СПОСОБ ПОТОЧНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОСТАВА СЫПУЧИХ ПРОДУКТОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК G01N21/85 

Изобретение относится к способам поточного определения состава сыпучих продуктов непосредственно в потоке продуктов и устройствам для его осуществления.

Известен способ поточного определения состава сыпучих продуктов непосредственно в потоке продуктов, включающий перемещение продукта перед измерительным устройством, проведение оптических измерений в ближней ИК-области и определение состава с учетом калибровочных величин.

Известно также устройство для определения состава сыпучих продуктов непосредственно в потоке продуктов, содержащее оптическую систему измерения в ближней ИК-области, включающую источник излучения и светоприемник, основной и байпасный трубопроводы, водном из которых расположен измерительный участок, и средство для перемещения продукта в трубопроводах (1).

Однако недостатком данных способа и устройства является то, что невозможно измерять содержание в целых зернах, например содержание в них протеина. На практике при этом создается не очень удобная ситуация
содержание воды целых зерен нужно определять емкостным путем или с помощью микроволновой измерительной техники, а
содержание протеина в муке указанным оптическим способом измерения в ближней ИК-области, и
содержание протеина в целых зернах должно определяться в лаборатории.

Кроме того, до сегодняшнего дня для поточного измерения содержания мельничных полуфабрикатов применяются многочисленные специальные измерительные устройства (on-line) определяющие, например, цвет полуфабриката. В каждом случае требуется калибровка с помощью калибровочного образца, чтобы можно было исключить все мешающие параметры.

Особенно мешающим фактором является то, что на одном и том же предприятии, например мельнице, используется 3-5 принципиально различных диапазона излучений от гамма лучей до микроволн, и поэтому результаты измерений многократно невозможно сравнить, тогда как продукт, в начале целые зерна, потом их части, и наконец мука, в принципе один и тот же.

В основу изобретения положена задача создать такие способ и устройство для поточного определения состава сыпучих продуктов, которые позволили бы устранить вышеперечисленные недостатки и измерять на потоке без необходимости отбора проб из потока продуктов.

Согласно способу данная задача решается за счет того, что продукт перед измерительным устройством перемещают в виде плотного потока, измерения в ближней ИК-области осуществляют в отраженном от продукта свете в виде отдельных измерений по всему спектру с временем каждого измерения, меньшим 100 мс, а при определении состава продукта используют статистически сформированную среднюю величину отдельных измерений.

Согласно изобретению предпочтительно, чтобы движением зерновидных, хорошо текучих продуктов перед измерительным устройством управляли и поддерживали его постоянным посредством подающего шнека, а движением размолотых, плохо текучих продуктов управляли и поддерживали его постоянным посредством вибродозатора.

Преимущественно время отдельного измерения и скорость движения продукта выбирают так, что перемещение продукта за время отдельного измерения происходит менее, чем на 1/10 длины зерна. Это особенно предпочтительно для отдельных сортов продуктов, в частности в случае зерна злаков (отдельное зерно).

Также предпочтительно осуществлять регистрацию отдельных измерений по всему спектру одновременно с помощью диодной матрицы, что повышает точность измерения, и, кроме того, при измерении главные элементы измерительного устройства остаются неподвижными.

Согласно предпочтительному примеру осуществления способа отдельные измерения проводят последовательно для выбранных длин волн, после чего проводят статистическую оценку измеренных величин.

Поток продукта преимущественно замедляют и подводят к измерительному устройству вертикально с заранее выбранной скоростью.

При этом поток продукта замедляют посредством основного или байпасного трубопроводов за счет саморегулирования расхода.

Кроме того, это замедление потока используют для определения расхода продукта в производственной линии.

То, что при обычных применениях оптического метода измерений в ближней ИК-области является вредным, теперь, наоборот, используется как преимущество, когда продукт предпочтительно передвигается перед измерительным устройством или проходит мимо него.

В мельничном производстве продукт в процессе переработки все время находится в движении, что в данном случае служит основой измерения, за счет того, что при статистической обработке используется большое число из примерно 10-15 измерений, а предпочтительно более 30, как от меняющихся проб продукта, так и во времени и из этого рассчитываются желаемые средние величины. Это позволяет при отклонениях от заданной величины в потоке продукта или на отдельных этапах производства обнаружить их в течение нескольких секунд и вмешаться в процесс.

Вышеуказанная задача изобретения решается за счет того, что система измерения выполнена с возможностью получения измерительных снимков с длительностью отдельного измерения менее 100 мс и снабжена блоком для статистического определения средней величины отдельных измерений.

Согласно предпочтительному примеру выполнения устройство перемещения продукта выполнено управляемым, а светоприемник выполнен в виде диодной матрицы для одновременной регистрации отдельных участков спектра.

Кроме того, также предпочтительно, чтобы оптическая система измерений была снабжена светофильтрами, установленными между источником излучения и светоприемником и выполненными с возможностью вращения со скоростью более 10 об/с и предназначенными для последовательного выделения отдельных участков спектра.

На фиг.1 схематически изображено устройство измерения с обработкой измеренных величин; на фиг.2 измерительной устройство в увеличенном масштабе; на фиг. 3 известный спектр поглощения ближней ИК-области; на фиг.4 эскизное изображение неудобного в производстве измерения на произвольном продукте; на фиг. 5 изображение принципа измерения согласно известному уровню техники [1] на фиг. 6 участок измерения, пригодный для измерения как для целых зерен, а также для продукта с плохой текучестью; на фиг.7 - схематическое изображение известного принципа измерения с диодной матрицей; на фиг.8 пример выполнения измерительного устройства для ближней ИК-области на принципе диодной матрицы; на фиг.9 измерительный участок предпочтительно для мукообразных продуктов; на фиг.10 группа измерительных участков для примера выполнения согласно фиг.6 или фиг.9.

Далее рассмотрение на основе фиг.1. Измерительное устройство 1 с оптической системой в измерительной головке прямо установлено над пробой материала Pr.

К измерительному устройству 1 подключена местная электронная часть 3 с блоком преобразователя для передачи сигналов 5,5^', соединенные с блоком компьютера PC 6. Фиг.1 представляет картинку в движении, продукт непрерывно движется справа налево по стрелке BW.

Измерительная головка 2, 2^I, 2^II, 2^III, 2^V, 2x показана многократно, однако, штрихпунктирно каждый раз над новой частью продукта Pr₁, Pr₂, Pr₃, Pr₄, Pr₅, Pr₆. В действительности же проба материала Pr движется перед неподвижной измерительной головкой 2 и в моменты времени t₁, t₂, t₃, t₄, t₅, t_x производят по одному измерению M₁, M₂, M₃, M₄, M₅, M_x. Важным является то, чтобы требуемое время для каждого измерения M₁, M₂ и т.д. было бы минимально возможным, в смысле "снимка при лампе-вспышке". Отдельные снимки M₁, M₂, M₃ M_x через оптику проецируются на местное электронное устройство и выдаются на компьютер PC для статистического формирования среднего значения, например, за временной интервал менее 10 с.

Количество измерений для формирования средней величины может быть в зависимости от поставленной задачи от нескольких десятков до нескольких сотен.

Поточное измерение подразумевает то, что продукт измеряется в перерабатывающей установке или в собственно в транспортировочных трубопроводах или активно в транспортной байпасной линии.

Здесь пробы не отбираются, а в наибольшей степени ответвляются и вновь возвращаются в основную линию производства. Общие проблемы здесь известны. При отборе образца встает вопрос, насколько он соответствует поточному измерению в линии производства, место замера пробы особенно важно.

На фиг. 2 показана оптическая система измерения в ближней ИК- области в увеличенном масштабе, которая содержит источник света 10. Измерительное устройство имеет также эллипсоидное зеркало (рефлектор) 11, фильтровое колесо 12 с моторным приводом 13, шар Ульбрихта 14, светоприемник 15, а также пробу продукта Pr, которая отделена от измерительного устройства 1 окном 17 и сравнивается с образом для калибровки. Существенным является то, что фильтровое колесо вращается с относительно высокими оборотами более 10, а предпочтительно более 25 оборотов в секунду, и по окружности его расположено большое число светофильтров, например, 6, 12 или 24, которыми соответственно охватывается весь искомый спектр света.

Фиг.3 показывает известный спектр поглощения мукообразного материала. По паре значений внесены для воды и протеина, причем в этом примере величины для воды находятся выше 1900 нм, а для протеина выше 2200 нм.

В зависимости от степени разработки измерительного устройства величины для воды и протеина или содержания воды и содержания протеина могут определяться одновременно или последовательно во времени, например, посредством выбора соответствующих светофильтров.

На фиг.4 показано, что исследования с новым изобретением подтвердили тот опыт, что измерение величины на произвольно рассыпанной куче не дают представляющих истину величин для продукта как такового, так как каждое измерение формы кучи дает ошибку в измерении.

На фиг. 5 показан известный из Европейского патента 179108 способ для управляемого уплотнения пробы измеряемого материала. Этот способ успешно применим лишь для мукообразных материалов.

На фиг. 6 показано устройство измерительного участка согласно изобретению, которое является частью продуктопровода 20 или 20^' производственной линии и имеет вверху штуцер подвода продукта 21, а внизу штуцер вывода продукта 22. Измерительный участок 23 разделен на главный продуктопровод 24 и байпасный трубопровод 25. Главный продуктопровод 24 по сечению примерно равен сечению продуктопровода 20 или 20^', так что при максимально возможном расходе весь продукт может проходить по главному продуктопроводу 24. Чтобы принудительно пропустить часть продукта по байпасному трубопроводу на разветвлении главного продуктопровода 24 и байпасного трубопровода 25 поставлен задерживающий дефлектор 26.

Подача плотного потока продукта в области измерительной головки 2 обеспечивается управляемым выходным шнеком 27. Выходной шнек обеспечивает одновременно за счет выбора определенного числа оборотов непрерывное спускание продукта в байпасной трубопроводе 25, являющемся измерительным каналом. За счет этого обеспечивается управляемая и выбираемая заранее скорость BW продукта, так что нужное движение продукта можно обеспечить во всех случаях. Важным в измерительном участке является то, что в противоположность существовавшему ранее мнению, это решение дает весьма хорошие результаты как для легкосыпучих материалов, так и для целых зерен злаков, хотя задумано было устройство для мукообразных продуктов, для их принудительного возвращения из измерительного трубопровода в основной трубопровод 24. Выходной шнек приводится предпочтительно бесступенчатом управляемым приводным двигателем 28 от компьютерного блока 6.

Фиг. 7 показывает применение принципа диодной матрицы, причем устройство имеет измерительный канал продукта 30, источник света 31 и детектор в виде диодной матрицы 31. По принципу диодной матрицы можно производить измерение одновременно на всех желаемых длинах волн. Подлежащий анализу свет с помощью полихроматора 32 или дисперсионного элемента раскладывается на местный спектр и направляется на диодную матрицу 31. При этом количеством светочувствительных диодов можно выбрать разрешающую способность по длине волны. Полихроматор 32 (например, голографическая решетка) может быть помещена в одном корпусе с детекторной диодной матрицей. Большое преимущество этого принципа заключается в том, что не требуется подвижных частей, кроме, может быть, подвижного зеркала для ввода опорного луча.

Фиг. 8 показывает несколько более конкретных пример выполнения измерительного устройства для измерения в ближней ИК-области, работающего по принципу диодной матрицы. При этом применяются два модуля: модуль 33 для источника света и сенсорный модуль 34. Сенсорный модуль 34 имеет две голографические решетки 35 и 36, а также две диодные матрицы 37 и 38. Световод 39 соединен с измерительной головкой 40, расположенной на соответствующем месте канала проб 30. Световод 39, показанный в виде изогнутого прерванного проводника, изготовляется предпочтительно в виде стекловолоконного (фиберглассового) световода. Для получения однозначных отдельных сигналов применяется преимущественно в качестве прерывателя диск с отверстиями 41 для прерывания светового сигнала в зоне световода 39. В качестве источника света 10 может применяться, например, вольфрамовая галогенная лампа, при этом световой сигнал также подводится через световод 39^' к пробе. Канал проб 40 имеет показанное только схематично устройство задержки или дозирования, например в виде вибрирующей решетки 42, а также датчик контроля за уровнем, обозначенный стрелкой 43. Преимущество такого устройства состоит в том, что оба модуля 33 и 34 могут устанавливаться независимо друг от друга и на расстоянии от канала проб 30.

Измерительный участок 23 со шнековым дозатором 27, 28 согласно фиг.6 применяется преимущественно для зерновидного продукта.

Фиг. 9 показывает измерительный участок, применяемый предпочтительно для размолотых продуктов. Однако в обоих случаях может применяться та же измерительная техника и оптика, так как изменяется только подача проб в соответствии с текучестью продукта.

Измерительный участок в зависимости от требуемых условий, может быть главным трубопроводом или байпасным трубопроводом. Дозировка выхода из канала проб 30 производится с помощью установленного внутри его конусного вибратора 42^', управляемого счетным устройством 6. Конусный вибратор 42^' предпочтительно подвешивается, при этом его можно устанавливать на различной высоте, для того чтобы контролировать сыпучий продукт при всех режимах работы. Предпочтительной является скорость потока измерительной пробы, равная 0,5 2 см/с. С помощью контрольного окна 44 можно следить за перемещением продукта и регулировать его с помощью конусного вибратора 42^'.

Фиг. 10 показывает целую группу измерительных участков для примера по фиг. 6 или 8 для каждого из специфических продуктов на мельнице от засыпки через очистку и подготовку к помолу до контроля за готовым продуктом в виде муки или крупы. Все измерительные участки через общую шину 50 подключены к центральному вычислительному устройству 6', так что соответствующие сигналы управления к рабочим устройствам.

Измерительный участок зернового продукта 55 может применяться, например, для измерения качественных показателей с целью осуществления входного контроля. Второй измерительный участок 55^' применяется, например, для измерения влажности перед смачиванием, при этом через устройство смачивания 51 подается в зерно необходимое количество воды и контролируется весами 52. С помощью измерительного участка муки 53 может измеряться например содержание протеина и для поддержания заданного значения добавляться в муку через смеситель 54 клейковина. Поток муки может также измеряться мучными весами 55.

Во всех примерах выполнения измерительному устройству может быть придан полный компьютерный блок или же несколько измерительных устройств для измерения в ближней ИК-области могут быть приданы одному компьютерному блоку.

В зависимости от конкретного случая применения может быть предпочтительно для получения надежного результата усреднение за одну 1 с, 10 с или даже 10 мин для определения содержания компонент. В особенности для целей регулирования секундный интервал усреднения имеет большое преимущество, тогда как для целей контроля качества предпочтительным является усреднение в течение более длительного интервала времени.

Использование: способы для измерения состава сыпучих материалов, в частности сыпучих продуктов питания. Сущность изобретения: перемещают продукт перед измерительным устройством, проводят оптические измерения в ближней ИК-области и определяют состав с учетом калибровочных величин, при этом продукт перемещают перед измерительным устройством в виде плотного потока, измерения осуществляют в ближней ИК-области в отраженном от продукта свете в виде отдельных измерений по всему спектру с временем каждого измерения, меньшим 100 мс, а при определении состава продукта используют статистически сформированную среднюю величину отдельных измерений. 2 с. и 11 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Способ поточного определения состава сыпучих продуктов непосредственно в потоке продуктов, включающий перемещение продукта перед измерительным устройством, проведение оптических измерений в ближней ИК-области и определение состава с учетом калибровочных величин, отличающийся тем, что продукт перед измерительным устройством перемещают в виде плотного потока, измерения в ближней ИК-области осуществляют в отраженном от продукта свете в виде отдельных измерений по всему спектру, с временем каждого измерения меньшим 100 мс, а при определении состава продукта используют статистически сформированную среднюю величину отдельных измерений. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что движением зерновидных хорошо текучих продуктов перед измерительным устройством управляют и поддерживают его постоянным посредством подающего шнека. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что движением размолотых плохо текучих продуктов управляют и поддерживают его постоянным посредством вибродозатора. 4. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что время отдельного измерения и скорость движения продукта выбирают такими, что перемещение продукта за время отдельного измерения происходит менее чем на 1/10 длины зерна. 5. Способ по пп.1 4, отличающийся тем, что регистрацию отдельных измерений по всему спектру осуществляют одновременно с помощью диодной матрицы. 6. Способ по пп.1 4, отличающийся тем, что отдельные измерения проводят последовательно для выбранных длин волн, после чего проводят статистическую оценку измеренных величин. 7. Способ по пп.1 6, отличающийся тем, что поток продукта замедляют и подводят к измерительному устройству вертикально с заранее выбранной скоростью. 8. Способ по п.7, отличающийся тем, что поток продукта замедляют посредством основного или байпасного трубопроводов за счет саморегулирования расхода. 9. Способ по пп.7 и 8, отличающийся тем, что замедление потока используют для определения расхода продукта в производственной линии. 10. Устройство для определения состава сыпучих продуктов непосредственно в потоке продуктов, содержащее оптическую систему измерения в ближней ИК-области, включающую источник излучения и светоприемник, основной и байпасный трубопроводы, в одном из которых расположен измерительный участок, и средство для перемещения продукта в трубопроводах, отличающееся тем, что система измерения выполнена с возможностью получения измерительных снимков с длительностью отдельного измерения менее 100 мс и снабжена блоком для статистического определения средней величины отдельных измерений. 11. Устройство по п. 10, отличающееся тем, что устройство перемещения продукта выполнено управляемым. 12. Устройство по п.10, отличающееся тем, что светоприемник выполнен в виде диодной матрицы для одновременной регистрации отдельных участков спектра. 13. Устройство пo п.10, отличающееся тем, что оптическая система измерений снабжена светофильтрами, установленными между источником излучения и светоприемником, выполненными с возможностью вращения с частотой более 10 с^-1 и предназначенными для последовательного выделения отдельных участков спектра.