CN102713562A - 用于确定颗粒尺寸的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于测量颗粒尺寸分布的方法，尤其是用于光学地测量松散物料如谷物、谷物碾磨制品、谷物制品及类似物的广泛的颗粒尺寸分布，它能够实现对于具有广泛的数量级的颗粒尺寸分布的测量。为了解决该任务规定，借助至少两个测量方法在一个装置中对分散的颗粒的样品进行光学检测，其中优选同时检测颗粒的轮廓，并且进行激光衍射。

Description

用于确定颗粒尺寸的装置

技术领域

本发明涉及用于测量颗粒尺寸分布的方法，尤其是用于光学在线测量具有广泛的颗粒尺寸分布的松散物料的分散颗粒。此外，本发明涉及用于测量这类颗粒尺寸分布的装置。

背景技术

借助于专门的测量原理来检测颗粒尺寸及其分布以及测定内容物本身是已知的。例如，文献DE-C-19802141就示出了一种通过借助于光电测量段对产品流（Produktstrom）的光电扫描来确定颗粒尺寸分布的装置。其中所述图像检测装置包含多个光电图像采集设备。这种装置适合于测量具有大于100μm的颗粒尺寸的颗粒。这种装置及测量方法的缺陷在于，主要对于颗粒尺寸小于100μm的较小颗粒来说，测量成本和/或测量误差随着颗粒尺寸的减小而显著增加。对此的原因可能为例如光学分辨率不足、颗粒轮廓的光学失真、景深不足、由于光衍射或光散射效应和/或运动模糊

造成的干扰。

同样，通过激光衍射或激光散射来检测颗粒的装置也是已知的。通过其能够良好地检测具有约为1μm至约100μm的颗粒尺寸的小颗粒。与此相反，对于实时检测较大颗粒（主要是具有1mm以上颗粒尺寸）来说，不利之处在于成本较高、在此范围内测量精确度较低（特别是对于明显异于球形的颗粒而言）、以及该测量方法的信息含量较低。尤其是，仅仅能够对与投影面积相关的颗粒尺寸分布及颗粒密度进行部分测量。缺乏在图像处理时所测得的那样的关于颗粒详细轮廓的信息。颜色、速度或者其它颗粒特性同样不能借助于激光衍射测定。

根据现有技术，对测量值的检测仅借助于单一的测量原理进行，这限制了应用领域和/或要求较高的成本。

发明内容

因此，本发明的目的在于，研发一种用于确定颗粒尺寸分布的方法，尤其是用于光学测量颗粒尺寸分布的方法，所述方法避免了现有技术中的缺点，并且尤其实现了在松散物料处理中对分布于多个数量级上的颗粒尺寸分布进行集成的在线测量。

该目的通过用于确定颗粒尺寸分布的方法来解决，所述方法至少包含以下步骤：

a）借助生产方法来生产含颗粒的产品流或者制备含颗粒的产品流，所述产品流通过生产方法生产，

b）通过至少对颗粒的一部分检测来生成测量数据，其中，所述测量数据至少对借助于至少两种不同的光学测量方法通过光学检测颗粒的部分而生成，

c）根据步骤b）中光学检测到的测量数据来确定颗粒的所述部分的至少一个特性，其中，至少一个特性是颗粒的所述部分的尺寸分布。

所述生产方法选自包含粉碎、清洗、分离、混合及凝集方法的组，或其中的任意组合。对于所述粉碎方法例如可采用碾磨方法。

本发明至少一种光学测量方法包括对颗粒的所述部分的衍射图像的检测。

与仅借助单一的光学测量方法所能检测的相比，同时借助于至少两个不同的光学测量方法的检测能够实现对更大范围的颗粒尺寸的测量。这样，借助于本发明的方法能够对大致不超过四个颗粒数量级范围的颗粒尺寸分布进行检测。例如可检测在2μm至20mm范围内的颗粒尺寸，优选为5μm至5mm的范围内。本发明对衍射图像的检测主要允许测量特别小的颗粒尺寸。由此实现了对产品流中的颗粒尺寸及其分布的更好的表达能力

这还能够实现对含颗粒的松散物料、尤其是谷物碾磨制品的生产及加工参数的有目的的调整。

所述测量优选在线进行。所述测量在这里及在下文中理解为集成在工序中。所述测量尤其在空间上紧邻所述工序进行。

所述方法例如可在以下领域中应用：

-谷物加工、研磨业（尤其是对小麦、硬质小麦、黑麦、玉米和/或大麦的研磨）或特种研磨业（尤其是对黄豆、荞麦，大麦、斯卑尔脱小麦、小米/高粱、假谷物和/或豆类进行脱壳和研磨）的谷物研磨产品及谷物终产品；

-生产用于牲畜和宠物、鱼类和甲壳类动物的饲料；

-加工油料果实；

-加工生物及生产能源作物（Energiepellet）；

-工业化麦芽加工-及粗磨设备；

-加工可可豆、坚果及咖啡豆；

-生产建筑材料；

-生产肥料；

-制药产业；

-固体材料化学。

优选地，从在步骤a）中生产的或制备的产品流中提取含颗粒的样品，其中，在步骤b）中对该样品中的颗粒进行光学检测。在该实施方式中不是必须在产品流中对颗粒进行测量。取而代之地，步骤b）中的实际测量是在提取的样品处进行的，这样能够最大限度地对实行所述测量方法的测量装置的空间布置进行简化。

在可能的实施方案中，样品的提取能够在沉降管中进行，例如借助于蜗壳（Schneckenschale）进行。提取在时间上可以是脉冲的。所述样品相对整个产品流的份额可以为0.01%至10%。由此，能够可近似连续地、无暂存地提供代表性的局部物料流。

在一些实施方案中，在进行步骤b）中的实际测量之前，所述样品可被计量、分离和/或分散。所述计量确保了正确的产品量被尽可能低脉冲地提供给测量装置。然而，在分离和分散时，例如根据文氏管原理，在一些情况中可不再调整产品流。在此，产品可利用压缩空气及其它从周围环境吸入的空气被稀释，以致所有颗粒都单独存在，并且由此也可被单独探测。第二步骤可分离于计量而进行优化，以便能够根据性质（例如颗粒间的附着力的强度）强度不同地分离产品。所述分离和粉碎的过渡是连续的。所述分离和扩散在某些情况下可被看作不可分的步骤。

在优选的实施方案中，步骤b）中的测量方法之一至少包括对颗粒部分的投影面积的检测。然后所述投影面积的颗粒轮廓可借助于颗粒轮廓处理来处理。

优选地，颗粒部分的至少一个粗馏物的尺寸分布的确定借助于颗粒轮廓处理进行，尤其是在10μm至30000μm的尺寸范围中，优选50μm至20000μm，特别优选90μm至10000μm。

同样优选地，颗粒部分的至少一个精馏物的尺寸分布的确定借助于激光衍射进行，尤其是在0.1μm至300μm的尺寸范围中，优选1μm至300μm，特别优选5μm至200μm。

在一些实施方案中，除了颗粒部分的尺寸分布之外，还能够根据光学测得的测量数据确定颗粒部分的形状、形状系数、颜色、颜色分量和/或速度。所述形状系数将颗粒的任意的复杂轮廓缩减为一个值。形状系数例如可以是用于颗粒的“圆度”的尺度，并且应该能够被定义为等面积圆的直径与等周长圆的直径的比值（Quotient）。一般的形状结构例如为“细长形”、“短粗形”、“球形”、“凸形”和“环形”。小块和淀粉颗粒例如可由此区分，即小块的环形（圆度）更明显偏离了球的值。

颜色和/或颜色分量例如可借助于颜色传感器确定，尤其是借助于彩色图像传感器。例如在国际专利申请文献PCT/EP2009/055877中描述了一种借助于彩色图像传感器用于确定碾磨物特征的系统和方法。这种彩色图像传感器能够将颜色信息应用于碾磨物流的颗粒的特征确定，其方式为所述颗粒借助于自其发射的电磁辐射在彩色图像传感器上成像，所述彩色图像传感器随后在其传感器图像元件上光谱选择地检测电磁辐射。所述彩色图像传感器优选为CCD传感器，利用所述传感器能够将以下描述的方法转换用于颗粒的速度测量。

尤其是可使用入射光照明和透射光照明的组合。这能够使得，尤其是也对于快速的（例如具有约200μm的直径及约20m/s的速度）颗粒可通过入射光照明获得颜色信息，并且通过透射光获得相对于单纯反射照明来说更高的轮廓清晰度。比如在文献PCT/EP2009/055877中描述了这种入射光和透射光照明的组合。

特别的，借助于实时分析能够确定这些特性（形状、形状系数、颜色、颜色分量和/或速度）中的一个或多个。

可选地，可在步骤c）之后对在步骤c）中获得的颗粒部分的特性进行标定，也就是通过相应的技术手段进行数据准备和特性比较。在这种标定时，将一开始利用激光衍射和轮廓处理分别确定的颗粒尺寸汇总为一个在整个测量区域上的共同分布。根据第一方法，可使用通过该两种测量方法生成的测量数据的重叠区域，以便对这两种颗粒尺寸分布进行标准化及统一。根据第二方法，可对通过两种测量方法生成的测量数据的总面积分布进行测量，并且与相应的测量体积一起被应用于分布的标准化。

这两种方法的结果是与投影面积相关的分布，所述分布相异于技术上相应的质量分布。在此可使用“工艺Know How”，以便定义适当的换算。外壳部分例如最好为片状，而粉末颗粒最好为球状。其在将面积分布换算为质量分布时可予以考虑，其中例如基于颜色或形状系数区分粉末和外壳部分并作其他评估。

此外可设想的是，考虑碾磨设备对外壳部分的形状的影响。碾磨设备的沟纹，特别是碾磨间隙确定了例如之前为片状的外壳部分的平均厚度。

所述方法可被应用于机器、组合机器、工序和/或设备的优化、调节、尤其是在线调节、建模、模拟、监控、尤其是在线监控、故障识别、故障诊断、质量控制和/或反向追踪性能。例如在国际专利申请文献PCT/EP2009/058351中对这类方法进行了描述。

同样可选择地，尤其是由至少一个测量装置测得的测量数据、尤其是由至少一个光学测量装置测得的测量数据可被存档。从存档的测量数据中可推导出用于运行和/或配置单个或多个机器和/或设备和/或工序的参数、规则和结论。例如，整个碾磨机的行为并不能完全通过单个机器的大量且复杂的相互作用来说明。但是，为了能够实现整个设备的调节，可应用自学和/或基于经验的调节。为此，传感器的测量信号可大致与整个碾磨机的所期望的或不期望的状态相关联，并被存档在数据库中。这样一个数据库可作为调节算法的基础，所述调节算法有目的地避免了所不期望的碾磨状态。在国际申请文献PCT/EP2009/058351中示例性地描述了这类具有局部和/或整体调节系统的设备。

此外，可选地，能够将测量装置的原始测量数据和/或从这些原始测量数据中制备的数据作为经验值应用在自适应系统中、例如神经元网络中，尤其是用于控制和/或调节机器和/或设备和/或工序。例如，神经元网络应可使用上述存档的测量数据。也可借助于所谓的“模糊控制”使用这些测量数据。测量数据应能作为经处理的数据（例如自两个测量方法推导出的一个颗粒质量分布）或者以经较少处理的状态（例如两个独立的面积分布）被存档。

此外，可选性地，能够将测量装置的原始测量数据或测量装置的并未被完全处理成颗粒尺寸分布的测量数据、尤其是通过多个单独测量平均得出的激光衍射光谱，直接用于调节。

从通过所述方法摄取到的衍射图像中，可大致通过围绕图像中心的圆形积分计算出激光衍射光谱。这说明，多少光量被衍射多远。对于恒定的颗粒尺寸分布，衍射光谱或者说其通过足够量的单个测量平均得出的平均值也是恒定的。过强的碾磨产生更细微的颗粒，并且由此导致过强的激光衍射，也即在更大半径时的更多光能。相反，过弱的碾磨导致更弱的激光衍射。所述激光衍射光谱也可直接应用于调节（例如两个压辊之间碾磨间隙的宽度），而不需重建原来的颗粒尺寸分布。最后的步骤需要大量计算时间，并且可能导致数学上的错误或者说对调节有负面影响的不精确度。基于激光衍射光谱的调节可避免所述问题。

在一些实施方案中，根据在步骤c）中确定的特性、尤其是根据颗粒部分的尺寸分布，对生产方法的至少一个工序参数进行控制和/或调节。尤其是至少一个工序参数可被这样控制和/或调节，使得由此颗粒的尺寸分布被改变。因此可将实际尺寸分布调节为预定的额定尺寸分布。

特别对粉碎方法、也即例如碾磨方法的情况而言，至少一个工序参数可以是至少一个碾磨间隙的宽度、至少一个碾磨体的转数、两个碾磨体的转数比、碾磨体和/或碾磨辊的几何结构和/或待碾磨产品的进料质量。所述碾磨辊的几何结构例如可包含其沟纹。

在所述方法的一种改进方案中，基于颗粒或者说颗粒尺寸等级在测量装置的测量区域中的不同停留概率，能够将用于颗粒尺寸等级的单个颗粒的速度测量，或在整个或部分范围的测量区域中的局部平均速度测量应用于修正颗粒尺寸分布。由此，与已知方法相比，能够提高测量精确度及可靠性。

在具有广泛的颗粒尺寸分布的两相流体中，颗粒速度通常与颗粒尺寸、颗粒形状和比重相关。在加速流体中，例如较大颗粒由于其大多较大的质量具有比较小颗粒更小的速度。所述颗粒速度确定了颗粒在测量区域中的停留时间及由此直接确定颗粒的检测概率。为了考虑到这些，可对光学确定的颗粒尺寸分布进行与此相关的修正。此处，相对速度或绝对速度可被确定而用于单个颗粒，或者至少取其平均值而用于每种相关的颗粒尺寸等级。每种颗粒尺寸等级的评估是由颗粒速度和颗粒尺寸的函数（例如投影面积、直径或估计的体积）得出的。物体速度的确定与其本身颗粒轮廓识别的结合是现有技术。由此，可直接测量大颗粒的速度分布。通过衍射、尤其是通过激光衍射测得的尺寸分布的细微组分则由于较小的颗粒大小和质量而具有几乎恒定的速度。后者可通过速度测量中的外插法借助颗粒轮廓处理来确定。

光学检测到的具有零速度的物体是例如光学误差或视窗划痕或位置固定的或缓慢蠕动的污染物（具有明显小于1m/s的速度）、比如附着的颗粒或颗粒内含物，就像在谷物制品的情况中的诸如蛋白质或油脂。这些并不是所探寻的颗粒尺寸分布的部分。通过大致如上所述的速度修正可将其自动评估为0，并且由此不改变颗粒尺寸分布的结果。

可选地，在颗粒轮廓处理时可借助单独的算法从测量数据中过滤出静止或蠕动物体。为此，例如可取代一个简单的图像，而对两个由传感器测得的图像、尤其是两个直接前后相继的图像的数值差异进行分析。由此，位置固定的缺损或近似位置固定的污染物自动减少，并且在差分图中不再可见。可选地，能够将具有近似恒定的尺寸和位置的频繁出现的颗粒作为缺损而识别并摒弃。此外，可优选地建立具有有关像素和目标的动态清单，用于过滤测量结果。

可选地，及也适用于激光衍射地，能够通过短暂地关停产品流（例如通过停止取样蜗壳），以有规律的时间间隔对无产品流的背景进行重新认识，并且将其应用于对原始数据的连续相匹配的修正。

可选地，为了认识实时的背景以对激光衍射光谱进行修正，可周期性地关停产品流。

此外，本发明涉及用于确定颗粒尺寸分布、尤其是用于执行上述本发明的方法的装置。

所述装置包括：

-生产装置，用于借助于生产方法生产含颗粒的产品流，和/或制备装置，用于制备含颗粒的产品流，所述产品流借助于该生产方法生产，

-至少两个测量装置，用于检测颗粒的至少一部分，和

-计算单元，用于根据由光学测量装置测得的测量数据来确定颗粒部分的至少一个特性。

所述生产方法选自包含粉碎、清洗、分离、混合及凝集的方法的组。所述测量装置中至少有两个被构造为两个不同的光学测量装置用于颗粒部分的光学检测。至少一个经计算确定的颗粒部分的特性是颗粒部分的尺寸分布。

本发明构造了至少一个光学测量装置以用于颗粒的衍射图像的检测。基于该构型，借助这种装置可实现已经在上面结合本发明方法描述过的有益效果。

所述装置可具有用于从产品流中提取样品的取样装置。可选地或附加地，该装置可具有用于将样品传送到测量区域的传送装置。在此，测量装置的这种构造及布置，使得样品借助于测量装置可在测量区域中被光学检测。

所述取样装置可被构造为取样蜗杆。借助于这种取样蜗杆可从产品流、例如松散物料流中提取样品。所述样品取样可局部地并优选局部兼暂时相结合地进行。在局部取样时，仅从部分产品流中提取产品。这可通过插入管中的取样蜗杆实现，其中仅提取落到取样蜗杆上的产品。此处，所述取样蜗杆可位置固定地或者优选可摆动地实施。

暂时地取样是说，所有产品并不是连续地、而仅是短暂地被提取。该工序会重复进行。当该工序连续地并且足够稳定地进行时，被提取的模型对于在采样前后的时间点来说也具有充分的代表性。

在本发明范围中，用于从产品流中提取样品的取样装置优选包含蜗壳，所述蜗壳至少部分地设置或可设置在流体管路中，产品流在所述流体管路中流动。所述流体管路可例如是沉降管路。此外，所述取样装置包括取样蜗杆，所述蜗杆被至少部分地容纳在蜗壳中。所述取样蜗杆用于提取样品。

所述蜗壳和/或取样蜗杆可选择性地进入到接收位置或待命位置中。在此，在接收位置中，产品流中含有的颗粒可被容纳在蜗壳中，并且由此可借助取样蜗杆从产品流中提取出来。相反在待命位置中，产品流中含有的颗粒不会被容纳进蜗壳中。通过对接收位置或待命位置的选择，即可调节是否可借助于取样蜗杆提取颗粒。特别地，所述取样蜗杆还可在待命位置上继续转动，而不会使其他颗粒进入到蜗壳中。也就是说，所述取样蜗杆在彼此相继的采样之间不能停顿。

在一些实施方案中，取样蜗杆和蜗壳能够被可运动地、尤其是可摆动地支承，并且在待命位置上可被布置在产品流之外。在该待命位置上，所述取样蜗杆可输送已经存在的产品，但是并不容纳新的产品。为了取样，取样蜗杆和蜗壳可随后摆动到产品流中，直到蜗杆被充满。封闭套筒在该实施方案中不是必需的。

优选地，所述取样装置包括封闭装置，蜗壳和/或取样蜗杆可借助所述封闭装置可选择地进入接收位置中或准备位置中。在接收位置中封闭装置可打开蜗壳，以形成接收位置。在待命位置中封闭机构可封闭蜗壳，已形成封闭位置。

优选地，蜗壳基本上被构造为槽状，并且封闭装置优选被构造为封闭套筒。此外，优选地，所述封闭套筒可围绕轴线相对于蜗壳转动，所述轴线平行于取样蜗杆的转动轴线地延伸，或者与其相一致。通过设置封闭套筒与蜗壳之间的相对角度，可选择性地设置接收位置或待命位置。这种构型是特别简单的。

可选地，可运动的导向板、管路转接器（Rohrweiche）或类似物也可应用于接收位置及准备位置的选择性的设置。

此外，所述装置可包含用于分离和/或分散样品的装置。由此，在大的取样分配时也保证了有代表性的取样，以及产品持续强制传送。当测量装置中的一个仅可分析整个产品流中的一小部分（例如1/10至1/10000）时，应该是有利的。借助于取样分配可相应地减少产品数量。

此外，多个可提取样品的产品取样位置也是可行的。所述装置的应用还可实现不同产品取样位置之间的转换，例如对轧机机架中辊的平行度的调节。

优选地，至少一个光学测量装置被构造用于检测颗粒的投影面积。

同样优选地，测量装置中的至少两个、尤其是一个用于检测颗粒衍射图像的光学测量装置和另一个光学测量装置，在空间上被彼此靠近地布置。一方面，这样允许所述测量在两个空间上彼此相近的或者甚至相同的光学测量区域中进行。另一方面，由此可实现紧凑的结构。优选地，所述至少两个测量装置可被容纳在一个共同的外壳中。

在一些改进方案中，所述装置具有至少一个控制电路和/或调节电路，借助所述电路可根据由计算单元确定的特征、尤其是根据颗粒部分的尺寸分布来控制或调节生产装置的至少一个工序参数。

优选地，所述颗粒表面覆盖（即在测量区域中颗粒面积与测量面积的平均比率）在测量区域中基本上保持恒定，以便避免对测量结果可能的影响。这例如可如下地实现：在每个图像中测量及由此得知所有颗粒的投影面积（即颗粒面积）。这是对多个图像平均得出的。所述测量面积（即图像尺寸）是固定的且同样已知。所述装置由此计算相应的颗粒表面覆盖，并可将其提供作为调节的实际值（例如作为模拟值）使用。计量单元（例如蜗杆）可根据与该实际值的偏差提高或降低输送量。这可通过调整蜗杆转数或通过改变其填充率来解决。所述填充率又可通过时间上取样分配的节奏来直接控制和/或调节。

优选地，所述比例范围恒定地保持在0.2%至5%。此外，颗粒表面覆盖的实际及额定值可被用作调节时间上的取样分配的输入变量。

在其他实施方案中可能的是，所述装置还具有其它的用于检测颗粒的至少一部分的测量装置。这些其它的测量装置不一定必须为光学传感器；取而代之地，所述装置也可包含至少一个电感的、电容的、超声波的、近红外光的和/或颜色的传感器。由此例如可确定颗粒部分的形状、形状系数、颜色、颜色分量和/或速度。

所述颜色传感器可被构造为彩色图像传感器。例如在国际专利申请文献PCT/EP2009/055877中描述了借助于彩色图像传感器进行碾磨物特征确定的系统和方法。这种彩色图像传感器可实现将颜色信息应用于对碾磨物流的颗粒的特征确定，其方式是，所述颗粒借助于自其发射的电磁辐射在彩色图像传感器上成像，所述彩色图像传感器随后在其传感器图像元件上光谱选择地检测电磁辐射。

这些光学测量装置的至少一个可设有视窗，通过所述视窗可在测量区域中检测颗粒。

视窗的清洁度决定了测量质量。为了使颗粒在视窗上的附着最小化，窗面材料和/或窗面表面结构优选这样选择，使得物理和/或化学的附着力例如范德华力、氢键、分子间作用力和/或液体表面张力尽可能地小。

优选地，所述视窗可含导电玻璃或透明塑料，或由其构成。由此，可明显地降低或者甚至完全避免静电致颗粒附着。为此可优选地使用被导电涂覆的视窗。在此，可将玻璃或塑料涂覆到通道的内侧，在所述通道中传导颗粒部分。所述涂层例如可包括含铟锡氧化物、基于二氧化硅的材料或TiO₂（优选亚化学计量的O）的薄膜，或由其制成。

因此，本发明还涉及至少部分导电的、尤其是设有导电涂层的透明材料作为视窗的应用，以减小在视窗上的静电致颗粒附着。尤其是可涉及在光学测量装置中作为视窗的应用。该透明材料可大致包含玻璃或透明塑料，或者由其构成。

附加地，可通过加热、冷却或交替地加热和冷却来改变附着物的材料特性并由此使污染最小化。通过振动该或这些视窗、例如通过压电元件可附加地或可选地克服颗粒附着力，并由此使视窗实现更高的清洁度。

可选地或附加地，在本发明的方法中可不同产品的颗粒速度进行设置，使得视窗的污染尽可能地小。较高的速度减小了在视窗通道内侧上的流体力学边界层厚度，并由此导致在运动和附着的颗粒之间更高的剪切力和能量充沛的碰撞。由此，随着上升的流体速度得到了提高的自清洁效应。对于精细产品例如面粉，以及大于10m/s的平均流体速度结合以导电涂覆的视窗来说，自清洁效应占主导地位并且导致了足够清洁的视窗。

相反，较粗的颗粒例如全粒谷物对高的颗粒速度可能是不利的，因为与微细颗粒相比，较粗颗粒相对于视窗发生碰撞时时通过更高的惯性力可在视窗上产生更牢固的物料积聚。这种效应出现在谷物生产中、特别是对于高油脂和/或高蛋白质的颗粒表面，并且使视窗的光学特性变差。此外，更高的惯性力加速了构件和视窗的磨损。与更高速度时有利的自清洁效应相比，这些不利影响更占优势，使得在该方法的一些实施方案中优选更小的速度，尤其是小于20m/s、优选小于15m/s、特别优选小于10m/s的速度。

可选地或附加地，也可通过通道的几何结构来设置产品的传送，在所述通道中传送颗粒部分，从而使颗粒没有或者仅仅偶尔与视窗形成接触，并且由此避免了颗粒附着。为此，例如可通过阶跃式的通道扩宽借助于通风空气形成无颗粒的边界层并使边界层中的湍流最小化。在此，所述通风空气可从阶台上方和/或下方吹入，从而使视窗被更清洁的（也就是无颗粒的）通风空气遮蔽，并避免复回流。

可选或附加地，可通过连续的通道扩宽借助多孔的侧壁和通过所述多孔壁的均匀的空气输入而形成无颗粒的边界层。

同样可选或附加地，可在用于检测衍射图像的光学测量装置中布置孔，所述孔尤其可相应于激光束的直径。此处，所述视窗可被后置。特别为环形的通风空气间隙可布置在视窗区域内，以便阻止颗粒附着在视窗上。

所述测量装置的信号可被用于优化和/或恒定地保持产品质量。此外，所述测量装置可与一个或多个粉碎单元、例如碾磨机相结合地使用，例如辊磨机、棒磨机、冲击式磨机或锤磨机。辊磨机的碾磨效果例如可通过运行中辊对之间的间隙尺寸和平行度、辊转数或辊转数比调整，使得颗粒尺寸分布和/或其它颗粒特性相应于之前确定的额定值。为了检验辊对的平行度，可通过一个运动的或至少两个位置固定的取样位置称量在不同的辊部位上的一个或多个分流，并且将它们并联地用多个测量系统或者优选串联地用一个测量系统来分析。

借助所述测量装置可对光学的、机械的和/或空气动力学的清洁或分离工序进行监视、控制和/或调节。对此，所期望的颗粒尺寸分布可通过设置机器参数如速度、转数、压力、体积流量、机器几何结构和分离装置的几何结构来实现。

可选或附加地，可使用所述装置或方法，以便确定混合工序中的进料产品和/或终产品的特性，或者对混合工序进行适当的控制和/或调节。在谷物碾磨中例如可以此方式更精确地达到面粉、麦糁、尤其是硬质小麦糁或玉米糁、或者糠的特殊的终产品质量。此外，借助于本发明的方法和/或本发明的装置在混合方法中对混合比和/或机器参数进行监测、控制和/或调节。

在凝集工序中，与例如在造粒和/或压缩凝集时一样，在凝集成液化层时和/或通过凝结，可应用本发明的装置和/或方法，以实现所期望的平均凝集尺寸或凝集尺寸分布和/或其它凝集特性。此外，在运行中还可对产品的停留时间、工序条件如温度、湿度、流体速度和/或其它机器的或工序参数进行控制、调节和/或优化。

通过在轮廓检测中使用颜色传感器，除了颗粒尺寸还可检测颗粒的部分区域的平均颜色或颜色分量。优选地，除了颜色还确定颗粒形状和/或形状系数。所述颜色信息可被用于表明关于颗粒的成分组成。由此在谷物中例如可识别出异粒、碎粒、杂质如沙子和石头或者被害虫或病原侵袭的谷粒。在谷物中间产品和谷物终产品中，可彼此区分颗粒的不同的谷粒成分。在小麦的情况中，可借助于颜色信息将白色的胚乳、褐色的谷壳部分和黄色的胚芽彼此区分开。同样，颗粒可作为混合部分被识别出，其中，可借助该方法以一定比例地检测及描述颗粒的各个部分区域。该方法特别在一些工序中被考虑到，在这些工序中，与内容物相关的有选择性的碾磨及紧随其后对内含物的分离是必要的。在国际专利申请文献PCT/EP2009/055877中描述了由彩色图像传感器的应用中得出的其它有益效果。

在具有至少两个调节参数的设备或工序中，一个或多个测量装置能够与数据存储器相结合地应用，以至少部分地描述设备或者说工序的运行状态，并且将这些状态例如定义为好或差。由此产生了能够实现对设备或工序进行监测、控制或调节的自适应系统的经验值。优选地，基于这些测量值对设备或工序的状态范围进行数学描述及插补及调节和/或优化。

为了利用调节系统优化工序，也可通过所述测量系统与另外的测量装置、例如通过电感的、电容的、超声波的、近红外线的或颜色的传感器相结合来实现对颗粒特性和/或机器状态和/或设备状态的全面探测。

所述装置可被用于工序的调节，其中调节的实际值和额定值以激光衍射的原始数据或激光衍射光谱的形式存在，由此不必一定从激光衍射的原始数据中重建颗粒尺寸分布。所述方法减少了计算成本并且优化了测量系统的信噪比。

对于精细产品、例如具有精细颗粒的面粉的调节是可能的，在所述调节中代替对于颗粒质量或投影面积的调节而直接在衍射光谱中设置。那么优选地，所述方法在至少大部分颗粒落入激光衍射的测量区域中时被应用。这仅用于微细产品（例如具有300μm的最大尺寸）的情况。对于（一般具有小于150μm尺寸的）面粉可应用该方法。

附图说明

以下将结合附图以实施例的形式本发明进行描述。在此示出了：

图1：本发明装置的立体图；

图2：根据图1的装置的包含两个光学传感器的测量装置的侧面剖视图；

图3：根据图1和2的装置的取样装置；

图4a和4b：在接收位置（a）及待命位置（b）中的、具有取样装置和封闭套筒的、根据图1的装置的取样装置；

图5：颗粒的停留概率的示意图；

图6：用于说明对速度效应修正的简图；

图7a和7b：用于阻止产品与视窗接触的装置的示意图；

图8a和8b：用于阻止产品与视窗接触的其他装置。

具体实施方式

根据图1，颗粒流在沉降管22中被垂直向下地输送。所述颗粒流包含颗粒，其可在碾磨工序中出现，例如在谷物碾磨机中经粉碎、清洁或分离工序。借助于构造为取样装置1的取样装置，在测量部位上提取颗粒的分流，并且水平地输入给分料和扩散装置8。接下来结合图2对取样进行更详细的说明。所述分料和扩散装置8本身是已知的。它例如可被构造为挡板（例如在文献WO 2006/000112中所描述的）、风扇或振动器，或者包含铲斗。

根据图2，空气流10带着容纳在其内的颗粒随后在通道9中进行层流，并被布置在外壳61内的光学测量装置4的两个光学传感器6、7所演示出来。所述光学传感器6、7构成了两种光学测量装置。在此，光学传感器6被构造用于检测颗粒的衍射图像，而光学传感器7被构造用于检测颗粒的投影面积。在示出的实施例中，光学传感器7被布置在光学传感器6的下游；但是这种顺序对于本发明并不重要。通道9的两个视窗11、11’能够实现对空气流10中颗粒的检测。传感器的光轴可垂直于流动方向被布置。此外，也可考虑与一个或两个传感器的光学垂直定向有不超过15°的偏差，以便避免反射。例如在德国专利申请文献DE 102009014080中描述了能够应用在该实施例中的两个容纳在壳体中的传感器的具体组合。

经过传感器6、7的颗粒可借助于选择性的产品回流管路被回流到主流中。

通过统一两个光学传感器6、7的测量数据可以利用不超过四个颗粒尺寸数量级的带宽来检测颗粒尺寸分布。由此，在一个外壳中综合实现了用于小颗粒的激光衍射的有益效果与用于大颗粒的颗粒轮廓检测的有益效果。

优选地，颗粒表面覆盖（即测量区域中的颗粒面积与测量面积的平均比例）在测量区域中保持恒定，以便避免对测量结果可能的影响。优选地，该比例范围被恒定地保持在0.2%至5%。此外，所述颗粒表面覆盖的实际值和额定值可被用作调节时间上的取样分配的输入变量。

图3详细示出了用于从干流中提取分流的取样装置1，所述干流流过沉降管22。所述取样装置1包含水平布置的取样蜗杆5。所述取样蜗杆5的底面被容纳在沟纹状的蜗壳12中（也可参见图4a和4b下部）。借助于取样蜗杆5的取样确保了被提取样品的代表性。

为了避免产品从蜗壳12中溢出并避免由此在小的螺旋卸料时也产生产品混合，根据图4a和4b，可借助于控制装置或调节装置例如通过一个可转动的封闭套筒3将蜗壳12的孔仅短暂地打开（图4a），从而实现了接收位置（A），并再次封闭（图4b）。封闭套筒在此可绕轴线转动，所述轴线平行于采样蜗杆5的旋转轴线地延伸。在图4b的待命位置（B）中，所述颗粒2并不会侵入到蜗壳12与封闭套筒3之间的区域中。封闭套筒3可借助在此未示出的驱动装置31被驱动。可选地，也可将可运动的导向板、管路转接器等用于打开并关闭蜗壳12的孔。

通过这类装置能够以灵活的时间间隔将局部的具有足够代表性的分流提取到蜗壳12中，并且以恒定的及与干流相比小的输送速率输入给具有光学传感器6、7的测量装置4。所述取样蜗杆5能够实现局部的样品分配，所述取样蜗杆5的封闭套筒3的封闭能够实现时间分布。通过时间上的样品分配的间隔，能够附加地使取样的分配比灵活地与工序条件相适应。通过结合样品分配方法能够实现不超过1：10000的大的取样分配比。这对于纯粹的位置上的取样分配是不可能的，因为此处的隔离导致了不具有代表性的样品。同时，提取出的产品量比在纯粹的时间上的取样分配时的要小，并且还被连续发送。代替对蜗杆的封闭，蜗杆也可从产品流中摆动出来。为此，所述取样蜗杆和蜗壳能够被可运动地、尤其是可摆动地支承，并且在待命位置中可布置在产品流之外。在待命位置中，取样蜗杆可输送已经存在的产品，但是并不容纳新的产品。为了采样，取样蜗杆和蜗壳随后可摆动到产品流中，直到蜗杆被充满。所述封闭套筒在该实施方案中并不是必要的。工序物料流的波动例如可通过控制或调节来补偿。

根据图5，在加速的流体中，例如较大颗粒41基于其大多较高的质量而具有比较小颗粒42更小的速度。由于颗粒速度决定了颗粒41、42、43在由视窗11可检测到的测量区域中的停留时间，并由此直接确定了颗粒的探测概率，则必须对光学探测到的颗粒尺寸分布进行与此相关的修正。此处，单独颗粒的相对或绝对速度或者至少每个相应的颗粒尺寸等级的平均相对或绝对速度肯定是已知的。那么对每个颗粒尺寸等级的评估可由颗粒速度和颗粒尺寸的函数（例如投影面积、直径或估计的体积）得出。由此，可直接测量较大颗粒的速度。通过激光衍射测得的分布的精细组分由于较小的颗粒尺度和质量而具有几乎恒定的速度。后者可通过速度测量中的外插法借助于颗粒轮廓处理来确定。

图6示意性地示出了被摄像系统部分地或完整地检测的产品通道。此处，颗粒n的探测概率不仅取决于在此不可见的光学传感器的图像高度H、图像长度B和帧频f而且取决于颗粒速度。

图像速度vB被定义为速度，借助于所述速度对每个沿干流方向横穿过探测体积的颗粒在测量系列的图像上进行详细检测：

v_B=f*L    （1）

例如对于L=15mm及f=50Hz得出值v_B=0.75m/s。快速的颗粒（v_i，n>v_B）被以探测概率P_m<100%进行测量，这相应于在时间上的取样分配：

P_m=v_B/v_i，n    （2）

脚标i在此表示颗粒n的颗粒尺寸等级。慢速的颗粒（v_i，n<v_B）在统计上平均以1/P_m>1进行图像探测。此处，仅仅每次第一测量改进了颗粒尺寸的统计，因此，颗粒速度应至少被选择为图像速度那样高。

公式（2）表示，P_m取决于颗粒n的单独的速度。这在确定颗粒质量-或面积分布时必须被考虑到。首要感兴趣的并不是每个图像的颗粒尺寸分布，而是各个颗粒尺寸等级的物料流分量。因此，由颗粒投影面积或者颗粒质量及速度得出的产品是颗粒尺寸统计的基础。不运动的颗粒例如在每个图像中被探测到，但是对质量流不起任何作用并且由此被评估为速度为零，并被在平衡中忽略。

当在任意数量的图像中颗粒尺寸等级为i的n_tot,i个颗粒被总共探测出投影面积a_i，n和速度v_i，n，则颗粒等级i的经修正速度的总投影面积为：

$a_{\mathrm{tot},i}=\frac{1}{v_B}\underset{n=1}{\overset{n_{\mathrm{tot},i}}{\mathrm{\&Sigma;}}}{v}_{i,n}{a}_{i,n}---\left(3\right)$

颗粒尺寸等级i的被修正的投影面积分量α_i为：

${\mathrm{\&alpha;}}_i=\frac{a_{\mathrm{tot},i}}{\underset{i=1}{\overset{i_{\max }}{\mathrm{\&Sigma;}}}{a}_{\mathrm{tot},i}}---\left(4\right)$

为了也能够考虑及适当地修正垂直于流动方向的流体特征，公式3和4优选并不相关于总通道宽度而是相关于宽度区段k（图6，垂直于干流方向而离散化）。在此，类似地适用于目前的观测：

${\mathrm{\&alpha;}}_i=\frac{\underset{k=1}{\overset{k_{\max }}{\mathrm{\&Sigma;}}}{a}_{\mathrm{tot},i,k}}{\underset{i=1}{\overset{i_{\max x}}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{k=1}{\overset{k_{\max }}{\mathrm{\&Sigma;}}}{a}_{\mathrm{tot},i,k}}$ 其中 ${\mathrm{\&alpha;}}_{\mathrm{tot},i,k}=\frac{1}{v_B}\underset{n=1}{\overset{n_{\mathrm{tot},i}}{\mathrm{\&Sigma;}}}{v}_{i,k,n}{a}_{i,k,n}---\left(5\right)$

视窗11的清洁度对于测量的质量有决定意义。为了使颗粒在视窗11上的附着最小化，这样地选择窗体材料和/或窗体表面结构，使得物理的和/或化学的附着力例如范德华力、氢键、分子间作用力和/或液体表面张力为最小。静电力也具有特别的意义，所述静电力通过在运动的松散物料与壁接触时经常出现的静电荷而被加强。静电所导致的颗粒附着可通过含导电玻璃或透明塑料的视窗而被明显降低或甚至完全避免。为此，优选使用导电涂覆的视窗，其中，在通道内侧上的玻璃或塑料例如被用含铟锡氧化物的薄膜涂覆。此外，可选地，所述涂层也可以是基于二氧化硅的材料或TiO₂（优选亚化学计量的O）。还可以通过加热、冷却或交替的加热和冷却来改变附着的材料特性及由此使污染最小化。附加地或可选地，可通过振动视窗、例如通过压电元件克服颗粒附着力及由此实现视窗的更高的清洁度。

此外，还针对不同产品对颗粒速度进行优化优化，使得视窗污染尽可能地小。较高的速度减小了在视窗的通道内侧上的流体力学上的边界层厚度，并由此导致更高的剪切力和运动的与附着的颗粒之间的能量充沛的碰撞。由此，随着上升的流体速度得到了提高的自清洁效应。对于精细产品、例如面粉，以及大于10m/s的平均流体速度结合以导电涂覆的视窗来说，所述自清洁效应占主导地位，并且导致了足够清洁的视窗。

相反，对于较粗的颗粒、例如全粒谷物来说高的颗粒速度可能是不利的，因为与微细颗粒相比，较粗颗粒相对于视窗发生碰撞时通过更高的惯性力可在视窗上出现更牢固的物料积聚。这种效应出现在谷物生产中，特别对于高油脂和/或高蛋白质的颗粒表面，并且使视窗的光学特性变差。此外，较高的惯性力加速了构件和视窗的磨损。与在更高速度时的有利的自清洁效应相比，这些不利影响可能更占优势，由此使得优选更小的速度（<15m/s）。也可通过流体通道的几何结构优化产品的传送，使得颗粒没有或者仅仅很少与视窗形成接触，并由此避免了颗粒附着。

此外，例如根据图7a，可通过阶跃式的通道扩宽借助于通风空气形成无颗粒的边界层，并使边界层中的湍流最小化。为此，产品流2通过内部通道52被传导，所述内部通道在外置的具有较大通道高度的外部通道53的内腔中终止。所述产品流2可在端部55处从内部通道52中排出。外部通道53的壁包含两个视窗11，所述视窗被布置在内部通道52的端部55的区域中。在内部通道52与外部通道53之间流过通风空气10，所述通风空气，使产品流2远离视窗11，并且因此避免其污染。

可选地，根据图7b，可通过连续的通道扩宽借助于多孔的侧壁51以及通过所述多孔侧壁51的均匀的空气输入而形成无颗粒的边界层。在示出的实施例，所述通道中被以18°的角度α扩宽。但是，当然也可考虑其它角度，优选在6°-30°。

在图8a和8b中示出的另一个变造方案中，可具有相应于激光束直径的孔，所述孔带有后置的视窗11和视窗11区域中的环形通风空气间隙85。根据图8a的立体分解图，所述通风空气通过空气通道86的空气入口81被导入，并且在环形通风空气间隙85的空气出口82处被排出。所述通风空气从那里经由孔84径向地流入通道9中（参见图8b）。在通道9的两个相向而立的侧面上分别布置了视窗11，在图8a中仅可见其中一个。所述视窗11借助盖板83固定。

根据图8b中的侧面剖视图，激光束L传导穿过两个相向而立的的视窗11、孔84和通道9，以及在其中传送的产品流。由于穿过空气出口82和孔84在通道9的方向上流动的通风空气，包含在产品流中的颗粒并不会到达视窗11，而避免其污染。

Claims (15)

1.用于确定颗粒尺寸分布的方法，其特征在于下述步骤：

a）借助生产方法来生产含颗粒的产品流或者制备含颗粒的产品流，所述产品流通过生产方法生产，其中所述生产方法选自含粉碎、清洁、分离、混合和凝集的方法的组，或它们的任意组合，

b）通过至少对颗粒的一部分检测来生成测量数据，其中，所述测量数据至少借助于至少两种不同的光学测量方法通过光学检测颗粒的所述部分而生成，

c）根据步骤b）中光学检测到的测量数据来确定颗粒的所述部分的至少一个特性，其中，至少一个特性是颗粒的所述部分的尺寸分布，

其特征在于，至少一种光学测量方法包括对颗粒的所述部分的衍射图像的检测。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，从由步骤a）中生产或制备的产品流中提取包含颗粒的样品，并在步骤b）中对所述样品中的颗粒进行光学检测。

3.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，至少一种所述测量方法在步骤b）中包括对颗粒投影面积的检测。

4.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在步骤c）中确定的特性包括颗粒的所述部分的形状、形状系数、颜色、颜色分量和/或速度。

5.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述生产方法是粉碎方法、尤其是碾磨方法。

6.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述生产方法的至少一个工序参数是根据步骤c）中确定的特性、尤其是根据颗粒的所述部分的尺寸分布来控制和/或调节的。

7.用于确定颗粒尺寸分布的装置，尤其是用于执行根据权利要求1至6中任一项所述的方法，包括

-生产装置，用于借助于生产方法生产含颗粒的产品流，和/或制备装置，用于制备含颗粒的产品流，所述产品流借助于生产方法生产，其中，所述生产方法选自含粉碎、清洗、分离、混合和凝集的方法的组，

-至少两个测量装置，用于检测颗粒的至少一部分，其中，至少两个测量装置被构造为两个用于光学检测颗粒的所述部分的不同的光学测量装置（6、7），

-计算单元，用于根据由光学测量装置获得的测量数据来确定颗粒的所述部分的至少一个特性，其中，至少一个特性是颗粒的所述部分的尺寸分布，

其特征在于，至少一个光学测量装置（6）被构造用于检测颗粒的衍射图像。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述装置具有用于从产品流中提取样品的取样装置和用于将样品传送到测量区域的传送装置，其中，所述测量装置的构造及布置使得样品能够借助于所述测量装置在测量区域中被光学检测。

9.根据权利要求7或8所述的装置，其特征在于，至少一个光学测量装置（7）被构造用于检测颗粒的投影面积。

10.根据权利要求7至9中任一项所述的装置，其特征在于，至少一个所述测量装置被构造为电感的、电容的、超声波的、近红外线的和/或颜色的传感器。

11.根据权利要求7至10中任一项所述的装置，其特征在于通过至少一个控制电路和/或调节电路，根据计算单元确定的特性、尤其是根据颗粒的所述部分的尺寸分布，对所述生产装置的至少一个工序参数进行控制或调节。

12.用于从在流体管路中输送的产品流中提取样品的取样装置（1），尤其是在根据权利要求2至6中任一项所述的方法中和/或在根据权利要求7至11中任一项所述的装置中，包含

-蜗壳（12），所述蜗壳至少被部分地布置或可布置在流体管路中，

-至少部分地容纳在蜗壳（12）中用于提取样品的取样蜗杆（5），

其特征在于，所述蜗壳（12）和/或取样蜗杆（5）能够选择性地进入接收位置（A）或进入待命位置（B）中，其中，

-在所述接收位置（A）上，包含在产品流中的颗粒（2）能够被容纳在蜗壳（12）中，并且

-在准备位置（B）上，包含在产品流中的颗粒（2）不能够被容纳在蜗壳（12）中。

13.根据权利要求12所述的取样装置（1），其特征在于，所述取样装置（1）具有封闭装置，借助于所述封闭装置，蜗壳（12）和/或取样蜗杆（12）能够选择性地进入到接收位置（A）中或进入到待命位置（B）中。

14.根据权利要求13所述的取样装置（1），其特征在于，

-所述蜗壳（12）基本上被构造为槽状，

-所述封闭机构被构造为封闭套筒（3），所述封闭套筒能够绕轴线相对于蜗壳（12）转动，所述轴线平行于取样蜗杆（5）的转动轴线延伸或与其重合。

15.至少部分导电的、尤其是设有导电涂层的透明材料被作为视窗（11）的应用，尤其是在光学测量装置（6，7）中，以减小视窗（11）上的静电颗粒附着。

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