RU2122025C1 - Device for assessing quality of organic or inorganic products - Google Patents

Abstract

FIELD: instruments. SUBSTANCE: device has detector and computer which analog-to-digital converter is designed as video grabber which has 256 brightness levels and 33 ms sampling and receives signal from video camera. After sampling image of container with tested objects is stored in computer memory and processed by special program. Processor counts number of test objects and displays image on monitor and generates control signals, which are sent to detector into container movement unit. Electronic circuit for control movement has additional power supply and is equipped with additional amplitudes for generation of control signals in circuit for switching windings of step electric motor. EFFECT: increased reliability, increased validity of recognition. 2 dwg

Description

Изобретение относится к области оценки качества продуктов живой и неживой природы. Целью изобретения является возможность оценки качества продуктов питания человека и животных, воды, грунтов, почвы и влияния деятельности человека на окружающую среду. Для достижения поставленной цели применяется устройство, использующее биологические тест-объекты, состоящее из биодетектора и компьютера, отличающееся тем, что в компьютере в качестве аналого-цифрового преобразователя используют видеограббер, имеющий 256 градаций по яркости и время оцифровки 33 м/с, сигнал на который поступает с видеокамеры, и после оцифровки изображение емкости с тест-объектами записывается в оперативную память компьютера и обрабатывается специальной программой, по управлением которой процессор компьютера подсчитывает количество тест-объектов, передает изображение на монитор и вырабатывает сигналы управления, поступающие в биодетектор на блок перемещения емкостей, в который введена электронная схема управления перемещением, снабженная отдельным источником питания и имеющая в электрической цепи включения обмоток двигателя дополнительные усилители-формирователи сигналов управления. The invention relates to the field of assessing the quality of products of animate and inanimate nature. The aim of the invention is the ability to assess the quality of food products of humans and animals, water, soil, soil and the impact of human activities on the environment. To achieve this goal, a device is used that uses biological test objects, consisting of a biodetector and a computer, characterized in that a video grabber having 256 gradations in brightness and a digitization time of 33 m / s, the signal for which is used as an analog-to-digital converter comes from the video camera, and after digitization, the image of the capacitance with test objects is recorded in the computer’s RAM and processed by a special program that controls the computer’s processor m number of test objects, transmits an image to the monitor and generates control signals in biodetektor to block movement of the containers, into which the electronic motion control circuit provided with a separate power supply and having a circuit activating the motor windings additional amplifiers conditioners control signals.

Устройство для оценки качества продуктов живой и неживой природы, основанное на использовании биологических тест-объектов, относится к области оценки качества продуктов питания человека и животных, а также водных источников, грунтов, почвы. Кроме того, данное устройство может быть применено для оценки влияния деятельности человека на окружающую среду, например: интегральной оценки токсичности сточных вод, разработки предельно-допустимых концентраций пестицидов, тяжелых металлов, углеводородов нефти и других ксенобиотиков, поступающих в водоемы, токсикологический контроль и нормирование компонентов буровых жидкостей (при добыче нефти и газа), новых продуктов химического синтеза, контроль химического загрязнения окружающей среды и т. д. A device for assessing the quality of products of animate and inanimate nature, based on the use of biological test objects, relates to the field of assessing the quality of human and animal food products, as well as water sources, soils, and soil. In addition, this device can be used to assess the impact of human activities on the environment, for example: integrated assessment of toxicity of wastewater, development of maximum permissible concentrations of pesticides, heavy metals, oil hydrocarbons and other xenobiotics entering water bodies, toxicological control and standardization of components drilling fluids (during oil and gas production), new products of chemical synthesis, control of chemical pollution of the environment, etc.

В настоящее время применяется прибор, основанный на этом принципе, позволяющий оценить качество кормовых продуктов с точки зрения безопасности для животных (определяющий степень токсичности) и состоящий из биотедектора и компьютера. At present, a device based on this principle is used that allows assessing the quality of feed products from the point of view of safety for animals (determining the degree of toxicity) and consisting of a bio-detector and a computer.

Биодетектор представляет собой устройство, состоящее из:
- микроскопа;
- объединенными в планшетку емкостей с тест-объектами, например простейшими одноклеточными животными - инфузориями, стилонихиями (Stylonochia mytilus);
- источника освещения емкостей с инфузориями;
- видеокамеры;
- блока перемещения вышеуказанных емкостей под оптической системой микроскопа, который состоит из планшетного столика, редуктора и шагового двигателя.A biodetector is a device consisting of:
- a microscope;
- containers with test objects combined in a tablet, for example, the simplest unicellular animals - ciliates, styonychia (Stylonochia mytilus);
- a source of illumination of containers with ciliates;
- video cameras;
- a block for moving the above containers under the optical system of the microscope, which consists of a tablet table, a gearbox and a stepper motor.

Компьютер содержит электронную плату аналого-цифрового преобразователя и управления перемещением, соединенную с видеокамерой и блоком перемещения в биодетекторе. The computer contains an electronic board for an analog-to-digital converter and motion control connected to a video camera and a motion block in a biodetector.

Общий принцип работы известного прибора заключается в следующем. The general principle of operation of the known device is as follows.

Свет, отражаемый от емкости с инфузориями, проходит через оптическую систему микроскопа и попадает на видеокамеру, где происходит преобразование светового потока в аналоговый электрический сигнал. Этот сигнал с видеокамеры поступает в компьютер на электронную плату аналого-цифрового преобразователя и управления перемещением планшетки с емкостями, содержащими тест-объектами. Затем цифровой сигнал обрабатывается специальной программой, составленной на основании электрической схемы указанной платы и конкретного типа видеокарты (видеоадаптера) и оцифрованное изображение записывается в оперативную память данной видеокарты, в результате чего появляется изображение инфузорий на экране монитора. The light reflected from the container with infusoria passes through the optical system of the microscope and enters the video camera, where the light flux is converted into an analog electric signal. This signal from the camcorder enters the computer on the electronic board of an analog-to-digital converter and controls the movement of the tablet with capacities containing test objects. Then the digital signal is processed by a special program compiled on the basis of the electric circuit of the specified board and a specific type of video card (video adapter) and the digitized image is recorded in the RAM of this video card, as a result of which the image of ciliates appears on the monitor screen.

Данное устройство описано в журнале "Комбикормовая промышленность" N 5 от 05.09.96, стр. 16. Статья "Автобиоанализатор - прибор для определения токсичности" Авторы: Цвылев О.П., Гроздов А.О., Иванова Е.Г. Устройство разработано для автоматизации определения качества продуктов питания животных-комбикормов, с помощью биологических тест-объектов по ГОСТ 13496.7-92 "Зерно фуражное, продукты его переработки, комбикорма. Методы определения токсичности". Авторы: Н.В. Лисицина, С.Н. Шкатова, Т.К. Новосельцева, О.П. Цвылев, Е.Н. Харенко, А.О. Гроздов. This device is described in the journal "Feed industry" N 5 from 09/05/96, p. 16. Article "Auto-analyzer - a device for determining toxicity" Authors: Tsylev OP, Grozdov A.O., Ivanova EG The device is designed to automate the determination of food quality of animal feed, using biological test objects according to GOST 13496.7-92 "Feed grain, its processed products, animal feed. Methods for determining toxicity". Authors: N.V. Lisitsina, S.N. Shkatova, T.K. Novoseltseva, O.P. Tsvylev, E.N. Kharenko, A.O. Grozdov.

Недостатки описанного устройства:
Электронная плата преобразования аналогового сигнала в цифровой имеет ряд существенных недостатков. Диапазон градаций каждого пикселя по яркости имеет всего 64 уровня и длительное время обработки изображения (200 м/с), что вносит дополнительную погрешность, существенно снижающую достоверность распознавания инфузорий, особенно в мутных средах.The disadvantages of the described device:
The electronic circuit board converting an analog signal to digital has a number of significant drawbacks. The range of gradations of each pixel in brightness has only 64 levels and a long image processing time (200 m / s), which introduces an additional error that significantly reduces the reliability of recognition of ciliates, especially in turbid environments.

Программа, управляющая данной платой, позволяет применять описанное устройство только для оценки токсичности кормовых продуктов, при этом является закрытой системой и не позволяет использовать полученную информацию для дальнейшего автоматизированного дифференцированного анализа токсикантов. The program that controls this board allows you to use the described device only to assess the toxicity of feed products, while it is a closed system and does not allow the use of the information obtained for further automated differentiated analysis of toxicants.

Кроме того, эта плата оцифровки содержит и электрическую схему управления двигателем, перемещающим емкости с инфузориями под оптической системой микроскопа. При этом для питания двигателя используется источник питания компьютера, что вызывает возникновение дополнительных электрических высокочастотных помех, снижающих достоверность результатов анализа, при этом снижается и общая надежность работы устройства в целом. In addition, this digitization board also contains an electric circuit for controlling the engine moving the containers with ciliates under the optical system of the microscope. At the same time, a computer power source is used to power the engine, which causes additional electrical high-frequency interference that reduces the reliability of the analysis results, while the overall reliability of the device as a whole is also reduced.

Для устранения указанных недостатков в предлагаемом устройстве в компьютере в качестве аналого-цифрового преобразователя используют видеограббер (типа Fly-Video), имеющий 256 градаций по яркости и время оцифровки 33 м/с (оцифровка в реальном времени), сигнал на который поступает с видеокамеры, и после оцифровки видеограббером изображение емкости с инфузориями записывается в оперативную память компьютера и обрабатывается специально разработанной программой, являющейся открытой системой, передающей после обработки изображение на монитор, и управляющей процессором компьютера для выработки сигналов управления, которые через параллельный порт компьютера поступают на блок перемещения емкостей в биодетекторе. В блок перемещения емкостей с тест-объектами введена электронная схема управления перемещением, снабженная отдельным источником питания и имеющая в электрической цепи включения обмоток двигателя дополнительные усилители-формирователи сигналов управления. To eliminate these shortcomings in the proposed device, a video grabber (Fly-Video type) with 256 gradations in brightness and a digitization time of 33 m / s (real-time digitization), which receives a signal from a video camera, is used as an analog-to-digital converter in a computer. and after digitization by a video grabber, the image of the container with ciliates is recorded in the computer’s RAM and processed by a specially developed program, which is an open system that transfers the image to the monitor after processing, and ravlyaetsya computer processor for generating control signals through the parallel port of a computer unit provided to move the containers in biodetektore. An electronic motion control circuit has been introduced into the unit for moving containers with test objects, equipped with a separate power source and having additional control signal conditioning amplifiers in the electric circuit for switching on the motor windings.

На фиг. 1 представлено устройство для оценки качества продуктов живой и неживой природы, блок-схема; на фиг. 2 - устройство для оценки качества продуктов живой и неживой природы, фрагмент электронной схемы. In FIG. 1 shows a device for assessing the quality of products of animate and inanimate nature, a block diagram; in FIG. 2 - a device for assessing the quality of products of animate and inanimate nature, a fragment of an electronic circuit.

Устройство для оценки качества продуктов живой и неживой природы состоит из биодетектора (1) и компьютера (2). Биодетектор содержит блок перемещения (3), который включает в себя шаговый двигатель (4), редуктор (5), планшетный столик (6) и электронную схему управления перемещения (7); емкости с инфузориями, объединенные в планшетку (8); оптической системы микроскопа (9); видеокамеры (10); источника освещения емкостей с инфузориями (11). A device for assessing the quality of products of animate and inanimate nature consists of a biodetector (1) and a computer (2). The biodetector comprises a movement unit (3), which includes a stepper motor (4), a gearbox (5), a tablet table (6) and an electronic movement control circuit (7); containers with ciliates combined into a tablet (8); optical system of a microscope (9); video cameras (10); a source of illumination of containers with ciliates (11).

В состав компьютера включен видеограббер (12), осуществляющий аналого-цифровое преобразование сигнала, поступающего с видеокамеры. Запись оцифрованного сигнала производится в оперативную память компьютера (13) с помощью специальной программы (14), обрабатывающей оцифрованный сигнал с целью подсчета тест-организмов, передающей далее сигнал в виде изображения емкости с инфузориями на видеоадаптер (15) и монитор (16) компьютера, управляющей процессором (17), который вырабатывает сигналы управления перемещением емкостей с тест-объектами, поступающие через параллельный порт компьютера (18) на блок перемещения биодетектора, имеющий отдельный источник питания (19). The computer includes a video grabber (12), which performs analog-to-digital conversion of the signal received from the video camera. The digitized signal is recorded in the computer’s RAM (13) using a special program (14) that processes the digitized signal in order to count test organisms, and then transmits the signal in the form of a capacity image with infusoria to the video adapter (15) and computer monitor (16), the control processor (17), which generates control signals for moving containers with test objects coming through the parallel port of a computer (18) to a biodetector moving unit with a separate power supply (19).

Электронная схема управления перемещением емкостей, включающая в себя 4 одинаковых блока, каждый из которых формирует управляющие сигналы для одной из 4-х обмоток шагового двигателя и состоит из входного формирователя логических сигналов (20), дополнительного усилителя-формирователя (21), выходного усилителя (22),
Работа устройства для оценки качества продуктов живой и неживой природы начинается с подготовительного этапа, в ходе которого включается компьютер (2), отдельный источник питания (19) блока перемещения (3) планшетки с емкостями (8), видеокамера (10), источник освещения (11) объединенных в планшетку емкостей (8), в которые вносится жидкость с тест-объектами. Планшетка (8) устанавливается для перемещения на планшетном столике (6), соединенном с редуктором (5) и шаговым двигателем (4).An electronic circuit for controlling the movement of capacities, which includes 4 identical units, each of which generates control signals for one of the 4 windings of a stepper motor and consists of an input driver of logical signals (20), an additional amplifier-former (21), and an output amplifier ( 22)
The operation of the device for assessing the quality of products of animate and inanimate nature begins with the preparatory stage, during which the computer (2), a separate power source (19) of the moving unit (3) of the tablet with containers (8), a video camera (10), a light source ( 11) containers (8) combined into a tablet into which liquid with test objects is introduced. The plate (8) is installed for movement on the tablet table (6) connected to the gearbox (5) and the stepper motor (4).

После чего активизируется специальная программа (14), управляющая биодетектором (1) и процессором (17) компьютера (2). В биодетекторе (1) изображение емкости с инфузориями (8) через оптическую систему микроскопа (9) и видеокамеру (10) поступает в виде аналогового сигнала на видеограббер (12), осуществляющий аналого-цифровое преобразование изображения. After that, a special program (14) that controls the biodetector (1) and the processor (17) of the computer (2) is activated. In the biodetector (1), the image of the container with infusoria (8) through the optical system of the microscope (9) and the video camera (10) is supplied in the form of an analog signal to a video grabber (12), which performs analog-to-digital image conversion.

Программа (14) управляет работой видеограббера (12) и записывает оцифрованное изображение в оперативную память (13) компьютера (2). Последующая обработка изображения программой (14) состоит в распознавании подвижных тест-объектов (инфузорий) и подсчете их количества. В ходе анализа качества продуктов тест-объекты в заданном количестве емкостей планшетки (8) подсчитываются несколько раз: первый раз - до введения пробы исследуемого продукта (тест-объекты - в чистой жидкости), второй и последующие подсчеты - через заданные промежутки времени после введения пробы. Программа (14) просчитывает разницу между первым и последующими подсчетами, динамику изменения этой разницы и на основании полученных результатов оценивает степень токсичности исследуемого продукта. Программа (14) также передает изображение емкости с тест-объектами из оперативной памяти (13) компьютера на видеоадаптер (15) и монитор (16). Кроме того, под управлением программы процессор (17) компьютера (2) вырабатывает сигналы, поступающие через порт, параллельный компьютера (18), в блок перемещения (3) биодетектора (1) на электронную схему управления перемещением (7), которая формирует управляющие сигналы для шагового двигателя (4), соединенного с редуктором (5). The program (14) controls the operation of the video grabber (12) and writes the digitized image to the RAM (13) of the computer (2). Subsequent image processing by program (14) consists in recognizing movable test objects (ciliates) and counting their number. In the course of analyzing the quality of products, test objects in a given number of container capacities of a tablet (8) are counted several times: the first time — before the sample of the test product is introduced (test objects — in a clean liquid), the second and subsequent counts — at specified intervals after the introduction of the sample . Program (14) calculates the difference between the first and subsequent calculations, the dynamics of this difference, and on the basis of the results obtained, estimates the degree of toxicity of the test product. The program (14) also transfers the image of the capacitance with test objects from the RAM (13) of the computer to the video adapter (15) and monitor (16). In addition, under the control of the program, the processor (17) of the computer (2) generates signals arriving through a port parallel to the computer (18) to the displacement unit (3) of the biodetector (1) to the electronic displacement control circuit (7), which generates control signals for a stepper motor (4) connected to a gearbox (5).

Входной формирователь логических сигналов (20) электронной схемы управления перемещением (7) восстанавливает прямоугольную форму электрических сигналов, поступивших от компьютера (2). С выхода формирователя (20) сигналы поступают на промежуточный усилитель-формирователь (21), который обеспечивает необходимый входной ток выходного усилителя (22). Нагрузкой выходного усилителя (22) является одна из 4-х обмоток шагового двигателя (4) блока перемещения (3) в биодетекторе (1). The input logic signal generator (20) of the electronic motion control circuit (7) restores the rectangular shape of the electrical signals received from the computer (2). From the output of the driver (20), the signals are fed to an intermediate amplifier-driver (21), which provides the necessary input current of the output amplifier (22). The load of the output amplifier (22) is one of the 4 windings of the stepper motor (4) of the displacement unit (3) in the biodetector (1).

Устройство для оценки качества продуктов живой и неживой природы, сочетающее биологические методы определения качества и компьютерный анализ, позволяет быстро и надежно определять степень токсичности исследуемых проб. A device for assessing the quality of products of animate and inanimate nature, combining biological methods for determining quality and computer analysis, allows you to quickly and reliably determine the degree of toxicity of the samples.

Специально разработанная программа, являющаяся открытой системой и работающая в среде Windows 3.x, существенно расширила сферу применения данного устройства, кроме оценки токсичности продуктов питания для животных можно определять качество продуктов питания человека, воды, грунтов, почв, осуществлять быстрый и эффективный контроль загрязнения окружающей среды. A specially designed program, which is an open system and runs on Windows 3.x, has significantly expanded the scope of this device, in addition to assessing the toxicity of food for animals, you can determine the quality of human food, water, soil, soil, and quickly and effectively control environmental pollution Wednesday.

Программа имеет стандартный интерфейс в стиле Windows 3.x, контекстную помощь и подробную справочную систему, что позволяет легко осваивать ее и удобно работать с данным устройством. The program has a standard interface in the style of Windows 3.x, contextual help and a detailed help system, which makes it easy to learn and conveniently work with this device.

Программа позволяет также осуществить удобную настройку системы, определение токсичности одного или нескольких проб продуктов в заданном числе лунок и запись промежуточных результатов на диск и чтение их с диска. The program also allows you to conveniently configure the system, determine the toxicity of one or more product samples in a given number of holes, and record intermediate results on a disk and read them from disk.

Описываемое устройство под управлением этой программы позволяет подсчитывать количество подвижных тест-объектов, сравнивать их количество до введения пробы исследуемого продукта и через заданное время после введения пробы. На основании полученной разницы программа определяет степень токсичности продукта. The described device under the control of this program allows you to count the number of movable test objects, compare their number before the introduction of the sample of the test product and after a specified time after the introduction of the sample. Based on the difference received, the program determines the degree of toxicity of the product.

Для исследования факторов внешней среды повторные подсчеты проводятся многократно через заданные промежутки времени в автоматическом режиме. Далее анализируется характер кривой восстановления подвижности тест-объектов и принимается решение о качестве исследуемой пробы. To study environmental factors, repeated counts are carried out repeatedly at specified intervals in automatic mode. Next, we analyze the nature of the mobility recovery curve of test objects and decide on the quality of the test sample.

Полученная в результате анализов информация сохраняется в базе данных и легко интегрируется с информацией, полученной на автоматизированных аналитических приборах оценки качества. The information obtained as a result of the analysis is stored in a database and is easily integrated with the information obtained on automated analytical instruments for assessing quality.

Применение в устройстве видеограббера типа Fly Video позволило повысить точность подсчета тест-объектов и соответственно точность определения токсичности исследуемых проб. Этот видеограббер оцифровывает изображение в формате 640х480 с числом градаций по яркости каждого пикселя равным 256. Это позволяет с высокой степенью достоверности распознавать движущиеся тест-объекты на неоднородном фоне дна емкости с тест-объектами и ее боковых стенок. Время обработки аналогового сигнала, поступающего на видеограббер с видеокамеры составляет 33 м/с, при этом стоп-кадр, полученный после оцифровки, отражает все подвижные тест-объекты без эффекта "размазанности". Данный видеограббер записывает оцифрованное изображение в оперативную память компьютера, что существенно ускоряет дальнейший процесс обработки изображения и позволяет системе быть независимой от аппаратных средств компьютера. The use of a Fly Video type video grabber in the device made it possible to increase the accuracy of the calculation of test objects and, accordingly, the accuracy of determining the toxicity of the studied samples. This video grabber digitizes an image in the format of 640x480 with the number of gradations in brightness of each pixel equal to 256. This allows a high degree of certainty to recognize moving test objects against the inhomogeneous background of the tank bottom with test objects and its side walls. The processing time of the analog signal input to the video grabber from the video camera is 33 m / s, while the freeze frame obtained after digitization reflects all moving test objects without the “smearing” effect. This video grabber writes the digitized image to the computer’s RAM, which significantly speeds up the further image processing and allows the system to be independent of the computer hardware.

Электронная схема управления шаговым двигателем имеет отдельный источник питания, который исключает электрические помехи, понижающие общую достоверность результатов анализа на токсичность. Общая надежность системы увеличивается в связи с использованием в составе компьютера только серийно выпускаемых в заводских условиях компонентов и применением электрической развязки питания шагового двигателя и питания компьютеров. The electronic control circuit of the stepper motor has a separate power source, which eliminates electrical noise that reduces the overall reliability of the results of the toxicity analysis. The overall reliability of the system increases due to the use of only commercially available components in the factory as part of the computer and the use of electrical isolation of the power of the stepper motor and the power of the computers.

Claims (1)

Устройство для оценки качества продуктов живой и неживой природы, содержащее компьютер и биодетектор, включающий блок перемещения емкостей с тест-объектами, источник освещения, оптическую систему, сообщенную с видеокамерой, которая посредством аналого-цифрового преобразователя сообщена с соответствующим входом компьютера, отличающееся тем, что в блок перемещения емкостей с тест-объектами введена электронная схема управления перемещением, выполненная в виде отдельного источника питания для этой схемы и последовательно связанными для каждой обмотки шагового двигателя блока перемещения емкостей с тест-объектами формирователем логического сигнала, дополнительным усилителем-формирователем и выходным усилителем, выходы каждого из которых подключены к соответствующим обмоткам шагового двигателя, а входы формирователей логического сигнала подключены к соответствующим выходам параллельного порта компьютера, причем в качестве аналого-цифрового преобразователя использован аналого-цифровой преобразователь аналогового сигнала видеокамеры в цифровой с временем обработки кадра, равным 33 м/с. A device for assessing the quality of products of animate and inanimate nature, containing a computer and a biodetector, including a unit for moving containers with test objects, a lighting source, an optical system in communication with a video camera, which is connected via an analog-to-digital converter to the corresponding computer input, characterized in that an electronic circuit for controlling the movement, made in the form of a separate power source for this circuit and connected in series for each winding of the stepper motor of the tank moving block with test objects by a logic signal shaper, an additional amplifier-shaper and an output amplifier, the outputs of each of which are connected to the corresponding windings of the stepper motor, and the inputs of the shapers of the logical signal are connected to the corresponding outputs of the parallel computer port, and as analog-to-digital converter used an analog-to-digital converter of the analog signal of the video camera to digital with the processing time frame edges equal to 33 m / s.

Images