CN102099677B - 在碾磨设备中鉴别碾磨物料特性的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供在碾磨系统中鉴别碾磨物料特性、尤其在谷物碾磨系统中对由谷类碾磨产物构成的碾磨物料流中的颗粒进行特性鉴别的系统和方法，具有：用于碾磨物料流的至少一部分经过的照射段，该照射段具有以电磁辐射照射该碾磨物料流的至少一部分中的颗粒的照射机构；用于该碾磨物料流的至少一部分经过的检测段，该检测段具有用于检测由经过该照射段的该碾磨物料流的至少一部分中的颗粒所发出的电磁辐射的检测机构。检测机构具有成像装置和颜色图像传感器，用于通过由颗粒发出的电磁辐射使颗粒成像在颜色图像传感器上。颜色图像传感器包括传感器像素，用于光谱选择检测成像在该传感器像素上的电磁辐射。

Description

在碾磨设备中鉴别碾磨物料特性的系统和方法

技术领域

本发明涉及在碾磨设备中鉴别碾磨物料特性的系统和方法，尤其用于在碾磨设备中对由谷类碾磨产物构成的碾磨物料流中的颗粒进行特性鉴别的系统和方法。

背景技术

通常，碾磨物料流首先经过清理步骤，在清理步骤中，杂质、脏东西、质量差的碾磨物料如碎谷粒或被感染的谷粒通过机械的、空气动力学的或视觉的分离方法或分拣方法被从待清理的碾磨物料中除去。在这里，必须要在被清理的碾磨物料的纯净度和产量之间找到折衷。筛和筛参数、气流和视觉分离标准是如此设定的，即，在清理时尽量少地挑拣出“好的”碾磨物料，但仍能获得足够高的被清理碾磨物料的质量。因此希望对送来的碾磨物料、被清理的碾磨物料和/或在清理过程中被除去的碾磨物料进行特性鉴别。如果在除去的碾磨物料流中有太多的好碾磨物料或者如果碾磨物料质量超过规定，则分离程度会相应降低，而反过来，则可能造成清理之后低的碾磨物料质量。根据送入的碾磨物料的特性鉴别，可判定其质量并且做出估计以选择好的分离刀。

当在碾磨单元如辊式碾磨机中碾磨颗粒物如小麦时，颗粒物在一对辊的两辊之间被磨碎。为了获得有一定精细度和材料成分的面粉，一般使碾磨物料多次经过这样的碾磨通道，在其间，团块通过碰撞分散而破碎并且通过风力分选和筛分被分级。因此，可以获得具有不同精细度和/或不同碾磨级的面粉。

道次碾磨作用主要取决于一对辊的两辊之间的辊隙间距、辊速和辊速比。还有其它影响道次碾磨作用的辊式碾磨机工作参数和特征，例如辊面的几何形状和磨损。因此，希望获得在特定道次后出来的碾磨物料的特性识别。如果此时出现碾磨物料不同于碾磨物料的理论特性，则可基于所述不同差异进行辊隙校正、转速比校正或可能还有其它的辊式碾磨机工作参数的校正，以尽快消除该差异。另外，例如当辊磨损太多而无法再有意义地获得理论特性时，也可检测辊式碾磨机组成部件的维修要求。

国际专利申请公开号WO2006/116882A1描述了用于颗粒流特性鉴别的系统和方法，其中，单独颗粒的形状、尺寸或运动行为被检测。尤其是在此获得碾磨物料流的图像信息，由此确定碾磨物料流的颗粒尺寸分布。随后，颗粒尺寸分布能被用于控制或调整辊式碾磨机。

发明内容

本发明的任务是提供一种用于在碾磨设备中实现碾磨物料流的更广泛且更有表现力的特性鉴别的系统和方法，尤其用于在谷物碾磨设备中对由完整谷粒、谷物碾磨中间产物和谷类终端产物构成的碾磨物料流中的颗粒进行有表现力的特性鉴别。

该任务通过根据独立权利要求的系统和方法实现。

用于在碾磨设备中鉴别碾磨物料特性的本发明系统具有(1)使碾磨物料流的至少一部分经过的照射段，它具有以电磁辐射照射该碾磨物料流的至少一部分中的颗粒的照射机构；(2)使该碾磨物料流的至少一部分通过的检测段，其具有检测经过该照射的碾磨物料流部分中的颗粒所发出的电磁辐射的检测机构。根据本发明，检测机构包括成像装置和颜色图像传感器，用于通过颗粒所反射或所发出的电磁辐射将颗粒成像到颜色图像传感器上，其中该颜色影像传感器具有传感器像素，用于光谱选择检测成像于传感器像素上的电磁辐射。

这允许使用“颜色信息”来鉴别碾磨物料流的颗粒的特性，其做法是，颗粒通过颗粒所发出的电磁辐射被成像到颜色图像传感器上，然后，颜色图像传感器随后在其传感器像素上光谱选择测定电磁辐射。此时，在本发明范围内，术语“颜色信息”不仅应该是指狭义上的颜色，也指超出可见光谱的光谱信息，尤其是UV区和在IR区的光谱信息。

借助颗粒尺寸分布的特性鉴别可借助结合颜色信息的特性鉴别的另一尺度来精确化。这在评估谷类碾磨效果时是特别有利的，因为源于谷粒不同部分的碎粒具有不同的颜色或者说对于特定电磁辐射(IR、可见光、UV)的辐照有着不同的发光行为。因此，例如源于胚乳的谷粒碎粒或碾磨产物颜色更浅，确切说呈白色至黄色，谷粒胚芽部分确切说呈黄色到绿色，来自皮壳的谷粒碎粒呈现深色，确切说呈褐色。

当碾磨小麦时，人们例如通常希望防止整个麦粒被不加区分地碾磨成仅由胚乳构成的小颗粒、仅由皮壳构成的小颗粒或由胚乳/皮壳混合颗粒构成的小颗粒。相反，人们力求实现麦粒或其它谷粒的选择性磨碎，从而纯胚乳颗粒主要或者通常而言具有相对小的且呈“球状”或“块状”的形状，并且皮壳主要或者通常而言具有相对大的且呈“板状”的形状。这样的选择性磨碎简化了在随后的分级步骤中的碾磨物料分级，由此可以高效地构成整个碾磨过程，即，磨碎和随后的简单分类/分级不仅基于谷类碎粒尺寸，而且基于谷类碎粒形状。这不仅允许多种终端产品如糠、粗粒小麦粉、面粉或麦芽的制造，还允许终端产品成分可变化，例如就纤维、矿物质、蛋白质和/或脂肪含量而言。

通过根据本发明地使用颗粒尺寸信息和颗粒颜色信息，可以比只使用颗粒尺寸信息时更好地评估碾磨和分离过程的选择性。

对上述的小麦碾磨例子，这意味着，在碾磨过程的高选择性情况下，实际上只有纯的胚乳颗粒或仅附有少量胚乳的皮壳，而在碾磨过程的低选择性情况下，存在大量的胚乳/皮壳混合物颗粒，只有少量纯的胚乳颗粒，和只少量附着有胚乳的少量皮壳。

结合本发明，如果在颗粒尺寸-光谱中小颗粒呈浅色或呈白色到黄色(胚乳部分)而大颗粒呈深色或者说呈灰色到褐色(皮壳)，则对于小麦碾磨来说证明是高选择性。

借助颜色信息，可以通过图像处理推断出颗粒的定量组成。颜色信息可以与颗粒尺寸信息相关联，从而可以获得纯皮壳(深色或者说灰色到褐色)的颗粒尺寸分布、有一定成分含量的混合部分的颗粒尺寸分布、以及纯胚乳的颗粒尺寸分布。该关联的信息是颜色信息和颗粒尺寸信息的组合并能被用于控制和/或调整工艺过程。例如，如果混合部分含量增加或皮壳颗粒尺寸减小，则碾磨辊隙大小、谷类水分含量变化或辊面磨损可能是起因。通过分析过去存储的数据和关于颗粒尺寸-颜色信息配合进行数据分析，可以显著限制误差起因。还可以将其它颗粒特性如颗粒表面积、颗粒形状特性、颗粒形状因素和颗粒速度与颜色信息关联起来，用于详细说明设备或机器的产品和工作状况。颜色图像传感器还可以与其它测量方法如NIR(近红外)、MIR(中红外)或IR测量法、UV测量法、电感和/或电容测量法结合。

优选在照射段的背离传送机构侧，设置破碎碾磨物料流中的碾磨物料结块的结块破碎段。由此防止由多个碾磨物料颗粒构成的结块被测量和识别为大的碾磨物料颗粒。颗粒优选在结块破碎段内在空气流中被加速并被此时形成的流体机械剪切力破碎。理想的是，谷类碾磨中间产物和最终产物以大于10m/s的速度且完整谷粒以1m/s至10m/s的速度被送往检测段。

检测段可以沿碾磨物料流的方向设置在照射段的下游。尤其有利的是，在以预定光谱或预定频率(或波长)照射颗粒之后，经过一定延时才出现颗粒所发出的光谱的显著差别。因此，例如深色的皮壳与浅色的胚乳颗粒相比在以可见光照射后倾向于发出更强的红外辐射。

检测段和照射段可以沿碾磨物料流的方向设置在同一位置处。这实现了本发明设备的紧凑结构。

检测段优选具有对置的两壁，在两壁之间形成间隙，该碾磨物料流的至少一部分经过该间隙，在此，对置的两壁优选是相互平行布置的平面部。检测机构优选对准该间隙。

合适的是，检测段的对置的两壁允许可由颜色图像传感器检测的电磁辐射透过。因此，该颜色图像传感器可选择地在间隙的每一侧设置在其中一壁的后面。另外，在将照射机构安装在检测段的间隙两侧时，入射光和透射光照明组合综合了两种照明方式的优点。在此情况下，优选利用在透射光中的碾磨物料的远心辐射，在颜色图像传感器上精确地成像甚至小的碾磨物料颗粒的阴影轮廓，而借助优选相对竖向以最好至少45°角度倾斜入射的入射光来检测相应的颗粒颜色信息。由此一来，可以检测比单纯的入射光照明时更鲜明的轮廓，但与单纯的透射光照明不同，还可以检测颜色信息。

优选的是，该检测段的对置两壁中的第一壁允许可被颜色图像传感器检测到的电磁辐射透过，而第二壁不允许可被颜色图像传感器检测到的电磁辐射透过并且具有比碾磨物料颗粒更强的吸收性。在这种配置中，颜色图像传感器在间隙的一侧背离间隙地布置在允许透射的壁上，而电磁辐射源、尤其是用于可背颜色图像传感器检测的电磁辐射的光源布置在间隙的同一侧，背离间隙地布置在允许透射的壁上。这样，被输送经过间隙的碾磨物料样品的碾磨物料被照射，并且碾磨物料样品的颗粒的散射光或反射光进入颜色图像传感器的视野。在此配置时，优选采用带有远心入射照明器的远心透镜，以便能按正确比例在整个景深区内检测碾磨物料颗粒。

检测机构适当地在间隙一侧背离间隙地布置在允许透射的壁上，并且照射机构在间隙的同一侧背离间隙地布置在允许透射的壁上，从而背输送经过间隙的碾磨物料流的颗粒被照射。

第二壁的间隙侧表面优选具有比碾磨物料流的颗粒表面更大的吸收由照射机构发出的电磁辐射的吸收性。由此确保从间隙侧表面前经过的反光的碾磨物料颗粒和由壁反射的辐射之间存在足够大的反差，从而可容易检测到成像的碾磨物料颗粒并明显简化了后续图像处理。这消除了图像处理中的耗时复杂的滤波过程。

对置的两壁分别配有一个清理装置，通过该清理装置，附着在对置两壁上的碾磨物料颗粒被除去。该清理装置可以是振动源，尤其是超声源，其分别牢固连接到对置两壁上以使两壁能振动。该清理装置用于不会有太多静止的即附着在任一壁上的碾磨物料成像于颜色图像传感器上。附着在壁上的碾磨物料颗粒的颗粒尺寸分布通常不同于碾磨物料流所携带的颗粒。如果人们希望在检测和处理碾磨物料流图像信息时忽略静止的和运动的碾磨物料颗粒之间差别，则因此要定期进行这样的壁清理，用于将附着在壁上的颗粒“振掉”。作为清理装置，考虑采用振动源、尤其是超声源，能借此使在对置两壁之间的气体介质振动起来。

照射段和检测段优选设置在碾磨设备的碾磨单元的下游和/或分级单元的下游，其中该碾磨单元尤其是辊式碾磨机。在此情况下，第一照射检测部设置在辊式碾磨机的第一轴向端处，第二照射检测部设置在辊式碾磨机的第二轴向端处。由此可获得关于与沿辊对轴向位置相关的碾磨程度的信息。在沿辊对方向或尤其在辊隙的左、右端区之间存在不对称的碾磨物料特性的情况下，人们可以推断处辊对两辊的错误取向并采取修正手段。

优选的是，该系统具有用于处理来自颜色图像传感器的图像的图像处理装置。该图像处理装置优选具有用于在由颜色图像传感器(尤其是以反射光模式或透射光模式)成像和检测的碾磨物料颗粒中区分运动的碾磨物料颗粒和附着在壁上的碾磨物料颗粒的机构。为此，例如可通过在一张或两张连续的图像中两次检测一个颗粒来确定该颗粒的速度。作为替代，也可通过分析至少最后两张图像来识别静止的颗粒。此后，附着在壁上的静止的碾磨物料颗粒在图像处理装置的分析中可不被考虑进来，因而只有运动的碾磨物料颗粒被用于分析。由此避免碾磨物料的颗粒尺寸分布的失真。

优选在碾磨物料流的至少一部分经过检测段之前和/或之时，破碎在碾磨物料流中的碾磨物料结块。优选在碾磨物料流的至少一部分经过检测段之时和/或之后，对成像在颜色图像传感器上的图像进行处理。照射颗粒、检测颗粒所发出的辐射、和处理成像在颜色图像传感器上的图像可连续进行，在此，尤其可通过一连串闪光以频闪观测仪的方式进行颗粒照射。

为了连续处理成像于颜色图像传感器上的图像，该系统理想地具有尤其是集成式计算单元如DSP(数字信号处理器)和/或FPGA(现场可编程门阵列)，用于能以大于15幅处理图像/秒的高速率进行处理。计算单元减少由颜色图像传感器检测到的数据量并以柱状图形式关于所测得的表示统计学相关信息的颗粒性能如颗粒颜色成分、颗粒尺寸、颗粒轮廓、颗粒形状和/或颗粒速度将这些数据分类。然后，该信息优选在从1秒到5分钟的测量时间内被累加，然后被发送到用于过程监控、控制或调节的装置，或被发送到数据存储装置。

该碾磨物料流的至少一部分的成像在颜色图像传感器上的图像可被用于控制碾磨设备，尤其被用于控制碾磨设备的碾磨单元和/或分级单元。

本发明做到了，除颗粒尺寸、颗粒形状和或许其它性能如颗粒速度外，还能区分由谷物颗粒的主要组成成分构成的不同类型颗粒的颜色差异。由此可以针对谷物颗粒的不同颜色的主要组成(胚乳、皮壳、胚芽)确定相应的特定颜色的颗粒尺寸分布。由此获得对在碾磨过程的碾磨步骤或者分级步骤中的碾磨结果和分级结果的有表现力的观察，从而人们可以在先优化碾磨过程并针对各种不同原材料和环境状况和设定最佳工作状况。

通过给每个照射段使用两个或更多检测机构，可以显著缩短为获取足够精确的颗粒尺寸统计值所需要的时间。检测机构此时优选具有不同大小的图像片段。在此，一个照射机构可被用于一个或多个检测机构。

附图说明

以下，将结合示意图来说明本发明，但本发明的主题将不局限于附图所示的实施例，其中：

图1是谷粒和杂质的示意图；

图2是碾磨产物的示意图；

图3是根据本发明的系统的示意图。

具体实施方式

图1示出完整谷粒1以及碎谷粒2、被感染的谷粒3和杂质4。谷粒的皮壳部分呈相对深色(从灰色到褐色)，而在碎谷粒2的断裂面处呈现出的胚乳呈相对浅亮色(从白色到淡黄色)。谷粒被感染部分呈相对深色。

图2示意表示典型的磨碎产物，这将在谷粒碾磨时获得：纯皮壳4以及仍附着有胚乳和可能还附着有胚芽7的皮壳。优选的碾磨产物是纯球状或块状胚乳粒6。

图3示意表示用于在谷物碾磨设备中对在由谷类碾磨产物构成的碾磨物料流中的颗粒进行特性鉴别的本发明系统的实施例。在本实施例中，照射段和检测段布置在碾磨物料流所经过的间隙的相同高度上。多种碾磨产物(4,5,6)穿过间隙并通过照射单元8被照射电磁辐射(在此为透射光)。被这样照射的碾磨产物(4,5,6)本身又发出电磁辐射，该电磁辐射通过透镜或透镜系统11被引导至颜色图像传感器10并被颜色图像传感器检测。特别优选的是透射光(借助照射单元8产生)和入射光的组合，该入射光的取向相对碾磨物料流成锐角，该入射光由光照单元9表示。

Claims (31)

1.一种在碾磨设备中鉴别碾磨物料特性的系统，该系统包括：

-用于使碾磨物料流的至少一部分经过的照射段，该照射段具有至少一个照射机构，用于以电磁辐射照射在该碾磨物料流的至少一部分中的颗粒；和

-用于使该碾磨物料流的至少一部分经过的检测段，该检测段具有至少一个检测机构，用于检测由被输送经过该照射段的该碾磨物料流部分的颗粒所发出的电磁辐射；

其中，该检测机构具有成像装置和颜色图像传感器，该成像装置和该颜色图像传感器如此构造，该颗粒能借助由颗粒所发出的电磁辐射成像在颜色图像传感器上，其中该颜色图像传感器具有传感器像素，用于光谱选择检测成像到该传感器像素上的电磁辐射；

其特征是，该检测段包括如此构成和布置的至少一个照明机构或多个灯的组合，即，碾磨物料颗粒能以透射光和入射光的组合被检测。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征是，在该照射段的背离传送机构的一侧，设有用于破碎在碾磨物料流中的碾磨物料结块的结块破碎段。

3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征是，该检测段沿该碾磨物料流的方向布置在该照射段的下游。

4.根据权利要求1或2所述的系统，其特征是，该检测段和该照射段沿该碾磨物料流的方向布置在同一位置上。

5.根据权利要求1或2所述的系统，其特征是，该检测段具有对置的两壁，在所述两壁之间形成有间隙，该碾磨物料流的至少一部分能流过该间隙。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征是，该检测机构被对准该间隙。

7.根据权利要求5所述的系统，其特征是，该检测段的对置的两壁是允许能由该颜色图像传感器检测的电磁辐射透过的。

8.根据权利要求5所述的系统，其特征是，该检测段的对置的两壁中的第一壁允许能由该颜色图像传感器检测的电磁辐射透过，其第二壁不允许能由该颜色图像传感器检测的电磁辐射透过并且具有比碾磨物料颗粒更高的吸收性。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征是，该检测机构在该间隙的一侧远离间隙地布置在允许透射的壁上，该照射机构在该间隙的同一侧远离间隙地布置在允许透射的壁上，从而被输送穿过该间隙的碾磨物料流的颗粒被照射。

10.根据权利要求8或9所述的系统，其特征是，第二壁的间隙侧表面具有比该碾磨物料流的颗粒表面更高的、吸收由该照射机构发出的电磁辐射的吸收性。

11.根据权利要求5所述的系统，其特征是，所述对置的两壁分别配设有一个清理装置，能借助该清理装置除去附着在该对置的两壁上或只附着在该允许透射的壁上的碾磨物料颗粒。

12.根据权利要求11所述的系统，其特征是，该清理装置是与该对置的两壁分别刚性连接的振动源，用于能使所述两壁振动。

13.根据权利要求12所述的系统，其特征是，该振动源是超声源。

14.根据权利要求11或12所述的系统，其特征是，该清理装置是振动源，能借此使在所述对置的两壁之间的气体介质振动。

15.根据权利要求14所述的系统，其特征是，该振动源是超声源。

16.根据权利要求1、2、6至9、11、12、13和15中任一项所述的系统，其特征是，该检测段和该照射段设置在该碾磨设备的碾磨单元的下游和/或分级单元的下游和/或清理单元的下游。

17.根据权利要求16所述的系统，其特征是，该碾磨单元是辊式碾磨机。

18.根据权利要求17所述的系统，其特征是，在该辊式碾磨机的第一轴向端处设有第一照射和检测段，在该辊式碾磨机的第二轴向端处设有第二照射和检测段。

19.根据权利要求1、2、6至9、11、12、13、15、17和18中任一项所述的系统，其特征是，该系统包括用于处理来自该颜色图像传感器的图像的图像处理装置。

20.根据权利要求1、2、6至9、11、12、13、15、17和18中任一项所述的系统，其特征是，该系统包括集成式计算单元，图像信息能通过该计算单元被连续评估，并且所获得的单独颗粒信息或统计数据尤其按照规定时间间隔被传输给工艺或设备监控装置、工艺或设备控制装置、工艺或设备调节装置和/或数据存储装置。

21.根据权利要求1、2、6至9、11、12、13、15、17和18中任一项所述的系统，其特征是，该检测段包括如此构成和布置的至少一个照明机构或多个灯的组合，即，碾磨物料颗粒能以尤其是远心的入射光来检测。

22.根据权利要求1、2、6至9、11、12、13、15、17和18中任一项所述的系统，其特征是，所述系统用于在谷物碾磨设备中对由谷类碾磨产物构成的碾磨物料流中的颗粒进行特性鉴别。

23.根据权利要求1、2、6至9、11、12、13、15、17和18中任一项所述的系统，其特征是，该入射光的取向相对该碾磨物料流成锐角。

24.一种在碾磨设备中鉴别碾磨物料的特性的方法，该方法包括以下步骤：

-使该碾磨物料流的至少一部分经过照射段并以电磁辐射照射在该碾磨物料流的至少一部分中的颗粒；和

-使该碾磨物料流的至少一部分经过检测段并检测由被输送经过该照射段的碾磨物料流部分的颗粒发出或反射的电磁辐射；

其中，该颗粒借助由颗粒发出的电磁辐射被成像到颜色图像传感器上，该颜色图像传感器依靠其传感器像素来光谱选择检测该电磁辐射；

其特征是，该检测段包括如此构成和布置的至少一个照明机构或多个灯的组合，即，碾磨物料颗粒能以透射光和入射光的组合被检测。

25.根据权利要求24所述的方法，其特征是，在使该碾磨物料流的至少一部分经过检测段之前和/或之时，进行对该碾磨物料流中的碾磨物料结块的破碎处理。

26.根据权利要求24或25所述的方法，其特征是，在使该碾磨物料流的至少一部分经过检测段之时和/或之后，对成像在该颜色图像传感器上的图像进行处理。

27.根据权利要求24或25所述的方法，其特征是，照射颗粒、检测颗粒所发出的辐射和成像在颜色图像传感器上的图像的处理是连续进行的。

28.根据权利要求27所述的方法，其特征是，通过一连串闪光以频闪观测仪方式进行该颗粒的照射。

29.根据权利要求24至25、28中任一项所述的方法，其特征是，成像在该颜色图像传感器上的该碾磨物料流的至少一部分的图像被用于控制或调节该碾磨设备。

30.根据权利要求29所述的方法，其特征是，成像在该颜色图像传感器上的该碾磨物料流的至少一部分的图像被用于控制该碾磨设备的碾磨单元和/或分级单元。

31.根据权利要求24、25、28和30中任一项所述的方法，其特征是，所述方法用于在谷物碾磨设备中将在由谷类碾磨产物构成的碾磨物料流中的颗粒进行特性鉴别。