СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПЕНООБРАЗУЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ РЕАГЕНТА ПО ИЗОБРАЖЕНИЮ ПЕНЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD OF DETERMINATION OF REAGENT FOAMING CAPACITY REGARDING FOAM IMAGE AND DEVICE FOR THIS METHOD IMPLEMENTATION

Изобретение относится к автоматизации процессов пенной флотации в горной, металлургической, пищевой и других отраслях промышленности и может быть использовано для оценки пенообразующей способности реагентов посредством измерения толщины слоя пены.
Известен способ продувания воздуха через пористую пластину, находящуюся на дне цилиндра, и измерения высоты пены [Тихомиров В.К. Пены. Теория и практика их получения и разрушения. 2-е изд., перераб. - М.: Химия, 1983, - 264 с., с.91]. Недостатком способа является низкая точность определения пенообразующей способности реагента, обусловленная тем, что на точность ее определения влияет количество действующих пор в пористой пластине, которое вследствие засорения пор в процессе продувания уменьшается, что и снижает точность.
Известны способы определения пенообразующей способности реагентов, основанные на получении пены падением исследуемого реагента с определенной высоты при пропускании его через калиброванное отверстие и на получении пены выбрасыванием реагента под давлением из форсунки (Тихомиров В.К. Пены. Теория и практика их получения и разрушения. 2-е изд., перераб. - М.: Химия, 1983, - 264 с., с.93, способы Росса-Майлса). Недостатками способов является сложность их практической реализации, обусловленная необходимостью применения калиброванных трубок для истечения жидкости и других специальных приспособлений.
Наиболее близким является способ определения пенообразующей способности реагента, заключающийся в ручном встряхивании цилиндра с реагентом и последующем измерении высоты (толщины) пены в цилиндре [Тихомиров В.К. Пены. Теория и практика их получения и разрушения. 2-е изд., перераб. - М.: Химия, 1983, - 264 с., с.90]. Очевидным недостатком способа ручного встряхивания является его плохая воспроизводимость, обусловленная невозможностью человека встряхивать цилиндр с постоянной амплитудой и периодом не только при различных экспериментах, но и в пределах одного опыта. Другим недостатком является ограничение области применения способа рабочим температурным диапазоном реагента.
Известно устройство автоматического контроля толщины слоя пены и уровня пульпы в камере флотомашины [патент РФ №2006290 от 30.01.94], содержащее подвешенный на гибкой нити поплавок и индикаторы пульпы и толщины слоя пены, второй подвешенный на гибкой нити поплавок, причем гибкие нити выполнены в виде эластичных растягивающихся шнуров с сердцевиной в виде петли из токопроводящей резины, размещенной в изоляционную эластичную упругую оболочку, например, из резины или латекса, модули упругости нитей и плотности поплавков выполнены из условия нахождения первого поплавка на границе пены и пульпы, а второго поплавка - на границе пены и воздуха.
Недостатком устройства является сложность его применения, обусловленная необходимостью промывки контактирующих с реагентами частей устройства после каждого опыта, и низкая эффективность применения способа в лабораторных условиях для проведения многократных измерений различных реагентов.
Наиболее близким является устройство для автоматического контроля толщины слоя пены и уровня пульпы в камерах флотационных машин [патент РФ №2197328 от 27.01.2003], содержащее блок изолированных друг от друга контактов, два задатчика опорного напряжения, два компаратора, два элемента гальванической развязки, два вычислителя среднего значения, выходные сигналы которых определяют толщину слоя пены и уровень пульпы в камерах флотомашин, источник переменного напряжения, общий и опорный электроды.
Недостатком устройства, также как и для предыдущего устройства, является сложность его применения, обусловленная необходимостью промывки контактирующих с реагентами частей устройства после каждого опыта, и низкая эффективность применения способа в лабораторных условиях для проведения многократных измерений различных реагентов. Другим недостатком является то, что устройство не предусматривает контроль процесса получения пены, что снижает точность определения пенообразующей способности реагента.
Технической задачей изобретения является повышение точности определения пенообразующей способности реагента за счет управления процессом получения пены, снижение сложности практического применения способа и устройства путем повышения уровня автоматизации и снижения времени, затрачиваемого на промывку контактирующих с реагентом частей устройства.
Задача решается тем, что в способ определения пенообразующей способности реагента [Тихомиров В.К. Пены. Теория и практика их получения и разрушения. 2-е изд., перераб. - М.: Химия, 1983, - 264 с., с.90], включающий встряхивание цилиндра с реагентом, измерение высоты пены в цилиндре после встряхивания, введены установка цилиндра с реагентом в специальном встряхивающем устройстве, обеспечивающем периодическое перемещение вверх-вниз вертикально установленного цилиндра с заданной частотой, установка видеокамеры напротив цилиндра таким образом, чтобы его изображение находилось в поле зрения видеокамеры, получение изображения цилиндра, поступающего с видеокамеры, измерение частоты колебаний цилиндра по изображению.
Техническая задача решается тем, что в устройство, содержащее вычислитель для вычисления среднего значения высоты слоя пены и проведения других расчетов, введены модуль с закрепляемым в нем цилиндром для механического взбалтывания реагента в цилиндре путем периодического перемещения вверх-вниз установленного вертикально цилиндра, содержащий двигатель и механизм для преобразования вращательного движения в поступательное, блок подсветки для освещения пены в цилиндре, видеокамера, усилитель-преобразователь для преобразования и усиления сигнала вычислителя для управления скоростью вращения двигателя, причем групповой выход видеокамеры подключен к групповому входу вычислителя, групповой выход которого соединен с групповым входом усилителя-преобразователя, выход усилителя-преобразователя подключен к двигателю, блок подсветки расположен таким образом, что излучаемый им свет направлен сверху и снизу на столб пены в цилиндре, видеокамера расположена так, что цилиндр, закрепляемый в механизме для преобразования вращательного движения в поступательное, находится в поле ее зрения.
Изобретение может быть использовано для подбора флотореагентов при пенной флотации в горнодобывающей и пищевой промышленности и соответствует критерию «промышленная применимость».
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показана структурная схема устройства, на фиг.2 - схематическое изображение и фотография модуля для механического взбалтывания реагента, на фиг.3 - изображения пены цилиндра.
Основными операциями способа является установка видеокамеры напротив встряхиваемого цилиндра с реагентом таким образом, чтобы его изображение попадало в поле зрения видеокамеры, получение изображения цилиндра, поступающего с видеокамеры, встряхивание цилиндра заданное количество раз и с заданным периодом, измерение частоты и количества колебаний цилиндра по изображению, измерение высоты пены в цилиндре после встряхивания.
Устройство для определения пенообразующей способности реагента содержит вычислитель 5 для вычисления среднего значения высоты слоя пены и определения частоты колебаний встряхиваемого цилиндра, модуль с закрепленным в нем цилиндром для механического взбалтывания реагента в цилиндре путем периодического поступательного движения установленного вертикально цилиндра вверх-вниз, содержащий двигатель 3 и механизм 2 для преобразования вращательного движения в поступательное, блок подсветки 1 для освещения пены в цилиндре, видеокамеру 4, усилитель-преобразователь 6 для преобразования и усиления сигнала контроллера для управления скоростью вращения двигателя, причем групповой выход видеокамеры 4 подключен к групповому входу вычислителя 5, групповой выход которого соединен с групповым входом усилителя-преобразователя 6, выход усилителя-преобразователя 6 подключен к двигателю 3, блок подсветки 1 расположен таким образом, что излучаемый им свет направлен сверху и снизу на столб пены в цилиндре, видеокамера 4 расположена так, что цилиндр, закрепленный в механизме 2 для преобразования вращательного движения в поступательное, попадает в поле ее зрения.
Для определения пенообразующей способности цилиндр с реагентом закрепляют в механизме 2 для преобразования вращательного движения в поступательное, задают вычислителю 5 период и требуемое количество колебаний цилиндра, после чего включают устройство.
После включения устройства для определения пенообразующей способности реагента двигатель 3 при помощи механизма 2 для преобразования вращательного движения в поступательное обеспечивает периодическое перемещение цилиндра вверх-вниз для встряхивания реагента.
Для получения более качественного изображения столба пены в цилиндре применен блок подсветки 1, состоящий из двух групп белых светодиодов. Первая группа светодиодов, с направленным снизу вверх излучением, расположена под дном цилиндра. Вторая группа закреплена в прозрачной (выполненной из органического стекла) пробке цилиндра, излучение направлено сверху вниз. Каждая группа содержит от трех до пяти светодиодов, в зависимости от их мощности. Совместно группы светодиодов блока подсветки 1 обеспечивают получение контрастного и яркого изображения столба пены (фиг.3) и облегчают процесс автоматического анализа изображения вычислителем 5.
Изображение перемещаемого цилиндра, получаемое при помощи видеокамеры 4 с ее группового выхода поступает на групповой вход вычислителя 5. Вычислитель 5 обнаруживает на изображении цилиндр, определяет координаты его основания и измеряет моменты времени, в которые цилиндр находится в верхнем и нижнем положении, и по их разности вычисляет период колебаний цилиндра.
На групповом выходе вычислитель 5 в параллельном коде формирует числовое значение напряжения, определяющее скорость вращения двигателя 3, которое поступает на групповой вход усилителя-преобразователя 6. Усилитель-преобразователь 6 формирует на своем выходе напряжение, соответствующее поступившему числовому значению, и подает его на двигатель 3.
В случае если значение периода колебаний цилиндра не соответствует заданному, то вычислитель 5 плавно уменьшает или увеличивает числовое значение напряжения на своем групповом выходе, в результате чего изменяется скорость вращения двигателя 3, обеспечивается заданный период колебаний цилиндра.
Вычислитель 5 подсчитывает количество колебаний цилиндра и при достижении заданного значения колебаний выключает двигатель 3 путем установки нулевого значения на своем групповом выходе.
После этого по изображению, поступающему с видеокамеры 4, вычислитель 5 определяет высоту пены в цилиндре и рассчитывает ее среднее значение. Для этого вычислитель 5 преобразует изображение в контурное и затем на основе яркостных параметров исходного и контурного изображений производит обнаружение участка на изображении [Компьютерное зрение. Пер. с англ. / Л.Шапиро, Дж.Стокман. - М.: Бином. Лаборатория знания, 2006, 752 с.], являющегося пеной, и измеряет высоту нижней и верхней границ обнаруженного участка. По разности высот верхней и нижней границ обнаруженного участка вычислитель 5 определяет высоту пены, измеряемую в пикселах, измеряет высоту цилиндра в пикселах и рассчитывает высоту пены в миллиметрах как произведение высоты пены в пикселах на отношение высоты цилиндра в миллиметрах к высоте цилиндра в пикселах.
На основе высоты пены в цилиндре после встряхивания определяют пенообразующую способность реагента. Автоматическое поддержание частоты колебаний цилиндра на заданном уровне, постоянная амплитуда колебаний, возможность точного дозирования реагента и воды в цилиндре обеспечивают воспроизводимость опыта и повышение точности определения пенообразующей способности реагента.
Рассмотрим реализацию составных частей устройства определения пенообразующей способности реагента.
В качестве видеокамеры 4 может быть использована любая серийно выпускаемая видеокамера, имеющая выход, соответствующий стандарту «Universal serial bus» (USB), и формирующая на своем выходе цифровое изображение. Современный рынок электронной техники содержит десятки подобных видеокамер.
В качестве вычислителя 5 наиболее предпочтительно использовать персональную ЭВМ с USB-входом и параллельным портом (например, портом типа «LPT»). USB-вход используется для подключения видеокамеры 4, параллельный порт - для подключения усилителя-преобразователя 6. Для уменьшения габаритов в качестве вычислителя 6 может быть использована персональная переносная ЭВМ типа «Ноутбук». Для снижения стоимости вычислителя 5 и повышения его надежности, вычислитель 5 может быть реализован на базе микроЭВМ [Системы технического зрения. Под общей редакцией В.И.Сырямкина, В.С.Титова. - Томск: МГП «Раско», 1992. - 362 с.].
Усилитель-преобразователь 6 представляет собой устройство, обеспечивающее преобразование информации (в данном случае напряжения для управления двигателем 3), передаваемой в цифровом параллельном коде, в аналоговый управляющий сигнал, и состоит из цифро-аналогового преобразователя и усилителя (реализованного, например, по традиционной схеме с использованием тиристора в качестве выходного элемента для обеспечения достаточной для управления двигателем мощности).
В качестве двигателя 3 авторами применен двигатель постоянного тока от флотомашины.
Механизм 2 для преобразования вращательного движения в поступательное состоит из основания 21 (фиг.2) и вертикальной балки 22, обеспечивающих крепление частей механизма 2 при помощи винтов 29, диска 23, связанного ременной передачей 24 с валом 25 двигателя 3, балки 26, механически связывающей край диска 23 и устройство для крепления цилиндра 27 с закрепленным на противоположной от цилиндра стороне противовесом 28.
Изобретение позволяет подбирать флотореагенты при пенной флотации в горнодобывающей, пищевой промышленности, в лабораторных условиях и обеспечивает повышение точности определения пенообразующей способности реагента за счет управления процессом получения пены, снижение сложности практического применения способа и устройства путем повышения уровня автоматизации и снижения времени, затрачиваемого на промывку контактирующих с реагентом частей устройства.