СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КАЧЕСТВА СМЕШИВАНИЯ СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ
METHOD TO DETECT QUALITY OF MIXING OF LOOSE MATERIALS

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, а именно к способам анализа качества смеси сыпучих материалов, в том числе содержащих наноструктурированные компоненты, и может быть применено в химической, строительной, пищевой, фармацевтической, радиоэлектронной и других отраслях промышленности.
Известен способ определения качества смеси компонентов, различающихся по цвету (см. Патент 2385454 РФ, кл. G01N 1/38 B01F 3/18/ Способ определения качества смеси компонентов, различающихся по цвету / Таршис М.Ю., Королев Л.В., Зайцев А.И.; заявитель и патентообладатель Ярославский. Гос.Техн. Ун-т - №2008144214/12; заявл. 06.11.2008, опубл. 27.03.2010.), включающий отбор и сканирование проб, вычисление концентраций ключевого компонента в пробах на основе анализа их изображений и расчет коэффициента неоднородности смеси по колебаниям этих концентраций относительно средней концентрации. Недостатками данного способа являются необходимость отбора и анализа проб смеси, а также вычисление концентраций ключевого компонента в пробах на основе анализа их изображений и расчет коэффициента неоднородности смеси по колебаниям этих концентраций относительно средней концентрации, коррекция «плоскостного» коэффициента неоднородности смеси, что приводит к высокой трудоемкости и затратам времени на оценку качества смешивания.
За прототип технического решения взят способ определения качества смеси сыпучих материалов (см. Патент 2343457 РФ, кл. G01N 21/85. Способ определения качества смеси сыпучих материалов / Ткачев А.Г. и др..; заявитель и патентообладатель Тамб. Гос. Техн. Ун-т - №2007115024/28; заявл. 20.04.2007, опубл. 10.01.2009, Бюл. №1.), состоящий из отбора пробы, прессования таблетки, формирования тарировочных таблеток, получения цифрового RGB изображения (сканирование поверхности таблетки), определения концентрации ключевого компонента по тарировочной зависимости от среднего арифметического значения яркости анализируемого изображения и расчета коэффициента неоднородности пробы. Недостатками данного способа являются высокая трудоемкость и низкая скорость определения качества смешивания в связи с необходимостью отбора и формования таблеток, расчет тарировочных зависимостей для анализа на схожесть с каждой из проб требует проведение дополнительных исследований и расчетов, сканирование лишь поверхности таблеток приводит к невысокой точности.
Технической задачей изобретения является снижение трудоемкости, повышение скорости и точности определения качества смешивания сыпучих материалов.
На фиг.1. представлены цифровые изображения «эталонной» смеси (а) и фактической смеси (б).
Решение поставленной задачи достигается тем, что определение качества смешивания сыпучих материалов, различающихся по цвету, осуществляется сравнением цифрового изображения фактической исследуемой смеси с «эталонным» изображением по гистограммам яркости. В качестве критерия оценки отличия изображений используется квазирасстояние пересечений гистограмм Свейна-Балларда:
<mrow><mi>S</mi><mo>=</mo><mrow><mo>[</mo><mrow><mrow><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><mo stretchy="false">(</mo><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>n</mi></munderover><mrow><mi>min</mi><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>x</mi><mi>i</mi></msub><mo>,</mo><msub><mi>y</mi><mi>i</mi></msub></mrow></mstyle><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mo>/</mo><mrow><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>n</mi></munderover><mrow><msub><mi>x</mi><mi>i</mi></msub></mrow></mstyle><mo stretchy="false">)</mo></mrow></mrow></mrow><mo>]</mo></mrow><mo>⋅</mo><mn>100</mn><mi>%</mi><mo>,</mo><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
где n - количество уровней яркости;
i
i
x, y - количество пикселов i-го уровня яркости для гистограмм x, y.
Способ определения качества смешивания сыпучих материалов, различающихся по цвету, заключается в следующем.
Получают «эталонную» смесь сыпучих материалов в лабораторных или производственных условиях, удовлетворяющую требованиям качества производства смеси по любому известному критерию и с помощью любого применяемого для конкретного производства способа (гравиметрического, оптического и т.д.). Организуют одинаковые условия для получения цифрового изображения поверхностей слоя «эталонной» и исследуемой фактической смесей (размер фотоизображения, высота слоя смеси, освещение и т.д.). Получают черно-белое цифровое изображение «эталонной» смеси и заносят его в базу данных с помощью специального программного обеспечения. Получают черно-белое цифровое изображение фактической смеси в условиях производства и с помощью того же программного обеспечения проводят сравнение его с изображением «эталонной» смеси из базы данных. Программа позволяет разделять фактическое изображение на любое одинаковое число частей (ячеек) k c учетом используемых условий и требований конкретного производства к минимальному размеру анализируемых проб или минимальному объему партии смеси. Происходит построение гистограмм яркости для каждой части с последующим их сравнением с гистограммой изображения «эталонной» смеси по формуле (1). Качество смешивания определяется
c
коэффициентом неоднородности V.
<mrow><msub><mi>V</mi><mi>c</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>100</mn></mrow><mrow><msub><mi>S</mi><mrow><mi>с</mi><mi>р</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><msqrt><mrow><mrow><mrow><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mn>1</mn><mi>k</mi></munderover><mrow><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>S</mi><mi>i</mi></msub><mo>−</mo><msub><mi>S</mi><mrow><mi>с</mi><mi>p</mi></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup></mrow></mstyle></mrow><mo>/</mo><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>k</mi><mo>−</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow></mrow></mrow></msqrt><mo>,</mo><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
i
где k - число частей (ячеек); S - отличие i-й гистограммы
<mrow><msub><mi>S</mi><mrow><mi>с</mi><mi>р</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mrow><mrow><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>n</mi></munderover><mrow><msub><mi>S</mi><mi>i</mi></msub></mrow></mstyle></mrow><mo>/</mo><mi>k</mi></mrow></mrow>
фактического изображения части (ячейки) от «эталонной» гистограммы критерием квазирасстояния пересечений гистограмм Свейна-Балларда;
- среднее арифметическое значение отличий.
c
Полученный результат с использованием коэффициента неоднородности V позволяет определить качество смешивания сыпучих материалов в процессе производства непосредственно после выгрузки смеси при ее транспортировке, к примеру, ленточным конвейером.
<mrow><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>V</mi><mrow><msub><mi>C</mi><mrow><mi>ф</mi><mi>а</mi><mi>к</mi><mi>т</mi></mrow></msub></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mrow><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>V</mi><mrow><msub><mi>C</mi><mrow><mi>ф</mi><mi>а</mi><mi>к</mi><mi>т</mi></mrow></msub></mrow></msub><mo>=</mo><mi>min</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>.</mo></mrow>
i
c
Способ определения качества смешивания проверен на модельных материалах с использованием лабораторных смесителей (одновальный лопастной смеситель и гладкий барабанный смеситель) и традиционной методики оценки качества смешивания. Использовались двухкомпонентные смеси модельных материалов с различным процентным содержанием (таблица 1). Проводилось 20 циклов смешивания. Исследуемую смесь выгружали на ленточный транспортер, где получали ее цифровое изображение (фиг.1). Изображения представляли собой квадрат со стороной 1500 пикселей и разрешением 72 dpi (смесь черного (50%) и желтого пшена (50%)). Полученные изображения заносились в базу данных с помощью специального программного обеспечения. Осуществлялся отбор проб и их анализ на содержание ключевого компонента путем расчета коэффициента неоднородности
по известной традиционной методике [см. кн. Макаров Ю.И. Аппараты для смешения сыпучих материалов - М.: Машиностроение, 1973]. «Эталонную» смесь выбирали с минимальным значением коэффициента неоднородности
Изображения фактических смесей разбивались на 100 равных частей (ячеек) (k=100), для каждой части строилась яркостная гистограмма. Производилось сравнение гистограмм яркости каждой части (ячейки) смесей по формуле (1) (квазирасстояние пересечений гистограмм Свейна-Балларда S) с гистограммой «эталонной» смеси (отклонение фактической смеси от «эталонной») и определялся коэффициент неоднородности V по формуле (2). Результаты проверки предложенного способа определения качества смешивания представлены в таблице 1.
Таблица 1
№, п/п
смеситель
компоненты смеси
содержание, %
V<sub>c</sub>, %
<maths num="6"><math display="block"><mrow><msub><mi>V</mi><mrow><msub><mi>C</mi><mrow><mi>ф</mi><mi>а</mi><mi>к</mi><mi>т</mi></mrow></msub></mrow></msub></mrow></math><img file="00000006.tif" he="7" wi="9" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
, %
1
лопастной
Черное пшено
50
2,13
2,25
Желтое пшено
50
2
Черное пшено
25
3,81
4,1
Желтое пшено
75
3
Черное пшено
10
4,83
5,1
Желтое пшено
90
4
барабанный
Черное пшено
50
2,3
2,0
Желтое пшено
50
5
Черное пшено
25
3,6
4,3
Желтое пшено
75
6
Черное пшено
10
4,4
5,3
Желтое пшено
90
Предложенный способ определения качества смешивания сравнением гистограмм яркости изображений «эталонной» и фактической смесей позволяет снизить трудоемкость, повысить скорость и точность определения качества смешивания сыпучих материалов, различающихся по цвету, непосредственно в процессе производства после выгрузки из смесителя, исключая отбор проб, прессование таблеток и применение тарировочных зависимостей для определения коэффициента неоднородности.