Brevet FR2485198A1 — publié le 19811224

"Procédé et dispositif de mesure du volume d'une particule" La présente invention concerne la mesure volumé- trique de particules et elle convient partioulièrement bien à l'utilisation dans une opération de tri. Dans certaines opérations concernant le tri de matière sous forme de particules, par exemple dans le tri de minerai, il est nécessaire d'obtenir une mesure d'une certai- -S ne propriété, par exemple la radioactivité, par unité de volume ou de masse, pour chaque particule. Il est ainsi nécessaire de disposer de moyens permettant d'obtenir rapide- ment une mesure du volume de particules individuelles en mouvement rapide. On connaît la technique qui consiste à faire passer les particules à travers une "porte lumineuse" comportant un certain nombre de faisceaux lumineux très proches les uns des autres qui sont situés dans un plan commun et sont focalisés sur des détecteurs de lumière. En se basant sur le nombre de faisceaux qui sont interrompus par une particule particu- lière, pendant le temps quelconque que met la particule pour traverser l'écran, un ordinateur connecté à l'écran peut déterminer une aire projetée bidimensionnelle de la parti- cule. L'aire est ensuite multipliée par un facteur déterminé de façon empirique pour parvenir au volume et à la masse théoriques de la particule. Un problème faisant souvent apparaître des erreurs notables de mesure de rayonnement avec ce procédé de tri consiste en ce qu'on n'effectue aucune compensation précise destinée à tenir compte de la forme tridimensionnelle de la particule. Par exemples l'effet d'écran rayonnement et l'auto-absorption de radioactivité d'une particule cubique vue par un détecteur de rayonnement plan sont très différentes de celles d'une particule relativement plate contenant la même quantité de matière radioactive et ayant approximativement la même aire projetée bidimensionnelle que la particule cubique, et ceci peut très bien conduire au rejet de la particule cubiques bien que sa teneur soit acceptable. Un procédé d'obtention d'une mesure volumétrique d'une particule conformément à l'invention comprend les opérations consistant à associer à la particule plusieurs zones contiguss à obtenir pour chacune des zones une mesure du volume de la partie de la particule comprise dans la zones et à accumuler les mesures pour en déduire une pre- mière mesure volumétrique de la particule. Selon une autre caractéristique de l'invention, les zones s'étendent transversalement et sont de préférence perpendiculaires à une première direction dirigée le long de la particule. Selon une autre caractéristique de l'invention, les zones sont parallèles les unes aux autres. Toutes les zones ont de préférence la mOme profondeur, mesurée dans la première direction. Selon une autre caractéristique de l'invention, on effectue des mesures à l'intérieur de chaque zonedes largeurs projetées de la particule, dans une première paire de directions qui sont mutuellement transversales. Si les deux directions sont mutuellement perpen- diculaires, le produit des largeurs projetées donne une mesure de l'aire de section droite de la particule à l'inté- rieur de la zone, et en multipliant cette aire par la pro- fondeur de la zones on obtient une mesure du volume de la partie de la particule comprise à l'intérieur de la zone. On peut également effectuer des mesures des largeurs projetées dans d'autres directions, ne coïncidant pas, pour disposer de moyens permettant d'effectuer une com- pensation dans le cas de sections droites dont la forme n'est pas pratiquement rectangulaire ou dont la forme est pratiquement rectangulaire mais qui ne sont pas alignées avec la première paire de directions. Il convient de noter que si toutes les zones ont e la même profondeur, on peut accumuler les aires de section droite puis multiplier ensuite la somme par la profondeur. En outre, si les mesures volumétriques relatives de différentes particules ont de l'importance, il n'est pas nécessaire de multiplier la somme des aires de section droite par la profondeur, car les sommes respectives pour les différentes particules ont entre elles la même relation que les volumes respectifs. Selon une autre caractéristique de l'invention, on fait passer la particule par une position de référence, dans une première direction, et on effectue les mesures de volume pour les zones respectives au fur et à mesure que ces zones passent successivement par la position. Un dispositif suivant un aspect de l'invention com- 1Oprend des moyens permettant d'obtenir, pour chaque zone parmi plusieurs zones contiguës associées à la particule, une mesure du volume de la partie de la particule qui est compri- se à l'intérieur de la zone, et des moyens permettant d'accu- muler les mesures pour en déduire une mesure volumétrique de la particule. Selon une autre caractéristique de l'invention, les moyens de mesure de volume comprennent des moyens permettant d'obtenir des mesures, à l'intérieur de chaque zones des largeurs projetées de la particule dans au moins deux direc- tions mutuellement transversales, et des moyens permettant d'obtenir le produit des deux mesures pour en déduire une mesure de l'aire de section droite de la particule à l'inté- rieur de la zone. Les moyens de mesure de volume effectuent de préfé- rence des mesures, à l'intérieur de chaque zones des largeurs projetées de la particule dans une première paire de direc- tions mutuellement perpendiculaires et dans une seconde paire de directions mutuellement perpendiculaires, les deux paires de directions ne coïncidant pas. Les moyens permettant de mesurer la largeur proje- tée peuvent comprendre plusieurs sources de rayonnement collimatées disposées de façon à éclairer dans au moins deux directions la partie de la particule comprise à l'intérîeur d'une zone, et plusieurs moyens détecteurs, chacun dieux réagissant au rayonnement provenant de l'une des sources, afin de déterminer le nombre de sources qui éclairent effec- tivement la particule. Les sources de rayonnement et les moyens détecteurs peuvent 8tre mis en fonction séquentiellement et en synchro- nisme. Selon une variante, les moyens de mesure de la largeur projetée comprennent des moyens de mesure optiques et des moyens qui projettent une image d'ombre bidimension- nelle de la particules à partir d'au moins deux directions, vers les moyens de mesure optiques. Les moyens de mesure optiques peuvent comporter une caméra à balayage. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre de modes de réalisation, donnés à titre non limitatif. La suite de la description se réfère aux dessins annexés>sur lesquels s La figure 1 est une représentation schématique en perspective et partiellement en coupe d'un premier mode de réalisation de l'invention; - La figure 2 représente un second mode de réalisa- tion de l'invention et elle comporte un schéma d'un circuit de calcul utilisé dans l'invention; La figure 3 représente schématiquement un principe préféré conformément à l'invention; La figure 4 illustre la mise en oeuvre du principe de la figure 3; et Les figures 5 et 6 représentent respectivement d'autres variantes de l'invention. Le mode de réalisation de l'invention qui est représenté sur la figure 1 est conçu pour la mesure volumé- trique d'une particule 10 située sur une bande convoyeuse 12, en mouvement suivent les flèches F, en une matière noire non réfléchissante. La figure l ne représente qu'une seule particules mais en pratique la bande peut porter plusieurs rangées, les particules de chaque rangée étant espacées les unes par rapport aux autres et les rangées étant également espacées les unes par rapport aux autres. Un cadre 14 est monté au-dessus de la bande et il comporte un réseau verti- cal 16 et un réseau horizontal 18 de diodes électrolumines- centes 20, à haute intensités fonctionnant par impulsions et partiellement collimatées. Un réseau 22 de capteurs de lumière fortement collimatés 249 à phototransistors, est disposé verticalement sur le cadre face au réseau 16, et chaque capteur correspond à une diode 20 particulière. Des capteurs similaires sont disposés en un réseau horizontal 26 et chaque capteur est adjacent à une diode particulière 20 du réseau 18 et est associé à cette diode (seuls cinq couples diode-capteur étant représentés). Chaque diode a un angle de collimation plus ouvert que celui du phototransistor fortement collimaté qui lui est associé, si bien qu'en ce qui concerne les réseaux horizontaux 18 et 26p chaque phototransistor peut détecter la lumière provenant de la diode associée et réfléchie en n'importe quel point au-dessus de la surface de la bande et au-dessous de la branche supérieure du cadre 14. Les diodes de chaque réseau 16 et 18 sont exci- tées séquentiellement par impulsions par des circuits d'attaque respectifs 28 et 30, et les réseaux correspondants 22 et 26 de phototransistors sont explorés de façon synchro- ne au moyen de circuits d'exploration respectifs 32 et 34, Chaque transistor ne réagit ainsi qu'à la lumière qui est émise par la diode électroluminescente correspondante. Ainsi, lorsque la bande fait passer la particule au niveau du cadres des zones successives de la particule qui s'étendent transversalement par rapport à sa direction de déplacement sont éclairées et explorées. De cette manière, en choisissant convenablement la cadence des impulsions et de l'exploration, séquentielles et synchrones,-on peut obte- nir une résolution d'exploration d'environ 5 mm en utilisant de très petites diodes électroluminescentes et de très petits transistors disponibles dans le commerce. Ainsi, en comptant le nombre de transistors du réseau vertical 22 qui ne sont pas éclairés directement à chaque exploration par les diodes du réseau 16, on détermine la hauteur projetée de la particule sur une zone d'environ 5 mm de profondeur. De façon similaire, en comptant le nombre de tran- sistors du réseau horizontal 26 qui ne sont pas éclairés par la lumière émise par les diodes du réseau 189 puis réfléchie 2485 198 à partir de la particule, on détermine la largeur projetée de la particule sur la même zone. Le produit de la hauteur et de la largeur proje- tées est une mesure de l'aire de section droite projetée de la partie de la particule qui se trouve à l'intérieur de la zones c'est-à-dire dans une direction transversale par rapport à la direction de déplacement de la particule. Les données qui sont ainsi obtenues à partir des divers réseaux sont appliquées à un circuit de calcul 36, décrit ci-après en relation avec la figure 2. En choisis- sant les cadences d'exploration de façon appropriée, on détermine les aires de section droite projetées de zones ou de tranches contiguës de 5 mm de profondeur de la parti- cule, et en faisant la somme de ces aires projetées des zones sur la longueur de la particule dans sa direction de déplacement, on en déduit le volume projeté de la particule. La configuration qui est représentée sur la figure 2 est destinée à la mesure volumétrique d'une particule 40 projetée en vol libre à travers un cadre 42, à partir de l'extrémité d'une bande transporteuse. Le cadre porte des réseaux de diodes électroluminescentes et de phototransis- tors qui peuvent 9tre identiques à ceux de la figure 1, c'est-à-dire disposés de façon à réagir à la lumière trans- mise directement et à la lumière réfléchie. Selon une -variante, les réseaux peuvent réagir uniquement à la lumiè- re réfléchie, mais il est particulièrement commode que les réseaux correspondent aux réseaux verticaux 16 et 22 de la figure 1, c'est-à-dire que le système soit basé sur la détection de la lumière transmise directement. Ainsi, sur la figure 2 les références 44 et 46 désignent respectivement un réseau horizontal et un réseau vertical de diodes électroluminescentes et les références 48 et 50 désignent respectivement un réseau horizontal et un réseau vertical correspondants de capteurs à phototran- sistors. Le fonctionnement de ce dispositif est par ailleurs analogue à celui de la figure 2 et on ne le décrira pas: comme précédemment, on détermine ltaire de section droite projetée de chacune des zones d'un ensemble de zones contigurs de la particule, ces zones s'étendant successive- ment dans la direction de déplacement de la particule, et on fait la somme de ces aires pour obtenir une mesure du volume projeté de la particule. La description qui suit est donc limitée dans une large mesure à l'examen du fonctionnement des circuits qui sont désignés globalement par la référence 36 sur la figure 1. Les circuits comprennent un oscillateur d'horloge , un compteur binaire à quatre bits 629 deux multiple- xeurs analogiques à 16 voies, 64 et 66, respectivement asso- ciés au réseau horizontal et au réseau vertical, des cir- cuits d'attaque de forte puissance 68, deux démultiplexeurs à 16 voies correspondants, portant respectivement les références 70 et 72, des multivibrateurs monostables redé- clenchables 74, 76 et 78, des portes ET 80 et 81, des compteurs binaires à quatre bits 82 et 84, un multiplexeur 86, un additionneur parallèle 88, un réseau de bascules 90 et des unités logiques 92 et 94 L'unité logique 94 est utilisée pour les fonctions logiques de transmission sélec- tive, de restauration et de validation de comptage. L'unité logique 92 est utilisée pour détecter la longueur de la particule dans sa direction de déplacement. L'oscillateur d'horloge 60 attaque le compteur binaire à 4 bits 62. Le signal de sortie à 4 bits du compteur binaire 62 est décodé par le multiplexeur analogique à 16 voies 66 qui commande le fonctionnement séquentiel des diodes du réseau vertical 46, et par le multiplexeur 64 qui commande le fonctionnement séquentiel des diodes du réseau horizontal 44e Les signaux de sortie des multiplexeurs sont appliqués aux circuits d'attaque de forte puissance 68 qui attaquent les diodes électroluminescentes pour donner des impulsions lumineuses de très forte intensité. Chaque multiplexeur applique séquentiellement &es impulsions aux diodes électroluminescentes de chaque réseau, comme il a été indiqué. Les. signaux de sortie des photon transistors de détection de lumière associés sont appliqués en parallèle au démultiplexeur à 16 bits 72 pour le plan vertical et au démultiplexeur 70 pour le plan horizontal. Du fait que ces démultiplexeurs sont attaqués de façon synchrone par le compteur binaire 62, la séquence d'impul- sions de sortie des démultiplexeurs correspond aux impul- sions d'attaque séquentielles des réseaux de diodesrespec- tifs et on obtient une impulsion logique à l'état haut ou à l'état bas en sortie de chaque phototransistor, selon qu'il est masqué ou non. Les signaux de sortie des démultiplexeurs sont transmis aux multivibrateurs monostables redéclenchables respectifs 76 et 74, qui fixent la largeur et la hauteur de la particule. On utilise l'impulsion de largeur pour trans- mettre sélectivement l'impulsion d'horloge par la porte ET 80, tandis que l'impulsion de hauteur transmet sélective- ment l'impulsion d'horloge par la porte ET 81. Les signaux de sortie des portes sont transmis au compteur 84 pour le plan vertical et au compteur 82 pour le plan horizontal. L'unité logique de transmission sélective, de res- tauration et de validation de comptage 94 remet à zéro les compteurs binaires au début de chaque exploration et elle arrête les compteurs binaires à la fin de chaque cycle d'exploration. Ainsi, à la fin de chaque cycle d'exploration le compteur binaire 82 contient un compte qui correspond au nombre de phototransistors masqués dans le plan vertical, et le compteur binaire 84 contient un compte correspondant au nombre de phototransistors masqués dans le plan horizon- tal. Les signaux de sortie binaires de ces compteurs sont appliqués au système multiplicateur 86, du type 4 bits x -4 bits, et le signal de sortie à 16 bits de ce multiplica- teur, qui correspond à l'aire de section droite projetée d'une tranche de la particule de 5 mm de longueur, est transmis au système additionneur parallèle incrémentiel, 88. Le système additionneur incrémentiel est remis à zéro par l'unité logique de transmission sélective, de restaura- tion et de validation de comptage, 94, au moment de la détection initiale d'une particule entrante par les photo- transistors# et un produit issu du multiplicateur à 16 bits et représentant l'aire de section droite d'une tranche de mm est ensuite additionné de façon incrémentielle, ou accumulé# à la fin de chaque exploration séquentielle de la particules la sommation totale sur la longueur de la parti- cule constituant ainsi le volume projeté de la particule. Une fois que l'unité logique de longueur'de particule 92 a détecté la fin de la particule, le réseau de bascules de sortie 90 est validé et le signal de sortie de ce réseau de bascules, représentant le volume projeté de la particules est alors disponible pour un traitement ultérieur, en fonction des besoins. Les éléments de circuit et les sous-ensembles arithmétiques et logiques représentés sur la figure 2 sont tous des composants de circuit classiques bien connus des spécialistes de l'électronique numérique, aussi ne décrira- t-on pas les circuits de façon détaillée. Le système repré- senté consiste en un réseau à 16 éléments, avec un système électronique correspondant, mais on peut naturellement développer ce réseau pour obtenir des réseaux ayant davan- tage d'éléments. Les systèmes décrits ci-dessus fournissent une mesure volumétrique de chaque particule, sous la forme d'une mesure du volume projeté. Si on le désire, on peut appliquer un facteur empirique pour déterminer la masse de la particule. o On a décrit les modes de réalisation des figures 1 et 2 en considérant des mesures des largeurs projetées faites uniquement dans deux directions mutuellement trans- versales, dans chaque zone. Cette technique ne donne qu'une première approxi- mation du volume d'une particule et, lorsque la particule est de forme irrégulière, la mesure de volume peut présenter une erreur importante. On considérera par exemple une parti- cule 122 de section droite triangulaire qu'on déplace sur un trajet 120 en lui faisant traverser une première paire de portes lumineuses 110 et 112, mutuellement perpendiculaires, et une seconde paire de portes lumineuses 114 et 1169 égale- ment mutuellement perpendiculaires et décalées de 450 par rapport à la première paire de portes. Cette configuration est représentée sur les figures 3 et 4. Chaque porte lumineuse est représentée schémati- quement mais, en pratique, elle est similaire à celle qui est représentée sur la figure 2, et ses données peuvent être traitées d'une manière similaire à celle décrite. On notera également que les portes ou les cadres de la figure 3 ne sont représentés à une certaine distance l'un de l'autre que pour la clarté de la figure et qu'en pratique les portes de la première paire sont coplanaires, comme sur la figure 2, de même que les portes de la seconde paire, et les deux paires de portes sont accolées. Outre le gain de place et la diminution de la durée de mesure, ceci à l'avan- tage d'éliminer les erreurs dues à la rotation de la parti- cule pendant qu'elle se déplace de la première paire de portes à la seconde. Toutes les portes 110, 112 et 114 voient les largeurs projetées maximales de la particule, tandis que la porte 116 voit la hauteur projetée, faible en comparaison de la particule. Il s'ensuit qu'une détermination de volume basée uniquement sur les mesures des deux premières portes serait erronée, tandis qu'une mesure de volume basée sur les mesures de la seconde paire de portes est plus précise. Cette seconde mesure de volume, c'est-à-dire la plus faible des deux, est donc prise en tant que volume de la parti- cule. On voit clairement qu'on obtient une détermina- tion du volume encore plus précise lorsqu'on analyse l'en- semble des quatre mesures pour essayer de se faire une idée de la forme de la section droite de la particule, et on peut par exemple réaliser cela par des méthodes statistiques. Il convient également de noter qu'avec le mode de réalisation de la figure 29 qui constitue le fondement du principe représenté sur les figures 3 et 4, on peut rempla- cer les diodes électroluminescentes par une seule source lumineuse qui s'étend sur la'longueur de la branche du cadre de la porte, et par des ouvertures collimatrices situées au-dessus des phototransistors, pour produire l'effet de faisceau. Lorsqu'on utilise des diodes électroluminescentes, les dimensions physiques des diodes électroluminescentes font qu'on effectue les mesures de taille de particule par pas d'environ 5 mm. Ceci convient pour de grandes particules par exemple des particules de plus de 25 ramm mais ne convient pas pour des particules de l'ordre de mm. Pour ces particules, on doit effectuer les mesures par pas discrets de l'ordre de 1 mm. On peut obtenir une résolution de cet ordre à l'aide d'une caméra à balayage, ou d'un autre système optique, comme le représentent schématiquement les figures et 6. La figure 5 montre une source lumineuse 124k dirigée vers le haut, deux miroirs parallèles inclinés 126 et 128 et une caméra à balayage 130. La caméra voit deux images d'ombre de la parti- cule 122 qui sont mutuellement perpendiculaires, lorsque la particule traverse la porte. La première image est une ombre directe qui apparalt lorsque la particule passe sur la source lumineuse 124 et la seconde est une image réflé- chie à partir du miroir 126 et par l'intermédiaire du miroir 128. Les circuits de la figure 2 se prêtent aisé- ment à la connexion à la caméras pour déterminer le volume apparent de-la particule à partir des images photographiées. Cette configuration donne une information approximativement équivalente à celle qui est obtenue à partir des cadres 110 et 112 sur-les figures 3 et 4; pour améliorer la préci- sion, on utilise la configuration de la figure 6 en série avec celle de la figure 5. La configuration de la figure 6 comprend une source lumineuse 132, deux miroirs non parallèles 134 et 1369 une caméra à balayage 140 et un écran de réception de lumière 142. Dans cette configuration, la caméra ne voit aucune image d'ombre directe de la particule 122; elle voit les images réfléchies qui sont photographiées sur les miroirs 134 et 136, faisant un angle de 450 par rapport à 1 2 ceux que voit la caméra 130. Dans cet exemple, le miroir 134 fournit la-mesure de correction de volume qui est fournie par la porte 116 dans le mode de réalisation des figures 3 et 4. Les caméras à balayage 130 et 140 fonctionnent avec des lignes de balayage qui sont séparées d'une faible fraction de millimètre. La résolution est ainsi fortement améliorée et les mesures de volume sont donc effectuées avec une plus grande précision. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent itre apportées au procédé et au dispositif décrits et représentés sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Procédé d'obtention d'une mesure volumétrique de particule, caractérisé en ce qu'il comprend les opérations consistant à associer à la particule plusieurs zones contiguës, à obtenir pour chacune des zones une mesure du volume de la partie de la particule qui est comprise dans la zones et à accumuler les mesures pour en déduire une première mesure volumétrique de la particule. 2. Procédé selon la revendication 19 caractérisé en ce que les zones s'etendent transversalement par rapport à une première direction dirigée le long de la particule. 3. Procédé selon la revendication 2t caractérisé en ce qu'on déplace la particule dans la première direc- tion, en la faisant passer à un emplacement de référence, et on effectue les mesures de volume pour les zones respec- tives lorsque ces zones passent successivement à lemplace- ment. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions 2 ou 3, caractérisé en ce que chaque zone a la même profondeur, mesurée dans la première direction. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 4, caractérisé en ce qu'on obtient dans chaque zone des mesures des largeurs projetées de la particule, dans une première paire de directions qui sont mutuellement transversales. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'on obtient en outre dans chaque zone des mesures des largeurs projetées de la particule dans une seconde paire de directions qui sont transversales entre elles et par rapport à la première paire de directions, et on déduit des quatre mesures la mesure volumétrique de la particule. 7. Dispositif destiné à l'obtention d'une mesure volumétrique de particule, caractérisé en ce qu'il com- prend des moyens (64, 669 709 72, 86) destinés à fournir, pour chaque zone parmi plusieurs zones contiguEs associées à la particule, une mesure du volume de la partie de la particule qui se trouve à l'intérieur de la zone, et des 2 485 198 moyens (88) destinés à accumuler les mesures pour en déduire une mesure volumétrique de la particule. 8. Dispositif selon la revendication 79 caracté- risé en ce que les moyens de mesure de volume comprennent des moyens (64, 66, 70, 72) destinés à obtenir des mesures, dans chaque zone, des largeurs projetées de la particule, selon au moins deux directions mutuellement transversales. 9. Dispositif selon la revendication 89 caracté- risé en ce que les moyens de mesure de volume comprennent en outre des moyens (86) destinés à obtenir le produit de deux mesures pour en déduire une mesure de l'aire de section droite de la particule, dans la zone. 10. Dispositif selon l'une quelconque des reven- dications 8 ou 9, caractérisé en ce que les moyens de mesure de volume fournissent dans chaque zone, des mesures des largeurs projetées de la particule dans une première paire de directions mutuellement perpendiculaires et dans une seconde paire de directions mutuellement perpendiculai- res, les deux paires de directions ne coïncidant pas. 11. Dispositif selon l'une quelconque des reven- dications 8 à 10, caractérisé en ce que les moyens destinés à mesurer la largeur projetée comprennent plusieurs sources de rayonnement collimatées (16, 18) disposées de façon à éclairer selon au moins deux directions la partie de la par- ticule qui se trouve dans une zone, et plusieurs moyens détecteurs (22, 26), chacun d'eux réagissant au rayonnement provenant de l'une des sources, pour déterminer le nombre de sources qui éclairent effectivement la particule. 12. Dispositif selon la revendication 10, carac- térisé en ce que les sources de rayonnement et les moyens détecteurs sont mis en fonction séquentiellement et en synchronisme. 13. Dispositif selon l'une quelconque des reven- dications 8 à 10, caractérisé en ce que les moyens destinés à mesurer la largeur projetée comprennent des moyens de mesure optiques (130, 140), et des moyens (124, 126, 128; 132, 134, 136) destinés à projeter sur les moyens de mesure optiques une image d'ombre bidimensionnelle de la particule, à partir d'au moins deux directions. 14e Dispositif selon la revendication 13, carac- térisé en ce que les moyens de mesure optiques (130, 140) comprennent une caméra à balayage.