СИСТЕМА И СПОСОБ ОХАРАКТЕРИЗОВЫВАНИЯ РАЗМОЛОТОГО МАТЕРИАЛА В РАЗМОЛЬНОЙ УСТАНОВКЕ
SYSTEM AND METHOD FOR GROUND MATERIAL CHARACTERISATION IN GRINDING SYSTEM

Изобретение относится к системе и способу охарактеризовывания размолотого материала в размольной установке, в частности охарактеризовывания частиц в потоке продуктов помола зерна в установке для его помола.
Как правило, поток размолотого материала проходит сначала через ступень очистки, на которой посторонние тела, загрязнения и плохой по качеству размолотый материал, например битое или инфицированное зерно, отделяются от очищаемого размолотого материала за счет механических, аэродинамических и/или оптических процессов разделения или сортировки. При этом необходимо найти компромисс между чистотой и выходом очищенного размолотого материала. Сита и параметры просеивания, воздушные потоки и/или критерии оптического разделения устанавливаются так, чтобы при очистке удалялось как можно меньше «хорошего» размолотого материала и, тем не менее, достигалось достаточное качество очищенного размолотого материала. Поэтому желательно охарактеризовывать поступающий размолотый материал, очищенный размолотый материал и/или удаленный при очистке размолотый материал. Если в потоке размолотого материала находится слишком много хорошего размолотого материала или если качество размолотого материала выше спецификации, то интенсивность разделения снижается, а соответственно обратными являются действия при слишком низком качестве размолотого материала после очистки. По характеристике поступающего размолотого материала можно судить о его качестве и составить прогноз, чтобы выбрать хорошие этапы разделения.
При помоле зернового материала, например пшеницы, в измельчительной машине, например в вальцовом станке, он измельчается между вальцами вальцовой пары. Чтобы получить муку с определенными тониной и составом, размолотый материал необходимо, как правило, несколько раз направить через такой проход, причем во время этого процесса за счет ударного разрыхления разбиваются агломераты, а посредством воздушной сепарации и просеивания осуществляется классификация. Это позволяет получать муку различной тонины или степени помола.
Размалывающее действие прохода зависит, главным образом, от зазора между обоими вальцами вальцовой пары, частоты вращения и соотношения частот вращения вальцов. Однако существуют и другие эксплуатационные параметры или особенности вальцового станка, например геометрия и износ поверхности вальцов, которые оказывают влияние на размалывающее действие прохода. Поэтому желательно получить характеристику размолотого материала, выходящего после определенного прохода. Если при этом возникает отклонение размолотого материала от его заданной характеристики, то, исходя из этого отклонения, можно произвести корректировку зазора, соотношения частот вращения или, при необходимости, других эксплуатационных параметров вальцового станка, чтобы как можно быстрее компенсировать отклонение. Дополнительно можно обнаружить также потребность в обслуживании компонента вальцового станка, если, например, заданная характеристика из-за слишком сильно изношенного вальца не может быть больше целесообразно достигнута.
В WO 2006/116882 A1 описаны система и способ охарактеризовывания потока частиц, причем регистрируются форма, размер и характер движения отдельных частиц. В частности, собирается изобразительная информация о потоке размолотого материала, в результате чего определяется распределение частиц по размеру в потоке. Это распределение может использоваться затем для управления или регулирования вальцового станка.
В US 4421772 описаны устройство и система, посредством которых размолотый материал может освещаться источником света и свет может регистрироваться с помощью блока регистрации.
В основе изобретения лежит задача создания системы и способа, которые обеспечивали бы еще более обширное и информативное охарактеризовывание потока размолотого материала в размольной установке, причем, в частности, должно обеспечиваться информативное охарактеризовывание частиц в потоке цельных зерен зерновых культур, а также промежуточных и окончательных продуктов помола зерновых культур в установке для помола. Благодаря предлагаемому изобретению обеспечивается возможность значительного повышения скорости и точности регистрации свойств потока продукта помола.
Эта задача решается посредством системы и способа в соответствии с независимыми пунктами формулы изобретения.
Предложенная система охарактеризовывания размолотого материала в размольной установке включает в себя участок облучения для пропуска, по меньшей мере, части потока размолотого материала со средством облучения частиц, по меньшей мере, в части потока электромагнитным излучением и участок регистрации для пропуска, по меньшей мере, части потока размолотого материала со средством регистрации электромагнитного излучения, которое излучается частицами части потока размолотого материала, пропущенной через участок облучения. Согласно изобретению, средство регистрации содержит отображающую систему и датчик цветного изображения для отображения на нем частиц посредством отраженного или излученного ими электромагнитного излучения, причем датчик цветного изображения содержит элементы изображения для спектрально-избирательной регистрации отображенного на них электромагнитного излучения.
Это позволяет использовать «цветовую информацию» для охарактеризовывания частиц потока размолотого материала за счет их отображения посредством излученного ими электромагнитного излучения на датчике цветного изображения, который затем спектрально-избирательно регистрирует излучение на своих элементах изображения. Под «цветовой информацией» в рамках изобретения следует при этом понимать не только цвет в собственном смысле этого слова, но и спектральную информацию за пределами видимого спектра, в частности в УФ- или ИК-области.
Характеристика посредством распределения частиц по размеру может быть уточнена за счет дополнительной размерности характеристики с помощью цветовой информации. Это особенно предпочтительно при оценке результата помола зерна, поскольку происходящие из различных зон зерна обломки имеют разные цвета или разный излучающий характер при облучении определенным электромагнитным излучением (ИК, видимый свет, УФ). Так, например, происходящие из эндосперма обломки зерна или продукты помола светлее и, скорее, белые, чем желтые, части зародыша зерна, скорее, желтые до зеленого, а происходящие из оболочковой зоны обломки зерна темные и, скорее, бурые.
При помоле пшеницы, например, часто желательно предотвратить измельчение всего зерна без разбора на мелкие частицы, которые состоят только из эндосперма, только из частей оболочки или являются смешанными частицами эндосперма и оболочки. Напротив, существует стремление избирательного измельчения зерна пшеницы или других злаковых культур, так что частицы чисто эндосперма преимущественно или в среднем, скорее, мелкие и имеют приблизительно «шарообразную» или «комковатую» форму, а частицы оболочки - преимущественно или в среднем, скорее, крупные и имеют приблизительно «пластинчатую» форму. Такое избирательное измельчение облегчает фракционирование размолотого материала на последующем этапе фракционирования, благодаря чему весь процесс помола может быть более эффективным, т.е. измельчение и последующее более простое сортирование/фракционирование не только по размеру, но и по форме обломков. Это обеспечивает не только получение различных конечных продуктов, таких как отруби, крупка, мука или зародыши, но и варьирование состава конечных продуктов, например, в отношении содержания волокон, минеральных веществ, протеина и/или жира.
За счет предложенного использования информации о размере частиц и их цвете можно лучше оценить избирательность процесса измельчения или разделения, чем при использовании только информации о размере частиц.
Для уже упомянутого примера измельчения пшеницы это означает, что при высокой избирательности процесса измельчения практически имеют место только частицы эндосперма и частицы оболочки лишь с небольшим количеством приставшего эндосперма, тогда как при низкой избирательности - большое число смешанных частиц эндосперма и оболочки и лишь небольшие количества только частиц эндосперма и небольшое количество частиц оболочки с небольшим количеством приставшего эндосперма.
Благодаря изобретению для измельчения пшеницы высокая избирательность отмечается тогда, когда в спектре размера частиц мелкие частицы имеют цвет от светлого или белого до желтого (фракция эндосперма), а крупные - от темного или серого до бурого (частицы оболочки).
Посредством цветовой информации можно с помощью обработки изображений сделать вывод о количественном составе частиц. Эта цветовая информация может быть связана с информацией о размере частиц, в результате чего может быть получено распределение по размеру только частиц оболочки (от темного или серого до бурого), распределение по размеру смешанных частиц с определенными долями компонентов, а также распределение по размеру только частиц эндосперма. Эта общая информация представляет собой связь цветовой информации и информации о размере частиц и может использоваться для управления и/или регулирования процесса. Если, например, возрастает доля смешанных частиц или уменьшается размер частиц оболочки, то причиной может быть ширина зазора при помоле, изменившаяся влажность зерна или изношенная поверхность вальцов. За счет обработки накопленных раньше измеренных данных и их обработки в отношении взаимодействия информации о цвете и размере частиц можно сильно локализовать причину неисправности. Можно также связать с цветовой информацией другие свойства частиц, например площадь, конфигурацию, формфактор и скорость частиц, чтобы получить подробную информацию о продукте и эксплуатационном состоянии машины или установки. Датчик цветного изображения можно использовать также в сочетании с другими методами измерения, такими как измерение методом ближней ИК-спектроскопии, MIR или ИК-измерение, УФ-измерение, индуктивные и/или емкостные методы измерения.
Преимущественно в удалении от участка облучения предусмотрен участок дезагломерирования агломератов размолотого материала в его потоке. Это препятствует регистрации и идентификации агломератов из нескольких частиц размолотого материала ошибочным образом как крупные частицы размолотого материала. Преимущественно частицы на участке дезагломерирования ускоряются в воздушном потоке и разъединяются за счет возникающих при этом струйно-механических срезающих усилий. Идеальным образом к участку регистрации подаются промежуточные и конечные продукты помола зерна со скоростями более 10 м/с и цельные зерна со скоростями от 1 до 10 м/с.
Участок регистрации может располагаться в направлении потока размолотого материала за участком облучения. Это особенно предпочтительно, если заметное отличие излученного частицами спектра возникает только с определенной задержкой после облучения частиц с заданным спектром или с заданной частотой (или длиной волны). Так, например, темные частицы оболочки после облучения видимым светом склонны к более сильному излучению в ИК-области, чем светлые частицы эндосперма.
Участки регистрации и облучения могут располагаться в направлении потока размолотого материала также в одном месте. Это обеспечивает компактную конструкцию предложенного устройства.
Преимущественно участок регистрации содержит две противоположные стенки, между которыми образован зазор, через который пропускается, по меньшей мере, часть потока размолотого материала, причем обе противоположные стенки преимущественно располагаются параллельно друг другу в виде плоских поверхностей. Преимущественно средство регистрации направлено в зазор.
Целесообразно противоположные стенки участка регистрации выполнены проницаемыми для излучения, регистрируемого датчиком цветного изображения. Таким образом, датчик цветного изображения может быть расположен на выбор с любой стороны зазора позади одной из стенок. Дополнительно при размещении блока облучения с обеих сторон зазора участка регистрации комбинация освещения падающим и проходящим светом может объединять в себе преимущества обоих методов освещения. При этом преимущественно с телецентрическим облучением размолотого материала в проходящем свете контур тени даже мелких частиц точно отображается на датчике цветного изображения, тогда как со светом, падающим наискось под углом преимущественно, по меньшей мере, 45° к вертикали, обнаруживается соответствующая информация о цвете частиц. За счет этого по сравнению с освещением только падающим светом можно обнаруживать более резкие контуры, однако в противоположность освещению только проходящим светом, тем не менее, - цветовую информацию.
Преимущественно из обеих противоположных стенок участка регистрации первая стенка выполнена проницаемой для электромагнитного излучения, регистрируемого датчиком цветного изображения, а вторая стенка - непроницаемой для электромагнитного излучения, регистрируемого датчиком цветного изображения, и сильнее поглощающей, чем частицы. В таком выполнении датчик цветного изображения и источник электромагнитного излучения, регистрируемого датчиком цветного изображения, в частности источник света, расположены на одной и той же стороне зазора на проницаемой стенке, будучи обращены от него. Это позволяет облучать транспортируемый через зазор размолотый материал пробы, а рассеянный свет или отражение частиц пробы попадает в поле зрения датчика цветного изображения. Преимущественно в таком выполнении используется телецентрический объектив с телецентрическим освещением падающим светом для регистрации в масштабе частиц во всем диапазоне глубины резкости.
Целесообразно средство регистрации расположено с одной стороны зазора на проницаемой стенке, будучи обращено от него, и средство облучения расположено с той же стороны зазора на проницаемой стенке, будучи обращено от него, в результате чего облучаются транспортируемые через зазор частицы потока размолотого материала.
Преимущественно обращенная к зазору поверхность второй стенки имеет более сильное поглощение излучаемого излучающим средством электромагнитного излучения, чем поверхности частиц потока размолотого материала. За счет этого между отражающими частицами размолотого материала, движущимися перед обращенной к зазору поверхностью, и отраженным от стенки излучением возникает достаточный контраст, что позволяет без труда регистрировать отображенные частицы размолотого материала и существенно облегчить последующую обработку изображений. Это сокращает число сложных и отнимающих время процессов фильтрации при обработке изображений.
Каждая из двух противоположных стенок может быть снабжена одним устройством очистки, с помощью которого обе противоположные стенки могут быть освобождены от приставших к ним частиц размолотого материала. Устройством очистки может быть источник вибраций, в частности источник ультразвука, жестко соединенный с одной из обеих противоположных стенок с возможностью их приведения в вибрацию. Благодаря этому на датчике цветного изображения не отображается слишком много неподвижных, т.е. приставших к одной или другой стенке частиц размолотого материала. Распределение приставших к стенкам частиц по размеру, как правило, иное, нежели распределение частиц, подхваченных потоком размолотого материала. Если при регистрации и обработке информации об изображении потока размолотого материала желательно отказаться от различия между неподвижными и подвижными частицами, то тогда следует регулярно проводить такую очистку стенок, чтобы «стряхнуть» с них приставшие частицы. В качестве устройства очистки рассматривается источник вибраций, в частности источник ультразвука, с помощью которого можно передавать вибрацию газообразной среде между обеими противоположными стенками.
Преимущественно участки облучения и регистрации расположены вниз по потоку за блоком измельчения и/или блоком фракционирования размольной установки, причем блоком измельчения является, в частности, вальцовый станок. Преимущественно в этом случае в зоне первого осевого конца вальцового станка расположены первые участки облучения и регистрации, а в зоне второго осевого конца вальцового станка - вторые участки облучения и регистрации. Это позволяет получать информацию о степени помола в качестве функции осевого положения вдоль вальцовой пары. В случае несимметричных характеристик размолотого материала вдоль вальцовой пары или, в частности, между левой и правой концевыми зонами прохода между вальцами можно сделать выводы о неправильной ориентации вальцовой пары и вмешаться для ее корректировки.
Преимущественно система содержит систему обработки изображений, происходящих из датчика цветного изображения. Эта система обработки изображений содержит преимущественно средства, которые в случае отображенных датчиком цветного изображения (в частности, в режиме отражения или проходящего света) и зарегистрированных частиц размолотого материала позволяют различать между подвижными и приставшими к стенкам частицами. Для этого можно, например, за счет двукратной регистрации частицы в одном или двух последовательных изображениях, определить ее скорость. В качестве альтернативы можно также за счет анализа, по меньшей мере, последних двух изображений обнаружить неподвижные частицы. Тогда приставшие к стенке неподвижные частицы могут оставаться неучтенными при обработке изображений, так что для оценки используются только подвижные частицы. За счет этого можно избежать искажения распределения частиц по размеру.
Преимущественно до и/или во время пропуска, по меньшей мере, части потока размолотого материала через участок регистрации происходит дезагломерирование агломератов размолотого материала в его потоке. Преимущественно во время и/или после транспортировки, по меньшей мере, части потока размолотого материала через участок регистрации происходит обработка отображенных на датчике изображений. Облучение частиц, регистрация излученного частицами излучения и обработка отображенных на датчике изображений могут происходить непрерывно, причем, в частности, облучение частиц может происходить стробоскопически посредством серии световых вспышек.
Чтобы обеспечить непрерывную обработку отображенных на датчике изображений, система идеальным образом располагает, в частности, встроенным вычислительным блоком, например DSP (цифровой сигнальный процессор) и/или FPGA (field programmable gate array - программируемая пользователем вентильная матрица) для обработки также более высоких частот изображений преимущественно более 15 изображений в секунду. Вычислительный блок уменьшает зарегистрированное датчиком количество данных и классифицирует его в отношении измеренных свойств частиц, таких как цветовые доли, размер, контур, форма и/или скорость, в гистограммах, которые отражают статистически релевантную информацию. Затем эта информация аккумулируется преимущественно в течение времени измерения от одной секунды до пяти минут, после чего передается на устройство для контроля, управления или регулирования процесса или на память данных.
Отображенные на датчике изображения, по меньшей мере, части потока размолотого материала могут использоваться для регулирования размольной установки, а именно, в частности, для регулирования ее блока измельчения и/или блока фракционирования.
Дополнительно к размеру, форме и, возможно, другим свойствам частиц, таким как скорость, изобретение позволяет различать цвета частиц, состоящих из основных компонентов хлебного зерна. За счет этого можно для отличающихся по цвету основных компонентов хлебного зерна (эндосперм, оболочка, зародыш) определить соответствующее, специфическое по цвету распределение частиц по размеру. Благодаря этому получают наглядное представление о результате измельчения и фракционирования на соответствующем этапе процесса помола, так что этот процесс можно оптимизировать в режиме «он-лайн» и установить оптимальное эксплуатационное состояние для различного сырья и окружающих условий.
За счет использования двух или более средств регистрации на каждый участок облучения можно значительно сократить время для получения достаточно точной статистики размера частиц. При этом средства регистрации имеют преимущественно разные по величине фрагменты изображений. Также одно средство облучения может использоваться для одного или нескольких средств регистрации.
Изобретение поясняется ниже со ссылкой на схематичные чертежи без ограничения его объекта изображенными на них вариантами осуществления. На чертежах представляют:
фиг.1 - хлебное зерно и посторонние тела;
фиг.2 - продукты помола;
фиг.3 - предложенную систему.
На фиг.1 изображены хлебные цельное 1, дробленое 2 и инфицированное 3 зерна, а также посторонние тела 4. Частицы оболочки зерна, скорее, темные (от серого до бурого), а эндосперм, скорее, светлый (от белого до желтоватого), что видно по кромке дробленого зерна 2. Инфицированные зерна, скорее, темные.
На фиг.2 схематично изображены типичные продукты измельчения, получаемые при помоле хлебного зерна: частица 4 оболочки и частицы 4 оболочки с еще приставшими эндоспермом 5 и зародышем 7. Предпочтительным продуктом помола являются чисто шарообразные или комковатые частицы 6 эндосперма.
На фиг.3 изображен вариант предложенной системы охарактеризовывания частиц в потоке продуктов помола зерна в установке для ее помола. В этом примере участки облучения и регистрации расположены на одной высоте зазора, через который пропускается поток размолотого материала. Различные продукты помола 4, 5, 6 проходят через зазор и облучаются с помощью блока облучения 8 электромагнитным излучением (здесь проходящим светом). Облученные, таким образом, продукты помола 4, 5, 6, в свою очередь, излучают электромагнитное излучение, которое через линзу или линзовую систему 11 направляется на датчик 10 цветного изображения и регистрируется им. Особенно предпочтительной является комбинация проходящего света (выработанного блоком облучения 8) и падающего света, который ориентирован под острым углом к потоку размолота; это проиллюстрировано блоком 9 освещения.