УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАЗМЕРОВ ЧАСТИЦ
PARTICLE SIZE MEASUREMENT DEVICE

Изобретение касается способа для определения распределения частиц по размерам, в частности для оптических Online-измерений размеров отдельных частиц сыпучего материала, состоящего из частиц с большим разбросом по величине. Кроме того, изобретение касается устройства для измерения размеров частиц.
Способы регистрации размеров частиц и их распределение по размерам, а также определение их состава с помощью специального принципа измерения известны. Так, например, в DE-C-19802141 предлагается устройство для определения размеров частиц посредством электрооптического сканирования потока продукта с помощью оптоэлектронных устройств, установленных на измеряемом участке. Описанное в этом патенте устройство для регистрации изображений содержит большое число электрооптических приборов для регистрации изображений. Одно такое устройство пригодно для измерения частиц размером более 100 нм. Недостатком этого устройства и метода измерений является то, что, прежде всего, для более мелких частиц размером менее 100 нм расходы на измерения и/или погрешность измерений значительно возрастают с уменьшением размера частиц. Причина этого может заключаться в недостаточной глубине резкости и помехах, которые могут возникать в результате наличия таких эффектов, как дифракция или рассеяние света и/или нарушения резкости за счет движения объекта.
Также известны устройства для регистрации частиц посредством дифракции или рассеяния лазерного излучения. При этом могут регистрироваться мелкие частицы с размером в диапазоне приблизительно от 1 мкм до приблизительно 100 мкм. Однако недостатком таких устройств являются высокие расходы на проводимую одновременно регистрацию более крупных частиц, прежде всего, с размером свыше 1 нм, более низкая точность измерений в этом диапазоне, прежде всего, для частиц, форма которых значительно отличается от круглой, и малая информативность этого метода измерений. В частности, могут измеряться только распределение частиц по поверхности и частично концентрация частиц. Данные о подробных контурах частиц, как они определяются при обработке изображения, отсутствуют. Цвет, скорость или другие характеристики частиц также не могут определяться с помощью дифракции лазерного излучения.
Согласно уровню техники, регистрация измеренных значений выполняется только с помощью одного единственного принципа измерений, что ограничивает область применения и/или требует больших затрат.
В основу изобретения положена задача усовершенствовать способ для определения распределения частиц по размеру, в особенности, для оптического метода измерения распределения частиц по размеру, который не будет иметь недостатков уровня техники и который позволит выполнять интегрированные Online-измерения при обработке сыпучих материалов, в состав которого входят частицы различных размеров.
Эта задача решается с помощью метода для определения распределения частиц по размеру, который осуществляется, по меньшей мере, с помощью следующих этапов:
a) производство содержащего частицы потока продукта посредством технологического процесса или подготовки содержащего частицы потока продукта, который был произведен посредством технологического процесса,
b) получение результатов измерений посредством, по меньшей мере, части частиц, причем результаты измерений, по меньшей мере, получены посредством оптической регистрации части частиц с помощью, по меньшей мере, двух различных оптических методов измерения,
c) определение, по меньшей мере, одной характеристики части частиц на основании результатов оптических измерений, полученных на этапе b), причем распределение части частиц по размеру описывается, по меньшей мере, при помощи одной характеристики.
Технологический процесс выбран из группы процессов, в которую входят процессы размельчения, очистки, отделения, смешивания и агломерации или любые комбинации этих процессов. Размельчением может называться, например, процесс помола.
В соответствии с изобретением, по меньшей мере, один способ измерений включает регистрацию образца дифракции части частиц.
Одновременная регистрация с помощью, по меньшей мере, двух различных оптических способов измерения позволяет провести измерения в большей зоне, чем при регистрации с помощью только одного оптического способа измерений. Так, с помощью предложенного в изобретении способа в одной зоне могут регистрироваться частицы до четырех размеров. Например, в одной зоне от 2 мкм до 20 мм, предпочтительно в зоне от 5 мкм до 5 мм. Прежде всего, предложенный в изобретении способ регистрации образца дифракции позволяет проводить измерения особо мелких частиц. При этом получают более полную информацию о размере частиц и их распределении в потоке продукта. Это в свою очередь позволит целенаправленно устанавливать производственные параметры сыпучих продуктов, состоящих из частиц, в частности, зерновых культур.
Измерение проводится предпочтительно в режиме online. При этом здесь и далее имеется в виду, что измерение интегрировано в процесс, В частности, измерение проводится в непосредственной близости от процесса.
Этот способ может применяться, например, в следующих областях:
- обработка зерновых культур, измельченных продуктов из зерновых культур и конечных продуктов после изготовления муки (в частности, измельчение пшеницы мягких сортов, пшеницы твердых сортов, ржи, кукурузы и/или ячменя) или специальных продуктов из муки (в частности, удаление оболочки и/или измельчение сои, гречихи, ячменя, двузернянки, проса/сорго, полуфабрикатов из круп и/или бобовых);
- производство кормов для сельскохозяйственных и домашних животных, рыб и ракообразных;
- обработка масличных семян;
- обработка биомасс и производство гранулированного топлива;
- промышленные установки для производства и дробления солода;
- обработка какао-бобов, орехов и кофейных зерен;
- производство строительных материалов;
- производство удобрений;
- фармацевтическая промышленность;
- химия твердых веществ.
Предпочтительно из произведенного или подготовленного на этапе а) потока продукта выбирается проба, содержащая частицы, причем на этапе b) эти частицы в этой пробе регистрируются с помощью оптического устройства. Таким образом, в таком исполнении частицы не должны измеряться в потоке продукта. Вместо этого измерение отобранной пробы может выполняться на этапе b), что позволяет значительно упростить расположение в пространстве измерительных устройств, которые используются в этом способе измерений.
В возможных формах выполнения отбор пробы может выполняться в скатной трубе, например, с помощью поддона. Отбор может производиться в прерывистом режиме. Доля пробы относительно полного потока продукта может составлять от 0,01% до 10%. Таким образом, репрезентативная часть потока может подаваться практически непрерывно без дополнительной промежуточной записи результатов измерений.
В некоторых формах выполнения пробу можно дозировать, сортировать и/или диспергировать, прежде чем выполнять собственно измерение на этапе b). При дозировании обеспечивается, по-возможности, бесперебойная подача требуемого количества продукта в измерительное устройство. При сортировке и диспергировании, например, по принципу Вентури, поток продукта может, наоборот, в отдельных случаях больше не регулироваться. Здесь продукт может разряжаться с помощью сжатого воздуха и дополнительно всасываемого из окружающей среды воздуха, с тем, чтобы все частицы лежали по отдельности и, таким образом, также измерялись по-отдельности. Этот второй этап может выполняться отдельно от дозирования, для того чтобы продукт, в зависимости от его свойств (например, сил сцепления между частицами), можно было разделить. Переход от разделения к размельчению выполняется плавно. Разделение и диспергирование могут выполняться в отдельных случаях за один этап.
В предпочтительных формах выполнения, по меньшей мере, один из способов измерений на этапе b) включает регистрацию площади проекции части частиц. Затем контуры частиц этой площади проекции могут обрабатываться с помощью устройства для обработки контуров частиц.
Предпочтительно с помощью устройства для обработки контуров частиц проводится определение распределения по размеру, по меньшей мере, крупной фракции частиц, в частности, в диапазоне размеров от 10 мкм до 30000 мкм, предпочтительно от 50 мкм до 20000 мкм, особенно предпочтительно от 90 мкм до 10000 мкм.
Также с помощью дифракции лазерного излучения предпочтительно выполняется определение распределения по размеру, по меньшей мере, мелкой фракции частиц, в частности, в диапазоне размеров от 0,1 мкм до 300 мкм, предпочтительно от 1 мкм до 300 мкм, особенно предпочтительно от 5 мкм до 200 мкм.
В некоторых формах выполнения на основании распределения частиц по размеру, который определяется с помощью оптического устройства, может определяться форма, формфактор, цвет, цветовая компонента, и/или скорость части частиц. Формфактор снижает контур частиц любой сложности на одно значение. Формфактором может быть, например, степень «округлости» частицы; он может определяться как отношение диаметров равновеликих кругов и кругов, имеющих одинаковую длину окружности. Типичными формфакторами являются, например, «удлинение», «сферичность», «выпуклость» и «округлость». Мелкие и крупные частицы могут, например, отличаться тем, что степень округлости мелких частиц значительно отличается от формы шара.
Цвет и/или цветовые компоненты могут, например, определяться с помощью датчика цвета, в частности, с помощью датчика цветного изображения. Система и способ для определения параметров измельченного материала с помощью датчика цветного изображения описаны, например, в международной заявке на патент РСТ/ЕР2009/055877. Такой датчик цветного изображения позволяет использовать информацию о цвете для определения параметров частиц в потоке измельченного материала, в котором частицы, отражающие (испускающие) электромагнитное излучение, отображаются на датчике цветного изображения, который затем регистрирует спектральный состав электромагнитного излучения на своих элементах кадров. Датчиком цветного изображения предпочтительно является CCD-датчик, который может использоваться для описанного ниже способа для измерения скорости частиц.
В особенности может использоваться комбинация освещения на отражение и на просвет. Это позволяет посредством освещения на отражение получить информацию о цвете, а с помощью освещения на просвет в сравнении с чистым освещением достичь более высокой четкости контуров, в особенности для быстрых частиц (например, с диаметром от приблизительно 200 нм и со скоростью прибл. 20 м/с). Аналогичные комбинации освещения на отражение и на просвет описаны в РСТ/ЕР2009/055877.
В частности, один или несколько таких параметров (форма, формфактор, цвет, цветовая компонента и/или скорость) могут определяться в режиме реального времени.
Опционально после этапа с) может выполняться калибровка полученных на этапе с) параметров части частиц, т.е. подготовка данных и сравнение параметров с соответствующим технологическим Know-How. При такой калибровке данные о фракционном составе, полученные первоначально раздельно по дифракции лазерного излучения и данным о контуре, объединяются в общие данные о распределении по всему диапазону измерений. Согласно первому методу область перекрытия результатов измерения, полученных с помощью обоих методов измерения, может использоваться для того, чтобы нормировать и объединить оба распределения частиц по размеру. Согласно второму методу общая площадь результатов измерений, полученных с помощью обоих способов измерений, может измеряться и использоваться вместе с соответствующим объемом данных для стандартизации распределения.
Результатом обоих методов является распределение по площади проекции, которое отклоняется от технически важного распределения по массе. Здесь может применяться «технологическое Know-How», для того, чтобы определить соответствующий пересчет. Частицы шелухи, например, напоминают скорей форму дисков, а частицы муки - форму шара. При пересчете распределения по площади и по массе это необходимо учитывать, причем, например, частицы муки и шелухи отличаются по цвету и формфактору.
Кроме того, необходимо учесть влияние аппарата для размола на форму шелухи. Рифления и, прежде всего, мелющая щель аппарата для размола продукта определяют, например, среднюю высоту шелухи в форме дисков.
Способ может использоваться для оптимизации, регулирования, в особенности, при регулировании в Online-режиме, моделировании, имитации, в особенности, при Online-контроле, поиске неисправностей, диагностике ошибок, контроле качества и/или наблюдении за одной машиной и за машинами, соединенными в линию, за технологическим процессом и/или установкой. Аналогичные способы описаны, например, в международной заявке на патент РТС/ЕР2009/058351.
Также опционально могут архивироваться, в особенности, по меньшей мере, результаты измерений, полученные с помощью измерительного устройства, в особенности, по меньшей мере, результаты измерений, полученные с помощью оптического измерительного устройства. По результатам измерений, хранящимся в архиве, можно определять параметры, настройки и делать заключения о работе и/или конфигурации отдельной и/или нескольких машин и/или установок и/или технологических процессов. Либо можно не описывать полностью поведение общей мельницы посредством многочисленных и комплексных интеракций отдельной машины. Для того, чтобы, тем не менее, обеспечить регулирование всей установки, можно использовать самонастройку и/или настройку, основанную на эмпирическом методе. Для этого могут использоваться сигналы, поступающие от датчиков с информацией о состоянии всей мельницы, которые могут архивироваться в банке данных. На данных из такого банка данных может быть основан алгоритм регулировки, который может предотвращать нежелательные состояния мельницы. Аналогичные установки с локальными и/или глобальными регулирующими системами описаны, например, в международной заявке на патент РТС/ЕР2009/058351.
Кроме того, опционально могут использоваться исходные результаты измерений, полученные с помощью измерительных устройств и/или данные, полученные по этим исходным результатам измерений, в качестве опытных значений в адаптивных системах, как, например, в нейронных сетях, в частности, для управления и/или регулировки машин и/или установок и/или технологических процессов. Например, в нейронных механизмах могут использовать описанные выше заархивированные результаты измерений. Эти результаты измерений могут использоваться также с помощью так называемого «нечеткого управления». Результаты измерений могут архивироваться в виде обработанных данных (например, одно распределение частиц по массе, полученное по двум способам измерений) или в менее обработанном состоянии (например, два отдельных распределения по площади).
В дальнейшем непосредственно для регулирования опционально могут использоваться исходные результаты измерений, полученные с помощью измерительных устройств, или не полностью обработанные результаты измерений, полученные с помощью измерительных устройств, для распределения частиц по массе, в частности, один дифракционный спектр лазерного излучения, рассчитанный по нескольким отдельным измерениям.
По картине дифракции, полученной с помощью этих способов, посредством круговой интеграции вокруг центра кадра может рассчитываться дифракционный спектр лазерного излучения. По нему можно судить, какое количество световой энергии отклонилось и на какой угол. Для постоянного распределения частиц по размеру этот дифракционный спектр или его среднее значение, рассчитанное по достаточному количеству отдельных измерений, также постоянен. Слишком сильное измельчение приводит к уменьшению размеров частиц и, значит, к увеличению дифракции лазерного излучения, таким образом, к увеличению световой энергии при увеличении радиусов. Слишком малое измельчение приводит, наоборот, к меньшей дифракции лазерного излучения. Дифракционный спектр лазерного излучения может использоваться, таким образом, непосредственно для регулирования (например, ширины мелющей щели между двумя валами), без реконструирования собственно распределения частиц по размеру. Выполненный последним этапом требует большого времени вычислений и может стать причиной математической ошибки или неточности, которая может отрицательно повлиять на регулировку. Регулировка, основанная на дифракционном спектре лазерного излучения, может предотвратить эту проблему.
В некоторых формах выполнения управляется и/или регулируется, по меньшей мере, один технический параметр технологического процесса с помощью определенного на этапе с) характеристики, в частности, с помощью распределения части частиц по размеру. В частности, по меньшей мере, один технический параметр может управляться и/или регулироваться таким образом, что при этом распределение частиц по размеру может меняться. Тем самым обеспечивается возможность регулирования действительного значения распределения частиц по размеру по предварительно заданному распределению частиц по размеру.
В частности, в случае измельчения, или во время помола, может идти речь, по меньшей мере, об одном техническом параметре - ширине, по меньшей мере, одной мелющей щели, о скорости вращения, по меньшей мере, одного мелющего тела, передаточном отношении двух мелющих тел, геометрии одного мелющего тела и/или одного мельничного вала и/или массового расхода измельчаемого продукта. На мельничном валу могут иметься рифления.
Согласно предложенному в изобретении способу, измерения скорости отдельных частиц или измерения скорости, рассчитанные по всему диапазону или по части диапазона измерений для частиц различного размера могут использоваться для коррекции распределения частиц по размеру с различной степенью вероятности или по классам в пределах диапазона измерения измерительного устройства. Тем самым можно повысить точность измерений и их достоверность по сравнению с известными способами.
В двухфазовых потоках с широким распределением частиц по размерам скорости частиц в общем случае коррелируются с размерами частиц, их формой и удельным весом. В ускоренном потоке, например, более крупные частицы, вследствие их большей массы, имеют более низкую скорость, чем более мелкие частицы. Скорость частиц может определять длительность пребывания частиц в диапазоне измерений и тем самым непосредственно вероятность определения частицы. Для того, чтобы это учесть, распределение частиц по размерам, определенное с помощью оптических устройств, может соответственно корригироваться. Относительные или абсолютные значения скорости могут при этом определяться для индивидуальных частиц или, по меньшей мере, для каждого соответствующего класса частиц. Оценка каждого класса частиц становится функцией скорости частиц и размера частиц (например, площадь проекции, диаметр или расчетный объем). Определение скорости объекта в комбинации с распознаванием контура частиц выполняется на современном уровне. При этом распределение скорости крупных частиц может измеряться непосредственно. Измеренная с помощью дифракции, в частности, с помощью дифракции лазерного излучения, доля мелких частиц, вследствие малых размеров этих частиц и малой массы, имеет почти постоянную скорость. Последняя может определяться посредством экстраполяции результатов измерений скорости при обработке контуров частиц.
Оптически зарегистрированные объекты с нулевыми скоростями - это, например, оптические ошибки или царапины на смотровом окне или стационарные или медленно сползающие загрязнения (со скоростями, которые значительно меньше, чем 1 м/с), такие как прилипшие частицы или ингредиенты частиц, такие как в случае зерновых культур, например, протеины или жиры. Эти продукты не являются частью искомого распределения частиц по размеру. С помощью коррекции скорости, которая описана выше, такие значения могут оцениваться как 0; эти данные в дальнейшем не могут повлиять на результаты распределения частиц по размеру.
Альтернативно при обработке контуров объектов неподвижные или медленно перемещающиеся объекты могут быть отфильтрованы с помощью отдельного алгоритма из результатов измерений. Для этого, например, можно оценить разницу двух изображений, полученных от датчиков, предпочтительно двух следующих непосредственно друг за другом изображений, вместо одного простого изображения. При этом неподвижные дефекты или почти неподвижные загрязнения сокращаются автоматически и становятся невидимыми на изображении. Альтернативно часто появляющиеся частицы с приблизительно постоянными размерами и положением могут распознаваться как дефекты и отбрасываться. Для этого может составляться предпочтительно динамический список с соответствующими пикселями и объектами для фильтрации результатов измерений.
Альтернативно, а также для дифракции лазерного излучения, посредством кратковременного останова потока продукта (например, при останове отбирающего шнека) может заново создаваться фон без потока продукта через регулярные интервалы и использоваться в дальнейшем для соответствующей коррекции исходных данных.
Опционально поток продукта может периодически отключаться при создании текущего фона для коррекции дифракционного спектра лазерного излучения.
Изобретение касается, кроме того, устройства для определения распределения частиц по размеру, в частности, для осуществления предложенного в изобретении способа, описанного выше.
Устройство содержит
- устройство для производства потока продукта, содержащего частицы, с помощью технологического процесса и/или подготовительное устройство для подготовки потока продукта, содержащего частицы, который был произведен посредством технологического процесса,
- по меньшей мере, два измерительных устройства для регистрации, по меньшей мере, части частиц и,
- расчетный блок для расчета, по меньшей мере, параметров части частиц на основании результатов измерений, полученных с помощью оптических измерительных устройств.
Технологический способ выбран из группы операций, в которую входят операции размельчения, очистки, разделения, смешивания и агломерация. По меньшей мере, два измерительных устройства применяются в качестве двух различных оптических измерительных устройств для оптической регистрации части частиц. По меньшей мере, один рассчитываемый параметр части частиц - это распределение части частиц по размеру.
В соответствии с изобретением, для регистрации образца дифракции частиц сконструировано, по меньшей мере, одно оптическое измерительное устройство. На основании такой конструкции с помощью такого устройства можно достичь преимущества, которые уже были описаны выше в связи с предложенным в изобретении способом.
Устройство может иметь узел для отбора пробы из потока продукта.
Альтернативно или дополнительно это устройство может иметь узел для транспортировки пробы в область измерения. При этом измерительные устройства такого типа сконструированы и располагаются таким образом, что проба оптически регистрируется с помощью измерительных устройств в области измерения.
Устройства для отбора проб могут быть выполнены в виде отбирающих шнеков. С помощью одного такого шнека можно отобрать пробу из потока продукта, например, из сыпучего продукта. Отбор проб может производиться либо в определенном месте, либо, преимущественно, комбинированно в определенном месте и в определенное время. При отборе пробы в определенном месте продукт отбирается только из одной части потока продукта. Это может быть реализовано посредством ввода отбирающего шнека в трубу, причем отбирается только продукт, который падает на отбирающий шнек. При этом отбирающий шнек может быть выполнен в виде стационарной, или, предпочтительно, поворотной конструкции.
Временный отбор проб означает, что весь продукт отбирается не непрерывно, а только короткое время. Этот процесс повторяется. Если процесс проходит непрерывно и достаточно стабильно, отобранные образцы являются достаточно репрезентативными также для оценки продукта до и после отбора проб.
Предпочтительное в рамках настоящего изобретения устройство для отбора проб из потока продукта содержит корпус шнека, который, по меньшей мере, частично расположен или может быть расположен в трубопроводе, по которому проходит продукт. Когда говорят о трубопроводе для подачи продукта, речь может идти о трубе, по которой продукт падает свободно. Кроме того, устройство для отбора проб имеет отбирающий шнек, который, по меньшей мере, частично входит в корпус шнека. Отбирающий шнек служит для отбора проб.
Корпус шнека и/или отбирающий шнек могут приводиться на выбор в положение приема или в положение готовности. При этом в положении приема содержащиеся в потоке продукта частицы поступают в корпус шнека и отбираются с помощью отбирающего шнека из потока продукта. В положении готовности, наоборот, содержащиеся в потоке продукта частицы не поступают в корпус шнека. Выбрав один из режимов - положение приема или положение готовности - можно таким образом выбрать регулировку, позволяющую либо отбирать частицы с помощью отбирающего шнека, либо не отбирать. В частности, отбирающий шнек может продолжать вращаться даже в положении готовности, но частицы не будут попадать в корпус шнека.
Таким образом, нет необходимости выключать отбирающий шнек между двумя последовательными отборами проб.
В некоторых формах выполнения отбирающий шнек и корпус шнека могут передвигаться, в частности, поворачиваться и в положении готовности располагаться вне потока продукта. В этом положении готовности отбирающий шнек может подавать уже имеющийся продукт, однако, не отбирать новый продукт. Затем для отбора пробы отбирающий шнек и корпус шнека могут поворачиваться в поток продукта до тех пор, пока шнек не наполнится продуктом. Заглушка-вкладыш в этом исполнении не требуется.
Предпочтительно устройство для отбора проб имеет заглушку, с помощью которой корпус шнека и/или отбирающий шнек могут на выбор приводиться в положение приема или в положение готовности. В положении приема заглушки могут открывать корпус шнека, так что получается положение приема. В положении готовности заглушки могут закрывать корпус шнека, так что получается положение готовности.
Предпочтительно корпус шнека выполнен, по существу, в форме желоба, а заглушки предпочтительно выполнены в виде заглушек-вкладышей. Кроме того, заглушки-вкладыши предпочтительно могут вращаться относительно корпуса шнека вокруг оси, проходящей параллельно оси вращения отбирающего шнека или согласована с ним. Регулируя относительный угол между заглушкой-вкладышем и корпусом шнека, можно выбирать положение приема или положение готовности. Такая конструкция является особенно простой.
Альтернативно могут также применяться движущиеся направляющие пластины, трубные стрелки или аналогичные приспособления для выбора положения приема или готовности.
Кроме того, устройство может иметь приспособление для разделения и/или диспергирования пробы. При этом гарантируется репрезентативный отбор пробы также при большом разделении проб и постоянная принудительная транспортировка продукта. Это особенно удобно, если одно из измерительных устройств может анализировать только часть (например, от 1/10 до 1/10000) всего потока продукта. С помощью разделения проб количество продукта можно соответственно уменьшить.
Кроме того, возможны несколько мест для отбора проб, в которых могут отбираться пробы. Применение устройства может позволить также выполнять переключение между различными местами отбора проб, например, для регулирования параллельности валов на вальцовом станке.
Для регистрации площади проекции частиц предпочтительно имеется, по меньшей мере, одно оптическое измерительное устройство.
Также предпочтительно имеются, по меньшей мере, два измерительных устройства, в частности, одно оптическое измерительное устройство для регистрации образца дифракции частиц и одно дополнительное оптическое измерительное устройство, расположенные в пространстве рядом друг с другом. Это позволяет, с одной стороны, проводить измерение в двух расположенных рядом друг с другом и даже в одинаковых оптических зонах измерения. С другой стороны, при таком исполнении можно обеспечить компактную конструкцию. Предпочтительно в общем корпусе могут располагаться, по меньшей мере, два измерительных устройства.
В некоторых конструкциях устройство имеет, по меньшей мере, один управляющий контур и/или регулирующий контур, с помощью которого могут управляться или регулироваться, по меньшей мере, один технологический параметр технического устройства на основании определенной с помощью вычислительного устройства характеристики, в частности, на основании распределения частиц по размеру.
Предпочтительно площадь, занимаемая частицами (то есть среднее отношение площади частиц к измеряемой площади в зоне измерений) в зоне измерений поддерживается, в основном, постоянной, для того, чтобы избежать возможного влияния на результат измерений. Этого можно достичь, например, следующим образом: площади проекции всех частиц (т.е. площади частиц) измеряются в каждом изображении и, таким образом, известны. Они рассчитываются по нескольким изображениям. Площадь измерений (т.е. размер изображения) является фиксированной величиной и также известна. По этим данным устройство рассчитывает соответствующую площадь, занимаемую частицами, и может предоставить эти данные в виде действительного значения (например, в виде аналоговой величины) регулировки. С помощью дозирующего узла (например, шнека) можно увеличить или уменьшить подаваемое количество продукта в зависимости от отклонения от действительного значения. Это может выполняться посредством изменения скорости вращения шнека или посредством изменения степени его наполнения. Степень наполнения может, в свою очередь, управляться и/или регулироваться непосредственно посредством изменения длительности такта при отборе пробы.
Соотношение в диапазоне от 0,2% до 5% предпочтительно поддерживается постоянным. Для этого в качестве входных параметров регулирования продолжительности отбора проб могут использоваться действительное и заданное значения площади, занимаемой частицами.
В другой форме осуществления изобретения устройство может иметь еще дополнительные измерительные устройства для регистрации, по меньшей мере, части частиц. Эти дополнительные измерительные устройства не обязательно должны быть оптическими датчиками; вместо них устройство может оснащаться, по меньшей мере, индуктивным, емкостным, ультразвуковым, инфракрасным датчиком и/или датчиком для определения цвета. Тем самым могут определяться, например, форма, формфактор, цвет, цветовая компонента и/или скорость части частиц.
Датчик для определения цвета может быть выполнен в виде датчика цветного изображения. Система и способ для определения параметров измельченного продукта с помощью датчика цветного изображения описаны, например, в международной заявке на патент РСТ/ЕР2009/055877. Такой датчик цветного изображения позволяет использовать информацию о цвете для определения параметров частиц в потоке измельченного материала, в котором частицы, испускающие электромагнитное излучение, отображаются на датчике цветного изображения, который затем регистрирует спектральный состав электромагнитного излучения на своих элементах изображения.
По меньшей мере, одно из оптических измерительных устройств может иметь смотровое окно, через которое могут регистрироваться частицы в зоне измерения.
Для качества измерений чистота смотрового окна имеет решающее значение. Для того, чтобы минимизировать прилипание частиц к смотровому окну, материал для стекла и/или структура поверхности стекла предпочтительно выбирается таким образом, чтобы физические и/или химические силы сцепления, например, такие как силы Вандер-Ваальса, водородные перемычки, дипольные силы и/или перемычки из жидкости были как можно меньше.
2
Предпочтительно смотровое окно может быть выполнено из электропроводящего стекла или прозрачной пластмассы. Это позволяет значительно снизить или даже полностью предотвратить налипание частиц вследствие электростатических сил. Для этого предпочтительно могут использоваться электропроводящие смотровые окна. При этом с внутренней стороны канала, по которому проходит часть частиц, стекло или пластмасса могут иметь покрытие. Покрытие может, например, содержать или состоять из пленки из материалов на основании оксида индиум-оловянного сплава, оксида кремния или TiO (предпочтительно нестехиометрический в О).
Соответственно изобретение касается, кроме того, применения, по меньшей мере, частично электропроводного, в частности, имеющего электропроводящее покрытие прозрачного материала в качестве смотрового окна для снижения прилипания частиц к смотровому окну вследствие электростатических сил. В частности, речь может идти о применении смотрового окна в оптическом измерительном устройстве. Прозрачный материал может содержать прозрачную пластмассу или состоять из нее.
Дополнительно при нагреве, охлаждении или попеременном нагреве и охлаждении может меняться степень устойчивости материала к прилипанию частиц, и тем самым уменьшаться степень его загрязнения. С помощью вибрации смотрового окна или окон, которая может осуществляться посредством пьезоэлемента, можно дополнительно или альтернативно преодолеть силы сцепления частиц и тем самым достичь более высокой степени очистки смотрового окна.
Альтернативно или дополнительно в предложенном в изобретении способе скорость частиц для различных продуктов может регулироваться таким образом, чтобы загрязнение смотрового окна было минимальным. При увеличении скорости толщина граничного слоя на внутренней стороне канала смотрового окна уменьшается, что приводит к увеличению срезающего усилия и столкновениям между движущимися и прилипшими частицами. Таким образом, при увеличении скорости потока увеличивается эффект самоочистки. Для измельченных продуктов, таких как мука, при средней скорости потока, составляющей более 10 м/с в комбинации со смотровым стеклом с электропроводящим покрытием эффект самоочистки доминирует, что приводит к тому, что смотровые окна остаются достаточно чистыми.
Для крупных частиц, как, например, целые зерна, напротив, увеличение скорости частиц может иметь негативные последствия, так как при увеличении сил инерции при столкновении частицы со смотровым окном, в отличие от случая с мелкими частицами, возможно прочное отложение материала на смотровом окне. Этот эффект встречается, в частности, при работе с продуктами из зерновых культур, в особенности, при обработке жиро- и протеиносодержащих продуктов и ухудшает оптические свойства смотрового окна. Кроме того, чем больше силы инерции, тем больше износ узлов и смотрового окна. Этот отрицательный эффект может преобладать над положительным влиянием явления самоочистки при увеличении скорости, так что в некоторых формах осуществления способа предпочтительны более низкие скорости, в частности, скорости менее 20 м/с, предпочтительно менее 15 м/с, особенно предпочтительно, менее 10 м/с.
Альтернативно или дополнительно также посредством геометрических характеристик канала, через который проходит часть частиц, направление продукта можно менять таким образом, чтобы частицы не попадали или редко попадали на смотровое окно, чтобы таким образом предотвратить налипание частиц. Для этого можно, например, создать пограничный слой без частиц и минимизировать турбулентность в пограничном слое посредством скачкообразного расширения канала с продувочным воздухом. При этом продувочный воздух может вдуваться сверху и/или снизу ступени, для того, чтобы отгородить смотровое окно с помощью чистого (т.е. не содержащего частицы) продувочного воздуха и предотвратить рециркуляцию воздушного потока.
Альтернативно или дополнительно может быть также создан не содержащий частицы пограничный слой посредством непрерывного расширения канала с пористыми боковыми стенками и гомогенная подача воздуха через пористые стенки.
Также альтернативно или дополнительно в оптическом измерительном устройстве для регистрации образца дифракции может располагаться отверстие, размер которого, в частности, может соответствовать диаметру лазерного луча. Смотровое окно может быть установлено на прежнее место. При этом в зоне смотрового окна может располагаться, в особенности, щель для продувочного воздуха, для того, чтобы предотвратить налипание частиц на смотровое окно.
Сигнал от измерительного устройства может использоваться для оптимизации и/или для поддержания качества продукта. Для этого измерительное устройство может использоваться в комбинации с одним или несколькими измельчительными узлами, как, например, мельница, или вальцовая мельница, штифтовая мельница, дробилка ударного действия или молотковая дробилка. Эффективность измельчения с помощью вальцового станка может регулироваться во время работы, например, посредством изменения величины и параллельности щели между парой валов, посредством изменения скорости. вращения валов или соотношения числа оборотов валов таким образом, чтобы распределение частиц по размеру и/или другие параметры частиц соответствовали предварительно установленным заданным значениям. Для проверки параллельности валов можно с помощью одного подвижного или, по меньшей мере, двух неподвижных мест отбора отвести один или несколько раздельных потоков на различные положения вала и оценивать их параллельность с помощью нескольких измерительных систем или предпочтительно последовательно с помощью одной измерительной системы.
С помощью измерительных устройств можно контролировать, управлять и/или регулировать оптические, механические и/или аэродинамические процессы очистки или разделения, например, при сортировке продукта. Требуемое распределение частиц по размеру можно обеспечить при этом посредством регулировки параметров машин, таких как скорость, число оборотов, давление, объемный поток, геометрия машины и геометрия разделительных устройств.
Альтернативно или дополнительно могут использоваться устройство или способ, позволяющие определить параметры продукта и/или конечного продукта во время процесса смешивания или внести соответствующие изменения в процессе смешивания. На мукомольных заводах, таким образом, может обеспечиваться более точный специфический контроль качества таких конечных продуктов, как, например, мука, манная крупа, в особенности пшеница твердых сортов или кукурузная крупа, или отруби. Кроме того, с помощью предложенного в изобретении способа и/или предложенного в изобретении устройства в процессе смешивания могут контролироваться, управляться и/или регулироваться соотношения смешиваемых продуктов и/или параметры смешивания.
В процессах агломерации, как, например, при гранулировании и/или прессовании, при агломерации в жидких слоях и/или посредством флокулирования, предложенное в изобретении устройство или предложенный в изобретении способ могут использоваться для того, чтобы получить агломерат требуемого среднего размера или рассортировать агломерат по размеру и/или обеспечить другие параметры агломерата. Для этого во время работы могут управляться, регулироваться и/или оптимизироваться, в том числе время нахождения продукта, условия технологического процесса, например, температура, влажность, скорость потока и/или другие параметры машины или технологического процесса.
Применение датчика цвета при определении контура частиц позволяет при определении размера частиц дополнительно регистрировать усредненный цвет или цветовую компоненту той зоны, в которой находятся частицы. Предпочтительно дополнительно кроме цвета определяются форма частиц и/или формфактор. Информация о цвете может использоваться для того, чтобы сделать вывод о материале, из которого состоят частицы. В случае зерновых культур могут идентифицироваться, например, зерна посторонних культур, разломанные зерна, загрязнения, такие как песок и камни или вредители или зерна, пораженные болезнями. Состав частиц для промежуточных и конечных зерновых культур может отличаться. В случае пшеницы с помощью информации о цвете можно определить состав продукта: белый цвет - мука, коричневый -шелуха и желтый - пророщенные зерна. Также можно идентифицировать частицы в смеси, причем с помощью данного способа могут регистрироваться и описываться состав отдельных зон частицы. Такая процедура имеет значение для таких процессов, для которых перед помолом необходимо сортировать продукт по ингредиентам и затем отделять эти ингредиенты. Другие преимущества, которые дает применение датчика цвета, описаны в международной заявке на патент РСТ/ЕР2009/055877.
В установках или технологических процессах, в которых имеются, по меньшей мере, два управляющих воздействия, одно или несколько измерительных устройств в комбинации с записывающим устройством могут применяться для того, чтобы, по меньшей мере, частично описать рабочие состояния установки или технологического процесса и определить эти состояния, например, как хорошие или плохие. При этом получают опытные данные, которые позволяют адаптировать систему для контроля, управления или регулирования установки или технологического процесса.
Предпочтительно на основании результатов измерений математически описываются и интерполируются и регулируются и/или оптимизируются состояния узлов установки или технологического процесса.
Для оптимизации технологических процессов с помощью регулирующих систем можно получить более полную информацию о параметрах частиц и/или состоянии машины и/или состоянии установки посредством комбинирования системы измерения с другими измерительными устройствами, как, например, дополнительными индуктивными, емкостными, ультразвуковыми, инфракрасными датчиками или датчиками цвета.
Это устройство может применяться для регулирования технологических процессов, в которых в качестве исходных данных дифракции или спектра лазерного излучения указываются действительные и заданные значения регулировок, что позволяет отказаться от восстановления распределения частиц по размерам по исходным данным дифракции лазерного излучения. Этот способ позволяет сократить расходы на расчеты и оптимизировать соотношение сигнал-шум измерительной системы.
Для измельченного продукта, например, для муки с мелкими частицами, возможно предусмотреть регулирование, которое осуществляется непосредственно по дифракционному спектру, а не по массе частиц или площади проекции частиц. Этот способ предпочтительно применяется в тех случаях, когда в зону измерений попадает, по меньшей мере, большая часть частиц. Это условие выполняется только для измельченных продуктов (например, с максимальным размером 300 мкм). Этот способ может применяться для муки (типичный размер частиц менее 150 мкм).
Нижеследующие примеры выполнения вместе с чертежами служат для описания изобретения. При этом на них показано:
фиг.1 - общий вид предложенного в изобретении устройства;
фиг.2 - боковое сечение измерительного аппарата устройства согласно фиг.1, содержащего два оптических датчика;
фиг.3 - устройство для отбора проб устройства согласно фиг.1 и 2;
фиг.4а и 4b - устройство для отбора проб устройства согласно фиг.1 с устройством для отбора проб и заглушкой-вкладышем (а) в положении приема и (b) в положении готовности;
фиг.5 - рисунок, позволяющий наглядно объяснить вероятность места нахождения частицы;
фиг.6 - чертеж, позволяющий пояснить, как меняется скорость частицы;
фиг.7а и 7b - схематичное изображение устройств для предотвращения контакта продукта со смотровым окном;
фиг.8а и 8b - другие устройства для предотвращения контакта продукта со смотровым окном.
Согласно фиг.1 поток частиц падает вертикально по трубе 22 для подачи продукта самотеком. Поток продукта содержит частицы, которые могли пройти процесс измельчения, например, после процесса размельчения, очистки и разделения в мукомольной мельнице. С помощью отбирающих устройств, которые изображены как устройства 1 для отбора проб, в месте измерения часть потока частиц отбирается и направляется горизонтально в разделяющее и диспергирующее устройство 8. Устройство для отбора проб боле подробно поясняется ниже с помощью фиг.2. Разделяющее и диспергирующее устройство 8 известно. Оно может быть выполнено, например, в виде отбойной плиты (такая, как описана в WO 2006/000112), воздуходувки или вибратора или оснащаться забрасывающими лопатами.
Согласно фиг.2 воздушный поток 10 с находящимися в нем частицами поступает затем в канал 9, оборудованный двумя установленными в одном корпусе 61 оптическими датчиками 6, 7 оптического аппарата 4. Датчики 6, 7 образуют два различных оптических измерительных устройства. При этом датчик 6 предназначен для регистрации образца дифракции частиц, а оптический датчик 7 предназначен для регистрации площади проекции частиц. В представленном примере выполнения оптический датчик 7 располагается ниже оптического датчика 6; такая последовательность, однако, для изобретения не существенна. Два смотровых окна 11, 11' канала 9 позволяют проводить измерения частиц в воздушном потоке 10. Оптические оси датчиков могут располагаться перпендикулярно относительно направления потока. Кроме того, для того, чтобы предотвратить отражения, один или оба датчика могут отклоняться на угол до 15° от перпендикулярного положения. Конкретная комбинация двух установленных в одном корпусе датчиков, которые могут использоваться в этом примере выполнения, описана, например, в немецкой заявке на патент DE 102009014080.
Частицы, которые попали в рабочую зону датчиков 6, 7, могут вернуться в основной поток с помощью трубопровода для возврата продукта, который может устанавливаться по опции.
Посредством объединения результатов измерений обоих оптических датчиков 6, 7 можно зарегистрировать распределение частиц по размеру с помощью полосы пропускания до четырех размеров, с тем, чтобы объединить преимущества дифракции лазерного излучения для малых частиц и преимущества распределения частиц по контуру для крупных частиц.
Предпочтительно площадь, занимаемая частицами (то есть среднее отношение площади частиц к измеряемой площади в зоне измерений) в зоне измерений поддерживается, главным образом, постоянной, для того, чтобы избежать возможного влияния на результат измерений. Соотношение в диапазоне от 0,2% до 5% предпочтительно поддерживается постоянным. Для этого в качестве входных параметров регулирования продолжительности отбора проб могут использоваться действительное и заданное значения площади, занимаемой частицами.
На фиг.3 представлено подробное изображение устройства 1 для отбора проб для отбора части потока из главного потока, который проходит по трубопроводу 22 для подачи продукта самотеком. Устройство 1 для отбора проб содержит горизонтально расположенный отбирающий шнек 5. Нижняя часть отбирающего шнека 5 входит в корпус 12 шнека, имеющего форму желоба (сравн., также фиг.4а и 4b). Отбор с помощью отбирающего шнека 5 обеспечивает репрезентативность отобранной пробы.
Для того, чтобы предотвратить перелив продукта из корпуса 12 шнека и тем самым смешивание продукта также при малом количестве отгружаемого продукта, согласно фиг.4а и 4b отверстие в корпусе 12 шнека можно только кратковременно открывать (фиг.4а) для управления или регулирования, например, с помощью поворотной заглушки-вкладыша 3, чтобы установить положение приема, и снова закрывать (фиг.4b). При этом заглушка-вкладыш может поворачиваться относительно оси, которая проходит параллельно оси вращения отбирающего шнека 5. В положении готовности (В), согласно фиг.4b, частицы 2 не могут проникать в зону между корпусом 12 шнека и заглушкой-вкладышем 3. Заглушка-вкладыш 3 может приводиться в действие с помощью не показанного здесь привода 31. Альтернативно для открывания и закрывания отверстия корпуса 12 шнека могут также использоваться подвижные направляющие пластины, трубные стрелки и т.д.
С помощью аналогичных устройств можно через произвольные интервалы времени отбирать на месте в корпус 12 шнека репрезентативную часть потока и посредством оптических датчиков 6, 7 направлять ее с постоянной скоростью в измерительный аппарат 4, в отличие от основного потока, который подается с малой скоростью. Отбирающий шнек 5 позволяет отделить на месте пробу и закрыть заглушку-вкладыш 3 отбирающего шнека 5 в установленное время. Интервалы отбора проб могут устанавливаться в зависимости от условий технологического процесса. При помощи комбинации методов для отбора проб возможно отбирать пробы с большим соотношением до 1:10000. Для отбора проб только в одном месте такое соотношение невозможно, поскольку образующееся при этом расслоение продукта не позволяет обеспечить отбор репрезентативных проб. Кроме того, объем отобранного продукта в этом случае меньше, чем при отборе в установленное время, и такие пробы должны постоянного выгружаться. Вместо того, чтобы закрывать шнек, эти пробы можно выбрасывать из потока продукта. Для этого отбирающий шнек и корпус шнека должны иметь возможность перемещаться, в частности, поворачиваться и устанавливаться в положение готовности вне потока продукта. В этом положении готовности отбирающий шнек может транспортировать уже имеющийся продукт, но не может отбирать новый продукт. Затем, чтобы отобрать пробу, отбирающий шнек и корпус шнека следует повернуть и установить под поток продукта до тех пор, пока продукт не заполнит шнек. При таком исполнении нет необходимости в заглушке-вкладыше. Неустойчивость потока может компенсироваться, например, посредством управления и регулирования технологического процесса.
Согласно фиг.5, например, более крупные частицы 41, которые движутся в потоке с ускорением, вследствие их большей массы, имеют более низкую скорость, чем более мелкие частицы 42. Поскольку скорость частиц 41. 42, 43 определяет время их нахождения в зоне измерений, которая регистрируется с помощью смотрового окна 11, и тем самым, вероятность обнаружения частиц, распределение частиц по величине, определенное с помощью оптического устройства, может соответственно корректироваться. При этом для индивидуальных частиц или, по меньшей мере, для каждого класса частиц должны быть известны относительные или абсолютные значения скорости. Оценка каждого класса частиц является функцией скорости частиц и размера частиц (например, площадь проекции, диаметр или расчетный объем). При этом распределение скорости крупных частиц может измеряться непосредственно. Измеренная с помощью дифракции лазерного излучения доля мелких частиц, вследствие малых размеров этих частиц и малой массы, имеет почти постоянную скорость. Последняя может определяться посредством экстраполяции результатов измерений скорости при обработке контуров частиц.
На фиг.6 показан чертеж канала системы, который частично или полностью регистрируется с помощью системы камер. Вероятность определения частицы n зависит при этом как от высоты изображения Н, длины изображения В и частоты изображений f не показанного здесь оптического датчика, так и от скорости частиц.
Скорость изображения vb точно определяется как скорость, с которой на изображении серии измерений регистрируется каждая частица, которая попадает в исследуемый объем основного потока:
B
V=f*L.
b
i,n
B
m
Например, для L=15 мм и f=50 Гц значение v=0.75 м/с. Быстрые частицы (v>v) измеряются с вероятностью Р<100%, что соответствует разделению проб в данный момент времени:
<mrow><msub><mi>P</mi><mi>m</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>v</mi><mi>B</mi></msub><mo>/</mo><msub><mi>v</mi><mrow><mi>i</mi><mo>,</mo><mi>n</mi></mrow></msub><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
i, n
B
m
Индекс i обозначает при этом класс размера частиц n. Медленные частицы (V<v) определяются в среднестатистическом случае в 1/Р>1 кадре. Только соответственно, первое измерение улучшает при этом статистику определения частиц по размеру, поэтому скорость частиц следует выбрать, по меньшей мере, такой же большой, как скорость изображения.
m
Уравнение (2) показывает, что Р зависит от индивидуальной скорости частиц n. Это следует учитывать при определении распределения частиц по массе или по площади. Интерес представляет не первичное распределение частиц по размеру на одно изображение, а доля частиц каждого класса. Следовательно, данные о площади проекции частиц продукта, или о массе частиц и скорости являются основанием для оценки статистики распределения частиц по размеру. Неподвижные частицы, например, определяются на каждом изображении, но не вносят вклад в массовый поток и поэтому оцениваются как частицы, имеющие нулевую скорость, и в результате игнорируются.
tot,i
i,n
i,n
Если на любом числе изображений в классе i частиц с размером n были обнаружены частицы с площадью проекции а и скоростью v, исправленная в соответствии со скоростью общая площадь проекции частиц класса I определяется по следующей формуле:
<mrow><msub><mi>α</mi><mrow><mi>t</mi><mi>o</mi><mi>t</mi><mo>,</mo><mi>i</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><msub><mi>v</mi><mi>B</mi></msub></mrow></mfrac><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>n</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mrow><msub><mi>n</mi><mrow><mi>t</mi><mi>o</mi><mi>t</mi><mo>,</mo><mi>i</mi></mrow></msub></mrow></munderover><mrow><msub><mi>v</mi><mrow><mi>i</mi><mo>,</mo><mi>n</mi></mrow></msub><msub><mi>α</mi><mrow><mi>i</mi><mo>,</mo><mi>n</mi></mrow></msub></mrow></mstyle><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>3</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
Тогда доля площади поверхности а; класса частиц I записывается в следующем виде:
<mrow><msub><mi>α</mi><mi>i</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>α</mi><mrow><mi>t</mi><mi>o</mi><mi>t</mi><mo>,</mo><mi>i</mi></mrow></msub></mrow><mrow><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mrow><msub><mi>i</mi><mrow><mi>max</mi></mrow></msub></mrow></munderover><mrow><msub><mi>α</mi><mrow><mi>t</mi><mi>o</mi><mi>t</mi><mo>,</mo><mi>i</mi></mrow></msub></mrow></mstyle></mrow></mfrac><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>4</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
Для того чтобы учесть профиль потока, направленного поперек потока и, соответственно, его изменить, уравнения 3 и 4 будут относиться не ко всей ширине канала, а к ширине участка k (фиг.6, дискретизирование поперек направления основного потока). Аналогично предыдущей формуле, здесь действительно следующее уравнение:
<mrow><msub><mi>α</mi><mi>i</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mstyle displaystyle="true"><msubsup><mo>∑</mo><mrow><mi>k</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mrow><msub><mi>k</mi><mrow><mi>max</mi></mrow></msub></mrow></msubsup><mrow><msub><mi>α</mi><mrow><mi>t</mi><mi>o</mi><mi>t</mi><mo>,</mo><mi>i</mi><mi>k</mi></mrow></msub></mrow></mstyle></mrow><mrow><mstyle displaystyle="true"><msubsup><mo>∑</mo><mrow><mi>i</mi><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow><mrow><msub><mi>i</mi><mrow><mi>max</mi></mrow></msub></mrow></msubsup><mrow><mstyle displaystyle="true"><msubsup><mo>∑</mo><mrow><mi>k</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mrow><msub><mi>k</mi><mrow><mi>max</mi></mrow></msub></mrow></msubsup><mrow><msub><mi>α</mi><mrow><mi>t</mi><mi>o</mi><mi>t</mi><mo>.</mo><mi>i</mi><mi>k</mi></mrow></msub></mrow></mstyle></mrow></mstyle></mrow></mfrac></mrow>
где
<mrow><msub><mi>α</mi><mrow><mi>t</mi><mi>o</mi><mi>t</mi><mo>,</mo><mi>i</mi><mo>,</mo><mi>k</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><msub><mi>v</mi><mi>B</mi></msub></mrow></mfrac><mstyle displaystyle="true"><msubsup><mo>∑</mo><mrow><mi>n</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mrow><msub><mi>n</mi><mrow><mi>t</mi><mi>o</mi><mi>t</mi><mo>,</mo><mi>j</mi></mrow></msub></mrow></msubsup><mrow><msub><mi>ν</mi><mrow><mi>i</mi><mo>,</mo><mi>k</mi><mo>,</mo><mi>n</mi></mrow></msub><msub><mi>α</mi><mrow><mi>i</mi><mo>,</mo><mi>k</mi><mo>,</mo><mi>n</mi></mrow></msub></mrow></mstyle><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>5</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
2
Для качества измерений чистота смотрового окна имеет решающее значение. Для того, чтобы минимизировать прилипание частиц к смотровому окну, материал для стекла и/или структура поверхности стекла предпочтительно выбирается таким образом, чтобы физические и/или химические силы сцепления, например, такие как силы Вандер-Ваальса, водородные перемычки, дипольные силы и/или перемычки из жидкости были как можно меньше. Особое значение имеют электростатические силы, которые усиливаются во время движения сыпучего материала вследствие образования электростатического заряда. Налипание частиц вследствие электростатического заряда можно значительно снизить, если использовать смотровые окна из электропроводящих стекол или прозрачных пластмасс.Для этого предпочтительно используются электропроводящие смотровые окна, в которых стекло или пластмасса на внутренней стороне канала имеют покрытие из оксида индиум-оловянного сплава. Альтернативно покрытия могут быть, в том числе, из материалов на основании оксида кремния или ТiO (предпочтительно нестехиометрический в О). Дополнительно при нагреве, охлаждении или попеременном нагреве и охлаждении может меняться степень устойчивости материала к прилипанию частиц, и тем самым уменьшаться степень его загрязнения. С помощью вибрации смотровых окон, которая может осуществляться посредством пьезоэлемента, можно дополнительно или альтернативно преодолеть силы сцепления частиц и тем самым достичь более высокой степени очистки смотрового окна.
Дополнительно скорость частиц для различных продуктов можно регулировать таким образом, чтобы загрязнение смотрового окна было, по-возможности, минимальным. При увеличении скорости толщина граничного слоя на внутренней стороне канала смотрового окна уменьшается, что приводит к увеличению срезающего усилия и к столкновениям между движущимися и прилипшими частицами. Таким образом, при увеличении скорости потока увеличивается эффект самоочистки. Для измельченных продуктов, таких как, например, мука, при средней скорости потока, составляющей более 10 м/с в комбинации со смотровыми окнами с электропроводящим покрытием эффект самоочистки доминирует, что приводит к тому, что смотровые окна остаются достаточно чистыми.
Для крупных частиц, как, например, целые зерна, напротив, увеличение скорости частиц может иметь негативные последствия, так как при увеличении сил инерции при столкновении частицы со смотровым окном, в отличие от случая с мелкими частицами, возможно прочное отложение материала на смотровом окне. Этот эффект встречается, в частности, при работе с продуктами из зерновых культур, в особенности, при обработке жиро- и протеиносодержащих продуктов и ухудшает оптические свойства смотровых окон. Кроме того, чем больше силы инерции, тем больше износ узлов и смотрового окна. Этот отрицательный эффект может преобладать над положительным влиянием явления самоочистки при увеличении скорости, так что в некоторых формах осуществления способа предпочтительны более низкие скорости (<15 м/с). Посредством геометрических характеристик канала направление продукта можно менять таким образом, чтобы частицы не попадали или редко попадали на смотровое окно, чтобы таким образом предотвратить налипание частиц.
Для этого можно, например, согласно фиг.7а, создать пограничный слой без частиц и минимизировать турбулентность в пограничном слое посредством скачкообразного расширения канала с помощью продувочного воздуха. Для этого поток продукта 2 направляется через внутренний канал 52, который заканчивается внутри расположенного снаружи внешнего канала 53 с увеличенной высотой канала. Поток продукта 2 может выходить на этом конце 55 из внутреннего канала 52. На стене внешнего канала 53 имеются два смотровых окна 11, которые расположены в зоне конца 55 внутреннего канала 52. Между внутренним каналом 52 и внешним каналом 53 проходит продувочный воздух 10, который удерживает поток продукта 2 на расстоянии от смотрового окна, и тем самым предотвращает его загрязнение.
Альтернативно согласно фиг.7b может быть создан не содержащий частицы пограничный слой посредством непрерывного расширения канала с пористыми боковыми стенками 51 и гомогенная подача воздуха через пористые стенки 51. В отображенном примере выполнения канал имеет расширение с углом α=18°. Однако, конечно, расширение может быть выполнено также с другими углами, предпочтительно между 6° и 30°.
В другом, представленном на фиг.8а и 8b варианте может быть предусмотрено отверстие, диаметр которого соответствует диаметру лазерного луча с отодвинутым смотровым окном 11 и щель для продувочного воздуха 85 в форме кольца в зоне смотрового окна 11. Согласно общему виду, изображенному на фиг.8а, продувочный воздух поступает через впускное отверстие для воздуха и выходит из выходного отверстия 82 через щель для продувочного воздуха 85 в форме кольца. Оттуда продувочный воздух поступает через отверстия 84 радиально в канал (сравн. фиг.8b). На двух противоположно лежащих сторонах канала 9 располагается, соответственно, смотровое окно 11, из которых на фиг.8а видна только одна. Это смотровое окно 11 закреплено с помощью крышки 83.
Согласно виду сбоку на фиг.8b, пучок лазерного излучения L направляется через оба расположенных друг напротив друга смотровых окна 11, отверстия 84 и канал 9, а также через проходящий по нему продукт. Поскольку продувочный воздух проходит через выходные отверстия 82 и отверстия 84 в направлении к каналу 9, содержащиеся в потоке продукта частицы не попадают на смотровое окно 11, и оно не загрязняется.