Россия, г. Санкт-Петербург
ул. Политехническая, дом 22

+7 (812) 986-23-55 - отдел продаж

+7 (911) 841-97-80 - отдел сервиса

info@ekan.spb.ru

Новости

 

 

                  

 

 

 

 

 

бесплатные пуско-наладочные работы для инфраскан

 

Cуть проблемы

Определение качества пшеницы в России производится согласно ГОСТ 9353-2016 «Пшеница. Технические условия». В этом документе указано, какие анализы и измерения необходимо провести для определения основного интегрального показателя качества пшеницы – её класса.

Оценка класса пшеницы занимает продолжительное время, так как значительная часть работы производится вручную - определение типового состава, отмывание клейковины, определение стекловидности, оценка поврежденности вредителями и т.д. При этом значительная часть межлабораторной погрешности таких измерений обусловлена необъективностью органолептических методов анализа. С учетом данных фактов, разработка оборудования и нормативной базы для инструментальных экспресс-методов определения качества зерна является актуальной задачей.

Один из показателей качества пшеницы, требующих определения согласно ГОСТ 9353-2016 – стекловидность пшеницы. Процедура проведения анализа описана в ГОСТ 10987-76. Сам метод сводится к визуальной оценке прозрачности зерен, просвеченных однородным световым потоком. В процессе проведения анализа подсчитывается количество стекловидных (прозрачных), частично стекловидных (полупрозрачных) и мучнистых (непрозрачных) зерен в пробе, после чего вычисляется результат. То есть, лаборант вручную заполняет зернами специальную кассету с ячейками и устанавливает кассету в диафаноскоп, который представляет собой корпус с источником света внутри (рис. 1б).

Рис. 1б. Диафаноскоп ДС с кассетой

Затем лаборант через окуляр рассматривает ряд зерен из 10 штук и «на глаз» оценивает прозрачность каждого, записывая промежуточный результат. После оценки всех десяти рядов вычисляется окончательный результат. Конечно, любой современный человек заметит архаичность такого подхода к измерениям и это неудивительно – ГОСТ 10987-76 был введен в действие более 40 лет назад. Следует отметить, что моральное устаревание метода – не самая главная его проблема. Гораздо более существенна большая длительность и крайняя субъективность анализа. Дело в том, что зрительное восприятие каждого человека уникально, каждый по-своему трактует словесные описания стекловидных, частично стекловидных и мучнистых зерен в ГОСТе. Кроме того, визуальные ощущения даже одного человека изменяются в зависимости от многих факторов, среди которых время суток, освещенность рабочего места, состояние здоровья, монотонность работы, усталость глаз и т.д. Существенную погрешность измерения вносит также использование различных источников света, используемых в диафаноскопах. Ситуация, когда вместо перегоревшей рекомендованной лампы накаливания устанавливается первая попавшаяся под руку встречается достаточно часто. Эти и многие другие факты привели нас к идее создания современного автоматического инструмента для определения стекловидности пшеницы.

В данный момент развитие производства фоточувствительных матриц и распространение персональных компьютеров позволяет создать устройство для получения цифрового изображения зерна с последующей программной оценкой его стекловидности. А с учетом использования массовой продукции электронной промышленности стало реальным обеспечить приемлемую стоимость изделия.

История создания диафаноскопа Янтарь

В первую очередь следует отметить, что наш прибор (рис. 1а) является программно-аппаратным решением, то есть его можно условно разделить на две части – корпус с источником питания, источником света, камерой, механизмом открывания и т.д. и программную часть, которая позволяет автоматизировать определение стекловидности и архивировать результаты.

Рис. 1а. Диафаноскоп «Янтарь»
Рис. 1а. Диафаноскоп «Янтарь»

Рис. 1а. Диафаноскоп «Янтарь»

Аппаратная часть прибора выполняет ту же функцию, что и диафаноскоп ДС-1 – создает равномерный световой поток, просвечивающий зерно. В отличие от ДС-1 в диафаноскопе Янтарь вместо окуляра была установлена цифровая камера, которая передаёт изображение на компьютер для математического анализа. В качестве источника света мы применили светодиодную матрицу со временем наработки на отказ, в несколько десятков раз превышающим время наработки лампы накаливания. Разработанная оптическая схема прибора позволила анализировать всю пробу сразу, в отличие от ДС-1, где просвечивается 10 зерен (оператор вручную передвигает кассету для анализа всей пробы).

В первой версии программы была решена задача полностью повторить процедуру определения стекловидности ГОСТ 10987-76. Схема работы прибора при этом сводилась к следующим действиям:

Рис. 2. Выбор мучнистых и стекловидных зерен
Рис. 2. Выбор мучнистых и стекловидных зерен

Рис. 2. Выбор мучнистых и стекловидных зерен

  1. Заполнить кассету – аналог кассеты ДС-1 пробой зерна из 100 штук и поместить ее в прибор;
  2. На экране монитора выбрать все стекловидные, а затем все мучнистые зерна (рис. 2);
  3. Получить результат подсчёта.

Данная программа не позволяла получить серьезного ускорения процесса измерения, зато обеспечила комфорт человеку. Во-первых, оператор видит всю пробу (100 зерен) сразу и не отвлекается на запись и подсчет промежуточных результатов. Во-вторых, программа позволяет автоматически вычислять результаты и вести архив измерений, сохраняя значения стекловидности и соответствующие изображения проб зерна.

Следующим этапом стало математическое описание стекловидности пшеницы. Для этого была получена оценка стекловидности нескольких тысяч отдельных зерен. С помощью диафаноскопа Янтарь были получены изображения каждого зерна, и по этим данным построено уравнение линейной регрессии для оценки стекловидности. С помощью уравнения, имея цифровое изображение пробы, можно оценить прозрачность каждого зерна и отнести его к стекловидным, частично стекловидным или мучнистым. Программная реализация этой оценки стала основной ключевой особенностью электронного диафаноскопа «Янтарь» и с данного момента можно было говорить о появлении экспресс-метода оценки стекловидности пшеницы. В этот момент мы столкнулись с проблемой отсутствия единых эталонов зерна и отсутствия единой шкалы для определения стекловидности. Дело в том, что в разных регионах при оценке разных сортов пшеницы существуют свои устоявшиеся представления о данном показателе. Для устранения этой проблемы было принято решение находить эталоны в каждой пробе при каждом измерении. То есть в процессе работы человек определяет эталоны стекловидного, частично стекловидного и мучнистого зерна, а далее алгоритм оценивает всю пробу, ориентируясь на прозрачность выбранных эталонов. Работы прибора сводилась к следующим действиям:

Рис. 3. Пример выбранных эталонов
Рис. 3. Пример выбранных эталонов

Рис. 3. Пример выбранных эталонов

  1. Заполнить кассету пробой зерна из 100 штук и поместить ее в прибор;
  2. На экране монитора выбрать эталоны стекловидного, частично стекловидного и мучнистого зерен (рис. 3);
  3. Получить результат оценки.

Таким образом, метод позволил в разы сократить время анализа и повысить его объективность, так как большая часть рутинной работы перешла к алгоритму оценки.

В дальнейшем был замечен еще один устранимый недостаток ДС-1 – кассета с фиксированным размером ячеек. Для заполнения такой кассеты требуется довольно много времени, особенно если зерна по размеру и форме отличаются от стандартных. Но при использовании нашего подхода в раскладывании пробы по рядам нет необходимости, поэтому была разработана кассета без ячеек, которая исключала процедуру раскладки зерна. Новая кассета имеет плоское прозрачное дно и позволяет засыпать порядка четырех сотен зерен. В остальном порядок работы не изменился, а репрезентативность пробы увеличилась.

Перечисленный комплекс мер по автоматизации анализа стекловидности пшеницы позволил проводить измерения менее чем за минуту, автоматически архивировать результаты анализа и исходные данные, а также повысить объективность определения стекловидности.

После начала производства приборов в ходе взаимодействия с пользователями диафаноскопов, начальниками лабораторий выяснился немаловажный факт: в лабораториях все анализы стекловидности стараются доверить одному человеку для получения наиболее воспроизводимых результатов. Такой подход несет в себе проблемы: человек может быть в отпуске, на больничном или занят другой работой. Это особенно актуально для больших организаций, где измерения проводятся постоянно в несколько смен. По этой причине многие лаборатории заинтересованы в объективном анализе зерна и мы регулярно получали предложения о реализации полностью автоматической оценки стекловидности пшеницы.

В 2018 году этот метод был реализован и апробирован. Суть его состоит в настройке прибора по образцам пшеницы. То есть, имея некоторое количество образцов пшеницы с ранее определенной стекловидностью, можно по этим пробам выработать усредненный критерий, позволяющий отнести зерно к стекловидному, частично стекловидному или мучнистому. Затем этот критерий можно сохранить и использовать в ежедневной работе, получая результаты, не зависящие от лаборанта.

Программная реализация метода позволяет пользователю настроить прибор по образцам пшеницы. Дальнейшая работа с прибором сводится к правильной пробоподготовке зерна и не требует специального обучения лаборанта.

Опыт использования диафаноскопа Янтарь

Апробация диафаноскопа проводилась на таких крупных предприятиях как ФГБУ «Центр оценки качества зерна» в г. Казань (рис. 5), ГУП «Продовольственный фонд» (ОАО «Невская мельница»). Особое содействие в совершенствовании программного обеспечения прибора оказали сотрудники ФГБУ НИИПХ Росрезерва. Диафаноскоп вызвал интерес не только в России, но и Казахстане и Беларуси. Разработанный прибор неоднократно представлялся на выставках и научно-практических семинарах, в том числе «Зерно-Комбикорма-Ветеринария», «Зернохранилища», «Оценка качества и безопасности зерна и продуктов его переработки», «KazAgro» и удостаивался наград.

Лаборатория ФГБУ Центр оценки качества зерна г. Казань
Лаборатория ФГБУ Центр оценки качества зерна г. Казань

Лаборатория ФГБУ Центр оценки качества зерна г. Казань

В ходе работы по созданию, совершенствованию, внедрению диафаноскопа была доказана практическая возможность автоматизации визуальной оценки стекловидности, были выделены слабые места действующих стандартов, получен серьезный опыт в использовании современных достижений в областях электроники, оптики, вычислительной техники. Но главный итог деятельности в том, что многие люди положительно оценили данный подход к анализу, многие структуры уже внедрили его (среди них ФГБУ «Россельхозцентр», ФГБУ «Центр оценки качества зерна», ОАО «Казаньзернопродукт» и т.д.) и улучшили свою производительность. Положительные результаты проведённых исследований, доведённые до приборной реализации в диафаноскопе ЯНТАРЬ, открыли для нас новое направление в разработке не имеющих аналогов современных приборов, которое мы назвали оптико-компьютерной диагностикой.

В настоящее время в нашей фирме ведутся работы по созданию приборов для анализа других органолептических показателей качества зерна.

Р.Ю.Антонов, инженер-исследователь ООО «ЭКАН»

скачать в формате .PDF