Способ определения степени гомогенизации гетерогенных смесей Российский патент 2023 года по МПК G01N21/27 G01N21/85 

Изобретение относится к технологии производства многокомпонентных гетерогенных смесей и может быть использовано в строительной, сельскохозяйственной, пищевой, фармацевтической промышленности при анализе степени однородности как готовой многокомпонентной гетерогенной композиции, так и ее полуфабрикатов.

Известен способ определения качества смешивания сыпучих материалов, включающий введение в смешиваемую массу краткоживущих радиоактивных изотопов (а.с. СССР №347070, кл. B01F 3/18, G01N 23/00, опубл. 16.03.1971).

Недостатком известного способа является сложность работы с краткоживущими изотопами и неизбежное загрязнение смеси посторонними примесями.

Известен способ определения качества гомогенизации гетерогенных смесей, включающий применение люмогена в качестве индикатора, по распределению в смеси которого судят о степени однородности смеси (патент РФ №2544290, кл. G01N 21/85, опубл. 20.03.2015, Бюл. № 8).

Недостатком известного способа является необходимость работы со специальным веществом люмогеном и неизбежное загрязнение им смеси, что может сказываться на ее физико-химических свойствах.

Наиболее близким способом того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является способ определения степени гомогенизации гетерогенных смесей по оптолептической информации об их поверхности, включающий дистанционное сканирование поверхности смеси; обработку полученного изображения с помощью компьютерных цветовых моделей RGB с разложением цвета каждой точки образа поверхности смеси на три составляющих; определение степени однородности смеси; вычисление энтропии оптолептической информации, по значению которой определяют степень однородности перемешиваемой гетерогенной смеси (патент РФ 2489705 С1, кл. G01N 21/85, опубл. 10.08.2013, бюл. №22). Данный способ принят за прототип.

Признаки прототипа, являющиеся общими с заявляемым изобретением, – дистанционное сканирование поверхности смеси; обработка полученного изображения с помощью компьютерных цветовых моделей RGB с разложением цвета каждой точки образа поверхности смеси на три составляющих; вычисление энтропии оптолептической информации; определение степени однородности перемешиваемой гетерогенной смеси по значению энтропии оптолептической информации.

Недостатком известного способа, принятого за прототип, является низкая точность контроля степени гомогенизации гетерогенных смесей вследствие того, что компоненты смеси могут иметь близкую отражательную способность и в оптическом диапазоне отражать одинаковые длины световых волн, т.е. иметь одинаковые или близкие по спектру цвета, что приводит к низкой чувствительности известного способа, и как следствие не обеспечивает необходимую точность контроля степени однородности смеси.

Задачей изобретения является повышение точности контроля степени однородности гетерогенных смесей в процессе их приготовления.

Поставленная задача решается за счет того, что в известном способе, включающем дистанционное сканирование поверхности смеси, обработку полученного изображения с помощью компьютерных цветовых моделей RGB с разложением цвета каждой точки образа поверхности смеси на три составляющих, вычисление энтропии оптолептической информации и определение степени однородности перемешиваемой гетерогенной смеси по значению энтропии оптолептической информации, согласно изобретению используют тепловой индикатор, в качестве теплового индикатора выступает один из смешиваемых компонентов, в случае, если смешиваемые компоненты имеют близкую температуру, выполняют предварительный подогрев или охлаждение теплового индикатора, в качестве светосканирующего устройства применяют детектор инфракрасного излучения.

Признаки предлагаемого способа, отличительные от прототипа, – используют тепловой индикатор; в качестве теплового индикатора выступает один из смешиваемых компонентов; в случае, если смешиваемые компоненты имеют близкую температуру, выполняют предварительный подогрев или охлаждение теплового индикатора; в качестве светосканирующего устройства применяют детектор инфракрасного излучения.

Отличительные признаки в совокупности с известными позволяют повысить точность контроля степени однородности гетерогенных смесей в процессе их приготовления.

Компоненты смесей могут иметь близкую отражательную способность и в оптическом диапазоне отражать одинаковые длины световых волн, т.е. иметь одинаковые или близкие по спектру цвета. Поэтому для таких смешиваемых веществ целесообразно использовать другие диапазоны излучения, например, инфракрасный. Для этого в качестве светосканирующего устройства поверхности смеси необходимо использовать детектор инфракрасного излучения, например, тепловизор. Применение детектора инфракрасного излучения обеспечивает повышение точности способа также за счет того, что анализу подвергается не только поверхность смеси, но и глубокие ее слои, что более существенно отражает распределение исходных веществ в смеси, а, значит, степень ее гомогенизации. Таким образом, применение детектора инфракрасного излучения в качестве светосканирующего устройства обеспечивает повышение точности контроля степени однородности гетерогенных смесей в процессе их приготовления.

Для получения более точной информации о распределении компонентов в смеси в процессе ее приготовления на основе инфракрасного излучения целесообразно применение теплового индикатора. Во избежание влияния на свойства смеси различных дополнительных веществ в качестве теплового индикатора целесообразно использовать не какое-либо дополнительное вещество, а один из компонентов смеси. При этом на практике возможны три различных случая. В первом случае смешиваемые вещества перед операцией смешения могут иметь различную температуру по естественным причинам. Например, за счет разных условий хранения компонентов смеси или вследствие их подачи из разных технологических потоков или аппаратов. Во втором случае в процессе смешения могут наблюдаться выраженные эндотермические или экзотермические процессы, связанные с возможными химическими реакциями или процессами растворения компонентов смеси во время ее приготовления. В третьем случае смешиваемые вещества могут иметь близкую температуру и при этом не наблюдаться эффектов выделения или поглощения тепла. В этом случае необходимо выполнить подогрев или охлаждение одного из веществ, которое будет использоваться в качестве теплового индикатора однородности смеси.

Таким образом, использование одного их смешиваемых компонентов в качестве теплового индикатора и выполнение его предварительного подогрева или охлаждения в случае, если смешиваемые компоненты имеют близкую температуру, обеспечивает повышение точности контроля степени однородности гетерогенных смесей в процессе их приготовления.

Предлагаемый способ поясняется чертежами, представленными на фиг.1-4.

На фиг.1 представлены графики зависимости энтропии оптолептической информации, полученные в оптическом и тепловом диапазонах, от времени перемешивания для смеси «Строительный раствор №1».

На фиг.2 представлены графики зависимости энтропии оптолептической информации, полученные в оптическом и тепловом диапазонах, от времени перемешивания для смеси «Строительный раствор №2».

На фиг.3 представлены графики зависимости энтропии оптолептической информации, полученные в оптическом и тепловом диапазонах, от времени перемешивания для смеси «Коллоидный раствор».

На фиг.4 представлены графики зависимости энтропии оптолептической информации, полученные в оптическом и тепловом диапазонах, от времени перемешивания для смеси «Комплексное удобрение».

На фиг.1-4 показаны:

+ - экспериментальные точки, полученные в тепловом диапазоне;

- экспериментальные точки, полученные в оптическом диапазоне;

- аппроксимация зависимости «однородность-энтропия», полученной в тепловом диапазоне;

- аппроксимация зависимости «однородность-энтропия», полученной в оптическом диапазоне.

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом.

Предварительно осуществляют оценку температуры смешиваемых компонентов смеси в сравнении друг с другом. В случае, если смешиваемые компоненты имеют близкую температуру, выполняют предварительный подогрев или охлаждение одного их смешиваемых компонентов.

Этот компонент выступает тепловым индикатором в процессе приготовления смеси.

С помощью светосканирующего устройства, в качестве которого применяют детектор инфракрасного излучения, дистанционно снимается тепловой образ поверхности смеси.

Полученный тепловой образ преобразуется в оптическое изображение.

Осуществляют обработку полученного оптического изображения с помощью компьютерных цветовых моделей RGB с разложением цвета каждой точки образа поверхности смеси на три составляющих.

По данным исследования формируют матрицы отображения цветовых составляющих.

Строят эмпирические законы распределения интенсивности цветовых составляющих.

Определяют значение энтропии оптолептической информации для каждого цветового слоя, а затем суммарную энтропию, по значению которой определяют степень однородности перемешиваемой гетерогенной смеси.

Возможность осуществления способа подтверждается следующими примерами.

Эксперимент строился следующим образом.

В специально подготовленный смеситель, имеющим мешалку с электроприводом, загружались подготовленные компоненты смеси. Включалась мешалка.

Через равные промежутки времени с помощью фотокамеры производилось снятие оптолептической информации, а с помощью тепловизора - фиксировался тепловой образ поверхности.

Для обоих отображений поверхности вычислялась энтропия оптолептической информации.

Описанным образом произведено четыре эксперимента в результате которых было получено четыре различных смеси.

Пример №1: эксперимент по приготовлению строительного раствора №1.Образы поверхности смеси, полученные в процессе приготовления смеси «Строительный раствор №1» в оптическом и инфракрасном диапазонах, представлены в таблице 1.

Таблица 1 Такт смешения Внешней вид поверхности смеси, полученной фотофиксацией (оптический способ) Внешней вид теплового образа поверхности смеси (тепловизионным способ) 1 2 3 4 5

Значения энтропии оптолептической информации для поверхности смеси «Строительный раствор №1» в оптическом и инфракрасном диапазонах представлены в таблице 2.

Таблица 2 Точка смешения Энтропия оптолептической информации (оптический способ) Энтропия информации теплового образа 1 17.3 19.0 2 16.5 11.0 3 16.0 10.8 4 11.2 11.0 5 10.4 8.9

На фиг.1 представлены графики зависимости энтропии оптолептической информации, полученные в оптическом и тепловом диапазонах, от времени перемешивания для смеси «Строительный раствор №1». Из графика, представленного на фиг.1 следует, что изменение энтропии оптолептической информации, вычисленной для поверхности смеси, полученной тепловизорным способом, подчиняется тому же закону, что и энтропии оптолептической информации, вычисленной для поверхности смеси, полученной оптическим способом. Это подтверждает корректность работы предложенного способа в сравнении с известным.

Пример №2: эксперимент по приготовлению строительного раствора №2.

Образы поверхности смеси, полученные в процессе приготовления смеси «Строительный раствор №2» в оптическом и инфракрасном диапазонах, представлены в таблице 3.

Таблица 3 Такт смешения Внешней вид поверхности смеси, полученной фотофиксацией (оптический способ) Внешней вид теплового образа поверхности смеси (тепловизионным способ) 1 2 3 4 5 6

Значения энтропии оптолептической информации для поверхности смеси «Строительный раствор №2» в оптическом и инфракрасном диапазонах представлены в таблице 4.

Таблица 4 Точка смешения Энтропия оптолептической информации (оптический способ) Энтропия информации теплового образа 1 16.3 16.6 2 17.1 15.4 3 15.3 13.3 4 15.1 11.7 5 14.7 10.5 6 16.0 10.3

На фиг.2 представлены графики зависимости энтропии оптолептической информации, полученные в оптическом и тепловом диапазонах, от времени перемешивания для смеси «Строительный раствор №2».

Абсолютная разность энтропий оптолептической информации, полученной для оптического и теплового диапазонов, указывает на угол наклона экспоненциальной зависимости, которой выражается уменьшение энтропии оптолептической информации, т.е. чем больше значение этой разности, тем наибольшее приращение имеет функция энтропии на каждом такте смешения. Чем больше величина данного приращения, тем более точно можно определить изменение энтропии.

Из графиков, представленных на фиг.2, следует, что абсолютная разность энтропий имеет большее значение для оптолептической информации, полученной в тепловом диапазоне, чем для оптолептической информации, полученной в оптическом диапазоне. Это свидетельствует о том, что заявленный способ контроля степени однородности смеси «Строительный раствор №2» в процессе ее приготовления обеспечивает более высокую степень контроля, чем известный способ.

Пример №3: эксперимент по приготовлению коллоидного раствора.

Образы поверхности смеси, полученные в процессе приготовления смеси «Коллоидный раствор» в оптическом и инфракрасном диапазонах, представлены в таблице 5.

Таблица 5 Такт смешения Внешней вид поверхности смеси, полученной фотофиксацией (оптический способ) Внешней вид теплового образа поверхности смеси (тепловизионным способ) 1 2 3 4 5 6

Значения энтропии оптолептической информации для поверхности смеси «Коллоидный раствор» в оптическом и инфракрасном диапазонах представлены в таблице 6.

Таблица 6 Точка смешения Энтропия оптолептической информации (оптический способ) Энтропия информации теплового образа 1 13.6 15.6 2 13.3 14.7 3 16.3 14.4 4 8.9 9.7 5 10.5 8.8 6 11.1 8.6

На фиг.3 представлены графики зависимости энтропии оптолептической информации, полученные в оптическом и тепловом диапазонах, от времени перемешивания для смеси «Коллоидный раствор».

Абсолютная разность энтропий оптолептической информации, полученной для оптического и теплового диапазонов, указывает на угол наклона экспоненциальной зависимости, которой выражается уменьшение энтропии оптолептической информации, т.е. чем больше значение этой разности, тем наибольшее приращение имеет функция энтропии на каждом такте смешения. Чем больше величина данного приращения, тем более точно можно определить изменение энтропии.

Из графиков, представленных на фиг.3, следует, что абсолютная разность энтропий имеет большее значение для оптолептической информации, полученной в тепловом диапазоне, чем для оптолептической информации, полученной в оптическом диапазоне. Это свидетельствует о том, что заявленный способ контроля степени однородности смеси «Коллоидный раствор» в процессе ее приготовления обеспечивает более высокую степень контроля, чем известный способ.

Пример №4: эксперимент по приготовлению комплексного удобрения.

Образы поверхности смеси, полученные в процессе приготовления смеси «Комплексное удобрение» в оптическом и инфракрасном диапазонах, представлены в таблице 7.

Таблица 7 Такт смешения Внешней вид поверхности смеси, полученной фотофиксацией (оптический способ) Внешней вид теплового образа поверхности смеси (тепловизионным способ) 1 2 3 4 5 6

Значения энтропии оптолептической информации для поверхности смеси «Комплексное удобрение» в оптическом и инфракрасном диапазонах представлены в таблице 8.

Таблица 8 Точка смешения Энтропия оптолептической информации (оптический способ) Энтропия информации теплового образа 1 13.6 15.6 2 13.3 14.0 3 16.3 12.3 4 8.9 10.1 5 10.5 9.7 6 11.1 8.8

На фиг.4 представлены графики зависимости энтропии оптолептической информации, полученные в оптическом и тепловом диапазонах, от времени перемешивания для смеси «Комплексное удобрение».

Абсолютная разность энтропий оптолептической информации, полученной для оптического и теплового диапазонов, указывает на угол наклона экспоненциальной зависимости, которой выражается уменьшение энтропии оптолептической информации, т.е. чем больше значение этой разности, тем наибольшее приращение имеет функция энтропии на каждом такте смешения. Чем больше величина данного приращения, тем более точно можно определить изменение энтропии.

Из графиков, представленных на фиг.4, следует, что абсолютная разность энтропий имеет большее значение для оптолептической информации, полученной в тепловом диапазоне, чем для оптолептической информации, полученной в оптическом диапазоне. Это свидетельствует о том, что заявленный способ контроля степени однородности смеси «Комплексное удобрение» в процессе ее приготовления обеспечивает более высокую степень контроля, чем известный способ.

Преимущество изобретения состоит в том, что оно позволяет повысить точность контроля степени однородности гетерогенных смесей в процессе их приготовления.

Изобретение относится к области контроля производственных процессов оптическими средствами и касается способа определения степени гомогенизации гетерогенных смесей. Способ включает дистанционное сканирование поверхности смеси, обработку полученного изображения с помощью компьютерных цветовых моделей RGB с разложением цвета каждой точки образа поверхности смеси на три составляющих, вычисление энтропии оптолептической информации и определение степени однородности перемешиваемой гетерогенной смеси по значению энтропии оптолептической информации. При проведении измерений используют тепловой индикатор, в качестве которого выступает один из смешиваемых компонентов. В случае, если смешиваемые компоненты имеют близкую температуру, выполняют предварительный подогрев или охлаждение теплового индикатора. В качестве светосканирующего устройства применяют детектор инфракрасного излучения. Технический результат заключается в повышении точности контроля степени однородности гетерогенных смесей в процессе их приготовления. 4 ил., 8 табл.

Способ определения степени гомогенизации гетерогенных смесей, включающий дистанционное сканирование поверхности смеси, обработку полученного изображения с помощью компьютерных цветовых моделей RGB с разложением цвета каждой точки образа поверхности смеси на три составляющих, вычисление энтропии оптолептической информации и определение степени однородности перемешиваемой гетерогенной смеси по значению энтропии оптолептической информации, отличающийся тем, что используют тепловой индикатор, в качестве теплового индикатора выступает один из смешиваемых компонентов; в случае, если смешиваемые компоненты имеют близкую температуру, выполняют предварительный подогрев или охлаждение теплового индикатора, в качестве светосканирующего устройства применяют детектор инфракрасного излучения.