的若干份进行测量然后进行平均。因此，对于获得可靠并可再现的结果来说关键是用松散产品从样品到样品地恒定而可再现地填充测量区。
已知一种测量松散样品的光谱特性的方法(参考文献1、2)，该方法包括用松散产品手动填充光学室、将该光学室放置在测量区中、在填充后的光学室的若干区域中测量产品的光谱特性，在测量期间利用专用扫描装置固定所述光学室并使其在所述测量之间移动。可以通过光学室的线性运动(参考文献1)或转动(参考文献2)进行扫描。
该方法的主要缺点在于必须手动填充光学室，这降低了填充的可再现性和分析速度，并且还提高了成本。在有必要进行大量产品的快速分析的情况下(例如，在收割期间将谷物装入储存仓前)，这变得很重要。此外，分析结果取决于填充光学室的精确程度(即，操作者的技能)。
已知一种用于测量松散产品的光谱特性的装置(参考文献1)，其包括光学室、用于移动该光学室的装置以及测量装置。
但是所述已知装置不具有任何自动装载和排放被测样品的装置。使用了一组具有不可重新调节的固定路径长度的光学室。
已知一种用于测量松散产品的光谱特性的方法和装置(参考文献3)。该方法包括以下步骤：在重力影响下将产品输送到测量区中；用放置在测量区下方的闸板阻止测量区中的样品；通过振动压实产品；测量处于静止状态的样品的光谱特性；以及通过打开闸板排放样品。
用于实现该已知方法的装置包括：松散产品在其中运动的通道(管道)；测量区，其中松散流动具有沿重力的分量；测量光学窗；用于光谱测量的光学单元；阀(闸板)，其放置在测量光学窗下方，用于锁定测量区以保持该区中的产品；附加通道的分支(旁路)，其位于测量区上方用于提供测量区中的产品以及通过主通道(管道)的产品流的恒定高度；以及产生振动以使样品致密的驱动器。
所述方法及其实现装置提供样品的自动装载和排放。通过产品的恒定高度并通过在测量前通过摇动来压实样品以使其致密，来获得测量区中产品的恒定且可再现的密度。
该测量松散样品的光谱特性的方法及其实现装置的主要缺点在于，用于使测量区中形成致密产品的振动可能会导致该装置的光学单元失调，这又会导致测量结果的可靠性和可再现性降低，而用于防止光学单元振动的各种方法会显著增加装置的复杂性及其成本。
参考文献4中所描述的方法和装置通过基本参数的组合而最接近本发明。该方法包括：利用分份取样用的装置将样品输送到测量区，该装置装载一定量部分的产品；测量区实现为一立轴，该立轴在装载样品以及测量期间通过专用锁定装置而在底部关闭，然后记录处于静止状态的样品的光谱特性。这样，在测量期间样品运动或静止，但在样品静止时测量光谱特性。
用于实现测量光谱特性的该已知方法的装置包括：装载料斗；制成叶轮的分份取样单元；立轴；光谱特性测量单元；周期地关闭立轴的锁定单元；以及排料斗。
所述方法及其实现装置确保了样品的自动装载和排放，这提高了分析速度并可确保结果与操作者的技能无关。
但是本方法和装置未提供在测量区中具有期望精度的产品的恒定体积密度。该装置未提供用于严格控制装载在测量区中的样品体积的装置，从而可能会导致测量区中的产品体积密度显著不均匀，例如当测量高水分含量的产品时由于粘到装载轮的叶片上的样品(这非常可能)就会引起这种不均匀。而且，失去了根据被分析产品的光谱特性调节光路长度的可能性，这降低了分析的精度和可再现性。
参考文献
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日公开的国际申请No.WO 98/45678，M∏K G01N1/20，21/35。
4.2002年10月30日公开的国际申请No.WO 02/086473 A2，M∏K G01N21/85。
发明内容
本发明的任务在于通过提供测量区中的被分析产品的高均匀性和恒定体积密度来获得光谱测量结果的高可靠性和可再现性。
利用下列发明完成了设定的任务：
1.利用测量松散产品的光谱特性的方法，该方法包括：按份将所述产品输送到测量区中；将若干份(至少两份)交替装载到测量区的水平部分的不同区域中，从而提供完全填充以确保测量区中的产品的均匀装载和恒定体积密度；以及在测量期间改变测量区的光路长度的可能性，以根据被分析样品的光学特性调节所述长度，并且从测量区顺序排出所述样品。
2.利用测量松散样品的光谱特性的方法，其中根据被分析样品在被测光谱范围内的光学吸收值设定测量区的光路长度，这确保了被测样品的光学密度处于对应于测量的最高精度的范围内。
3.利用测量松散产品的光谱特性的装置，该装置包括：装料斗；进口(接收部)孔；分份取样单元，其具有用于将产品连续均匀地交替装载到测量区的水平部分的不同区域的装置；测量区；测量单元；用于关闭测量区的单元；出口(排放)孔；以及样品抽屉；其中所述用于连续均匀地装载产品的装置确保顺序填充不少于两份的相同体积，并且所述测量区配备有用于根据在被测光谱范围内的样品吸收值调节光路长度的装置。
提供了用于将产品连续均匀地交替装载到测量区的水平部分的不同区域的装置的不同实施例。
提供了作为配量单元的测量区关闭单元的实施例，该配量单元进行样品从测量区的分份排放。
提供了某些单元的不同实施例。
本发明的本质在于，提供了一些参数的组合，其通过分份装载使产品在测量区的水平部分区域上均匀分布而使得能够在松散产品的光谱特性测量期间在测量区中取得高度均匀性以及恒定的产品体积密度，其允许根据被测光谱范围内的光学吸收和测量区中的被分析产品的体积密度调节测量区的路径长度，并确保了测量结果的高精度且可再现性。
附图说明
本发明的本质还在附图中进行了说明，在这些附图中：
图1是用于测量松散样品的光谱特性的所要求保护的装置的示意图；
图2是用于调节测量区的光路长度的单元的视图；
图3是制成叶轮的分份取样单元的其中一个实施例；
图4示出不同的叶片形状以及叶片位置在轮上的顺序；
图5是制成传送带的分份取样单元；
图6示出不同的叶片形状以及带上的叶片型式；
图7是制成螺旋送料器的分份取样单元的视图，其带有特殊形状的自动闸板的附加装置，用于测量区的水平部分区域的均匀样品填充；
图8是制成螺旋送料器的测量区关闭单元的视图；
图9是制成轮的测量区关闭单元的视图；
图10是制成传送带的测量区关闭单元的视图。
具体实施方式
由于在装载期间按份将样品输送到测量区，通过不同区域的顺序填充而均匀填充测量区区域的水平部分，因此本公开的测量松散样品的光谱特性的方法确保了测量区中的被分析样品的高均匀性以及恒定的体积密度。此外，由于对测量区的光路长度进行调整，使得被分析产品在被测光谱范围内的光学密度处于限定精度范围内，因此本方法确保了测量的最高精度。而且，调节光路长度的可能性允许测量宽范围内的具有根本不同光学特性的产品。
所要求保护的方法通过用于测量松散产品的光谱特性的装置实现，该装置包括装料斗1，其通过进口(接收部)孔2与分份取样单元3相连(见图1)。所述分份取样单元通过专用通道4与测量区相连，该测量区位于该分份取样单元下方并以光学室5的形式制成，在该处由测量单元6进行光谱特性的测量。为所述光学室配备用于调节该室的光路长度的单元7，或者将其设置成能够更换具有不同光路长度的室。光学室5的底部由测量区关闭单元9关闭，在测量期间测量区关闭单元9阻止产品运动，而在测量后通过出口11将被分析部分排放到专用容器12。设置用于监测光学室填充水平的装置8，该装置8包括两个光学传感器，用于指示位于测量区5下方的最低产品高度hmin以及位于测量区5上方的最高高度hmax。
用于调节光路长度的单元7(见图2)包括光学室的移动壁13、机电驱动器14以及用于测量光路长度的单元，该用于测量光路长度的单元包括壁初始位置(在测量期间光学室的最小长度)传感器15以及用于测量光学室长度的传感器(例如，驱动器转动计数器)16。所要求保护的装置的具体特征在于，分份取样单元3配备有用于将产品试样均匀分份到测量区5内的专用装置。这些装置确保将相同体积的若干份(至少两份)交替填充到测量区水平部分的不同区域。此外，通过根据被分析样品的光学特性调节光路长度的可能性显著提高了测量的可靠性。根据被分析产品在被测光谱范围内的光学吸收选择测量区5的长度，从而使得样品的光学密度落入容许值的预置范围内，因此所使用的测量单元6的动态范围最佳并且信/噪比最高，这确保了测量结果的精度和可再现性。此外，当分份取样单元和配量单元10同步时，填充水平指示单元8和以配量单元10形式的测量区关闭单元潜在地允许对被分析产品的体积进行非常精确的自动控制，这可用于在不将产品从测量区排出的情况下调节光学室5的光路长度，从而缩短分析时间并降低分析所需的样品量。
进一步提供所述装置的单元的不同实施例。
所述分份取样单元可制成图3所示的叶轮17的形式。被分析产品的颗粒(谷粒)的可能大小应当小于两个相邻叶片之间的容积(例如，大于玉米粒)，但同时叶片之间的容积应当容纳足够的产品以至少用两份填满光学室，因而该容积应当不大于测量区最小容积(具有最短路径长度的测量区的容积)的一半。
相对于垂直于轮轴线的平面交替倾斜的叶轮用作用于顺序将样品均匀地交替装载到测量区的水平部分的不同区域的装置，叶片的表面形状由叶片将产品装载于其上的测量区的水平部分区域限定。例如，若叶片相对于垂直于转动轴线的平面以角θ交替倾斜(见图4)，则产品被装载在光学室的不同部分中，这确保了光学室填充的高均匀性以及测量区中产品的恒定体积密度。图4示出了叶片形状的其它一些示例以及叶片在轮上的不同次序。为了提供用松散样品完全填充叶轮以及提供单份的恒定容积，可使进口(接收部)2从通过轮的转动轴线延伸的垂直线向一旁偏移(图3)，并且将转动方向选择成使得轮的叶片向上转动(向进口孔)。
出口孔11也可从通过轮的转动轴线延伸的垂直线向一旁偏移(图3)，这使得产品以最小厚度的均匀流动填充光学室。
所述分份取样单元也可制成如图5所示的传送带18的形式，带上的叶片和空腔被制造成以等份进行产品装载。被分析产品的颗粒(谷粒)的可能大小应当小于带隔板的容积(例如，大于玉米)，但同时该容积应当容纳足够的产品以至少用两份填满光学室，因而该容积应当不大于测量区最小容积(具有最短路径长度的测量区的容积)的一半。具有不同形状并且以不同形式放置在带上(图6)的叶轮用作用于顺序均匀地将样品交替装载到测量区的水平部分的不同区域的装置，叶片形状由叶片将产品装载于其上的测量区的水平部分区域限定。例如，若叶片相对于带运动方向以角θ交替倾斜(见图6)，则产品被装载在光学室的不同部分中，这确保了光学室填充的高均匀性以及测量区中产品的恒定体积密度。图6示出了隔板形状以及在带上的形式的一些示例。
特殊形状的自动闸板19用于打开测量区的水平部分的不同区域，其可用作用于顺序将样品均匀交替地装载到测量区的水平部分的不同区域的装置。图7示出了这种闸板的实施例中的其中一个示例，其呈转动的圆板形式，且在距转动轴线不同的距离处设有孔。闸板19与分份取样单元3同步。可实现具有与分份取样单元相同驱动器的闸板的实施例。若使用闸板，则分份取样单元可制成螺旋送料器20的形式(见图7)。
此外，可在分份取样单元3和光学室5之间安装会分开产品流的挡板(见图3)，从而使得在测量区的水平部分上按所需体积的份均匀填充光学室。挡板21的最简单设计是平行于光束方向放置在通道4中并将通道4分隔成两部分的板。当与叶轮形式的分份取样单元4一起使用时，所述板使得通过通道4的两个不同部分将产品装载在光学室5中，从而确保光学室5的最致密、均匀且可再现的填充。
要求测量区关闭单元9在光谱特性测量期间阻止产品流动以及将样品从测量区移除。测量区关闭单元的最简单模式为自动闸板，在这种情况下，当该闸板打开时，测量区的所有内容物都被排放。制成配量单元10形式的测量区关闭单元允许样品按份排放并提供以高精度控制被分析样品份的量的可能性，这可用于在不将产品从测量区排出的情况下调节光学室5的光路长度，从而缩短分析时间并使分析所需的样品量最少化。所述配量单元可以以不同形式实现，例如，叶轮(见图7)、螺旋送料器(见图6)、或者传送带(见图8)。
本装置按以下方式操作：将被测产品的样品装载在装料斗1中；利用光路长度调节单元7将所需光路长度设定成与被测光谱范围中的期望光学吸收相对应；通过机电驱动器14进行所述调节，从而首先将可调光学室的移动壁13设在最小路径长度位置，然后接通机电驱动器14以使壁13沿着增加光学室长度的方向移动；当移动壁经过初始位置时，控制该位置的传感器触发并且路径长度测量传感器检测光学室的长度。当达到可调光学室5的所需长度时，使机电驱动器停止并接通分份取样单元3开始填充光学室；将光学室填充到hmax高度，由高度指示单元8控制该过程，当达到hmax高度时，其发送信号以停止样品装载。
若将测量区关闭单元制成提供分份样品排放的配量单元10的形式，则能够精确监控测量区中的产品高度。若超过了最大高度，则配量单元10自动致动，并将超过hmax界限的一定量样品排出直到达到期望界限，即，光学室5总是将产品装载到同一高度。通过使恒定体积的分开的份随后进入光学室5的水平部分的不同区域而进行填充，所述体积大于光学室最小路径长度的一半(处于最小光路长度的光学室容积)，这确保了填充的均匀性和可再现性。
光学室5的这种装载规则以及引入用于监测光学室8填充水平的单元8的可行性提供了光学室的均匀的可再现填充，并避免了由于分份取样单元3的错误操作(例如，由于谷粒粘到装料斗的壁上)致使光学室的填充高度发生变化。在填充了光学室5后，使用测量单元6进行样品光谱特性的第一测量。通过一起使用高度指示单元8和(以用于分份排放形式制成的)配量单元10，可通过测量单元6的输出中的信号水平进行光路长度的精细调整，从而以高精度选择样品的光学密度以使得能够有利于使用较宽的动态测量范围。在光路长度调节期间，通过同步操作分份取样单元3和配量单元10，使得光学室中的产品高度保持hmax不变。
例如，若有必要使光路长度变短，则同时接通配量单元10和光路长度调节单元，从而排放所需体积的产品。若有必要使光路长度变长，则接通分份取样单元补充产品直到达到hmax高度。这样，所述装置允许在不完全将样品从测量区排放的情况下重新调节光路长度。在测量了产品的第一样品的光谱特性并且设置了最佳光路长度后，通过配量单元将第一样品从光学室排出，而光路长度在整个样品测量系列期间保持相同。当光学室中的产品高度低于hmin时，高度指示单元发出排放了第一被测样品份的信号。
之后，将被测产品的第二份样品装载在光学室中。将样品装载到达hmax水平。之后测量该第二样品的光谱特性，然后将该样品从光学室排出，直到高度低于hmin，这确保彻底更新测量区中的被分析产品的样品。然后对装载周期、样品光谱特性测量和排放重复进行几次，通常为10至20次。在测量周期完成后，通过在测量区关闭单元9处于打开位置时或当样品配量单元10在产品高度变得低于hmin之后的设定时间期间操作时分份取样单元3的操作而从装置完全排出产品。
由于测量区中的产品的均匀和可再现装载以及根据测量区域中的产品的光学吸收调节光路长度的可能性，因此所要求保护的发明确保了测量结果的高可靠性和可再现性。所要求保护的发明的区别特征在于，将被分析的样品以相同体积的份输送到测量区中，且顺序装载到测量区的水平部分的不同区域中，这提供了更均匀(具有恒定体积密度)且可再现的测量区填充。此外，不同元件的技术方案(叶轮的形状、进口孔和出口孔的放置、传送带上的叶片形状、自动闸板和挡板、测量区上方的放置)提供了具有最佳产品体积密度的样品的更均匀和可再现的光学室填充。而且，光路长度调节的可能性允许测量具有根本不同的光学特性的宽范围内的产品，而长度的精细调节使得能够分析光学参数在宽范围的值中变化的产品。

Claims (16)

1.一种测量松散产品的光谱特性的方法，其包括：利用装载装置周期地将被测样品输送到测量区；在停止时记录该样品的光谱特性；接着将该样品从测量区移除；其中按不少于两份的份将样品输送到测量区中，以用于填充测量区；将相同体积的所述份交替放入测量区的水平部分的不同部分中，从而提供测量区内的产品的均匀填充和恒定体积密度；并且其中提供了对测量区的光路长度的再调节，以及在记录期间根据被分析产品的光学特性对光谱特性的调节。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据被测样品在被测光谱范围内的光学吸收值设定测量区的所述光路长度，确保被分析样品的光学密度值在用于最高精度测量的范围内。
3.一种用于测量松散产品的光谱特性的装置，其包括：装料斗；进口孔；分份取样单元；测量区；测量单元；用于关闭测量区的单元；出口孔；以及专用容器；其中在所述分份取样单元中引入这样的装置，其用于将产品连续均匀交替地装载到测量区的水平部分的不同区域，从而确保顺序填充不少于两份的相同体积，并且所述测量区配备有用于测量光路长度的装置。
4.根据权利要求3所述的用于测量松散产品的光谱特性的装置，其特征在于，所述分份取样单元被制成叶轮，用于将产品均匀顺序交替地填充到所述测量区的水平部分的不同区域的装置被制成相对于垂直于轮轴线的平面交替倾斜的叶片，连续的所述叶片之间空间的容积被选定为由叶片成份交替装载到测量区的不同区域中的产品不超过测量区最小容积的一半，所述测量区最小容积是具有最短路径长度的测量区的容积。
5.根据权利要求3所述的用于测量松散产品的光谱特性的装置，其特征在于，所述分份取样单元被制成传送带的形式，用于将产品均匀顺序交替地填充到所述测量区的水平部分的不同区域的装置被制成相对于所述带的运动方向交替倾斜的叶片，连续的所述叶片之间空间的容积被选定为由叶片成份交替装载到测量区的不同区域中的产品不超过测量区最小容积的一半，所述测量区最小容积是具有最短路径长度的测量区的容积。
6.根据权利要求3所述的用于测量松散产品的光谱特性的装置，其特征在于，所述用于将产品均匀顺序交替地填充到所述测量区的水平部分的不同区域的装置允许在所述分份取样单元和测量区之间放置一板，该板平行于光束方向并将连接所述样品份装载单元和所述测量区的通道分开。
7.根据权利要求3所述的用于测量松散产品的光谱特性的装置，其特征在于，所述用于将产品均匀顺序交替地填充到所述测量区的水平部分的不同区域的装置设有制成转动轮形式的闸板，其在距转动轴线不同距离处设有孔，该闸板和所述分份取样单元具有同一驱动器。
8.根据权利要求7所述的用于测量松散产品的光谱特性的装置，其特征在于，所述分份取样单元被制成螺旋送料器的形式。
9.根据权利要求3所述的用于测量松散产品的光谱特性的装置，其特征在于，所述测量区配备有根据被测产品样品的光谱特性和体积密度测量光路长度的装置。
10.根据权利要求9所述的用于测量松散产品的光谱特性的装置，其特征在于，所述用于测量测量区的光路长度的装置以测量区的前移动壁、移动壁驱动单元和光路长度控制传感器的形式制成。
11.根据权利要求9所述的用于测量松散产品的光谱特性的装置，其特征在于，所述用于测量测量区的光路长度的装置以一组具有不同光路长度的可更换的光学室的形式制成，所述光路长度从上侧与样品份装载单元密切相关，从下侧与测量区关闭单元密切相关。
12.根据权利要求3所述的用于测量松散产品的光谱特性的装置，其特征在于，所述进口孔和出口孔相对于通过所述轮的转动轴线延伸的垂直线向一旁偏移。
13.根据权利要求3所述的用于测量松散产品的光谱特性的装置，其特征在于，所述测量区关闭单元以配量装置的形式制成，这允许产品从测量区分份排放。
14.根据权利要求13所述的用于测量松散产品的光谱特性的装置，其特征在于，所述配量装置以叶轮的形式制成。
15.根据权利要求13所述的用于测量松散产品的光谱特性的装置，其特征在于，所述配量装置以螺旋送料器的形式制成。
16.根据权利要求13所述的用于测量松散产品的光谱特性的装置，其特征在于，所述配量装置以传送带的形式制成。
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