PL204259B1 - Sposób i urządzenie do pomiaru wymiarów i kształtów ziaren - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób i urządzenie do pomiaru wymiarów i kształtów ziaren.

Znane sposoby i urządzenia do pomiaru wymiarów i kształtów ziaren wykorzystują kamery do rejestracji kształtów. Następnie analizowane są zarejestrowane kształty. W urządzeniach z jedną kamerą fotografującą prostopadle spadający zbiór ziaren z rynny mierzy się cząstki w jednym wymiarze. Przy zastosowaniu dwóch kamer ustawionych prostopadle względem siebie i odpowiednio względem poruszającej się taśmy można fotografować cząstki z dwóch kierunków dla pomiaru dwóch wymiarów. Dla ułatwienia ostatecznych obliczeń pojedyncze ziarna są ułożone ręcznie na przesuwającej się taśmie. Po zarejestrowaniu fotografii należy wykonać skomplikowaną analizę obrazu, która w zależności od przyjętego algorytmu daje różne przybliżenia, szczególnie gdy na obrazie wystąpi kilka ziaren lub gdy pojedyncze ziarno ustawione jest na obrazie w sposób trudny do identyfikacji kształtu.

Do pomiaru kształtów ziaren używa się również specjalnych suwmiarek.

Jest także znany sposób statystycznej analizy kształtu ziaren na drodze pomiaru wielkości ziaren w przestrzeni pomiarowej utworzonej przez strumień promieniowania równoległego do swej osi optycznej.

Jest to szybka analiza dwuwymiarowa określona przez jeden wymiar proporcjonalny do rozproszonego promieniowania, a drugi równy wartości iloczynu prędkości poruszania się ziarna w przestrzeni pomiarowej i czasu przelotu ziarna przez strefę pomiarową.

W znanych rozwiązaniach stosowano płaską pochyłą rynnę lub taśmociąg. Płaska rynna i taśmociąg nie zabezpieczają jednoznacznego usytuowania ziaren względem płaszczyzny obrazowania przez kamery i przypadków koincydencji. Z płaskiej rynny ziarna mogą dowolnie spadać w niekontrolowany sposób obracając się wokół swoich osi bezwładności.

W opisie patentowym JP3798188 (opubl. 2001-01-19) opisano przyrzą d słu żący do pomiaru zmian kształtu, który realizowany jest za pomocą urządzeń emitujących promieniowanie laserowe formujących wiązki promieniowania laserowego kierowanych na badany obiekt HL oraz urządzenia przetwarzającego, na które padają wiązki laserowe oświetlające badany obiekt z każdej strony, i które wykrywa zmianę promieniowania. Urządzenie przetwarzające wiązkę promieniowania laserowego skonstruowane jest z detektora odbierającego odbite promieniowanie laserowe wiązek oraz komputera umożliwiającego fotodetektorowi śledzenie położenia osiowego odbitego promieniowania laserowego. Kształt badanego obiektu mierzony jest w oparciu o zmiany wykrytego promieniowania odbitego wiązek.

W opisie patentowym JP3010060 (opubl. 1984-12-04) opisano urządzenie do pomiaru rozgniecionego ziarna, w którym ziarenka ryżu przechodzące przez przezroczyste okienka w położeniach górnym i dolnym są odpowiednio oświetlane promieniowaniem ze źródeł światła. Promieniowanie przechodzące przez ziarna jest odbierane przez czujnik detekcyjny oraz element detekcyjny. Odebrane sygnały kierowane są do urządzenia pomiaru rozgniecionych ziaren. W urządzeniu kontrolującym prędkość ziaren mierzona jest malejąca prędkość ziaren. Odebrany sygnał kierowany jest do urządzenia pomiaru długości ziaren, natomiast sygnał uzyskany z elementu detekcyjnego poddany jest korekcie. Skorygowany sygnał jest porównywany z sygnałem uzyskanym z urządzenia mierzącego długość spoczywających ziaren w wyniku czego uzyskiwana jest długość ziarna. Zmierzony sygnał rozgniecionych ziaren jest wprowadzany do urządzenia zliczającego liczbę rozgniecionych ziaren.

W opisie patentowym US 2004174542 (opubl. 2004-09-09) opisano urzą dzenia i sposoby umożliwiające pomiar odkształcenia obiektów poprzez umieszczenie na nich jednego lub więcej laserów, bądź innych źródeł światła, a także odpowiadających im liczebnie matryc fotodetektorów. Wiązki promieniowania mogą być kształtowane przez co odpowiedź uzyskana z detektorów przetwarzana może być w taki sposób, aby wyznaczyć ugięcie lub skręcenie obiektu. W wyniku sekwencyjnego pozycjonowania źródeł promieniowania i detektorów możliwe jest przeprowadzenie zbiorczych obliczeń określających stopień odkształcenia badanego obiektu.

Pomimo istniejących do tej pory rozwiązań ciągle istnieje potrzeba opracowania szybkiego, nieskomplikowanego i jednoznacznego sposobu pomiaru wymiarów i kształtów ziaren, umożliwiającego łatwą analizę otrzymanych danych.

Celem wynalazku jest opracowanie odpowiedniego urządzenia do pomiaru wymiarów i kształtów ziaren. W rozwiązaniu według wynalazku zwiększono ilość przestrzeni pomiarowych nałożonych na siebie w jednym miejscu, jednocześnie mierzących wymiary ziaren z różnych kierunków. Użycie wielu szybkich optycznych torów pomiarowych, które bezpośrednio skanują kształt ziarna podczas przejścia przez przestrzeń pomiarową upraszcza algorytm pomiaru i przyśpiesza pomiar.

PL 204 259 B1

Realizacja tak określonego celu i rozwiązanie opisanych w stanie techniki problemów związanych z pomiarem wymiarów i kształtów ziaren zostały osiągnięte w niniejszym wynalazku dzięki analizie w czasie rzeczywistym kształtu ziarna, poprzez różne kombinacje matematyczne wyników uzyskiwanych z poszczególnych torów pomiarowych i czasu pomiaru. Ponadto po zapamiętaniu maksymalnego wymiaru ziarna dla trzech prostopadłych kierunków możliwe jest monotoniczne uporządkowanie pomiarów i określenie rodzaju kształtu ziarna (kula, walec, dysk, prostopadłościan) oraz, według opisanego proporcjami wymiarów kształtu, wyliczyć objętość.

Przedmiotem wynalazku jest sposób pomiaru wymiarów i kształtów ziaren, zwłaszcza ziaren materiałów mineralnych, polegający na oświetlaniu promieniowaniem zbioru przemieszczających się ziaren i następnie analizie przebiegu zmian promieniowania, które przeszło przez strefę pomiarową, charakteryzujący się tym, że opadające ziarna oświetla się promieniowaniem ze źródeł światła co najmniej w dwóch torach pomiarowych, w których wiązki promieni padają z różnych kierunków i przenikają się w wyznaczonej strefie pomiarowej, zaś zmiany promieniowania, które przeszło przez strefę pomiarową, mierzy się za pomocą układów optycznych skupiających promieniowanie na oddzielnych czujnikach dla każdego kierunku.

Korzystnie, przed wprowadzeniem do strefy pomiarowej wstępnie ujednolica się ustawienie ziaren w zbiorze najdłuższymi osiami, w przybliżeniu, w jednym kierunku.

Korzystnie, zbiór ziaren oświetla się dwoma wiązkami promieni o osiach zasadniczo prostopadłych względem siebie.

Korzystnie, zbiór ziaren oświetla się trzema wiązkami promieni, przy czym osie wiązek bocznych są ukośne względem osi wiązki środkowej.

Kolejnym przedmiotem wynalazku jest urządzenie do pomiaru wymiarów i kształtów ziaren, zwłaszcza ziaren materiałów mineralnych, mający pochyłą rynnę podającą, strefę pomiarową i zespół czujników, charakteryzujące się tym, że ma co najmniej dwa optyczne tory pomiarowe, z których każdy posiada usytuowane kolejno: źródło promieniowania, układ optyczny, przestrzeń pomiarową, drugi układ optyczny i fotoelement, który jest czujnikiem, przy czym osie optyczne optycznych torów pomiarowych są usytuowane względem siebie pod kątem, zaś strefa pomiarowa stanowi strefę wspólną dla przestrzeni pomiarowych wszystkich torów pomiarowych do której ziarna są zsypywane z pochyłej rynny.

Korzystnie, urządzenie ma dwa optyczne tory pomiarowe o osiach optycznych zasadniczo prostopadłych względem siebie.

Korzystnie, urządzenie ma trzy optyczne tory pomiarowe, przy czym osie optyczne torów bocznych są ukośne względem osi optycznej toru środkowego.

Korzystnie, urządzenie jest na niezależnym wózku.

Korzystnie, rynna podająca jest zaopatrzona w wibrator.

Korzystnie, rynna podająca jest osadzona, w swej środkowej strefie, w przegubach oraz ma końcówkę o przekroju poprzecznym zbliżonym do litery V, dodatkowo zakrzywioną, w płaszczyźnie pionowej, do dołu.

Korzystnie, rynna podająca ma, przynajmniej na części swej długości, co najmniej jeden perforowany segment dna stanowiący sito, przy czym perforowane segmenty dna są ewentualnie usytuowane schodkowo względem siebie, zaś poniżej dna znajduje się zsyp przesianych ziaren.

Sposób według wynalazku pozwala na zapisanie wyników uziarnienia w trójwymiarowej matrycy o rozdzielczoś ci np. 128, co daje ponad 2 miliony kombinacji róż nych monotonicznie uporzą dkowanych kształtów.

Dysponując taką trójwymiarową matrycą można łatwo określić kształt ziaren dla różnych zakresów wielkości lub wyeliminować wpływ kształtu najmniejszych w zbiorze ziaren na jeden ogólny statystyczny współczynnik kształtu ziaren danej próby.

Urządzenie do pomiaru wymiarów i kształtów ziaren, według wynalazku, jest uwidocznione, w przykł adach wykonania, na rysunku, na którym: fig. 1 przedstawia podwójny uk ład pomiarowy razem z dozownikiem, w widoku z boku z przekrojem wzdłuż jednej osi optycznej oraz rynnę dozownika w trzech rzutach, fig. 2 - podwójny uk ł ad pomiarowy, w widoku z góry, fig. 3 - potrójny ukł ad pomiarowy razem z rynną podającą, w widokach z boku i z przodu, fig. 4 - potrójny układ pomiarowy, w widoku z góry, a fig. 5-8 przedstawiają wykresy obrazują ce wyniki pomiarów dla ziaren o róż nych kształ tach.

Jak przedstawiono na fig. 1, ziarno wsypane do lejka 1 przez drgającą rynnę 2 z końcówką 3 jest transportowane do podwójnej przestrzeni pomiarowej 4. Strefa pomiarowa 5, przedstawiona na fig. 2, jest ograniczona przez lejek 6 znajdujący się nad osiami optycznymi. Na fig. 2 są uwidocznione:

PL 204 259 B1 dwa optyczne tory pomiarowe, z których każdy posiada usytuowane kolejno: źródło promieniowania świetlnego 8, układ optyczny 9, przestrzeń pomiarową 10, drugi układ optyczny 11. i fotoelement 12, który jest czujnikiem. Tory pomiarowe są ustawione prostopadle do siebie i jednocześnie mierzą wymiary i kształty ziaren przelatujących w strefie pomiarowej 5 podwójnej przestrzeni pomiarowej 4. Tory pomiarowe są zamontowane na płycie 13 usztywnionej ramą 14. Obydwa tory pomiarowe mają na tej samej wysokości osie optyczne 7, prostopadłe do siebie.

Na fig. 3 i 4 jest przedstawiona większa gabarytowo wersja urządzenia do pomiaru wymiarów i kształtów dowolnie dużych ziaren materiałów mineralnych, przy czym na fig. 3 jest przedstawione urządzenie 15 z wlotem 16 i osią optyczną 17. Urządzenie 15 może znajdować się na niezależnym wózku 18, co ułatwia konstrukcję i obsługę, lub znajdować się na wózku 19, do którego poprzez amortyzatory 20 jest przytwierdzony wibrator 21 potrząsający rynną 22 zawieszoną na przegubach 23.

Rynna 22 ma z przodu końcówkę 24 o przekroju poprzecznym zbliżonym do litery V, dodatkowo zakrzywioną w płaszczyźnie pionowej do dołu. Zsuwająca się z rynny 22 cząstka, o dowolnym kształcie, ustawia się jednoznacznie na końcowym odcinku rynny 22, ponieważ najwęższym i najdłuższym bokiem ślizga się po wąskim dnie rynny 22, a boczne ściany rynny 22 ustawiają ziarno równolegle do jego ruchu.

Rynna 22 jest zawieszona, w środku, na przegubach 23 a z tyłu na amortyzatorze 25 z zaczepem do przemieszczania rynny 22 wokół przegubów 23. Do przemieszczania rynny 22 służy napęd 26. W dnie rynny 22 znajdują się trzy sita 27 z blachy perforowanej, usytuowane schodkowo względem siebie. Poniżej sit 27 znajduje się zsyp 28 przesianych ziaren. Mocny układ wibracyjny zapewnia przesypanie się wszystkich ziaren mniejszych przez otwory sitowe i usunięcie ich z rynny 22, a następnie wykonuje się pomiar wszystkich większych ziaren. Oddzielenie małych ziaren i zważenie ich, a następnie porównanie z wagą reszty ziaren, umożliwia wprowadzenie frakcji małych ziaren do krzywej uziarnienia.

Na fig. 4 jest uwidocznione, w widoku z góry, urządzenie 15 do pomiaru uziarnienia składające się z trzech źródeł promieniowania świetlnego 29, 30 i 31, układu optycznego 32, przedstawionego w postaci osi, formującego potrójną przestrzeń pomiarową 33, drugiego układu optycznego 34, również przedstawionego w postaci osi, rozdzielającego światło na trzy fotoelementy 35, 36 i 37.

Wszystkie elementy optyczne zamocowane są do sztywnej podwójnej ramy 38. W urządzeniu 15 znajdują się trzy niezależne przestrzenie pomiarowe, w których można jednocześnie mierzyć. Każda przestrzeń pomiarowa razem z przypisanym jej oprzyrządowaniem elektronicznym tworzy tor pomiarowy. Aby pomiar był jednoznaczny, należy wybrać taką strefę pomiarową 39, która w widoku z góry jest wspólna dla wszystkich przestrzeni pomiarowych i jest uwidoczniona jako strefa zakreskowana. Wówczas wyniki pomiaru z środkowej przestrzeni pomiarowej, posiadającej źródło promieniowania 30 i przypisany do niej fotoelement 36, można traktować jako pomiar z jednego kierunku, a sumaryczne wyniki z obydwu bocznych przestrzeni pomiarowych, posiadających analogicznie źródła promieniowania 29 i 31 oraz przypisane do nich fotoelementy 35 i 37, jako pomiar z kierunku prostopadłego. Pomiar dla kierunku prostopadłego względem środkowej przestrzeni pomiarowej jest opisany przez odpowiednią kalibrację, inną niż dla środkowej przestrzeni pomiarowej, ponieważ ziarna są zorientowane ukośnie.

W torach pomiarowych (składających się ze źródła promieniowania, układu optycznego ograniczającego strefę pomiaru i fotoelementu) na wyjściu z fotoelementu utrzymuje się napięcie stałe. Gdy przez przestrzeń pomiarową przeleci opadające ziarno, to sygnał elektryczny na wyjściu z fotoelementu będzie miał postać impulsu. W zależności od projekcji różnych kształtów na dwa lub więcej kierunków, będą to impulsy o różnym kształcie i amplitudzie, ale o jednakowej podstawie czasu dla jednego ziarna.

W urządzeniu przedstawionym na fig. 1 i fig. 2 przeprowadzono pomiary wymiarów i kształtów ziaren czterech próbek materiałów mineralnych.

Wyniki pomiarów są przedstawione na podwójnych wykresach fig. 5-8, obrazujących wyniki pomiarów z dwóch kierunków, przy czym na osi poziomej jest uwidoczniona liczba pomiarów dokonanych za pomocą przetwornika analogowo-cyfrowego, która pomnożona przez czas trwania pojedynczego pomiaru przedstawia całkowity czas zaistnienia impulsów. Na osi pionowej jest uwidoczniona amplituda impulsów wyrażona liczbowo w bitach, będąca wynikiem pomiaru dokonanego za pomocą przetwornika analogowo-cyfrowego.

Górne dwie linie przedstawiają impulsy elektryczne. Przebieg każdego impulsu może być zróżniczkowany względem czasu wyrażonego liczbowo na osi poziomej. Tak obliczona pochodna jest

PL 204 259 B1 źródłem dodatkowych informacji o kształcie ziarna. Impulsy z obydwu torów pomiarowych, tak jak ich pochodne, są nieznacznie przesunięte na wykresach, dla lepszej widoczności, i są obliczone w czasie rzeczywistym przez komputer. Dla utworzenia tych wykresów wykonano pomiary z częstotliwością 500 kHz (oś pozioma), zaś amplituda była mierzona z 16-bitową rozdzielczością każdego pomiaru (oś pionowa).

Na każdym wykresie, linia A przedstawia wyniki pomiarów z pierwszego kierunku, a linia B przedstawia wyniki pomiarów z drugiego kierunku, prostopadłego do pierwszego kierunku. Natomiast linie C i D przedstawiają pochodne względem czasu, odpowiednio dla linii A i B.

Na wykresach, wyniki pomiarów dla ziarna w postaci zbliżonej do kuli są przedstawione na fig. 5, w postaci zbliżonej do krążka podobnego do monety (dysku) na fig. 6, w postaci zbliżonej do cienkiego prostopadłościanu na fig. 7 i w postaci zbliżonej do długiego walca na fig. 8. Każdy kształt ziarna charakteryzuje odmienny przebieg wykresów pojedynczych impulsów składających się na podwójny wykres, który przedstawia wyniki pomiarów z dwóch prostopadłych kierunków. Jednakowa szerokość obydwu impulsów przedstawia wielkość trzeciego wymiaru, ponieważ czas przejścia jednego ziarna przez przestrzeń pomiarową jest taki sam dla obydwu kierunków.

Sposób według wynalazku pozwala dokonać pomiarów wymiarów i kształtów ziaren na podstawie przebiegu impulsów oraz ich pierwszych i drugich pochodnych, które określone zostały przez zróżniczkowanie impulsów.

Wartość maksymalnej amplitudy impulsów określa maksymalny wymiar ziarna dla danego kierunku, a przebieg impulsów i ich pochodnych umożliwiają ocenę kształtu ziarna.

Proporcje wymiarów i usytuowanie ekstremów pochodnych jest wskazówką, jaki zastosować algorytm obliczenia kształtu i objętości ziarna. Dla oceny kształtu stosuje się klasyfikację Zingga, według której oblicza się stosunek wymiaru średniego do maksymalnego b/a i minimalnego do średniego c/b, żeby wyznaczyć kształt. Odpowiednie kombinacje tych wartości określają kształt w postaci: kuli, walca, dysku lub prostopadłościanu, a położenie ekstremów pochodnych umożliwia doprecyzowanie powyższych kształtów przez ocenę zaokrągleń i ostrych krawędzi.

Kula ma proporcje zbliżone do jedności, a kształt równych impulsów łagodnie się zmienia. Wykresy pochodnych są ostre i symetryczne. Dysk ma bardzo zróżnicowane proporcje i impulsy, a przebieg pochodnych jest mocno zmienny. Prostopadłościan, oprócz zróżnicowanych ostrych impulsów ma prostokątne przebiegi pochodnych. Walec charakteryzuje się symetrycznym kształtem płaskich impulsów z przebiegiem pochodnych o kształcie prostokątnym.

Do wspólnej strefy dla wszystkich przestrzeni pomiarowych zsuwają się ziarna materiału mineralnego z rynny. Uwzględniając w pomiarach prędkość przelotu ziaren przez strefę pomiarową V = 72gh i mnożąc ją przez czas przelotu ziarna przez tę strefę, otrzymuje się wartość trzeciego wymiaru i komplet wyników pomiarów wymiarów ziaren w trzech prostopadłych do siebie kierunkach.

Dla wysokości h=0,1 m i przyspieszenia ziemskiego g=9,81 m/s², obliczona prędkość wynosi V=1,4 m/s. Zmierzony czas przelotu ziarna przez strefę pomiarową wyniósł t=0,02 s, a zatem wymiar ziarna wynosi L=t x V= 0,02 s x 1,4 m/s = 0,028 m.

Pozostałe dwa wymiary określa się w oparciu o wcześniejszą kalibrację układu optyczno-elektronicznego wzorcowymi ziarnami.

Claims (11)

1. Sposób pomiaru wymiarów i kształtów ziaren, zwłaszcza ziaren materiałów mineralnych, polegający na oświetlaniu promieniowaniem zbioru przemieszczających się ziaren i następnie analizie przebiegu zmian promieniowania, które przeszło przez strefę pomiarową, znamienny tym, że opadające ziarna oświetla się promieniowaniem ze źródeł światła (2, 29, 30, 31) co najmniej w dwóch torach pomiarowych, w których wiązki promieni padają z różnych kierunków i przenikają się w wyznaczonej strefie pomiarowej (4, 39), zaś zmiany promieniowania, które przeszło przez strefę pomiarową (4, 39), mierzy się za pomocą układów optycznych (11, 34) skupiających promieniowanie na oddzielnych czujnikach (12, 35, 36, 37) dla każdego kierunku.

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że przed wprowadzeniem do strefy pomiarowej wstępnie ujednolica się ustawienie ziaren w zbiorze najdłuższymi osiami, w przybliżeniu, w jednym kierunku.

PL 204 259 B1

3. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że zbiór ziaren oświetla się dwoma wiązkami promieni o osiach zasadniczo prostopadłych względem siebie.

4. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że zbiór ziaren oświetla się trzema wiązkami promieni, przy czym osie wiązek bocznych są ukośne względem osi wiązki środkowej.

5. Urządzenie do pomiaru wymiarów i kształtów ziaren, zwłaszcza ziaren materiałów mineralnych, mający pochyłą rynnę podającą, strefę pomiarową i zespół czujników, znamienne tym, że ma co najmniej dwa optyczne tory pomiarowe, z których każdy posiada usytuowane kolejno źródło promieniowania (8, 29, 30, 31), układ optyczny (9, 32), przestrzeń pomiarową (10, 33), drugi układ optyczny (11, 34) i fotoelement (12, 35, 36, 37), który jest czujnikiem, przy czym osie optyczne optycznych torów pomiarowych są usytuowane względem siebie pod kątem, zaś strefa pomiarowa (5, 39) stanowi strefę wspólną dla przestrzeni pomiarowych (10, 33) wszystkich torów pomiarowych do której ziarna są zsypywane z pochyłej rynny (3, 22).

6. Urządzenie według zastrz. 5, znamienne tym, że ma dwa optyczne tory pomiarowe o osiach optycznych (7) zasadniczo prostopadłych względem siebie.

7. Urządzenie według zastrz. 5, znamienne tym, że ma trzy optyczne tory pomiarowe, przy czym osie optyczne torów bocznych są ukośne względem osi optycznej toru środkowego.

8. Urządzenie według zastrz. 6 albo 7, znamienne tym, że jest na niezależnym wózku (18).

9. Urządzenie według zastrz. 5, znamienne tym, że rynna podająca (22) jest zaopatrzona w wibrator (21).

10. Urządzenie według zastrz. 9, znamienne tym, że rynna podająca (22) jest osadzona, w swej środkowej strefie, w przegubach (23), oraz ma końcówkę (24) o przekroju poprzecznym zbliżonym do litery V, dodatkowo zakrzywioną, w płaszczyźnie pionowej, do dołu.

11. Urządzenie według zastrz. 9 albo 10, znamienne tym, że rynna podająca (22) ma, przynajmniej na części swej długości, co najmniej jeden perforowany segment dna stanowiący sito (27), przy czym perforowane segmenty dna są ewentualnie usytuowane schodkowo względem siebie, zaś poniżej dna znajduje się zsyp (28) przesianych ziaren.