Автоматизация сортирования сельскохозяйственной продукции

Важной операцией при закладке картофеля на хранение является его сортировка по размерам, отделение комков земли, камней, а также клубней, пораженных гнилью и фитофторозом. Необходимость сортировки посадочного картофеля вызвана тем, что в процессе хранения приблизительно 15…20% клубней семенного картофеля поражаются различными гнилями, основную часть из которых составляет сухая гниль.

Затраты ручного труда на отделение загнивших клубней перед посадкой составляют 20…30% общих трудозатрат на производство картофеля, а посадка несортированного картофеля приводит к недобору 15…20% урожая.

Для сортировки картофеля разработаны оптические, радиоизотопные и температурные методы обнаружения загнивших клубней и клубней, пораженных фитофторозом, а также комков почвы и камней.

Рассмотрим принцип работы оптической установки для автоматической сортировки клубней картофеля, использующей специальную характеристику коэффициентов отражения клубней. Спектральные характеристики коэффициентов отражения здоровых и больных клубней, как и комков почвы и камней, имеют большие различия на определенных длинах волн X.

Установка для автоматической сортировки клубней картофеля работает следующим образом. Клубни картофеля 4 (рис. 7.5) из бункера-питателя 3 поступают на роликовый транспортер, который поштучно их выстраивает и, вращая, перемещает в зону оптического осмотра. Отраженный от клубня оптический поток инфракрасных излучений проходит через объектив 6 и анализатор изображения 7 на делитель излучения 8. С делителя излучений оптический поток, разделяемый на два канала, поступает через конденсаторы 9 и фильтры 10 к фотоприемникам 11. Анализатор изображения позволяет поочередно осматривать (сканировать) поверхность клубня.

От фотоприемников сигналы, пропорциональные коэффициентам отражения оптического потока от поверхности клубня на двух длинах волн (0,95 и 1,25 мкм), поступают на электронный блок обработки 12. Электронный блок 12 определяет разность Рис. 7.5. Схема установки для автоматической сортировки клубней картофеля:

1 — электропривод; 2 — транспортер; 3 — бункер-питатель; 4 — клубни картофеля; 5— оптические иалучатели; 6 — объектив; 7—анализатор изображения; ^—делитель излучения; 9 — конденсаторы; 10— оптические фильтры; 11 — фотоприемники; 12— блок обработки информации; 13— исполнительный механизм; /-/—заслонка; 15, 16— емкости соответственно для отходов и здоровых клубней между этими сигналами посредством вычитания. В результате на выходе блока 12 появляется сигнал, который передается на исполнительный механизм 13 только от поврежденного клубня или комков почвы и камней. В этом случае электромеханический исполнительный механизм 13 поворачивает заслонку 14 и направляет гнилой клубень или инородные тела в емкость /5для отходов.

При осмотре здорового клубня разность сигналов от обоих фотоэлементов положительная, исполнительный механизм 13 не срабатывает, а клубень свободно падает в емкость 16. Время передачи клубней из зоны осмотра в емкость согласуется со временем прохождения его мимо заслонки 14. Производительность современной установки составляет 6 клубней в секунду, или около 2 т/ч, погрешность работы 5… 10% в зависимости от загрязненности поверхности, а на мокрых клубнях доходит до 30%.

Плоды томатов сортируют по размерам и зрелости, а также отделяют плоды, поврежденные болезнями. По размерам плоды томатов сортируют на механических калибровочных машинах. При разделении по зрелости и отделении больных плодов замеряют упругость и жесткость кожицы плодов или их оптические отражательные свойства.

На рисунке 7.6, а показан принцип разделения плодов на три фракции по зрелости, а точнее по цвету их поверхности. Плод 1 в свободном падении пролетает через центр фотометрической камеры J, где он облучается осветителями 2 видимого излучения. Отраженные от плода излучения, многократно преломляясь на внутренней, окрашенной в белый цвет поверхности камеры, попадают на светочувствительные фотоэлементы 4.

При отсутствии плода потоки видимого излучения от источников, направленные навстречу друг другу, создают незначительную освещенность в камере.

При пересечении плодом светового потока фотоэлементы 4 воспринимают отраженный поток определенного спектра, завися;

Рис. 7.6. Схема автоматической сортировки томатов (а) и яблок (б):

/ — плод; 2—осветители; 3 — фотометрическая камера; 4— фотоэлементы; 5 — усилительно-преобразовательное устройство; 6—исполнительный механизм; 7—заслонка; 8— привод сканирующего устройства щего от зрелости (цвета) плода /. Сигналы фотоэлементов суммируются и в виде результирующего сигнала подаются на усилительно-преобразовательное устройство 5, которое при помощи исполнительного механизма 6 с заслонкой 7 разделяет плоды на три фракции: I (зеленые), II (белые) и III (красные).

Для сортировки плодов яблок, имеющих поврежденную поверхность от механических ударов или пятна на кожуре от болезней, используют сканирующие устройства (рис. 7.6, б). В сканирующей системе видимое излучение от осветителя 2, управляемого при помощи электропривода, поэлементно освещает поверхность плода. Отраженный луч воспринимается фотоэлементом 4 и направляется в усилительно-преобразовательное устройство 5. Значение выходного сигнала U (t) фотоэлемента зависит от состояния поверхности плода и изменяется во времени по форме, показанной на нижней части рисунка 7.6, б.

Усилительно-преобразовательное устройство 5 вычисляет площадь повреждения.

где л —число строк сканирования поврежденного участка поверхности плода (заштрихованная часть на рисунке); Ь и /3 — время пересечения сканирующим лучом границ соответственно поврежденного и неповрежденного участков.

Для сортировки объектов по размеру с выхода устройства 5 к исполнительному механизму ИМ сортирующей установки пода;

ют сигнал, пропорциональный площади S_M медианного сечения объекта:

где к — коэффициент пропорциональности; t и и — время пересечения сканирующим лучом профиля плода; т — число строк сканирования поверхности объекта.

Для автоматической сортировки листьев табака на три товарных сорта предложено использовать их отражательные свойства и цветовые характеристики в стандартной калориметрической системе RGB. Последний показатель тесно связан с характеристикой сортности листьев: к первому сорту относят желтые листья с содержанием темной зелени до 20% площади листа, ко второму — с содержанием темной зелени до 50%, к третьему сорту — свыше 50%. Сортирующее устройство определяет процент темной зелени на площади листьев табака, в зависимости от которого разделяет листья на три сорта.

Принцип действия сортирующего устройства показан на рисунке 7.7. Листья табака 4 поступают на транспортер 2 из подающего устройства 3. Транспортер при помощи электропривода 1

Рис. 7.7. Схема распознающего устройства (а) и электронного блока (б) автоматической сортировки листьев табака на три товарных сорта:

У — электропривод транспортера; 2 — транспортер; 3 — подающее устройство листьев табака; 4— лист табака; 5 — осветитель; 6 — объектив; 7 — сканирующий диск с электроприводом; 8— конденсатор; 9— светорасщепляющая оптика с дихроическими зеркалами; 10— корректирующий фильтр; 11 — фотоэлементы; /2—электронный блок анализа; У3— пневматические исполнительные механизмы; 14 — компрессор; 15, 16 — усилители-компараторы; 17, 18— логические элементы И; 19— вычислительное устройство; 20, 21, 22— компараторы; 23, 24, 25— реле исполнительных механизмов; 26—блок индикации; У, 11, 111— емкости для приема листьев табака соответствующего сорта; ГГИ— генератор тактовых импульсов переносит листья в зону сканирования. Оптический поток осветителя 5, отражаясь от листа, проходит через объектив 6, отверстие сканирующего диска 7 и конденсатор 8 на светорасщепляющую оптику 9 с дихроическими зеркалами.

В оптике 9 поток отраженного излучения разделяется на два канала, в которых при помощи фильтров 10 выделяются участки спектров G и R. Оптические сигналы, пропорциональные площадям участков С и Л, воспринимаются фотоэлементами 11 и передаются в виде напряжений Ur и U_c на электронный блок анализа 12. В электронном блоке напряжения U₀" определяют границу разделения между цветовыми характеристиками Ли G. Вычислительное устройство 79 совместно с логическими элементами И 17, 18 определяет значение темно-зеленой площади S_G и желтой площади S_R листа и вычисляет процент темно-зеленой площади:

Генератор тактовых импульсов ГТИ включает в работу логические элементы только при попадании листа табака в поле объектива и сбрасывает результаты вычисления при его уходе.

Выходной сигнал с вычислительного устройства поступает на компараторы 20, 21 и 22, которые разделяют его на три канала в соответствии с определенным сортом листа. С компараторов сигналы проходят на индикатор 26, определяющий количество листьев по сортам, и на реле 23, 24 и 25. Листья первого сорта свободно направляются в емкость /, листья второго и третьего сортов при помощи реле 24, 25и пневматических механизмов 13—в емкости II и III. Питание пневматических механизмов осуществляется от воздушного компрессора 14. Устройство обеспечивает погрешность сортировки 4,5% и производительность до 10 листьев в секунду или 65 кг/ч.

Электрические, оптические, тепловые и акустические свойства сельскохозяйственной продукции используют также при создании новых приборов контроля зрелости арбузов, посевных качеств семян, содержания жира и белка в молоке, свежести яиц, упитанности животных и т. п.