CN1037212A - 粒子的自动分析方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及对粒子的粒径分布、它与要求形状的 偏离程度以及粒子颜色的自动分析法及其装置。该 分析方法包括采集粒子试样、形成单粒子层帷帘、对 单粒子层进行光照射、记录分析图象。该分析装置包 括取样装置、筒仓、记录筒仓内粒面高度并向取样装 置发信号的粒面高度传感器、筒仓底部有垂直伸缩的 部件，它与下面振动板的距离为a。

Description

本发明涉及到一种用于测定粒子的粒径分布和其相对于所预期的形状和颜色的离散的自动分析方法。这一方法包括粒子试样采集和单粒子层形式的粒子帷帘的产生，对后者光照射和所要分析的图象的获取。本发明还涉及到用以实施这一方法的装置，即粒子供给系统，它包括用于产生单粒于层形成的粒子帷帘的装置。

在颗粒状材料的生产过程中，或者是在其中至少一个处理步骤中需要添加这类材料的处理过程中，控制这种处理过程以便能够获得其粒子型材料所预期的粒径分布是重要的。不言而喻，粒子的形状对于其产品质量也是重要的。因此，若能够了解其粒子相对于所预期形状和颜色的离散程度，以便使这一处理过程还可以根据这些指标进行控制，则是最理想的。

在肥料工业领域中，人们一直在寻求获得有关最终产品的粒径分布和粒子形状的可靠数据的途径，因为这些参数的最佳值不论从纯经济的观点来看，还是从使用其产品的时间、即播撒这种生产出的晶粒或颗粒的时间上来看都是重要的。如果一种处理过程可以生产出仅具有窄范围内的筛选尺寸颗粒而没有筛选出再需重新处理的粒度级偏离较大的产品，则这一处理过程是最经济的。

目前已有了几种可以用来解决上述问题的分析装置和测量技术，但是它们的适用范围一般均局限于某些非常特殊的处理过程，其中一种粒子分析装置已由美国专利4497576所公开，这一装置采用了轮廓投影方法，而且还包括一个直接穿过粒子试样的平行激光束装置和用于记录其已穿过粒子试样后的光的装置。然后对这一记录进行分析以给出在上述试样中的粒子的粒径分布。在这一专利中列出了一系列必须满足的、对于其测量具有代表性的条件，但是并没有清楚地说明这些条件应该怎样满足。将要进行分析的粒子在一条输送带上输送，并从该输送带上落下，通过其光源的前面而落在下一条输送带上以返回其处理过程。所给出的一个条件就是从输送带上落下的粒子必须形成一个粒子的单粒子层，而且它们要以相同的速度下落。但应怎样获得这一单粒子层却并没有给出专门的说明，而且前述装置似乎并不能良好地适用于这种应用。

由西德专利申请2741321中也可以获知一种用记录和分析视频图象的方法来测定正在下落的粒子流中的粒子的粒径分布的装置。粒子从筒仓的一个长的缝隙中流出，并由此形成一个经过配置有热辐射图象摄象机的视频记录器的粒子帷帘。当记录粒子的热容量时，这种装置除了记录粒径分布以外，还可以自动记录其粒子相对于某球面形状的离散是否过大。然而这一专利既没有说明应怎样采集有代表性的试样，也不管关于所分析的粒子帷帘要有代表性的专门的测量是否是必须的。这一专利申请指出，细小的粉尘并不会对分析结果产生较大的干扰。这种装置最初是用于分析沥青的各种添加物的粒径分布。

虽然上述的各专利已在一定程度上说明了粒子分析中的问题，但它们并没有给出如何通过粒子分析以控制肥料颗粒/晶粒的这一问题的可供实用的解决方案，而这种解决方案恰恰是发明者必须首先给与解决的问题。

本发明的目的是要研制出一种方法和装置，可以给出关于粒子的相对于所预期形状的离散、色度或粒径的变化实时数据，以便可以据此获得更好的产品质量和在处理过程中对操作变化更快地获得响应。

要获得对粒子处理过程，比如说，肥料颗粒化的处理过程的良好控制的第一个条件就是要能够在任何时间采集到中间产品或最终产品有代表性的试样。本发明人发现这一问题可以采用常规的取样系统以几种方式解决。可以利用一个具有粒子可注入的缝隙的容器。对于这种系统，可以用使容器的缝隙开口横切过在输送带上的或是从输送带上落下时的产品的粒子流的方式采集其试样。这一缝隙开口必须以某一固定速度贯穿过该粒子流的整个横断面，而且其速度应足够快，以便避免使取样容器过满。除此以外，其容器还必须可以快速地完全排空，以便用来采集新的试样。这种横切可以借助于，比如说，双动作压缩气缸来实现。

分析处理过程的下一步是要使试样易于进行有代表性的分析，并且应该在得到试样之后不久即进行治龊拖允尽Ｕ庖晃侍獾慕饩鲈谝欢ǔ潭壬弦览涤谒≡竦姆治隽Ｗ邮匝募际酰忠逊⑾郑渖秆『统屏亢姆炎盘嗟氖奔洌也皇屎嫌谡庵钟τ谩Ｈ欢承├嘈偷牧Ｗ俞×钡耐枷笤傧旨际蹩雌鹄词怯幸庖宓摹Ｕ庖蝗挝袷且峁┮巡杉降氖匝目稍偕暮陀写硇缘牧Ｗ恿鳌Ｈ绻∮眉す馐⒑焱夤馐唇辛Ｗ诱丈浠蚶媒浩?视频摄象机或照相来得到图象时，现已发现获得单粒子层形式的粒子流是重要的。而由上面提到的4497576号美国专利所给出的装置是不能使用的。尤其值得指出的是，适当地选择输送带的几何尺寸并设定它的速度以确保能够在其输送带的整个宽度上获得单粒子层是非常困难的。这种装置还假定粒子的自由下落的速度是已知的。

本发明选择供给粒子到一振动板上的方式以产生正在下落的粒子的单粒子层。初步试验的结果是如此令人满意，本发明人着手进一步完善这种设想。试验表明，如何供给粒子下落到振动板是一个关键性的参数。使筒仓的输出开口置于距振动板某一定的，但可调节的距离的方式可以解决这一问题。而且该输出开口的直径还应适合于所要分析的粒子的大小。就这点而言，常规的筒仓是可以采用的，但是它需要配置有若干个高度传感器以测量它到振动板的距离和在筒仓中粒子的高度。最后提及的这种高度传感器可以对，比如说，取样器发出脉冲信号以便能使筒仓中的粒子高度保持为某一大体上恒定的量。筒仓离振动板的距离对于获得从振动板上供给出适量的粒子数量是关键的。本发明人还发现，振动板的设计对于获得从它供给出的有规律的单粒子层也是重要的。用选择圆形振动板并调节其振幅和频率，可获得由筒仓供给的粒子，从所有环绕着振动板的周边供给出有规律的单粒子层。在进一步的试验中出现了另一个参数，为了获得良好的结果，也需对它加以测定。产品相对于振动板的倾角必须保持在小于它的摩擦角的范围内。因此，对于所涉及到的产品类型的摩擦角必须加以测定，对于所检测的某一试样来说，它为28°。正确的角度可以用不同的方法或者用不同方法的组合来获得。振动板可以略微呈圆锥状的形状，由此在振动板上的粒子数量将会减小，从而会减少粒子在振动板上的滞留时间。实例表明，当产品相对于水平面的倾角大约为其摩擦角的 2/3 时，根据这种设想设计出的些种系统运转良好。现已证明，按照上面所述的原理而建立的、并采用产品特性的关键参数、特别是其粒子直径和摩擦角的关键参数的粒子供给系统，确实能够输出单粒子层形式的有规律的粒子流。

对单粒子层中的粒子分析可以用上面已提及的几种方法来实施。但是本发明人发现用，比如说，视频摄象机摄取连续的或间断的单粒子层图象以获得粒子的轮廓图象的方法是最具优越性的，它可以自动记录粒子的形状和粒径分布。用于计算其相对于所预期的形状的离散的专用计算机程序也已被开发。用测量单个粒子的周边和面积的方法，可以计算出它们相对于所预期的某种形状的离散，以及在产品的粒子流中的粒子的粒径分布。因为粒子的取样、粒子帷帘的产生和粒子的分析可以连续进行，所以产品各参数均可以作为这一分析结果的某一函数而进行调节。

本发明的附加特征由从属权利要求所限定。

下面将结合实施例和附图进一步解释本发明。

图1示出了本发明的一种粒子供给装置。

图2示出了一种用于实现本发明的方法的组件组合方式。

图1所示的粒子供给装置包括在处理过程中的某一适当位置，比如说从输送带（未示出）上取出粒子试样的取样器1。取样器1可以是一个具有纵向缝隙开口的容器。一旦试样被采集到，取样器1就直接将试样注入到筒仓3中，或者是通过管路或输送装置2将试样送入筒仓。在筒仓3的输出开口处配置有一个可移动的伸缩部件6。由筒仓3排出的粒子7下落到振动板8上，而且在运行过程中将在振动板8上形成一个相对于水平面的角度为α的粒子7的薄层。这一角度α小于被分析产品（粒子）的摩擦角。它可以，比如说，仅仅比其摩擦角小几度，但为了避免系统过于敏感，角度α最好选取为其摩擦角的 2/3 。角度α可以用几种不同的方式来设定，特别值得指出的是，它可以用调整伸缩部件6的距离a，相当于调整从振动板8的外侧边缘到筒仓3的中心轴的距离（b）的方式来设定，或者是以调整伸缩部件6的横截面的方式来设定，以便满足所预期的角度值α。

筒仓3可以配置有一个距离传感器5，以便能够据此来调节距离a。而且筒仓3还配置有至少一个高度传感器4，比如说能够自动记录筒仓3中的最低的和最高的水平位置的传感器。高度传感器4将给出一个取样信号。取样装置1可以与一双动作气缸相连接，在取样过程中后者能使容器1在整个宽度上横切过正在输送带上的或正在从输送带上落下的粒子流。而且在取样过程中，粒子将由该容器上的缝隙以适当选择了的速度采集进入容器1，容器不会过满，同时还可以确保所取的试样为产品流中有代表性的试样。筒仓3也可借助于垂直隔板而分为几个腔室。

板8可以按已知的方式振动，它的频率和振幅均是可以调整的。用调整距离a以使α小于其摩擦角的方法和使板8振动的方法，粒子将从板8的边缘流出。最好采用圆形振动板8，而且使确定的区域最好是封闭的，以便使粒子仅仅能够从板8的周边部分处流落。板8可以制作成略呈锥形，但是它的锥度要小于其摩擦角。用调节振动器的振幅和/或频率的方法可以十分方便地确保粒子以单粒子层10的形式从板上落下。粒子流或称粒子帷帘10由光源9照射。光源9可以是常规的灯泡、激光器或者是可发出光信号的频闪源。

图2示出了由图1所示装置与用于获取粒子帷帘10的图象装置以及用于“实时”分析和处理数据的装置相连接而构成粒子供给系统，据此可以构成一种用于粒子自动分析的整套设备。

组件11可以是一台胶片式或视频式摄象机，一种用于记录贯穿光束，比如说，激光束的记录装置。最好采用能够在全部时间里获取图象的视频摄象机，但如果光源是一个频闪光源，则应该仅在每次频闪时记录图象。组件12是一个可连续地或间断地分析图象的图象分析器，这一组件可以包括一个可发出信号13的装置，每当一幅图象分析完毕时，该装置将发出用于控制频闪源9通断的或用于控制通过组件11获取图象的信号13。

组件11可以用于摄取在粒子帷帘10中的粒子轮廓图象，但也可以用来区分粒子的颜色变化或粒子灰度深浅。

常规的视频图象包括512×512个点（即图象元PIXEL）。其黑色图象元的数目给出的是每一个粒子的面积。

可利用轮廓跟踪程序来测定其周边。图象分析器12可以被集成在一块印刷电路板上，它包括用于读取和存储图象所必须的计算机程序，以便能够测定出在视频图象上的各个粒子的面积和周边。由图象分析器12给出的原始数据可输入后续的数据处理程序，比如在印刷电路板14中的处理程序。借助于适当的数据处理程序，原始数据将被进一步加以处理，以便能获得其粒子的粒径分布和有关粒子相对于所预期的某一形状的偏离的种种表达方式。

由组件14给出的数据至少应提供给，比如说，组件15，后者可以是一台打印机和一台计算机显示屏。于是，粒子分析的结果将传输到其处理过程的有关部分，用于控制其处理过程以进一步优化生产、提高产品质量。当然，数据还可以存储起来，可用于其处理过程的相关部分的后续研究。

实例1

这一实例示出了使用图1所示装置时的单粒子层形式的粒子帷帘的的生成。

首先对各种不同类型的产品测量其流动特性和摩擦角，然后将各种类型的粒子一种接一种的送入，通过筒仓落向振动着的圆形板。在检测过程中，用供给新的粒子使在筒仓中的粒子高度保持为某一大体上恒定的量，并且筒仓开口使用某一尺寸可确保即使是最大的粒子或者粒子结块也能流出筒仓开口，圆形的伸缩部件（参见图1中的组件6）环绕配置在其筒仓的开口处，这一伸缩部件可以提升或下降以便调整，板和筒仓之间的距离a。

距离（a）是以这种方式设置的，即使得产品相对于平面圆盘的倾角大约为相应产品摩擦角的 2/3 。启动振动器使粒子有规律地从板的同边流出。用改变振动频率和/或振幅的方式，可以相对更容易调整振动器，以使得粒子帷帘仅由粒子的单粒子层构成。当振动器合适的调整首次建立后，对于同种类型的产品，在整个检测过程中这一调整可基本上保持不变。在检测几种类型的产品时，现已发现其产品相对于水平平面的这一倾角α应该至少比其摩擦角小5%，且最好大于它的50%。当角α为产品摩擦角的70-60%时，对于大多数类型的粒子来说，调节振动器以获得单粒子层都是最容易实现的。

调整振动器和/或伸缩部件6，如果需要的话，借助于计算机程序加以控制，均可以使在图象中的粒子数目基本保持不变。

实例2

这一实例示出了一种根据本发明得到的粒子自动分析结果，还示出了用常规筛选方法对样品分析的结果，以及相对于所预期形状的偏离进行比较。

在视频摄象机的前面放置已知直径的完整球形体的方法进行校准，以毫米量级读出其直径，并送入计算机程序。用图象分析器对具有不同尺寸的完整的球状粒子进行分析。而且事先对各种试样中的粒子进行人工控制以估价它们相对于球面形状的偏离。

取出八种大约两公斤的颗粒状肥料的试样。每一种试样均进行实验室检测以估价其粒子的粒径分布、相对于所预期形状的偏离。然后按照本发明的方式，即借助于图1所示的粒子供给装置供给的粒子经过摄取粒子图象的视频摄象机的方式分析各试样。其分析表明，包含10-20个粒子的图象大约需1秒钟的分析时间。但是，这一分析时间还可以大幅度的降低。一旦一幅图象处理完毕，马上给出信号以摄取一幅新的图象。

按照本发明进行的图象分析的结果（B）。实验室筛选结果（L）和相对于所预期形状的偏离的结果由图表1给出，它以百分率的形式示出了粒子的粒径分布和试样相对于所预期形状的离散。其筛选分析以克/100克的量级示出。正如图表中所示，实验室筛选稍微比图象分析复盖着更宽的间隔（筛选种类）。

正如图表1所示，在用实验室筛选方法和用本发明的方法所测量得到的粒子的粒径分布的结果间有非常良好的吻合。就相对于球形形状的离散的分析来看，它也与关于好产品、坏产品的常规判断良好地吻合。但是，本发明的方法给出了有关粒子相对于所预期的形状离散的更精确的指示。

实例3

这一实例示出了一个有关颗粒状化肥粒子的检测报告。其检测用与实例1所描述的同样的方法进行，但是在最后这一实例中，相对于所预期形状的离散只用本发明的方法进行研究。其研究结果已由图表2给出。

就对于颗粒状产品粒子的粒径分布而言，在这两种分析方法间也存在有良好的吻合。而且对这种类型的产品，其相对于已给定的所预期形状的粒子离散分析也与实际情况良好吻合。

当这种粒子供给系统与某种使产品颗粒化的处理过程相连接、需要从产品的流动中采集试样，从处理过程中相关部分的运行条件的改变到试样记录在粒子分析器中时为止，最多也不会超过5分钟。和常规的分析方法比较，这种方法对于大部分颗粒化处理过程来说都是快得绰绰有余的。

然而，还可以进一步降低分析所用的整体时间，从而也降低响应时间，而这并不会对分析的质量和精度产生影响。

试验已经表明，粒子自动分析器可良好地适用于其测量范围为0.5-10.0毫米的粒子。但稍加结构上的变化，就完全可以在相当大的程度上改变其测量范围。试验还表明，粒子试样中的粉尘不会带来任何问题。

按要求可实现的一种特殊的应用是对具有不同的颜色/灰度深浅的粒子进行分析。试验过程表明，人们可以确定，比如说，在试样中的暗的和亮的粒子的数目。用在摄取粒子帷帘图象时，采用一块比较板，可以实现这一任务。还可以同时实现对粒子的粒径分布的分析。

本发明已经完成了一种粒子供给装置，这种装置可以用一种相容的和实用的形式将粒子试样转化为在试样/产品流中的其粒子分布具有代表性的粒子的单粒子层形式的粒子帷帘。利用这种装置可以快速地对一种或几种产品流中的有代表性的试样进行采集并将其转换为可以进行分析、特别是进行相对于粒子的粒径分布和相对于所预期形状的离散的分析的单粒子层。

在分析粒子时发现，采用那种一旦一幅图象已被完全处理过时，可以马上自动触发的频闪光源照射粒子是特别优越的。对每一次频闪光源照射粒子，将粒子成象一次。这一技术可给出一个非常精确且非常快捷的对粒子帷帘的分析。

本发明的方法和装置可以应用于所有已知的颗粒化处理过程和必须添加具有所预期的粒径分布和形状的粒子的处理过程。本发明还可以应用于对已完成颗粒化处理的产品的检验。这些应用可以是：在袋装或类似的散装过程中的分析或检验颗粒状产品的规格。当需在实验室中分析较小的试样时，也可以应用本发明的粒子分析器。

Claims (7)

1、用于测定粒子的粒径分布和其相对于所预期形状的离散和颜色的自动分析方法，包括粒子试样的采集和单粒子层形式的粒子帷帘的产生，对所述单粒子层的光照射和所要分析的图象的记录，其特征在于用通过一个筒仓获取粒子试样的方式产生单粒子层形式的粒子帷帘，所述的筒仓距配置在其下方的振动板的距离(a)为某一距离，其与从振动板的外侧边缘到筒仓中心线间的距离(b)有关，所述的筒仓应相对于将要从中流出的粒子为足够大，粒子从筒仓中流出落在振动板上，并当后者振动时从后者的外缘处落下，所述振动板相对于水平面形成夹角a，且角a为其颗粒状材料的摩擦角的95-50%，至少在某一区域用光照射所述的粒子帷帘并记录、分析、显示其粒子的轮廓。

2、如权利要求1所述的方法，其特征在于每当一幅粒子图象分析完毕时，根据从图象分析装置发出的信号用频闪光源或者其它光源照射所述的粒子帷帘。

3、如权利要求1或2所述的方法，其特征在于当分析具有不同颜色或者灰度深浅的粒子时，选用可阻止某种灰度/颜色进入图象摄象机的比较装置。

4、用于实施如权利要求1-3所述的方法的装置，包括取样装置（1），

其特征在于除取样器（1）外，所述的装置包括至少配置有一个用于记录筒仓（3）中粒子高度并可向取样器（1）发出取样信号的高度传感器（4）的筒仓（3），和位于筒仓（3）输出开口部位处的，其下部距振动板（8）为某一距离（a）的可垂直移动的伸缩部件（6）。

5、如权利要求4所述的装置，其特征在于筒仓（3）配置有用于记录距离a的距离传感器（5），且由传感器（5）给出的记录，用于以手动或自动方式调整伸缩部件（6）的垂直位移。

6、如权利要求4所述的装置，其特征在于板（8）为圆形并具有小于角度α的锥度。

7、如权利要求4所述的装置，其特征在于板（8）的振动可以用调整与板（8）耦合的振动器的频率和/或振幅的方式来调节。

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