Спосіб визначення якості суміші гранульованих матеріалів, що розрізняються за кольором

Реферат: Спосіб визначення якості суміші гранульованих матеріалів, що розрізняються за кольором включає отримання цифрового зображення суміші, визначення концентрації ключового компонента на основі аналізу зображень і розрахунок коефіцієнта неоднорідності суміші. Отримання цифрового зображення суміші здійснюють безпосередньо в процесі змішування компонентів суміші з наступним перетворенням зображення в бінарне методом порогового розділення. Визначення концентрації ключового компонента здійснюють шляхом отримання просторових (X, Y) координат точок, що відповідають центроїду множини точок, віднесених до окремих частинок ключового компонента. Після перетворення зображення в бінарне виконують його сегментацію для розділення частинок ключового компонента суміші, що мають спільну границю. Проводять розбиття сукупності отриманих двовимірних точок методом категоризації на певне число кластерів, підраховують кількість точок в окремих кластерах. Розрахунок коефіцієнта неоднорідності суміші здійснюють шляхом поділу значення середньоквадратичного відхилення кількості точок в окремих кластерах від їх середнього значення до середнього значення кількості точок. UA 115732 U (54) СПОСІБ ВИЗНАЧЕННЯ ЯКОСТІ СУМІШІ ГРАНУЛЬОВАНИХ МАТЕРІАЛІВ, ЩО РОЗРІЗНЯЮТЬСЯ ЗА КОЛЬОРОМ UA 115732 U UA 115732 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до галузі переробки сипучих та гранульованих полімерних матеріалів, а саме до способів визначення якості суміші гранульованих матеріалів, що розрізняються за кольором, і може бути використана в різних галузях промисловості: хімічній, фармацевтичній, будівельній та ряду інших для оптимізації часу змішування в технологічному процесі одержання композицій. Відомий оптичний спосіб визначення якості суміші компонентів [Макаров Ю.И. Аппараты для смешения сыпучих материалов. - М.: Машиностроение, 1973. - 216 с.], що включає відбір проб, обчислення концентрацій ключового компонента в пробах на основі порівняльного аналізу їх здатності поглинати, відбивати або заломлювати світло і розрахунок коефіцієнта неоднорідності суміші по коливаннях цих концентрацій щодо середньої концентрації. Необхідність відбору і обробки великого числа проб, а також побудови залежностей концентрації ключового компонента від параметра, що характеризує оптичні властивості проби (калібрувальних кривих) для подальшого зіставлення з ними кожної проби, призводить до того, що спосіб є трудомістким. Відомий спосіб [патент RU 2343457, G01 N21/85, 2007 р.] визначення якості суміші сипучих матеріалів, що включає відбір проб із змішувального апарата, пресування таблеток, отримання цифрового зображення таблеток, визначення концентрації ключового компонента і неоднорідності суміші, при цьому попередньо готують тарувальні таблетки з відомою концентрацією ключового компонента, по цифрових зображеннях яких отримують тарувальну залежність концентрації ключового компонента від яскравості, далі цифрове зображення аналізованих таблеток розбивають на комірки рівної площі і визначають яскравість кожної комірки, розраховують середнє арифметичне значення яскравості у всіх осередках і по тарувальній залежності визначають концентрацію ключового компонента в таблетці. Потреба в операціях таблетування, побудови тарувальних кривих, ускладнює процес визначення якості суміші при його невисокій точності. Відомий також спосіб [патент RU 2385454, G01N1/3, 2008 р.] визначення якості суміші компонентів, що розрізняються за кольором, що включає отримання цифрового зображення суміші, визначення концентрації ключового компонента на основі аналізу зображень і розрахунок коефіцієнта неоднорідності суміші. У відомому способі аналізують зображення поверхні суміші, перпендикулярній осі, вздовж якої суміш однорідна, при цьому зображення ділять на пробні зони і обчислюють концентрації ключового компонента як частки площ, займаних цим компонентом на поверхнях пробних зон, а коефіцієнт неоднорідності коректують з урахуванням випадкових коливань числа частинок ключового компонента на поверхні спостереження. Необхідність складних обчислень великого числа даних, непрямий метод визначення розподілу частинок ключового компонента, що ускладнює інтерпретацію отриманих результатів, призводять до низької швидкодії способу. В основу заявленої корисної моделі поставлена задача створення такого способу визначення якості суміші гранульованих матеріалів, що розрізняються за кольором, при якому зміною умов виконання операцій забезпечувалося б зниження трудомісткості, підвищення швидкості і точності визначення якості суміші. Поставлена задача вирішується тим, що у способі визначення якості суміші гранульованих матеріалів, що розрізняються за кольором, що включає отримання цифрового зображення суміші, визначення концентрації ключового компонента на основі аналізу зображень і розрахунок коефіцієнта неоднорідності суміші, згідно з корисною моделлю, отримання цифрового зображення суміші здійснюють безпосередньо в процесі змішування компонентів суміші з наступним перетворенням зображення в бінарне методом порогового розділення, визначення концентрації ключового компонента здійснюють шляхом отримання просторових (X, Y) координат точок, що відповідають центроїду множини точок, віднесених до окремих частинок ключового компонента, при цьому після перетворення зображення в бінарне виконують його сегментацію для розділення частинок ключового компонента суміші, що мають спільну границю, проводять розбиття сукупності отриманих двовимірних точок методом категоризації на певне число кластерів, підраховують кількість точок в окремих кластерах, а розрахунок коефіцієнта неоднорідності суміші здійснюють шляхом поділу значення середньоквадратичного відхилення кількості точок в окремих кластерах від їх середнього значення до середнього значення кількості точок. Використання цифрового зображення суміші, отриманого безпосередньо в процесі змішування компонентів, автоматизованих комп'ютерних методів, та обмеження кількості даних, що аналізуються, дозволяє отримувати пряму інформацію про просторове розташування 1 UA 115732 U 5 10 15 20 частинок ключового компонента суміші, що забезпечує зниження трудомісткості, підвищення швидкості і точності визначення її якості. Порядок реалізації способу. Отримання цифрового зображення суміші шляхом фотографування або сканування прозорої стінки змішувача безпосередньо в процесі змішування компонентів. Виділення елементів зображення, що належать до частинок ключового компонента суміші. Проводиться шляхом порівняння інтенсивності кольору в кожному пікселі зображення з заданим діапазоном значень цього показника. Виконується за допомогою програми аналізу зображень ImageJ, команди Image → Adjust → Threshold. Результатом операції є створення бінарного зображення, на якому пікселі зі значенням біта 1 відповідають ключовому компоненту суміші, а пікселі зі значенням біта 0 - елементам фону. Сегментація бінарного зображення методом "водорозділу" з метою розділення частинок ключового компонента суміші, що мають спільну границю. Виконується за допомогою програми аналізу зображень ImageJ, команди Process → Binary → Watershed. Одержання просторових (X, Y) координат точок, що відповідають центроїду множини точок, віднесених до окремих частинок ключового компонента. Виконується за допомогою програми аналізу зображень ImageJ, команди Analyze → Analyze Particles, з активованою опцією Set Measurements → Centroid. Розбиття сукупності отриманих двовимірних точок методом категоризації на певне число кластерів, та підраховування кількості точок в окремих кластерах. Виконується за допомогою програми Statistica, команди Graphs →Categorized Graphs → Scatterplots. Розрахунок коефіцієнта неоднорідності (Кп) суміші за формулою: Kп=S/Pcp*100 %; 25 30 35 40 45 50 55 60 де S - стандартне (середньоквадратичне) відхилення кількості точок в окремих кластерах від їх середнього значення; Рср - середнє значення кількості точок в кластері. На фіг. 1 представлено схему реалізації способу, на фіг. 2 цифрові зображення розподілу частинок сумішей ПП2/ППc 80/20 мас. % на окремих стадіях процесу змішування, на фіг. 3 залежність коефіцієнта неоднорідності розподілу гранул ключового компоненту від числа обертів змішувача для системи ПП2/ППс, 80/20 мас. %. Схема реалізації способу включає 1 - вихідне цифрове зображення стану суміші; 2 - бінарне зображення після порогового розділення; 3 - одержання координат точок, що відповідають центроїду окремих частинок ключового компонента; 4 - побудова та категоризація діаграми розсіювання; 5 - одержання кількості точок в окремих кластерах; 6 - обчислення коефіцієнта неоднорідності. Цифрові зображення розподілу частинок сумішей ПП2/ППс 80/20 мас. % мають позначення знизу: 00 - початковий стан суміші після завантаження компонентів, 01-18 - стан суміші при відповідному числі обертів змішувача. Для пояснення суті способу на фіг. 1 наведена схема його реалізації, що характеризує виконання окремих кроків для заявленої корисної моделі. В методі використовуються тільки координати центрів частинок ключового компонента, що суттєво зменшує кількість даних, що аналізуються, як наслідок відбувається підвищення швидкості їх обробки, та підвищується точність визначення просторового розташування частинок. Очевидним є зниження трудомісткості, підвищення швидкості і точності визначення якості суміші гранульованих матеріалів, що розрізняються за кольором порівняно з іншими способами. Приклад 1. Як вихідні об'єкти досліджень використовували суміш гранульованих полімерів, а саме нефарбований поліпропілен (ПП2) (як основний компонент) і сажонаповнений поліпропілен (ППc) (як ключовий компонент) у співвідношенні 80/20 мас. %. Змішування гранульованих полімерів здійснювалося в змішувачі з прямокутними стінками. Одна з стінок робочої ємності змішувача була виконана з оптично прозорого матеріалу, що дозволяло фіксувати цифрові зображення розподілу компонентів безпосередньо в процесі змішування. Об'єм робочої ємності 3 - 1800 см . Змішування відбувалося за рахунок обертання робочої ємності уздовж її найбільшої діагоналі. Час одного оберту складав 3 секунди. Коефіцієнт заповнення змішувача складав 0,2. Цифрові зображення розподілу частинок в суміші ПП2/ППс 80/20 мас. %. наведено на фіг. 2. Для визначення однорідності розподілу гранул ключового компонента безпосередньо в процесі змішування, використовували запропонований метод. Залежність коефіцієнта 2 UA 115732 U 5 неоднорідності суміші від числа обертів змішувача наведена на фіг. 3. Як видно, ця залежність має виражений нелінійний характер. Вже на початку змішування відбувається різке зниження коефіцієнта неоднорідності досліджених сумішей. При подальшому збільшенні числа обертів змішувача, темп зниження Кп уповільнюється й з деякого моменту (приблизно 15-20 обертів змішувача) зміна коефіцієнта несуттєва. Це свідчить, що для даних компонентів суміші, в прийнятих умовах змішування досягається певний рівень однорідності розподілу гранул, який в подальшому суттєво не змінюється. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 10 15 20 Спосіб визначення якості суміші гранульованих матеріалів, що розрізняються за кольором, що включає отримання цифрового зображення суміші, визначення концентрації ключового компонента на основі аналізу зображень і розрахунок коефіцієнта неоднорідності суміші, який відрізняється тим, що отримання цифрового зображення суміші здійснюють безпосередньо в процесі змішування компонентів суміші з наступним перетворенням зображення в бінарне методом порогового розділення, визначення концентрації ключового компонента здійснюють шляхом отримання просторових (X, Y) координат точок, що відповідають центроїду множини точок, віднесених до окремих частинок ключового компонента, при цьому після перетворення зображення в бінарне виконують його сегментацію для розділення частинок ключового компонента суміші, що мають спільну границю, проводять розбиття сукупності отриманих двовимірних точок методом категоризації на певне число кластерів, підраховують кількість точок в окремих кластерах, а розрахунок коефіцієнта неоднорідності суміші здійснюють шляхом поділу значення середньоквадратичного відхилення кількості точок в окремих кластерах від їх середнього значення до середнього значення кількості точок. 3 UA 115732 U 4 UA 115732 U Комп’ютерна верстка Т. Вахричева Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП "Український інститут інтелектуальної власності", вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5