Спосіб оцінки якості суміші оптично контрастних сипучих матеріалів

Реферат: Спосіб оцінки якості суміші оптично контрастних сипучих матеріалів включає отримання цифрового зображення суміші, визначення концентрації ключового компонента на основі аналізу зображень і розрахунок коефіцієнта якості 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 програмного розбиття бінарного зображення на кластери, площа яких мінімум у 4 рази менше загальної площі зображення з одночасним підрахунком долі пікселів у кожному кластері, що належить до ключового компонента. UA 116815 U (54) СПОСІБ ОЦІНКИ ЯКОСТІ СУМІШІ ОПТИЧНО КОНТРАСТНИХ СИПУЧИХ МАТЕРІАЛІВ UA 116815 U UA 116815 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 оцінки якості суміші оптично контрастних сипучих матеріалів, 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 сипучих матеріалів [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, G01N 21/85, 2007р] 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, G01N 1/3, 2008р] оцінки якості суміші оптично контрастних сипучих матеріалів, що включає отримання цифрового зображення суміші, визначення концентрації ключового компонента на основі аналізу зображень і розрахунок коефіцієнта якості суміші. У відомому способі аналізують зображення поверхні суміші, перпендикулярній осі, вздовж якої суміш однорідна, а визначають коефіцієнт неоднорідності суміші з урахуванням випадкових коливань числа частинок ключового компонента на поверхні спостереження. Необхідність складних обчислень великого числа даних, непрямий метод визначення розподілу ключового компонента, що ускладнює інтерпретацію отриманих результатів, призводять до низької швидкодії способу. В основу корисної моделі поставлена задача створення такого способу оцінки якості суміші оптично контрастних сипучих матеріалів, при якому зміною умов виконання операцій забезпечувалося б зниження трудомісткості, підвищення швидкості і точності визначення якості суміші. Поставлена задача вирішується тим, що у способі оцінки якості суміші оптично контрастних сипучих матеріалів, що включає отримання цифрового зображення суміші, визначення концентрації ключового компонента на основі аналізу зображень і розрахунок коефіцієнта якості 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 програмного розбиття бінарного зображення на кластери, площа яких мінімум у 4 рази менше загальної площі зображення з одночасним підрахунком частки пікселів у кожному кластері, що належать до ключового компонента. При цьому оцінюють якість суміші по іі неоднорідності, а розрахунок коефіцієнта якості суміші виконують за формулою: Kn  S / p * 100 %, де S - середньоквадратичне відхилення часток пікселів в окремих кластерах зображення суміші від їх середнього значення; p - середнє значення частки пікселів, що належать до ключового компонента на зображенні суміші в цілому. Крім того, оцінюють якість суміші по її однорідності, а розрахунок коефіцієнта якості суміші виконують за формулою: K o  p 2  n / D, 1 UA 116815 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 де p - середнє значення частки пікселів, що належать до ключового компонента на зображенні суміші в цілому; n - число кластерів на зображенні; D - дисперсія частки пікселів в кластерах зображення. Використання цифрового зображення суміші, отриманого безпосередньо в процесі змішування компонентів, дозволяє уникнути похибок, пов'язаних з відбором проб та прискорити процес аналізу. Крім того, використання спеціального програмного забезпечення дозволяє спростити процес одержання кількісних характеристик розподілу ключового компонента суміші на її окремих ділянках, що забезпечує зниження трудомісткості та підвищення точності оцінки 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 ключового компонента суміші, 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. Одержання значень частки пікселів, що належать до ключового компонента суміші в окремих кластерах бінарного зображення. Для цього використовується спеціально розроблена комп'ютерна програма, в яку завантажують попередньо підготовлене бінарне зображення суміші (кнопка "Load Image"), вибирають число кластерів, на яке розбивається зображення (кнопки "Rows", "Columns"), підраховують частку пікселів в кожному кластері, що відносяться до ключового компонента суміші (кнопка "Calculate"), зберігають результати у вигляді файлу формату txt або xls. Статистична обробка результатів вимірювання та графічна візуалізація одержаних залежностей виконується за допомогою табличного процесора. При цьому оцінюють якість суміші по її неоднорідності або однорідності з розрахунком відповідних коефіцієнтів. На фіг. 1 представлено схему реалізації способу, на фіг. 2 залежність коефіцієнтів неоднорідності та однорідності розподілу гранул ключового компоненту від числа обертів змішувача для суміші ПП2/ППс, 70/30 мас. %. Схема реалізації способу включає: 1 - отримання вихідного цифрового зображення стану суміші; 2 - перетворення зображення в бінарне методом порогового розділення; 3 - кластерний аналіз зображення за допомогою спеціального програмного забезпечення; 4 - обробка кількісних результатів кластерного аналізу; 5 - визначення коефіцієнтів неоднорідності та однорідності та побудова графічних залежностей цих показників від числа обертів змішувача. Для пояснення суті способу на фіг. 1 наведена схема його реалізації, що характеризує виконання окремих кроків для заявленої корисної моделі. В запропонованому способі для оцінки якості суміші використовується спеціально розроблене програмне забезпечення, функції якого дозволяють спростити та автоматизувати процес розбиття зображення на кластери та визначення частки ключового компонента суміші в них. Результатом є зниження трудомісткості за рахунок спрощення процедури визначення, підвищення швидкості і точності оцінки якості суміші оптично контрастних сипучих матеріалів 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 (ППС) (як ключовий компонент) у співвідношенні 70/30 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. Для оцінки якості суміші безпосередньо в процесі змішування використовували запропонований метод. Залежність коефіцієнтів неоднорідності (К n) та однорідності (Ко) суміші від числа обертів змішувача (n) наведена на фіг. 2. Як видно, ці залежності мають виражений нелінійний характер. Вже на початку змішування відбувається різке зниження значень Кn і, відповідно, підвищення значень Ко досліджених сумішей. При подальшому збільшенні числа обертів змішувача, темп зниження К п 2 UA 116815 U уповільнюється й з деякого моменту (приблизно 15-20 обертів змішувача) зміна цього коефіцієнта несуттєва. У цьому ж діапазоні значень n, варіативність зміни значень Ко помітно вища за Кn, що може свідчити про його більшу чутливість до змін розподілу ключового компонента суміші на заключних стадіях процесу змішування. 5 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 10 15 20 25 30 1. Спосіб оцінки якості суміші оптично контрастних сипучих матеріалів, що включає отримання цифрового зображення суміші, визначення концентрації ключового компонента на основі аналізу зображень і розрахунок коефіцієнта якості 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 програмного розбиття бінарного зображення на кластери, площа яких мінімум у 4 рази менше загальної площі зображення з одночасним підрахунком частки пікселів у кожному кластері, що належить до ключового компонента. 2. Спосіб оцінки якості суміші оптично контрастних сипучих матеріалів за п. 1, який відрізняється тим, що оцінюють якість суміші по її неоднорідності, а розрахунок коефіцієнта якості суміші виконують за формулою: Kn  S/p * 100 %, де S - середньоквадратичне відхилення частки пікселів в окремих кластерах зображення суміші від їх середнього значення; p - середнє значення частки пікселів, що належать до ключового компонента на зображенні суміші в цілому. 3. Спосіб оцінки якості суміші оптично контрастних сипучих матеріалів за п. 1, який відрізняється тим, що оцінюють якість суміші по її однорідності, а розрахунок коефіцієнта якості суміші виконують за формулою: K o  p 2  n / D, де p - середнє значення частки пікселів, що належать до ключового компонента на зображенні суміші в цілому; n - число кластерів на зображенні; D - дисперсія долі пікселів в кластерах зображення. 3 UA 116815 U 4 UA 116815 U Комп’ютерна верстка М. Мацело Міністерство економічного розвитку і торгівлі України, вул. М. Грушевського, 12/2, м. Київ, 01008, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5