Спосіб виявлення дефектів шкіряного матеріалу

1. Спосіб виявлення дефектів шкіряного матеріалу, який полягає в тому, що шкіряний матеріал опромінюють некогерентним широкосмуговим випромінюванням з яскравою температурою, яка відрізняється від термодинамічної температури шкіряного матеріалу, на кожній елементарній ділянці поверхні матеріалу вимірюють інтенсивність випромінювання, що проходить крізь шар шкіряного матеріалу, та для кожної з елементарних ділянок поверхні автоматизовано проводять оцінку інформації з класифікацією дефектів за заздалегідь встановленою залежністю між градаціями інтенсивності прийнятого випромінювання і градаціями якості шкіряного матеріалу, а отримані дані оцінки надалі використовують для сортування і маркування одиниць шкіряного матеріалу відповідно до кількості і загальної площі виявлених дефектів, який відрізняється тим, що при діагностиці дефектів шкіряного матеріалу вибирають робочу смугу хвиль випромінювання в надвисокочастотному діапазоні радіохвиль, при цьому робочу смугу хвиль вибирають попередньо з N (N 1) таких, що перекриваються чи не перекриваються ділянок хвиль n (1 n N) у відповідності зі значенням величини максимального відхилення поглинання max( Ln ), отриманої для ряду з N зна 2 (19) 1 3 90774 4 ефектів фокусування випромінювання в приймальній антені радіометричного вимірника. 5. Спосіб за пп. 1-3, який відрізняється тим, що як випромінювання, яким опромінюють шкіряний матеріал, використовують власне радіотеплове ви промінювання розподіленого поглинаючого надвисокочастотного матеріалу плоскої форми. 6. Спосіб за пп. 1-3, який відрізняється тим, що процес діагностики здійснюють одночасно в К (К 1) піддіапазонах надвисокочастотного діапазону хвиль. Винахід відноситься до методів діагностики листових діелектричних матеріалів і призначений, у першу чергу, для оперативного автоматичного виявлення дефектів шкіряної сировини перед етапом її первинної обробки, а також у процесі обробки на наступних стадіях. Винахід може бути використано на підприємствах первинної заготівлі шкіряної сировини, на шкіряних заводах для визначення сортності сировини, придатності до обробки, а також при визначенні вільної від дефектів корисної площі конкретних зразків (облікових одиниць) шкіряних матеріалів. Об'єктивна оцінка сортності й облік корисної площі шкіряних матеріалів є актуальними проблемами в шкіряному виробництві через високу вартість сировини і матеріалів, які використовуються у процесі обробки, а також значного економічного ефекту, який може бути отриманий при раціональному використанні сировини при його переробці і розкрої. В даний час у переважній більшості випадків оцінка якості шкіряної сировини проводиться методом експертних оцінок із залученням експертівоцінювачів, які візуально оглядають одиниці сировини, визначають наявність дефектів, їхню природу і ступінь можливого впливу на якість готової продукції, роблять присвоєння класу (сортності). Подібні роботи трудомісткі і коштовні, оцінки можуть носити суб'єктивний характер, що може приводити як до завищення, так до заниження сортності сировини. Існують технічні рішення, які спрямовані на автоматизацію процесів діагностики шкіряної сировини. Відомий спосіб (див. Patent № W02005/069220 A3, G01N33/44, G06T7/00, Method for detecting defects of leather, Pat. pub. date 28.07.2005), при якому за допомогою системи візуалізації оптичного діапазону, наприклад, за допомогою відеокамери формується зображення поточної ділянки шкіряної сировини у відбитому світлі при прямуванні облікових одиниць сировини відносно системи формування зображень і проводиться оперативна обробка отриманих зображень з метою порівняння яскравості відбитого світла для різних ділянок поверхні шкіри, у результаті чого система цифрової обробки виробляє оцінку про кондиційний чи не кондиційний стан окремих ділянок шкіряної сировини і формує вторинне зображення, на якому "ділянки з некондиційним станом маркуються спеціальним образом. Позитивними відзнаками способу є висока просторова розрізнювальна здатність зображень і невисока вартість системи діагностики, висока продуктивність. До недоліків способу варто віднести склад ність його застосування на початкових етапах діагностики, коли зі шкіряної сировини ще не вилучений волосяний покрив, через велику імовірність недостовірних оцінок, а також неможливість одержувати дані про глибинні дефекти досліджуваного матеріалу. Відомий також спосіб діагностики якості шкіряних матеріалів (прототип), а також відповідний пристрій для класифікації дефектів у дубленій шкірі (див. Patent № 4216469 (DE), G01N21/88, Einrichtung zum Klassifizieren von Fehlemin Hauten, Pat. pub. date 25.11.1993), який ґрунтується на використанні характеристик довгохвильового інфрачервоного випромінювання, як відбитого, так і прохідного крізь шар шкіряного матеріалу, з метою визначення дефектів шкіряного матеріалу на основі оперативно одержуваних даних про зміну інтенсивності інфрачервоного випромінювання відбитого/прохідного через шар матеріалу. Позитивною відзнакою способу є його відносна простота і невисока вартість, оскільки в якості детекторів можуть бути використані широко розповсюджені приймальні матриці оптичного діапазону хвиль з додатковими вхідними смугастопроникними фільтрами, які забезпечують прийом випромінювання в інфрачервоному діапазоні хвиль, а в якості джерела випромінювання для «підсвічування» чи «просвічування» можуть бути використані звичайні кварцові лампи для обігріву приміщень, які мають максимум спектру випромінювання в довгохвильовій частині інфрачервоного діапазону хвиль. Однак цей спосіб діагностики шкір і пристрою для класифікації якості дублених шкір має і недоліки. Перший з них полягає в тому, що методом «просвічування» можуть проходити діагностику тільки порівняно тонкі шкіряні матеріали, тобто такі, які вже пройшли цикл первинної переробки. У випадку діагностики первинної шкіряної сировини, а саме сиросолоних шкір великої рогатої худоби, товщина яких досягає п'яти і більше міліметрів, інфрачервоне випромінювання не здатне забезпечити достовірні результати при діагностиці «на прохід» через дуже велике поглинання випромінювання в матеріалі і малій частці сигналу, що досягає прийомних детекторів. Таким чином, неможливість виявлення дефектів на первинній стадії переробки сировини знижує ефективність методу. Аналогічні обмеження виникають при використанні методу і для відбитих сигналів, прийнятих при падінні випромінювання на «верхню» поверхню шкіряної сировини, звернену до прийомних детекторів. Основними елементами, що характеризують неоднорідності і дефекти шкіри в цьому випадку, є 5 ділянки «тіні», які виникають за рахунок різного роду опуклостей на поверхні гладкого матеріалу. Для стадії первинної переробки, де діагностиці піддаються шкіри великої рогатої худоби з волосяним покривом і залишками міздрі, цей метод не в змозі забезпечити високу вірогідність діагностики. Таким чином, виявлення дефектів для цього методу можливо тільки на стадії вторинної обробки, що знижує його ефективність через високі витрати на первинну переробку сировини у випадку її недостатньо високої якості. Як альтернативний варіант у винаході пропонується використовувати в якості зондувального сигналу радіотеплове випромінювання в мікрохвильовому діапазоні хвиль. Для біологічних матеріалів, до яких відноситься шкіряна сировина, характерна суттєва залежність рівня питомого поглинання радіохвиль в матеріалі від довжини радіохвилі. Радіотеплове випромінювання з рівнем інтенсивності, що відрізняється від власного випромінювання досліджуваного зразка, проходячи через його об'єм, випробує ослаблення, величина якого визначається товщиною і характеристиками матеріалу. При проходженні радіотеплового випромінювання через поглинаючий шар сумарні втрати випромінювання, пов'язані з ефектами поглинання у середині шару і відбиттям від границь серед з різною діелектричною проникністю, можуть бути визначені на основі зміни радіояскравої температури випромінювання (див., наприклад, Shilo S.A., Levda A.S. Detecting defects of leather material on the base of radio-metric method in mm-wave band // Proceedings of the Sixth International Kharkov Symposium "Physics and Engineering of Millimeter and Sub-Millimeter Waves" (MSMW07), Kharkov, June 25-29, 2007. V. 2, - P. 899-900). Температура випромінювання, яка вимірюється радіометричною системою в різних точках поверхні матеріалу, несе інформацію як про товщину матеріалу, так і про варіації коефіцієнта поглинання на наявних неоднорідностях. При цьому дефекти шкіри пов'язані з наявністю механічних ушкоджень (порізи і стоншення), або локальними змінами щільності (фляки, внутрішні дефекти) виявляються як зміни інтенсивності сигналу прийнятого радіометричним вимірювачем. Середній рівень сигналу характеризує узагальнену величину, пов'язану з товщиною і вологістю зразка. Таким чином, при одержанні просторового розподілу інтенсивності мікрохвильового радіотеплового випромінювання вздовж поверхні досліджуваного зразка можна за величиною обмірюваного радіосигналу якісно і кількісно оцінити деякі важливі інформативні параметри. Наприклад, на фіг. 1 приведені залежності повного і погонного ослаблення радіотеплового випромінювання в шарі зразка від його товщини в діапазонах радіохвиль 0,8см (а, б) і 3см (в, г) отримані за результатами лабораторних вимірів (див. Shilo S.A., Levda A.S. Detecting defects of leather material on the base of radiometric method in mm-wave band // Proceedings of the Sixth International Kharkov Symposium "Physics and Engineering of Millimeter and SubMillimeter Waves" (MSMW07), Kharkov, June 25-29, 90774 6 2007. V. 2, - P. 899-900). У діапазоні довжин хвиль випромінювання 0,8 см обмірювані значення коефіцієнта ослаблення склали величину 7 10 дБ при зростанні значень з ростом товщини зразка, при цьому спостерігаються виражені контрасти між ділянками що відповідають "кондиційним" і "некондиційним" зонам зразків при однозначній інтерпретації результатів вимірів. В якості випробуваних зразків були використані фрагменти шкір великої рогатої худоби, які одержані у ході стандартної первинної переробки, мали різну товщину і містили типові поверхневі дефекти у вигляді фляків. В основу винаходу поставлено задачу удосконалити спосіб виявлення дефектів шкіряного матеріалу шляхом переходу від аналізу характеристик інфрачервоного випромінювання, яке пройшло крізь шар шкіряного матеріалу, до аналізу характеристик радіотеплового випромінювання у надвисокочастотному діапазоні радіохвиль, яке пройшло крізь шар шкіряного матеріалу, що дозволить збільшити граничну товщину матеріалу і підвищить вірогідність виявлення його дефектів на первинних стадіях переробки. Поставлена задача вирішується тим, що в способі виявлення дефектів шкіряного матеріалу, який полягає в тім, що шкіряний матеріал опромінюють некогерентним і широкосмуговим випромінюванням з яскравою температурою, яка відрізняється від термодинамічної температури шкіряного матеріалу, на кожній елементарній ділянці поверхні матеріалу вимірюють інтенсивність випромінювання, яке пройшло крізь шар шкіряного матеріалу, та для кожної з елементарних ділянок поверхні автоматизовано проводять оцінку інформації з класифікацією дефектів за заздалегідь встановленою залежністю між градаціями інтенсивності прийнятого випромінювання і градаціями якості шкіряної сировини, а отримані оцінки надалі використовують для сортування і маркування одиниць шкіряного матеріалу відповідно до кількості і загальної площі виявлених дефектів, згідно з винаходом діагностику дефектів проводять за рахунок вибору робочої смуги хвиль випромінювання в надвисокочастотному діапазоні радіохвиль, при цьому смугу робочих хвиль вибирають попередньо з N (N 1) таких що перекриваються, чи не перекриваються ділянок хвиль n (1 n N) у відповідності зі значенням величини max( Ln ), отриманої для ряду з N значень L n (L c, n L d, n ) ,кожне з яких є різницею між статистичне усередненою величиною поглинання випромінювання в шарі кондиційного шкіряного матеріалу Lc, n для ділянки n смуги хвиль і статистичне усередненою величиною поглинання випромінювання в шарі дефектного шкіряного матеріалу L d для ділянки n смуги хвиль, при цьому значення L c, n , L d, n визначають на підставі набору даних, отриманих для типових зразків шкіряного матеріалу, підлягаючих діагностиці, а в процесі діагностики дефектні ділянки виявляють за зниженням 7 втрат випромінювання щодо значення, характерного для типового зразка кондиційного шкіряного матеріалу. Така модифікація способу виявлення дефектів шкіряного матеріалу дозволяє збільшити граничну товщину шкіряного матеріалу, який підлягає діагностиці, і підвищити вірогідність виявлення дефектів на первинних стадіях його переробки за рахунок виконання наступних умов: 1. Існування в надвисокочастотному діапазоні радіохвиль вираженої залежності між величиною загасання (втратами) радіотеплового випромінювання, яке проходить крізь шар шкіряного матеріалу, та варіаціями діелектричних характеристик шкіряного матеріалу, пов'язаними з наявністю локальних неоднорідностей і обумовленими його внутрішніми дефектами, у першу чергу, наявністю фляків, великих подряпин, що утворилися при житті тварини, або розривами і стоншеннями матеріалу, що виникли на стадії первинної обробки. При цьому в діапазоні змін товщини шкіряної сировини, що надходить на стадії первинної переробки, при оптимальному виборі смуги довжин хвиль випромінювання n забезпечується можливість однозначного виявлення і локальної прив'язки характерних видів дефектів матеріалу відповідно до обмірюваної величини загасання радіотеплового випромінювання. 2. За рахунок вибору параметрів радіометричного вимірювача за просторовою розрізняльною здатністю і чутливістю дефекти шкіряного матеріалу можуть бути виявлені з необхідною для процесу класифікації просторовою деталізацією. Необхідні для цього розміри елементарної ділянки просторового розрізнення вимірювача можуть бути отримані відомими способами або за рахунок використання ефектів фокусування в прийомній антені надвисокочастотного діапазону хвиль, або за рахунок вибору малих розмірів вхідної апертури антени вимірювача при її розміщенні в безпосередній близькості від границі шару шкіряного матеріалу. 3. За рахунок можливості забезпечення в надвисокочастотному діапазоні радіохвиль просторово однорідних й ізотропних характеристик опромінюючого випромінювання за лінійними та кутовими координатами. При цьому ^ досяжною величина просторових варіацій опромінюючого випромінювання, яка істотно менша варіацій, пов'язаних з неоднорідністю характеристик шкіряного матеріалу, що забезпечує високу чутливість методу. До числа позитивних ознак, що виділяють метод радіометричної діагностики в надвисокочастотному діапазоні радіохвиль на фоні інших, можна також віднести порівняльну простоту реалізації радіометричних вимірювачів, високу проникаючу здатність, що на відміну від оптичних і інфрачервоних методів дозволяє проводити виміри «на просвіт», відсутність характерних для активних надвисокочастотних систем негативних факторів, пов'язаних з інтерференційними коливаннями сигналу при зміні відстані і кута спостереження, можливість роботи при гранично малих відстанях до вимірюваних об'єктів, високу чутливість при вико 90774 8 ристанні природного радіотеплового випромінювання, що дозволяє проводити виміри без залучення додаткових джерел електромагнітного випромінювання, які можуть чинити негативний вплив на обслуговуючий персонал. Для пояснення винаходу нижче наводиться конкретний приклад його реалізації з посиланням на прикладені експериментальні залежності повного і погонного ослаблення радіотеплового випромінювання в шарі шкіряної сировини від її товщини в під діапазонах довжин радіохвиль 0,8см (а, б) і 3см (в, г); переривчаста лінія - кондиційні ділянки (а, в); безупинна лінія - некондиційні ділянки (б, г). Спосіб виявлення дефектів шкіряного матеріалу реалізується в такий спосіб. В часі циклічно повторюється послідовність дій, яка складається в тому, що шкіряний матеріал опромінюють некогерентним широкосмуговим випромінюванням з яскравою температурою, яка відрізняється від термодинамічної температури шкіряного матеріалу, на кожній елементарній ділянці поверхні матеріалу вимірюють інтенсивність випромінювання, яке пройшло крізь шар шкіряного матеріалу, та для кожної з елементарних ділянок поверхні автоматично проводять оцінку інформації з класифікацією дефектів за заздалегідь встановленою залежністю між градаціями інтенсивності прийнятого випромінювання і градаціями якості шкіряної сировини, а отримані оцінки надалі використовують для сортування і маркування одиниць шкіряного матеріалу відповідно до кількості і загальної площі виявлених дефектів, при цьому смугу робочих хвиль опромінюючого випромінювання вибирають в надвисокочастотному діапазоні хвиль попередньо з N (N 1) таких що перекриваються, чи не перекриваються ділянок n (1 n N) відповідно до максимального значення величини max( Ln ), отриманої для ряду з N значень L n (L c, n L d, n ) , кожне з яких є різницею між статистичне усередненою величиною поглинання випромінювання в шарі кондиційного шкіряного матеріалу Lc, n для ділянки n смуги хвиль і статистичне усередненою величиною поглинання випромінювання в шарі дефектного шкіряного ма теріалу Ld, n для ділянки n смуги хвиль, при цьому значення Lc, n, Ld, n визначають на підставі набору даних, отриманих для типових зразків шкіряного матеріалу, підлягаючих діагностиці, а в процесі діагностики дефектні ділянки виявляють за зниженням втрат випромінювання щодо значення, характерного для типового зразка кондиційного шкіряного матеріалу. Проведення діагностики для кожної елементарної ділянки площі шкіряного матеріалу з поперечними розмірами x, y здійснюють, наприклад, за рахунок процедури обчислення значення втрат Tя To L 1 ( деТ я , Т я, і , і Т о випромінювання Tя, і Т о відповідно виміряна радіояскрава температура 9 випромінювання, що пройшло шар матеріалу, радіояскрава температура опромінюючого випромінювання і термодинамічна температура шкіряного матеріалу), і наступного аналізу отриманої відмінності значення втрат від значення, характерного для типового зразка кондиційного шкіряногоматеріалу L n (L c, n L) . Якщо отримане значення втрат L менше типового значення Lc, n , а величина L перевищує встановлений поріг, то приймають рішення про присвоєння елементарній ділянці площі статусу дефектного матеріалу. Для підвищення вірогідності діагностики в діапазоні товщини шкіряного матеріалу і наявного набору характерних дефектів зазначений спосіб може застосовуватися одночасно в К (К 1) піддіапазонах хвиль у надвисокочастотному діапазоні хвиль, які вибирають у випадку наявності К різних значень величини max( Ln ), одержуваних при різній товщині шкіряного матеріалу, або для К різних видів дефектів. Зазначена послідовність дій дозволяє зробити діагностику дефектів шкіряного матеріалу для будь-якої елементарної ділянки його площі, обумовленої поперечними розмірами x, y , тобто просторового елемента розрізнення вимірника випромінювання в обраному піддіапазоні n надвисокочастотного діапазону хвиль за координатними осями Х и Y. Перегляд усієї площі шкіряного матеріалу може здійснюватися одним з відомих способів формування зображень у НВЧ-радіометричних системах радіобачення, а саме за рахунок застосування принципів послідовного, рівнобіжно-послідовного, чи рівнобіжного огляду простору. При цьому під координатами X и Y можуть розумітися, відповідно, подовжня і поперечна координати шкіряного матеріалу. У випадку перегляду одиниць шкіряного матеріалу в їх нерухомому (статичному) стані, випромінювання, яким опромінюють шкіряний матеріал у надвисокочастотному діапазоні радіохвиль, забезпечують завдяки власного радіотеплового випромінювання розподіленого поглинаючого надвисокочастотного матеріалу плоскої форми, розміри якого дорівнюють, або перевищують максимальні розміри одиниці шкіряного матеріалу, а одиничні зразки матеріалу в процесі діагностики по черзі укладаються на зазначену плоску поверхню на час проведення діагностики. При цьому перегляд за координатою Х може забезпечуватися, наприклад, за рахунок зворотно-поступального руху (сканування) М-променевої (М 1) діаграми спрямованості вимірника уздовж координати X, а формовані М променів розміщаються в поперечному напрямку уздовж просторової координати Y. У цьому випадку в якості вимірника випромінювання може бути використана відома багатопроменева система радіобачення (див. Патент (UA) № 71006, G01S13/89, НВЧ-радіометрична система радіобачення з фіксованим полем спостереження. Дата публ. 15.11.04, Бюл. № 11), яка має повний набір 90774 10 необхідних функцій, необхідний склад елементів і відповідну структуру внутрішніх зв'язків. У випадку перегляду одиниць шкіряного матеріалу за рахунок їхнього руху, наприклад, за рахунок рівномірної механічної подачі за допомогою транспортера, випромінювання, яким опромінюють шкіряний матеріал у надвисокочастотному діапазоні радіохвиль, забезпечують завдяки радіотеплового випромінювання джерела випромінювання переважно лінійної конфігурації, а координати Х та Y можуть відповідати напрямку механічної подачі шкіряного матеріалу та подовжній осі джерела випромінювання. При цьому перегляд шкіряного матеріалу за координатою Y може забезпечуватися: 1) за рахунок зворотно-поступального руху (сканування) однопроменевої діаграми спрямованості вимірника випромінювання уздовж координати Y. 2) за рахунок зворотно-поступального руху (сканування) М-променевої (М 1) діаграми спрямованості вимірника випромінювання уздовж координати Y, при цьому сформовані М променів розміщуються уздовж просторової координати, що збігає з напрямком руху шкіряного матеріалу (тобто уздовж координати X). 3) одночасно М вимірниками випромінювання надвисокочастотного діапазону хвиль, розміщеними уздовж джерела випромінювання лінійної конфігурації за координатою Y, при цьому M Y/ y , де Y є максимальним розміром одиниці шкіряного матеріалу за координатою Y. У перших двох випадках в якості вимірника випромінювання може бути використаний відомий багатопроменевий скануючий НВЧ-радіометр (див. Патент (UA) № 56347, G01S13/95, Багатопроменевий скануючий НВЧ-радіометр. Дата публ. 15.05.03, Бюл. № 5), який має повний набір необхідних функцій, необхідний склад елементів і відповідну структуру внутрішніх зв'язків. Необхідні розміри елементарних ділянок , y на поверхні шкіряного матеріалу, сформоx ваних радіометричними вимірниками, забезпечують, наприклад, за рахунок ефектів фокусування випромінювання в прийомній антені радіометричного вимірника. В якості способу формування ізотропного за поверхнею некогерентного широкосмугового випромінювання у надвисокочастотному діапазоні хвиль, у випадках його виконання у вигляді випромінюючої поверхні або лінійного випромінювача, може бути використаний відомий метод, що полягає в рівномірному за поверхнею нагріванні розподіленого поглинаючого надвисокочастотного матеріалу (наприклад, шару фероепоксиду) за допомогою електричного нагрівача. В якості способу формування ізотропного надвисокочастотного випромінювання для джерела випромінювання у вигляді лінійного випромінювача також може бути використаний відомий метод, що полягає у використанні лінійної люмінесцентної лампи денного світла. Таким чином, в якості основної методики діагностики розглядається варіант просторової селек 11 90774 ції і виміру рівнів радіотеплового випромінювання, яке пройшло шар поглинаючого шкіряного матеріалу (методика виміру "на прохід") з наступним формуванням радіотеплових зображень досліджуваного матеріалу. При цьому додатково створюється потік просторово однорідного радіотеплового випромінювання з температурою випромінювання, відмінною від термодинамічної температури шкіряного матеріалу, яке направляється убік вимірювача випромінювання (антени радіометричної системи) крізь шар цього матеріалу. У результаті утворюється радіометричне зображення одиниці сировини шкіряного матеріалу в цифровому вигляді. Для нього при автоматичній цифровій обро Комп’ютерна верстка Д. Шеверун 12 бці даних проводять операції окантування, виявляють і наносять контури ділянок, для яких локальне відхилення втрат випромінювання на ділянці відрізняється від заданого середнього рівня більш ніж на задану величину, значення якої встановлюють на основі попередньо проведених експертних оцінок. Довжина хвилі прийнятого випромінювання (піддіапазон) і рівень сигналу опромінювання вибирають на етапі відпрацьовування способу, виходячи з одержання вірогідно реєструємих відмінностей між кондиційними ділянками сировини і дефектними ділянками для типового набору дефектів і типового діапазону зміни товщини матеріалу. Підписне Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601