CZ309660B6 - Způsob měření distribuce prachových částic v prostoru a času a zařízení k provádění tohoto způsobu - Google Patents

Abstract

Způsob měření distribuce prachových částic v prostoru a času, kdy se postupně provedou následující kroky: a) je do měřeného prostoru se vhání plynné médium, b) prostor se nasvítí laserovým paprskem, c) vytvoří se digitální obraz laserem nasvícených prachových částic, d) digitální obraz se převede do maticové podoby, e) provede se korekce pozadí na soustavné chyby, f) provede se prahování a binarizace maticové podoby obrazu, g) provede se prohledání maticové podoby obrazu a vyhledají se oblasti odpovídající nasvíceným prachovým částicím, h) provede se výpočet velikosti nalezených oblastí a i) vypočtené hodnoty se převedou do databáze velikostí prachových částic. Zařízení pro provádění uvedeného způsobu, které je tvořeno za sebou uspořádaným oběhovým ventilátorem (2), laserem (3) a digitální kamerou (4) s optikou, vyhodnocovacím zařízením (5), kde ve vyhodnocovacím zařízení (5) jsou integrovány algoritmy pro korekci pozadí na soustavné chyby, pro prahování a binarizaci obrazu v maticové podobě, pro prohledání maticové podoby obrazu a vyhledání oblastí odpovídajících nasvíceným prachovým částicím a převod do databáze velikostí prachových částic. Digitální kamera (4) je s vyhodnocovacím zařízením (5) obousměrně propojena.

Description

Způsob měření distribuce prachových částic v prostoru a času a zařízení k provádění tohoto způsobu

Oblast techniky

Vynález spadá do oblasti digitálního zpracování obrazu a oblasti senzoriky.

Dosavadní stav techniky

Zařízení pro vyhodnocení digitálního obrazu, resp. zařízení, které pro svůj účel zpracovávají digitální obraz, je mnoho typů. Nejčastěji je možné se s nimi setkat v průmyslovém prostředí, kdy takové zařízení hodnotí například povrch výrobků a hledá povrchové vady, kontroluje průměr děr, pozici drážek, hloubku výbrusů, výslednou barvu výrobků apod. Cílem je obvykle nahradit lidský faktor při repetitivním hodnocení některého z ukazatelů kvality výrobků. Strojové hodnocení je obecně objektivnější, nezávislé na denní době a množství odpracovaných hodin. Bohužel strojové hodnocení je objektivní pouze a jen v případě, že pracuje v neměnných pracovních podmínkách, které se maximálně blíží podmínkám při kalibraci stroje. V případě změny například intenzity okolního osvětlení může dojít k posunu prahu jasností nastavených vnitřně algoritmem a zařízení začne, např. přehlížet vady, nebo generovat falešné detekce apod. Takové stavy je poté nutné validovat ručně a opět se do procesu hodnocení kvality zapojuje lidský faktor. Tyto stavy jsou samozřejmě nechtěné a prodražují a zpomalují výrobu. V případě využití zařízení pro kontrolu kvality pomocí hodnocení digitálního obrazu je tedy vždy cíleno na co největší robustnost nejen mechanických prvků, ale i ovládacího a vyhodnocovacího algoritmu. Uvedený způsob zpracování obrazu je popsán například v patentu CZ 308988.

Speciální aplikací v uvedené oblasti je detekce prachových částic. Prachové částice jsou v dnešní době v oblasti zájmu jak z hlediska životního prostředí, tak z hlediska zdravotního dopadu na obyvatele. Prachové částice (známé též jako PM, z anglického particulate matter) jsou kategorizovány dle jejich velikostí, protože právě jejich velikost má přímý dopad na zdraví.

Hlavními složkami PM jsou sírany, dusičnany, amoniak, chlorid sodný, černý uhlík, minerální prach a voda. Částice o průměru 10 pm nebo menším jsou z pohledu vlivu na zdraví člověka nejškodlivější, protože tak malé částice mohou proniknout prostřednictvím plic do krevního oběhu. Světová zdravotnická organizace (WHO) označila PM šířící se vzduchem jako karcinogen skupiny 1. Dosavadní studie ukázaly, že neexistuje žádná bezpečná úroveň expozice PM a při jakémkoliv zvýšení koncentrace PM ve vzduchu se výskyt rakoviny proporcionálně zvyšuje.

Obvykle je možné se setkat se senzory prachových částic detekujících částice ve velikostech PM1.0, PM2.5, PM4, PM10 apod. Tomu odpovídají absolutní rozměry částic 0,3 až 1,0 pm, 0,3 až 2,5 pm, 0,3 až 4,0 pm, 0,3 až 10 pm apod.

Jednotlivé snímače detekují PM v daném intervalu velikostí, resp. detekují počet částic dané velikosti v určitém čase. Pokud je potřeba detekovat velikosti každé jednotlivé částice, je nutné seskupovat větší množství různých senzorů a jejich výstupy porovnávat. Na tomto principu jsou založeny vynálezy popsané například v patentových přihláškách JPH 09243547 a JP 2000214071, kde v JPH 09243547 je uveden způsob detekce prosvěcováním kapaliny/plynu laserovým paprskem za vzniku difrakčního rozptylu na prachových částicích. Rozptýlené světlo je soustřeďováno pomocí přední a zadní soustavy čoček do optického předzesilovače, zesilovače a detektoru. Analogový detektor je digitalizován, za účelem numerického zpracování dat. JP 2000214071 je založen také na rozptylu světla laserového paprsku na prachové částici, ale využívá soustavy čoček se štěrbinou a jediný fotodetektor v podobě fotodiody s optickými filtry. Rozptýlené světlo generuje ve fotodiodě proud. Počet proudových impulzů odpovídá počtu prachových částic procházejících tunelem/snímačem. Jiné řešení je popsáno v přihlášce

- 1 CZ 309660 B6

JPH 09101252, kde je využito principu difrakčního lomu světla na prachových částicích. Laserový paprsek je koncentrován pomocí čočky do koherentního svazku. Dopadem na prachovou částici dojde k difrakci světla a čočka za oblastí prachových částic zaostří difrakci na detektor. Ten se skládá z kruhových optických detektorů, které vytvářejí informaci o prachové částici.

Uvedené způsoby nejsou příliš efektivní a vnášejí do měřicího řetězce chyby. Na PM, jsou-li osvětleny, dochází k rozptylu na ně dopadajícího světla. Vlastnosti světla rozptýleného na částicích využívají senzory k měření jejich počtu, velikosti a koncentrace. Základní komponenty jsou zdroj světla namířený do oblasti detekce v detekční komoře, detektor měřící světlo rozptýlené částicí a elektronické obvody, které zpracovávají a analyzují výstup z detektoru.

Senzory obsahují oběhový ventilátor, tunel pro vedení plynného média s obsahem prachových částic, detekční komoru, elektronické vyhodnocovací zařízení a periferii pro komunikaci s okolím.

Oběhový ventilátor je elektromechanická součástka, která zabezpečuje v čase konstantní (co možná nejvíce) tok plynného média. Oběhový ventilátor určuje, kolik média projde senzorem.

Detekční komora je oblast uvnitř senzoru, která je obvykle zatemněná, a obsahuje zdroj světla, obvykle laserový paprsek, který nasvěcuje plynné médium. Jejím účelem je odstínit vnější vlivy a zvýšit tak odstup signálu od užitečného signálu.

Vyhodnocovací zařízení je obvykle realizováno elektronickými obvody, které měří intenzitu a délku světelného záblesku, generovaného prachovou částicí (PM), osvětlenou intenzivním zdrojem světla (LED, LASER). Jeho účelem je vyhodnocovat a prezentovat výsledky měření externím zařízením.

Podstata vynálezu

Podstatou vynálezu je měření distribuce prachových částic v prostoru a času a zařízení k provádění tohoto způsobu. Zařízení (obrázek 1) obsahuje otvor pro vstup plynného média s obsahem prachových částic, oběhový ventilátor, vedení, resp. tunel pro usměrnění média, detekční komoru s laserovým paprskem, digitální kameru s optikou, vyhodnocovací zařízení na bázi osobního počítače a databázi vyhodnocených dat, resp. četnosti výskytu prachových částic v čase a jejich velikosti. Pojmem tunel je v tomto vynálezu myšlena dutá část zařízení, kterou prochází plynné médium od vstupu do zařízení, přes ventilátor a detekční komorou až po výstup.

Oběhový ventilátor zajišťuje konstantní průtok plynného média zařízením. Je možné ho řídit s cílem ovlivnění rychlosti proudění média, resp. jeho průtočného objemu. Charakter průtoku média tunelem je za oběhovým ventilátorem majoritně turbulentní, postupně se stává majoritně laminární.

Podstatou způsobu je provedení následujících kroků:

a) vehnání plynného média do měřicího prostoru,

b) nasvícení prostoru laserovým paprskem,

c) vytvoření digitálního obrazu laserem nasvícených prachových částic,

d) převedení digitálního obrazu do maticové podoby,

e) provedení korekce pozadí na soustavné chyby,

f) provedení prahování a binarizace maticové podoby obrazu, g prohledání maticové podoby obrazu a vyhledání oblasti odpovídající nasvíceným prachovým částicím,

h) provedení výpočtu velikosti nalezených oblastí a

i) převod vypočtených hodnot do databáze velikostí prachových částic.

V zatemněné detekční komoře prochází médium přes laserový paprsek, který v případě, že v médiu

- 2 CZ 309660 B6 nejsou prachové částice, prostor v detekční komoře nijak nenasvěcuje, a není tedy viditelný. V případě, že je v médiu přítomná prachová částice, je tato laserovým paprskem nasvícena. Po nasvícení částice odrazí část dopadajícího světla, což se projeví intenzivní září. Toto odražené světlo je zachyceno digitální kamerou, která neustále snímá oblast v detekční komoře.

Digitální obraz (obrázek 2) zachycený kamerou je převeden do podoby dvourozměrné matice, kde každá buňka matice odpovídá jednomu pixelu obrazové informace. Obsahem buňky je číslo v rozmezí 0 až 255, které odpovídá světelnému jasu daného pixelu. Pixel bez osvětlení vykazuje hodnotu jasu 0, plně nasvícený pixel vykazuje hodnotu 255, tzv. saturace. Existují i jiné digitální snímače obrazu, které mají maximální hodnotu odpovídající jasu pixelu jinou než 255. Pro účely tohoto vynálezu to ale nemá praktický význam. V tomto kontextu je tedy možné zaměnit pojem buňka matice a obrazový pixel. Buňka matice fyzicky reprezentuje reálný obrazový pixel snímače. Matice obsahuje většinou pouze tmavé pixely, pouze v místech, kde je detekována prachová částice mají pixely větší hodnotu svého jasu.

Digitální obraz je binarizován (obrázek 3), resp. hodnoty buněk matice jsou převedeny na hodnoty 0, nebo 1, resp. možný rozsah hodnot v buňce je omezen na pouze dvě hodnoty. Binarizace je proces, kdy je každá buňka matice porovnána s uživatelsky definovanou prahovou hodnotou a je jí přiřazena nová hodnota. Tím je obraz v odstínech šedi (pixely nabývají hodnot 0 až 255) převeden na obraz černobílý. Tak jsou odstraněny chyby digitalizace obrazu, různé odrazy způsobené odlesky v detekční komoře apod. Vyniknou kamerou zachycené prachové částice, které tvoří jasně ohraničené shluky buněk s hodnotami většími než hodnoty buněk reprezentující tmavé oblasti.

Dále je provedena korekce pozadí na soustavné chyby. Je možné, že například digitální kamera obsahuje vady, které se projevují výskytem pixelů se statickou, neměnnou hodnotou jasu (tzv. vadné pixely). Tyto vadné pixely se vyskytují stále na stejném místě a soustavně udávají falešné informace o stavu snímaného obrazu. Dále se může stát, že ve snímané oblasti je prachová částice, která ulpěla na stěně a odráží světlo. Opět se obvykle jedná o neměnnou vadu, která neodpovídá skutečnému stavu dění v detekční komoře. Tyto soustavné vady je potřeba odstranit tak, že je aktuální obraz zachycený digitální kamerou porovnán s referenčním obrazem, kde jsou soustavné vady zachyceny. Oblast detekce je poté omezena na oblasti, které jsou mimo oblasti soustavných chyb. Tímto způsobem je eliminována většina falešných detekcí a obraz odpovídá skutečnému stavu plynného média v detekční komoře.

Dále je provedeno nalezení prachové částice v obrazu. Jedná se o nalezení začátku (obrázek 4) podezřelé oblasti, která odpovídá shluku světlých pixelů na tmavém pozadí. Je prohledáván celý obraz, resp. matice, a při nalezení prvního světlého pixelu, je prohledávání zastaveno. Je spuštěn algoritmus pro hodnocení velikosti shluku, kde výchozí souřadnice detekce odpovídá souřadnici nalezeného prvního pixelu shluku v matici. Výstupem algoritmu je velikost čtvercové oblasti, ve které se nachází nalezený shluk světlých pixelů.

V této oblasti je spočítán počet světlých pixelů, který odpovídá velikosti zachycené prachové částice. Detekovaná čtvercová oblast je vyjmuta z dalšího vyhledávání a vyhledávací algoritmus, který hledá první světlé pixely pokračuje dále.

Po dokončení detekce jsou sumarizovány informace o všech detekovaných částicích a tyto jsou uloženy do databáze k dalšímu zpracování.

V rámci detekce velikostí prachových částic jsou nalezené prachové částice tříděny dle velikostí a je vytvářen histogram velikostí (obrázek 5), resp. graf četností výskytu částic o určité velikosti v daném detekčním čase.

Výhodou popsaného vynálezu je možnost detekce velikostí prachových částic dle jejich skutečné velikosti, a ne pouze informace o intervalu velikosti, ve kterém se částice nachází. Rozlišovací

- 3 CZ 309660 B6 schopnost detekce je dána rozlišením digitální kamery, která snímá nasvícené prachové částice.

Objasnění výkresů

Vynález je blíže osvětlen s pomocí výkresů, na kterých je:

na obrázku 1 je zařízení pro měření velikostí prachových částic v prostoru a čase, na obrázku 2 je digitalizovaný obraz a jeho interpretace v podobě matice hodnot, na obrázku 3 je binarizovaný obraz a jeho interpretace v podobě matice hodnot, na obrázku 4 je postup nalezení prachové částice v obrazu, na obrázku 5 je histogram velikostí prachových částic v obraze, na obrázku 6 je schéma zařízení pro měření distribuce prachových částic v prostoru a času.

Příklad uskutečnění vynálezu

Zařízení pro měření distribuce prachových částic v prostoru a času je podle obrázku 6 tvořeno otvorem 1 pro vstup plynného média obsahujícího prachové částice 6, oběhovým ventilátorem 2, tunelem pro usměrnění média, detekční komorou s laserovým paprskem 3, digitální kamerou 4 s optikou, vyhodnocovacím zařízením 5 na bázi osobního počítače a databází 7 vyhodnocených dat, resp. velikostí prachových částic a četností jejich výskytu v čase. Jednotlivé komponenty zařízení jsou uspořádány postupně za sebou v tubusu, nebo jakékoliv jiné vhodné schránce, přičemž digitální kamera 4 je s vyhodnocovacím zařízením 5 propojena obousměrně.

Ve vyhodnocovacím zařízení 5 jsou integrovány algoritmy pro korekci pozadí na soustavné chyby, algoritmus pro prahování a binarizaci maticové podoby obrazu, algoritmus pro prohledání maticové podoby obrazu a vyhledání oblastí odpovídající nasvíceným prachovým částicím, algoritmus pro výpočet velikosti nalezených oblastí a algoritmus pro převod vypočtených hodnot do databáze.

Pomocí oběhového ventilátoru 2 se do zařízení otvorem 1 vhání měřené médium. Prachové částice 6 obsažené v médiu jsou nasvíceny laserem 3 a prostřednictvím digitální kamery 4 se zachytí jejich obraz. Digitální obraz je převeden do maticové podoby, kdy každému pixelu odpovídá vždy jedna konkrétní buňka matice. Digitální obraz má rozlišení 1920 x 1080, resp. velikost matice odpovídá hodnotě 1920 ve směru osy X a 1080 ve směru Y.

Následně je obraz ve formě matice buněk přenesen do vyhodnocovacího zařízení 5. Ve vyhodnocovacím zařízení 5 je přítomná jednotka zpracování dat s CPU, která iniciuje soustavu algoritmů.

Ve vyhodnocovacím zařízení 5 je v digitálním obraze reprezentovaném dvourozměrnou maticí provedena korekce pozadí na soustavné chyby. Dále je ve vyhodnocovacím zařízení 5 vytvořen binarizovaný obraz obsahující pouze černé a bílé pixely, resp. hodnoty buněk dvourozměrné matice jsou přepsány tak, že nabývají pouze jedné ze dvou možných hodnot. Tento úkon je proveden pomocí algoritmu binarizace maticové podoby obrazu. Ve vyhodnocovacím zařízení 5 je poté iniciován algoritmus pro prohledání maticové podoby obrazu a jsou vyhledávány oblasti odpovídající nasvíceným prachovým částicím. Dále je ve vyhodnocovacím zařízení 5 iniciován algoritmus pro výpočet velikosti nalezených oblastí, a nakonec je iniciován algoritmus pro převod vypočtených hodnot do databáze dat. Data uložená v databázi jsou předána k externímu zpracování a na základě nich, je poté možno definovat kvalitu ovzduší v daném místě a čase.

- 4 CZ 309660 B6

Průmyslová využitelnost

Vynález lze využít pro detekci velikostí prachových částic v plynném médiu v daném prostoru a čase. Je možné průběžně měřit obsah částic ve vzduchu ve vnitřním prostředí budov, v oblastech průmyslových podniků, laboratořích s řízenou kvalitou plynného média apod., a tím i stanovit míru zdravotního rizika v daném místě.

Claims (2)

1. Způsob měření distribuce prachových částic v prostoru a času, vyznačující se tím, že se postupně provedou následující kroky:

a) do měřeného prostoru se vhání plynné médium,

b) prostor se nasvítí laserovým paprskem,

c) vytvoří se digitální obraz laserem nasvícených prachových částic,

d) digitální obraz se převede do maticové podoby,

e) provede se korekce pozadí na soustavné chyby,

f) provede se prahování a binarizace maticové podoby obrazu,

g) provede se prohledání maticové podoby obrazu a vyhledají se oblasti odpovídající nasvíceným prachovým částicím,

h) provede se výpočet velikosti nalezených oblastí a

i) vypočtené hodnoty se převedou do databáze velikostí prachových částic.

2. Zařízení pro měření distribuce prachových částic v prostoru a času způsobem podle nároku 1, vyznačující se tím, že je tvořeno postupně za sebou uspořádaným oběhovým ventilátorem (2), laserem (3) a digitální kamerou (4) s optikou, vyhodnocovacím zařízením (5), kde ve vyhodnocovacím zařízení (5) jsou integrovány algoritmy pro korekci pozadí na soustavné chyby, pro prahování a binarizaci obrazu v maticové podobě, pro prohledání maticové podoby obrazu, pro vyhledání oblastí odpovídajících nasvíceným prachovým částicím a pro převod do databáze velikostí prachových částic, přičemž digitální kamera (4) je s vyhodnocovacím zařízením (5) obousměrně propojena.