Paweł Kiełbasa, Piotr Budyn Katedra Eksploatacji Maszyn Rolniczych Akademia Rolnicza w Krakowie ZASTOSOWANIE TECHNIKI WIDEO-KOMPUTEROWEJ PRZY WYZNACZANIU CECH FIZYCZNYCH BULW Streszczenie Procesy wydzielania plonu ziemniaków na separatorach mechanicznych oparte są na róŝnicy cech fizycznych pomiędzy bulwami i pozostałymi składnikami masy redliny. Badano, czy istnieje wpływ gatunku gleby na współczynniki sferyczności i współczynnik tarcia zewnętrznego bulw. Trzyletnie badania prowadzono na glebie lekkiej i średniozwięzłej. Odnotowano wpływ gatunku gleby na badane czynniki, naleŝy jednak zaznaczyć, Ŝe nie we wszystkich przypadkach róŝnice pomiędzy średnimi wartościami są statystycznie istotne. Słowa kluczowe: bulwa, współczynniki sferyczności bulw, współczynnik tarcia kinetycznego bulw Wykaz oznaczeń A - długość bulwy, cm B - szerokość bulwy, cm C - grubość bulwy, cm Ε - wskaźnik wypełnienia gabarytowego, g/cm µ - współczynnik tarcia kinetycznego bulwy F - siła tarcia bulwy, N F c - cięŝar bulwy, N m bc - masa bulwy, g P - ciśnienie bulwy na powierzchnię trącą, MPa S rz - maksymalna powierzchnia rzutu bulw na płaszczyznę, cm 2 S ś - powierzchnia styku bulwy z podłoŝem trącym, cm 2 W a - współczynnik wydłuŝenia bulw - współczynnik spłaszczenia bulw W c Wprowadzenie W rolnictwie krajowym kombajny do zbioru ziemniaków wyposaŝone są w separatory typu Packmana i typu Peisa. Proces rozdzielania mieszaniny na tych separatorach opiera się na róŝnicy we własnościach fizycznych separowanych składników, takich jak gęstość, kształt i współczynnik 4
tarcia zewnętrznego [Gilewicz 979]. Sprawność tych separatorów nie przekracza 7%. Tarcie występuje tam, gdzie odbywa się ruch materiałów, a więc takŝe w czasie transportu, czyszczenia i sortowania ziemniaków. Tarcie zewnętrzne występuje między materiałem roślinnym a powierzchnią elementów roboczych maszyn, dlatego dokładna analiza oraz pełne rozpoznanie tego zjawiska jest rzeczą konieczną przy projektowaniu nowych maszyn do zbioru i obróbki pozbiorowej plonu ziemniaków oraz optymalizacji procesów technologicznych [Ślipek i in. 999]. W procesie separacji a takŝe transportu na taśmociągach waŝną cecha fizyczną jest pole powierzchni maksymalnego rzutu separowanych składników mieszaniny bulw i typowych zanieczyszczeń plonu ziemniaków, a tak- Ŝe pole powierzchni styku i ciśnienie wywierane przez te składniki na podłoŝe. Trudności techniczne i ekonomiczne w rozwiązywaniu skomplikowanych technologii separacji mechanicznej kamieni i brył ziemi i związane z nim trudności wydzielania ich z plonu, uzasadniają celowość prowadzenia badań związanych z własnościami fizycznymi składników separowanej mieszaniny. Celem badań była analiza wpływu gatunku gleby na wskaźniki sferyczności i zewnętrzny współczynnik tarcia kinetycznego bulw o podłoŝe gumowe. Przedmiot i warunki badań Doświadczenie metodą długich łanów załoŝono na gatunkach gleb zaliczonych do gleb lekkich (-4% części spławialnych) i gatunkach gleb zaliczonych do gleb średniozwięzłych (7-4% części spławialnych). Stosowano mechaniczno-chemiczną uprawę międzyrzędową. Badania prowadzono w latach 2, 2 i 22 w miejscowościach: Dobczyce i Mydlniki koło Krakowa. Miejscowości te są połoŝone w centralnej części województwa małopolskiego. Badaniami objęto dwie odmiany ziemniaków: Irga i Baszta, a kwalifikowany materiał sadzeniakowy frakcji 4 cm corocznie nabywano w Stacji Nasiennej Małopolskiej Hodowli Roślin. UŜyte do badań odmiany są odmianami jadalnymi o średnich wymaganiach glebowych i kształcie bulw okrągło owalnym. Ilość opadów i przebieg temperatury powietrza w okresie wegetacji ziemniaków w latach 2-22 (dane ze stacji Uniwersytetu Jagiellońskiego w Gaiku Brzezowej i Krakowa) przedstawiono na rysunku. 44
glliniasty lekki 2 8 6 4 2 słaboglliniasty 7 6 4 2 Okres wegetacyjny I Okres wegetacyjny III 2 2 glliniasty lekki 8 6 4 2 Glina średnia pylasta 2 8 6 4 2 Okres wegetacyjny II Okres wegetacyjny I 2 2 Pył ilasty 8 6 4 2 Okres wegetacyjny II 2 Glina średnia pylasta 8 6 4 2 Okres wegetacyjny III 2 Rys.. Rozkład dekadowy opadów i temperatur powietrza w okresie wegetacji ziemniaków w latach 2-22 [Kiełbasa 2] Fig.. Distribution of decade precipitation and air temperatures during potato vegetation period in 2 22 [Kiełbasa, 2] Rozkład opadów w okresie wegetacji ziemniaków w latach 2-22 był zbliŝony. ZałoŜono, Ŝe niewielkie zróŝnicowanie nie miało wpływu na badane cechy fizyczne bulw istotne w procesie zbioru i obróbki pozbiorowej plonu ziemniaków. Metodyka badań Stanowisko badawcze do pomiarów gabarytów bulw wyposaŝono w kamerę wideo typu CDD- i komputer klasy PC/86 DX/4 z pamięcią RAM 6-88x9SIM [Budyn 998]. W komputerze zamontowano kartę AVER- 4
2, umoŝliwiającą rejestrację obrazu analogowego widzianego przez kamerę, binaryzację tego obrazu oraz ekstrakcję z niego charakterystycznych parametrów badanych cech. Rys. 2. Schemat stanowiska do pomiaru gabarytów bulw: - stół, 2- lampa, - kryształowe szkło, 4- komputer, -bulwa, 6- kamera wideo, 7- śruba regulacyjna [Kiełbasa 2] Fig. 2. Scheme of a stand to measuring overall dimensions of potato tubers. table, 2 lamp, lead glass, 4 computer, potato tuber, 6 video camera, 7 adjusting screw [Kiełbasa, 2] Metodą wideo-komputerową oznaczono: wymiary liniowe bulw, powierzchnię styku bulw z podłoŝem trącym i maksymalną powierzchnię rzutu bulw. Mierzone wartości były automatycznie zapisywane w pamięci komputera, a wyniki rejestrowane w formie tabelarycznej dla kaŝdej serii pomiarowej oddzielnie, z podaniem wartości średniej i odchylenia standardowego. Wskaźniki kształtu bulw wyliczono ze wzoru [Fleszer i in. 99]: wydłuŝenia a W a =, b spłaszczenia c W c =, b a wskaźnik wypełnienia gabarytowego ze wzoru: () (2) ε = bc am b c, () 46
Ciśnienie bulw na płaszczyznę wyliczono ze wzoru: mbc g P= S (4) Sygnał pomiarowy, odpowiednio wzmocniony i przetworzony, podawano na komputer PC klasy 486, w którym zainstalowano program przeznaczony do obsługi pomiaru współczynnika tarcia. Rys.. Schemat układu pomiarowego do wyznaczania współczynnika tarcia kinetycznego bulw: - rama mocująca, 2- czujnik indukcyjny, - powierzchnia trąca, 4-bulwa, - czujnik tensometryczny, 6-wzmacniacz tensometryczny, 7- komputer pomiarowy [Kiełbasa 2] Fig.. Scheme of a measuring system to determine kinetic friction coefficient of potato tubers. fixing frame, 2 inductive sensors, friction surface, 4 potato tuber, strain gauge, 6 amplifier, 7 computer [Kiełbasa, 2] Po wyskalowaniu układu, podczas pomiaru na ekranie widoczne są dwa okienka w trybie graficznym: górne przedstawia, jak podczas pomiaru zmienia się odczyt z kanału, którym mierzona jest siła tarcia, dolne - jak zachowuje się znacznik drogi przebytej przez obiekt badawczy. Nad górnym okienkiem podawane są ponadto: liczba punktów, które mają być zarejestrowane, całkowity czas trwania pomiaru oraz nazwa pliku, do którego zostaną zapisane wyniki, które umoŝliwią wyliczenie współczynnika tarcia wg następującego wzoru: F µ = F c Przed kaŝdą serią pomiarową układ był skalowany za pomocą programu testującego. 47
Wyniki badań Sprawdzono, czy istnieje wpływ gatunku gleby na wymiary liniowe i współczynniki sferyczności bulw. Średnie wartości współczynników sferyczność bulw przedstawiono w tabeli. Nie odnotowano wpływu gatunku gleby na wartość wskaźnika wypełnienia gabarytowego bulw, współczynnika stanowiącego istotny parametr w procesie separacji. Stwierdzenie to dotyczy równieŝ róŝnic międzyodmianowych. Średnia wartość wskaźnika wypełnienia gabarytowego bulw badanych odmian ziemniaków wynosiła od,g/cm przy uprawie odmiany Irga na piasku m lekkim i glinie średniej pylastej, a takŝe bulw odmiany Baszta uprawianej na tym samym gatunku gleby w pierwszym roku badań, do,6 g/cm dla pozostałych kombinacji doświadczenia. Odnotowano zmienność badanej cechy w zakresie,7-,7%. Tab.. Średnie wartości wskaźnika wypełnienia gabarytowego i współczynników sferyczności bulw Table. Mean values of dimensional filling and sphericity indices of potato tubers Współczynnik wydłuŝenia Gatunek gleby Lekki Lekki słabo Glina średnia Pylasta Pył ilasty Glina średnia Pylasta 2 2 Rok badań Odmiany Wskaźnik wypełnienia gabarytowego g/cm Współczynnik spłaszczenia ε σε W z W a σ W a W z W c σ W c W z Baszta,6,9 8,8,4,28,4,8,7 2, Irga,,8 8,6,2,9 8,4,7,8 6,2 Baszta,6, 6,4,2,2 9,,7, 7,8 Irga,6,9 7,9,2,7 7,9,7,8 6, Baszta,6,,7,2,2 9,,8,8 6, Irga,6, 4,9,2,4 6,,8,8,9 Baszta,,4,9,4,2 8,6,7,9 7, Irga,,,7,2,8 8,,7, 8,4 Baszta,6,4,6,2,2 9,4,7,24, Irga,6,2,6,,24,2,7,2 8,7 Baszta,6,4,8,,9 7,9,8, 6,7 Irga,6,4,8,,7 7,2,7,7,7 48
Największą wartość współczynnika wydłuŝenia bulw,4 odnotowano przy bulwach odmiany Baszta, uprawianej na obydwu gatunkach gleb w pierwszym roku badań. W pozostałych kombinacjach uprawowych i odmianowych wartość współczynnika wydłuŝenia bulw wynosiła,2 i,. Względna procentowa róŝnica pomiędzy skrajnymi wartościami współczynnika wydłu- Ŝenia bulw wynosi 4,%. Odnotowano średnie wartości współczynnika spłaszczenia bulw w zakresie,7,8. Pole powierzchni maksymalnego rzutu bulw wynosi od,9 cm 2 dla bulw odmiany Baszta, uprawianej na glinie średniej pylastej w trzecim roku, do 47,2 cm 2 dla bulw odmiany Baszta, uprawianej na glinie średniej pylastej w pierwszym roku badań. Pole powierzchni styku bulw z podłoŝem wynosi od 2,4 cm 2 dla bulw odmiany Baszta, uprawianej na piasku m lekkim w pierwszym roku badań, do, cm 2 dla bulw tej samej odmiany uprawianej na piasku słabo m w trzecim roku badań. Średnia wartość ciśnienia bulw na powierzchnię trącą wynosiła od, kpa dla bulw odmiany Baszta, uprawianej na piasku słabo m w trzecim roku badań, do 7,kPa dla bulw tej samej odmiany, uprawianej na piasku m lekkim w pierwszym roku badań (tab. 2). Tab.2. Średnie wartości powierzchni maksymalnego rzutu i powierzchni styku bulw, z podłoŝem trącym oraz ciśnienie wywierane przez bulwy na tę powierzchnię Table 2. Mean values of maximum projection area and contact area of potato tubers with friction surface as well as the pressure of tubers on the background surface Gatunek gleby lekki lekki słabo Glina średnia pylasta Rok badań 2 pył ilasty 2 Glina średnia pylasta Odmiany Powierzchnia rzutu cm 2 Powierzchnia styku cm 2 Ciśnienie bulw na podłoŝe kpa S rz σ Srz W z S ś σ Sś W z P σ P W z Baszta 9,7,78,8 2,4,68 8, 7,,649,9 Irga 44,,44 6,8,6,6 24,9 4,8,26 27, Baszta 8,,828,8 2,9,2 8,,9,4 7, Irga 8,8,86,4 2,8,97 8,6,9,49 42, Baszta 8,,684 9,7,, 26,7,,2 4,6 Irga 8,2,77,6 4,,28 6, 4,,86 2, Baszta 47,2,8 9,9,,26 4,,8,477 4,4 Irga 46,7,77 9, 4,,22 29,7 4,2,28 6,9 Baszta 8,,8,9,,6 27,9,4,6,2 Irga 4,,98 2,4,,82,9 4,9,29 2,4 Baszt,9,766,,,26 47,7 4,8,77 42,8 Irga 6,,96 4,4 4,2,2 26,,4,92,9 49
Tab.. Charakterystyka zewnętrznego współczynnika tarcia kinetycznego bulw Table. Characteristics of kinetic friction coefficient of potato tubers Gatunek gleby Lekki Lekki słabo Glina średnia Pylasta Rok badań 2 Pył ilasty 2 Glina średnia Pylasta Odmiany CięŜar N Siła tarcia N Współczynnik tarcia G o σ Go F t σ Ft µ σ µ W z Baszta,,27,2,2,8, 9,7 Irga,6,9,9,2,7,8,9 Baszta,,44,,469,72, 8,7 Irga,47,,7,7,7,2, Baszta,47,28,96,6,6,24 8,6 Irga,,,2,,8,2 8, Baszta,7,,,4,74,, Irga,66,27,22,,7, 7, Baszta,,29,28,49,86,2,4 Irga,46,8,24,6,8, 6,9 Baszta,22,,88,269,72,6 2,2 Irga,8,4,84,7,6,9 6, Średnia wartość współczynnika tarcia kinetycznego bulw o podłoŝe gumowe wynosiła od,6 dla bulw odmiany Irga, uprawianej na glinie średniej pylastej w trzecim roku badań do,86 dla bulw odmiany Baszta uprawianej na pyle ilastym w drugim roku badań (tab.) Tabela 4. Wynik testu Wilcoxona dla zbadania istotności róŝnic pomiędzy wartościami badanej cechy bulw w obrębie tej samej odmiany uprawianej na dwóch róŝnych gatunkach gleb Table 4. Result of the Wilcoxon s test determining the significance of differences between values of tested tuber properieties within the same potato variety cultivated on two different soil types Rok badań Odmiany Cecha bulw S rz S ś P ε W a W c µ Baszta * * * * * Irga * 2 Baszta * Irga * * Baszta * * * * * Irga * * - róŝnice istotne na poziomie α =,
Zaobserwowano istotne statystycznie róŝnice pola powierzchni rzutu bulw na podłoŝe przy odmianie Baszta uprawianej na piasku m lekkim i na glinie średniej pylastej w pierwszym roku badań, a takŝe na piasku słabo m i glinie średniej pylastej w trzecim roku badań (tab. 4).Natomiast w odniesieniu do powierzchni styku bulw z podłoŝem trącym zaobserwowano to istotne statystycznie róŝnice pomiędzy wartościami badanej cechy bulw odmiany Baszta i Irga, uprawianych na dwu gatunkach gleb w pierwszym roku badań, oraz przy odmianie Baszta, uprawianej na piasku słabo m i glinie średniej pylastej w trzecim roku badań. W przypadku ciśnienia wywieranego przez bulwy na podłoŝe, istotne róŝnice odnotowano przy bulwach odmiany Baszta, uprawianej na piasku słabo m i glinie średniej pylastej w pierwszym roku badań oraz piasku słabo m i glinie średniej pylastej w trzecim roku badań. Wartości współczynnika wydłuŝenia róŝniły się statystycznie istotnie w przypadku bulw obydwu odmian ziemniaków uprawianych na róŝnych gatunkach gleb w trzecim roku badań i bulw odmiany Irga, uprawianej na piasku m lekkim i pyle ilastym w drugim roku badań. Natomiast przy współczynniku spłaszczenia zaobserwowano istotną statystycznie róŝnicę tylko w jednym przypadku pomiędzy badana cechą bulw odmiany Baszta, uprawianej na piasku słabo m i glinie średniej pylastej w pierwszym roku badań. Natomiast w odniesieniu do średnich wartości współczynnika tarcia bulw o podłoŝe gumowe tylko w jednym przypadku (bulwy odmiany Irga uprawianej na piasku m lekkimi glinie średniej pylastej) nie odnotowano wpływu gatunku gleby na badaną cechę. Podsumowanie W 6 kombinacjach doświadczenia na 42 moŝliwe stwierdzono oddziaływanie gatunku gleby na wartości współczynników sferyczności i tarcia kinetycznego bulw badanych odmian ziemniaków. Bibliografia Budyn P. 998. Badanie wpływu rodzaju gleby na wybrane fenotypowe cechy bulw odmian ziemniaków Ibis, Kolia i Maryna. Prace Komisji Nauk Rolniczych PAU,nr Budyn P. 998. Badanie wpływu gleby na wartość współczynnika tarcia bulw odmian ziemniaków Ibis, Kolia i Maryna. Prace Komisji Nauk Rolniczych PAU,nr Fleszer J., Fabian H. 99. Wymiarowa i masowa charakterystyka bulw ziemniaka. Politechnika Warszawska
Gilewicz K. 979. Analiza kształtu i wymiarów kłębów ziemniaczanych jako cech rozdzielczych w procesie sortowania. Rocz. Nauk Rol., C-74- Kiełbasa P. 2. Wybrane energetyczne i środowiskowe aspekty uprawy i zbioru ziemniaków. Rozprawa doktorska. AR, Kraków Ślipek Z., Kaczorowski J., Frączek J. 999. Analiza teoretyczno-doświadczalna tarcia materiałów roślinnych. PTIR, Kraków APPLICATION OF COMPUTER IMAGE PROCESSING TO DETERMINE THE PHYSICAL PROPERTIES TO POTATO TUBERS Summary The separation process of harvested potato yield on mechanical separators are based on differentiated physical properties of the tubers and other components of picked-up ridge mass. Studies dealt with the influence of soil type on the sphericity indices and friction coefficient of potato tubers. Three-year experiments were conducted on the light and medium compact soils. The effect of soil type on tested tubers parameters was observed, however, it should be mentioned that the differences between determined mean values were significant in not every possible cases. Key words: potato tubers, sphericity indices, kinetic friction coefficient, soil type, computer image processing Recenzent Jerzy Weres 2