СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СТЕПЕНИ ГОМОГЕНИЗАЦИИ ГЕТЕРОГЕННЫХ СМЕСЕЙ ПО ОПТОЛЕПТИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ ОБ ИХ ПОВЕРХНОСТИ
METHOD OF DETERMINING DEGREE OF HOMOGENISATION OF HETEROGENEOUS MIXTURES BASED ON VISUAL INFORMATION ON SURFACE THEREOF

Изобретение относится к технологии производства многокомпонентных гетерогенных смесей и может быть использовано в лакокрасочной, фармацевтической промышленности при анализе степени однородности как готовой многокомпонентной гетерогенной композиции, так и ее полуфабрикатов.
Известен способ определения качества смешивания сыпучих материалов, включающий введение в смешиваемую массу краткоживущих радиоактивных изотопов (а.с. СССР №347070, кл. B01F 3/18, G01N 23/00, опубл. 16.03.71).
Недостатком известного способа является сложность работы с краткоживущими изотопами, необходимость специального оборудования для замеров радиоактивности в объеме смеси и неизбежные загрязнения смеси посторонними примесями.
Известен способ определения однородности сыпучей смеси, включающий операции пробоотбора, замер светорассеяния с помощью трех фотометрических приборов и преобразование оптической плотности в электрический сигнал, по величине которого и судят о степени однородности (см. заявка №2002106464 от 12.03.02).
Недостатком известного способа является сложность аппаратурного оформления, недостаточная чувствительность и точность определения степени гомогенности смеси. Особенно это касается смесей, в которых один из компонентов является не макрокомпонентом, а добавкой в количестве, измеряемом единицами и десятыми долями процента. Кроме того, фотометрирование затруднено в смесях серого цвета, т.е. не имеющих явно выраженной окраски.
Наиболее близким способом того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является способ определения времени смешивания сыпучих материалов. В способе используется компьютерная цветовая модель RGB для обработки сканированного изображения поверхности образцов смеси, отобранных из смесительного устройства через определенные промежутки времени смешения и сформованных в виде плоского цилиндра (таблетки). О достижении максимально возможной степени гомогенизации судят по минимуму на графике зависимости яркости окраски изображения от времени смешивания материалов (см. патент РФ №2267117, кл. G01N 21/85, 2004 г.)
Признаки прототипа, являющиеся общими с заявляемым изобретением, - сканирование поверхности смеси; обработка полученного изображения с помощью компьютерных цветовых моделей RGB с разложением цвета каждой точки образа поверхности смеси на три составляющих; определение степени однородности смеси.
Недостатками известного способа, принятого за прототип, является низкая точность контроля степени однородности гетерогенной смеси вследствие того, что известным способом невозможно получить числовую оценку степени гомогенизации по используемой оптолептической информации. Также существенным недостатком является необходимость формирования пробы в виде плоского цилиндра (таблетки), что увеличивает время смешения материалов и исключает возможность оперативного контроля и определения степени гомогенизации ряда гетерогенных композиций, в частности фаз «твердая-жидкая», «жидкая-жидкая» и «газообразная-жидкая» и делает невозможным автоматизацию процесса контроля степени гомогенизации перемешиваемой гетерогенной смеси. Кроме того, для обработки яркостной информации используется программное обеспечение сторонних производителей (например, Adobe Photoshop), что приводит к росту стоимости системы контроля.
Задачей изобретения является обеспечение оперативного контроля степени однородности гетерогенной смеси, повышение его точности и упрощение способа контроля.
Поставленная задача решается за счет того, что в известном способе, включающем сканирование поверхности смеси, обработку полученного изображения с помощью компьютерных цветовых моделей RGB с разложением цвета каждой точки образа поверхности смеси на три составляющих и определение степени однородности смеси, сканирование поверхности смеси осуществляют в аппарате смешения дистанционно, при этом сканирование сопровождается светодиодной подсветкой поверхности смеси белого цвета со стабилизированным источником питания, после обработки полученного изображения вычисляют энтропию оптолептической информации, по значению которой определяют степень однородности перемешиваемой гетерогенной смеси.
Признаки предлагаемого способа, отличительные от прототипа - осуществляют дистанционное сканирование поверхности смеси в аппарате смешения; сканирование сопровождается светодиодной подсветкой поверхности смеси белого цвета со стабилизированным источником питания; после обработки полученного изображения вычисляют энтропию оптолептической информации, по значению которой определяют степень однородности перемешиваемой гетерогенной смеси.
Отличительные признаки в совокупности с известными позволяют обеспечить оперативный контроль степени однородности гетерогенной смеси, повысить его точность и упростить способ контроля.
Дистанционное сканирование поверхности смеси, сопровождающееся светодиодной подсветкой белого цвета со стабилизированным источником питания, позволяет обеспечить оперативный контроль процесса гомогенизации во всем свободном пространстве аппарата смешения.
Светодиодная подсветка белого цвета со стабилизированным источником питания позволяет отказаться от предварительной подготовки пробы смеси, так как обеспечивает возможность дистанционного сканирования поверхности смеси непосредственно в аппарате смешения, что позволяет упростить способ контроля.
Определение степени однородности перемешиваемой гетерогенной смеси по вычисленному значению энтропии оптолептической информации обеспечивает повышение точности контроля.
Предлагаемый способ поясняется чертежами, представленными на фиг.1-9.
На фиг.1 представлен образец с нанесенным составом низкой однородности.
На фиг.2 - разброс значений цветовых составляющих образца с низкой однородностью покрытия.
На фиг.3 - образец с нанесенным составом средней однородности.
На фиг.4 - разброс значений цветовых составляющих образца со средней однородностью покрытия.
На фиг.5 - образец с нанесенным составом высокой однородности.
На фиг.6 - разброс значений цветовых составляющих образца с высокой однородностью покрытия.
На фиг.7 представлена гистограмма распределения уровней цветовых составляющих R-, G-, B-компонент в пределах одного образца.
На фиг.8 и 9 показаны экспериментальные зависимости энтропии информации в зависимости от степени гомогенизации, характеризующейся количеством оборотов мешалки в абсолютных (битах) и приведенных единицах.
Способ определения степени гомогенизации гетерогенных смесей по оптолептической информации об их поверхности осуществляют следующим образом.
С помощью светосканирующего устройства дистанционно снимается образ поверхности смеси в растрово-цифровой форме. Для этого аппарат смешения снабжают светодиодной подсветкой белого цвета со стабилизированным источником питания. Полученную информацию передают на устройство обработки оптолептической информации.
R
G
B
R
G
B
По данным исследования формируются матрицы O, O, O отображения цветовых составляющих. Строятся эмпирические законы распределения интенсивности цветовых составляющих P(ξ), P(ξ), P(ξ), для чего подсчитывается количество точек с одинаковым состоянием интенсивности, где ξ - состояние световой интенсивности точки поверхности. Определяется значение энтропии оптелептической информации для каждого цветового слоя, а затем суммарная энтропия, по значению которой определяют степень однородности перемешиваемой гетерогенной смеси.
Решение поставленной задачи достигается применением для поверхностей образцов смеси дистанционного светочувствительного сканирования, сопровождающегося светодиодной подсветкой белого цвета со стабилизированным источником питания во всем объеме аппарата, с использованием аддитивной RGB-цветовой модели с 24-мя разрядами представления оттенков, т.е. получение оптолептической информации о состоянии смеси.
Наиболее распространенной формой представления оптолептической информации в цифровой форме является двухмерная матрица, каждый элемент которой описывает яркость или цвет элемента изображения с соответствующими координатами. Отраженный от объекта свет попадает на светочувствительную матрицу, каждый элемент которой выдает электрический сигнал, пропорциональный силе падающего света. Для каждой ячейки светочувствительной матрицы вырабатываются три сигнала, пропорциональные разным компонентам излучения. Наиболее часто используется разложение в три составляющих: красную (R), зеленую (G) и синюю (В). Поверхность образца представима в виде образа:
<mrow><msubsup><mi>O</mi><mrow><mi>i</mi><mo>,</mo><mi>j</mi></mrow><mi>k</mi></msubsup><mo>∈</mo><mrow><mo>[</mo><mrow><mn>0,</mn><mi>l</mi></mrow><mo>]</mo></mrow></mrow>
, l=1, 2, 3…,
<mrow><msubsup><mi>O</mi><mrow><mi>i</mi><mo>,</mo><mi>j</mi></mrow><mi>k</mi></msubsup></mrow>
где
- отклик элемента светочувствительной матрицы для k-го цветового слоя;
k - количество передаваемых матрицей цветов;
i, j - номера элемента соответственно в строке и столбце матрицы;
n, m - количество элементов светочувствительной матрицы по высоте и ширине, соответственно;
l - количество уровней сигнала, передаваемого каждой ячейкой матрицы.
r
g
b
Основными характеристиками светочувствительного преобразования будут являться разрешение и глубина цветопередачи. Разрешение определяется как количество элементов изображения (точек) на единицу длины. Глубина цветопередачи определяет, сколько дискретных уровней может иметь каждая из координат X, X и X.
Устройство обработки оптолептической информации представляет собой вычислительный элемент программно-логического управления в качестве которого можно использовать любую современную ПЭВМ или программно-логический контроллер.
Также данный вычислительный элемент является одновременно и информационно-программным средством для управления временем смешения и выполняет следующие операции: получение информации о поверхности перемешиваемой смеси; вычисление энтропии оптолептической информации; формирование команды на прекращение смешения.
Подсветка поверхности смеси осуществляется во всем свободном пространстве аппарата при помощи светодиодов белого цвета, запитанных от стабилизированного источника питания.
В качестве количественной оценки однородности смеси используется энтропия оптолептической информации о поверхности смеси, считающаяся автоматически, что позволяет упростить контроль степени однородности гетерогенной композиции и определение оптимального времени гомогенизации.
Для прекращения гомогенизации смеси управляющее воздействие, вырабатываемое по пороговому значению энтропии оптолептической информации о ее поверхности, может подаваться на устройство управления приводом мешалки, в качестве которого могут выступать автоматический ключ, контактное реле электронного ключа или дискретный выход УСО программно-логического контроллера.
Осуществление предлагаемого способа показано на конкретном примере.
Для натурного эксперимента были выбраны следующие параметры оцифровки изображения. Разрешение по горизонтали и вертикали 75 точек/дюйм (2.95 точек/мм). Площадь красящего состава выбрана таким образом, чтобы по вертикали укладывалось 200 точек, по горизонтали 100 точек. Можно сказать, что образ поверхности представлен в виде матрицы
<mrow><msubsup><mi>O</mi><mrow><mi>i</mi><mo>,</mo><mi>j</mi></mrow><mi>k</mi></msubsup><mo>∈</mo><mrow><mo>[</mo><mrow><mn>0</mn><mo>…</mo><mn>255</mn></mrow><mo>]</mo></mrow></mrow>
; i=1…100; y=1…200; k=1…3.
Оценку неоднородности состава можно получить, оценивая степень хаотичности информации о внешнем виде смеси, получаемой с помощью светочувствительного сканирования. На фиг.1, 3, 5 представлены результаты светочувствительного сканирования образцов поверхностей исследуемой смесевой композиции с нанесенной краской различной степени гомогенизации, а на фиг.2, 4, 6 представлены координаты точек образа поверхностей О в пространстве R, G и B-цветовых составляющих соответствующих этим образцам поверхностей. Образцы получены из одного и того же состава, взятого из смесителя в различные моменты времени. Разброс точек на графиках, характеризующих цветовые составляющие RGB-модели образа поверхности образцов, значительный для образцов с плохой гомогенностью, уменьшается для поверхностей с большей однородностью, что дает возможность использовать числовую характеристику разброса для оценки однородности смеси. Степень разброса точек можно оценить с помощью энтропии оптолептической информации.
Энтропия информации определяется выражением
нат
H=lnM,
нат
где H - энтропия информации системы в натуральных единицах (натах);
М - количество значений, которые может принять случайная величина ξ - состояние одной точки образа.
Для практического представления удобнее использовать следующее выражение для энтропии:
нат
H=-lnP(ξ),
где Р(ξ) - вероятность события ξ.
Оптолептическая информация, представленная в цифровой форме, является дискретной. Образ поверхности смеси характеризуется некоторым массивом точек на плоскости О. Поэтому энтропию в битах целесообразнее выразить следующим образом:
<mrow><msub><mtext>H</mtext><mrow><mtext>нат</mtext></mrow></msub><mo>=</mo><mtext>-1</mtext><mtext>,44</mtext><mo>⋅</mo><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>k</mi></munderover><mrow><msub><mi>p</mi><mi>i</mi></msub></mrow></mstyle><mo>⋅</mo><msub><mrow><mi>log</mi></mrow><mn>2</mn></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>p</mi><mi>i</mi></msub><mo>,</mo></mrow>
где k - количество уровней состояния системы;
i
P - вероятность появления i-го состояния системы, оценка которой вычисляется по формуле
<mrow><msub><mi>p</mi><mi>i</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>ξ</mi><mo>)</mo></mrow><mo>≅</mo><msubsup><mi>N</mi><mi>i</mi><mo>*</mo></msubsup><mo>/</mo><mi>N</mi></mrow>
,
<mrow><msubsup><mi>N</mi><mi>i</mi><mo>*</mo></msubsup></mrow>
где
- количество точек с одинаковым цветом;
i
ξ - i-e состояние информации о поверхности;
N - общее количество точек.
Вид гистограммы распределения уровня цветовых составляющих представлен на фиг.7.
Так как значение энтропии для различных партий продукции будет отличаться, то на практике целесообразно использовать энтропию оптолептической информации, полученную при измерении в процессе перемешивания с некоторым интервалом времени Δτ, приведенную к максимальному значению энтропии, являющемуся значением энтропии оптолептической информации в начальный момент времени
<mrow><msubsup><mi>H</mi><mi>i</mi><mo>*</mo></msubsup><mo>=</mo><msub><mi>H</mi><mi>i</mi></msub><mo>/</mo><msub><mi>H</mi><mrow><mi>max</mi></mrow></msub></mrow>
,
max
где H - энтропия информации образца в нулевой момент (для негомогенизированной смеси);
i
i
H - энтропия оптолептической информации в момент времени τ.
R
G
B
Для каждой составляющей R, G и В рассчитываются значения энтропии H H и H, затем вычисляется их сумма
R
B
G
Н=H+H+H.
Для оценки работоспособности алгоритма проводился натурный эксперимент с несколькими различными пигментными составами. Результаты вычисления энтропии информации о состоянии поверхности образца, полученной с помощью светочувствительного сканирования, приведены в таблице 1.
Проведен анализ зависимости значения энтропии оптолептической информации от степени перемешивания смеси. Для определения вида зависимости оценки энтропии информации о поверхности смеси от степени перемешивания, выраженной в количестве оборотов мешалки смесителя, для каждого состава была произведена аппроксимация экспериментальных значений энтропии оптолептической информации функцией вида
1
2
3
F(n)=a/ехр(n·а)+а.
Для этого минимизировалась функция
<mrow><mi>R</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>a</mi><mn>1</mn></msub><mo>,</mo><msub><mi>a</mi><mn>2</mn></msub><mo>,</mo><msub><mi>a</mi><mn>3</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>p</mi></munderover><mrow><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>j</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>m</mi></munderover><mrow><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>F</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>n</mi><mi>i</mi></msub><mo>,</mo><msub><mi>a</mi><mn>1</mn></msub><mo>,</mo><msub><mi>a</mi><mn>2</mn></msub><mo>,</mo><msub><mi>a</mi><mn>3</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><msubsup><mi>H</mi><mrow><mi>i</mi><mi>j</mi></mrow><mo>*</mo></msubsup></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup><mo>→</mo><munder><mrow><mi>min</mi></mrow><mover accent="true"><mi>a</mi><mo>→</mo></mover></munder></mrow></mstyle></mrow></mstyle><mo>,</mo></mrow>
1
2
3
<mrow><msubsup><mi>H</mi><mi>i</mi><mo>*</mo></msubsup></mrow>
где а, а, а - параметры функции F(n);
- значения энтропии i-му отбору пробы, i=1…p; р - количество точек отбора пробы, j - номер образца в каждом отборе, i=1…m, m - количество образцов в каждом отборе (принималось m=5).
Результаты аппроксимации приведены в таблице 2.
Таблица 2
Номер рецептуры
Коэффициент
1
2
3
4
5
a<sub>1</sub>
9.005
4.842
10.369
12.336
4.285
а<sub>2</sub>
0.075
0.114
0.074
0.108
0.116
а<sub>3</sub>
12.039
8.748
10.325
9.182
4.519
На фиг.8 и 9 показаны экспериментальные зависимости энтропии информации в зависимости от степени гомогенизации, характеризующейся количеством оборотов мешалки в абсолютных (битах) и приведенных единицах. Экспериментальным значениям соответствуют точки: 2 - состав 1; 4 - состав 2; 6 - состав 3; 8 - состав 4; 10 - состав 5. Аппроксимирующие зависимости: 1 - для состава 1; 3 - для состава 2; 5 - для состава 3; 7 - для состава 4; 9 - для состава 5.
<mrow><msub><mi>H</mi><mn>0</mn></msub><mo>:</mo><msubsup><mi>σ</mi><mrow><mi>о</mi><mi>б</mi><mi>щ</mi></mrow><mn>2</mn></msubsup><mo>=</mo><msup><mi>σ</mi><mn>2</mn></msup></mrow>
<mrow><msub><mi>H</mi><mn>1</mn></msub><mo>:</mo><msubsup><mi>σ</mi><mrow><mi>о</mi><mi>б</mi><mi>щ</mi></mrow><mn>2</mn></msubsup><mo>></mo><msup><mi>σ</mi><mn>2</mn></msup></mrow>
Анализ соответствия регрессии экспериментальным данным осуществлялся путем проверки нулевой гипотезы
относительно альтернативной гипотезы
с помощью выборочной статистики
<mrow><mi>F</mi><mo>=</mo><msubsup><mi>S</mi><mrow><mi>о</mi><mi>б</mi><mi>щ</mi></mrow><mn>2</mn></msubsup><mrow><mo>{</mo><mi>H</mi><mo>}</mo></mrow><mo>/</mo><msubsup><mi>S</mi><mrow><mi>о</mi><mi>с</mi><mi>т</mi></mrow><mn>2</mn></msubsup></mrow>
,
<mrow><msubsup><mi>S</mi><mrow><mi>о</mi><mi>б</mi><mi>щ</mi></mrow><mn>2</mn></msubsup><mrow><mo>{</mo><mi>H</mi><mo>}</mo></mrow></mrow>
<mrow><msubsup><mi>S</mi><mrow><mi>о</mi><mi>с</mi><mi>т</mi></mrow><mn>2</mn></msubsup></mrow>
где
- общая дисперсия, соответствующая экспериментальным значениям;
- остаточная дисперсия.
<mrow><msub><mi>F</mi><mrow><msub><mi>v</mi><mn>1</mn></msub><msub><mi>v</mi><mn>2</mn></msub></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><mi>q</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
1
2
Значение F статистики, вычисленное по формуле (11), сравнивалось с табличными критическими значениями F - распределения Фишера
для числа степеней свободы числителя v, знаменателя v и уровня значимости q.
<mrow><mi>F</mi><mo>></mo><msub><mi>F</mi><mrow><msub><mi>v</mi><mn>1</mn></msub><msub><mi>v</mi><mn>2</mn></msub></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><mi>q</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
0
Если
, то гипотеза Н отбрасывается. Результаты оценки соответствия уравнения регрессии экспериментальным данным приведены в таблице 3.
Таблица 3
Состав
1
2
3
4
5
S<sub>общ</sub>
0.564
0.578
0.627
0.716
0.5
S<sub>ост</sub>
0.183
0.131
0.215
0.151
0.245
F
3.087
4.415
2.914
4.74
2.041
Преимущество предложенного способа состоит в том, что он повышает точность оперативного контроля степени однородности гетерогенной смеси и упрощает способ контроля.