Для оценки качества двухкомпонентных смесей сыпучих материалов с отличными по цвету компонентами широко используется экспресс-анализ по яркости цифровых изображений, получаемых фотосъёмкой, сканированием и др. [1, 2].

Как известно [3, с.19], яркость (Y) можно оценивать как преобразование к оттенкам серого компонент RGB изображения методом усреднения, или применять преобразование к особенностям человеческого зрения с учетом различного восприятия компонент красного, зеленого и синего цветов:

Y = 0,299R + 0,587G + 0,114B.

В тоже время существует ряд промышленно важных смесей, в которых компоненты имеют близкий цвет и/или яркость. Для таких смесей, даже при видимом отличии изображений, компьютерная обработка затруднена, поскольку цвет, анализируемых пикселей, заданный в RGB-пространстве после преобразования к величине оттенка серого или яркости имеет близкие значения. Таким образом, оценка содержания ключевого компонента и качества смеси с использованием яркости элементов изображения не допускает однозначного анализа. Все вышесказанное имеет прямое отношение к получению адсорбционных материалов на базе смесей цеолит-бентонит.

Тем не менее, экспресс-анализ по цифровым изображениям для таких смесей можно проводить, используя отличные от RGB цветовые модели и их компоненты. Нами предложено использовать оценку смесей цеолит (NaX)-бентонит в цветовой модели HSV (hue, saturation, value – тон, насыщенность, значение) по компоненте тона H.

Связь цветовой модели HSV с RGB описывается следующей системой преобразования цветовых компонентов:

max – максимальное значение из R, G, B, а min – минимальное из них;

V = max.

Технология оценки состава и качества смесей с использованием H-компоненты цветовой модели HSV заключается в следующем. В смесительном аппарате готовят тарировочные смеси с известным содержанием ключевого компонента (цеолит NaX), например 0, 20, 30, 50, 70, 80, 100%. Формируют тарировочные таблетки и получают цифровое RGB-изображение поверхности таблеток сканированием с разрешением 300 dpi. В изображениях поверхности таблеток выделяют квадратные области размером 240 на 240 пикселей, проводят их статистическую обработку с расчетом среднего значения компонента H и строят тарировочную зависимость концентрации ключевого компонента (цеолит) от среднего значения величины тона H в выделенном квадрате (рис. 1).

а)

б)

Рисунок 1 – Построение тарировочной зависимости:

а) расчет среднего значения H в таблетках с концентрацией 30 и 50% NaX;

б) экспериментальные точки и аппроксимирующая зависимость

Полученная тарировочная зависимость является основой экспресс-анализа различных двухкомпонентных смесей цеолит-бентонит.

Экспресс-анализ включает отбор проб из смесительного аппарата, формирование таблеток и их сканирование. В цифровом изображении анализируемых таблеток выделяются области размером 240 на 240 пикселей, которые разбиваются на подобласти размером 30 на 30 пикселей. Таким образом, изображение делится на 64 ячейки. Затем в каждой ячейке определяется средняя величина H_i и рассчитывается среднее значение во всех ячейках и по тарировочной зависимости определяется концентрация ключевого компонента (рис. 2). Коэффициент вариации (неоднородности) пробы смеси, характеризующий качество перемешивания, рассчитывают по формуле:

,

где n – количество ячеек.

Рисунок 2 – Определение состава и качества реальной смеси цеолит-бентонит

Для автоматизированной оценки состава и качества смесей по цветовой компоненте H разработана программа для ПК. Программа имеет два функциональных блока. Первый блок (исходные данные) предназначен для обработки тарировочных смесей и сформированных из них таблеток. В процессе работы пользователь указывает области изображений с известной концентрацией. Программа проводит попиксельную обработку областей с вычислением компонентов HSV для каждой точки и статистическую обработку выборок (рис. 1, а). В результате полной обработки тарировочных таблеток строится аппроксимирующая (тарировочная) зависимость, позволяющая рассчитать концентрацию ключевого компонента в смесях цеолит-бентонит произвольного процентного состава (рис. 1, б).

Второй блок (анализ качества смеси) позволяет проводить экспресс-анализ смесей цеолит-бентонит, полученных в процессе смешивания и формирования таблеток. Программа в данном блоке реализует механизм разделения изображения на множество ячеек, вычисление среднего H_i в каждой ячейке и во всей области , определение концентрации ключевого компонента в смеси по тарировочной зависимости и расчет коэффициента неоднородности смеси (рис. 2). Интерфейс программы в режиме анализа качества смеси представлен на рис. 3.

Рисунок 3 – Демонстрация работы программы

Перспективным способом наномодифицирования классических сорбентов на базе цеолитов со связующим является использование наноструктурных углеродных материалов, в частности нанотрубок различной морфологии. В ряде исследований показано, что наномодифицированние цеолитов и сорбентов на их основе углеродными наноструктурными материалами приводит к увеличению сорбционной емкости по некоторым адсорбатам [4, 5]. В этой связи, перспективным следует признать создание трех и много компонентных сорбентов с добавками наноструктурного углерода в виде углеродных нанотрубок (УНТ) [6]. При этом следует выявить концентрацию базовых составляющих и наномодифиатора. В работах [4, 6] показано, что рациональными дозами модифицирования является диапазон добавок нанотрубок в 1 – 3 масс. % в смесь цеолит-бентонит с содержанием цеолита 80%. Для создания высокопроизводительных производств таких смесей сыпучих сорбентов также необходимы методы экспресс-анализа.

Поскольку в данном случае смешиваемые компоненты имеют значительные цветовые различия (базовая смесь – светло-коричневая, углеродные нанотрубки – черные) оценку содержания и качества смесей удобно производить, используя традиционный метод анализа яркости цифровых изображений.

Технология оценки качества смесей цеолит-бентонит-УНТ с использованием яркости изображения, аналогична оценки по цветовой модели HSV, рассмотренной ранее. В смесительном аппарате готовят тарировочные смеси с известным содержанием ключевого компонента (УНТ «Таунит М», ООО «НаноТехЦентр», г. Тамбов), например 1; 1,4; 1,8; 2,2; 2,6; 3%. Формируют тарировочные таблетки и получают цифровое RGB-изображение поверхности таблеток сканированием. В изображениях поверхности таблеток выделяют квадратные области размером 240 на 240 пикселей, проводят их статистическую обработку с расчетом среднего значения компонента яркости Y и строят тарировочную зависимость концентрации ключевого компонента (УНТ) от среднего значения яркости в выделенном квадрате (рис. 4).

а)

б)

Рисунок 4 – Построение тарировочной зависимости:

а) расчет среднего значения яркости Y в таблетках с концентрацией 1 и 1,4% УНТ;

б) экспериментальные точки и аппроксимирующая зависимость для наномодифицированных смесей

Полученная тарировочная зависимость является основой экспресс-анализа смесей цеолит-бентонит (NaX=80%) с УНТ «Таунит-М».

Экспресс-анализ включает отбор проб из смесительного аппарата, формирование таблеток и их сканирование. В цифровом изображении анализируемых таблеток выделяются области размером 240 на 240 пикселей, которые разбиваются на подобласти размером 30 на 30 пикселей. Таким образом, изображение делится на 64 ячейки. Затем в каждой ячейке определяется средняя величина Y_i и рассчитывается среднее значение во всех ячейках и по тарировочной зависимости определяется концентрация ключевого компонента – УНТ (рис. 5). Коэффициент вариации пробы смеси рассчитывают по формуле:

,

где n – количество ячеек.

Рисунок 5 – Определение состава и качества реальной смеси цеолит-бентонит-УНТ

Для автоматизированной оценки состава и качества смесей по яркости цифрового изображения, также разработана компьютерная программа аналогичная программе для оценки по цветовой модели HSV.

В заключение хотелось бы отметить, что предложенные методы экспресс-анализа состава и качества смесей могут с успехом применяться не только к рассмотренным композициям, но и в других случаях, когда исходные компоненты имеют близкую яркость или цвет.

1. Пат. 2343457 Российская Федерация, МПК G01N21/85. Способ определения качества смеси сыпучих материалов / А.Г. Ткачев, А.А. Баранов, Н.Р. Меметов и др.; опубл. 10.01.2010, Бюл. №1.
2. Пат. 2495398 Российская Федерация, МПК G01N1/38, B01F3/18, B01F3/22, G01N21/85. Способ определения качества смеси компонентов, различающихся по цвету / О.В. Дёмин, Д.О. Смолин, В.Ф. Першин, В.Г. Однолько; опубл. 10.10.2013, Бюл. №28.
3. Фисенко, В.Т. Компьютерная обработка и распознавание изображений: учеб. пособие / В.Т. Фисенко, Т.Ю. Фисенко. – СПб: СПбГУ ИТМО, 2008. – 192 с.
4. Пасько, Т.В. Исследование адсорбционных характеристик сорбентов, модифицированных углеродным наноструктурным материалом. Труды ТГТУ: Сб. науч. статей. Вып. 22. / Т.В. Пасько, Г.С. Корнеева, А.В. Кривотулов, И.Н. Шубин. – Тамбов: Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2009. С. 101-104.
5. Потемкин, Н.С. Анализ сорбционной емкости, модифицированного УНМ сорбента / VI-я Международная научно-инновационная молодежная конференция: Современные твердофазные технологии: теория, практика и инновационный менеджмент / Н.С. Потемкин и др. – Тамбов: Изд-во ИП Чеснокова А.В., 2014. – С. 226-228.
6. Гурова, Т.В. Разработка сорбентов, модифицированных углеродными наноматериалами / V-я Международная научно-инновационная молодежная конференция: Современные твердофазные технологии: теория, практика и инновационный менеджмент / Т.В. Гурова и др. – Тамбов: Изд-во ИП Чеснокова А.В., 2013. – С. 190-192.

Все статьи автора «Баранов Андрей Алексеевич»