CZ309660B6 - A method of measuring the distribution of dust particles in space and time and a device for this - Google Patents
A method of measuring the distribution of dust particles in space and time and a device for this Download PDFInfo
- Publication number
- CZ309660B6 CZ309660B6 CZ2021-604A CZ2021604A CZ309660B6 CZ 309660 B6 CZ309660 B6 CZ 309660B6 CZ 2021604 A CZ2021604 A CZ 2021604A CZ 309660 B6 CZ309660 B6 CZ 309660B6
- Authority
- CZ
- Czechia
- Prior art keywords
- image
- dust particles
- matrix form
- illuminated
- space
- Prior art date
Links
- 239000002245 particle Substances 0.000 title claims abstract description 69
- 239000000428 dust Substances 0.000 title claims abstract description 57
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 16
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims abstract description 34
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 claims abstract description 23
- 230000009897 systematic effect Effects 0.000 claims abstract description 9
- 238000003705 background correction Methods 0.000 claims abstract description 8
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims abstract description 3
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 abstract description 2
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 23
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 6
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 6
- 230000036541 health Effects 0.000 description 5
- 230000008569 process Effects 0.000 description 4
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 3
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 3
- QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N Ammonia Chemical compound N QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M Sodium chloride Chemical compound [Na+].[Cl-] FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 2
- 230000002950 deficient Effects 0.000 description 2
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 2
- 206010028980 Neoplasm Diseases 0.000 description 1
- 229910021529 ammonia Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000000149 argon plasma sintering Methods 0.000 description 1
- 238000003491 array Methods 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 239000003738 black carbon Substances 0.000 description 1
- 201000011510 cancer Diseases 0.000 description 1
- 230000000711 cancerogenic effect Effects 0.000 description 1
- 231100000357 carcinogen Toxicity 0.000 description 1
- 239000003183 carcinogenic agent Substances 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 230000005465 channeling Effects 0.000 description 1
- 238000005352 clarification Methods 0.000 description 1
- 230000001427 coherent effect Effects 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 230000009982 effect on human Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 229910052500 inorganic mineral Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 210000004072 lung Anatomy 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 239000011707 mineral Substances 0.000 description 1
- 150000002823 nitrates Chemical class 0.000 description 1
- 230000008520 organization Effects 0.000 description 1
- 239000013618 particulate matter Substances 0.000 description 1
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 1
- 238000001303 quality assessment method Methods 0.000 description 1
- 238000003908 quality control method Methods 0.000 description 1
- 230000003252 repetitive effect Effects 0.000 description 1
- 238000010845 search algorithm Methods 0.000 description 1
- 239000011780 sodium chloride Substances 0.000 description 1
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 1
- 150000003467 sulfuric acid derivatives Chemical class 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
- G01N15/02—Investigating particle size or size distribution
- G01N15/0205—Investigating particle size or size distribution by optical means
- G01N15/0227—Investigating particle size or size distribution by optical means using imaging; using holography
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
- G01N15/10—Investigating individual particles
- G01N15/14—Optical investigation techniques, e.g. flow cytometry
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
- G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/84—Systems specially adapted for particular applications
- G01N21/88—Investigating the presence of flaws or contamination
- G01N21/94—Investigating contamination, e.g. dust
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
- G06T5/00—Image enhancement or restoration
- G06T5/40—Image enhancement or restoration using histogram techniques
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
- G06T7/00—Image analysis
- G06T7/60—Analysis of geometric attributes
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
- G01N2015/0042—Investigating dispersion of solids
- G01N2015/0046—Investigating dispersion of solids in gas, e.g. smoke
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
- G01N2015/0096—Investigating consistence of powders, dustability, dustiness
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
- G01N15/10—Investigating individual particles
- G01N2015/1029—Particle size
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
- G01N15/10—Investigating individual particles
- G01N15/14—Optical investigation techniques, e.g. flow cytometry
- G01N15/1434—Optical arrangements
- G01N2015/144—Imaging characterised by its optical setup
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Dispersion Chemistry (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
- Geometry (AREA)
- Computer Vision & Pattern Recognition (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
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.The method of measuring the distribution of dust particles in space and time, when the following steps are carried out in sequence: a) a gaseous medium is forced into the measured space, b) the space is illuminated by a laser beam, c) a digital image of the dust particles illuminated by the laser is created, d) digital the image is converted to a matrix form, e) background correction for systematic errors is performed, f) thresholding and binarization of the image matrix form is performed, g) a search of the image matrix form is performed and areas corresponding to illuminated dust particles are searched for, h) a calculation is performed the sizes of the found areas and i) the calculated values are transferred to the dust particle size database. A device for carrying out the mentioned method, which consists of a circulating fan (2), a laser (3) and a digital camera (4) with optics, an evaluation device (5), where background correction algorithms are integrated in the evaluation device (5) for systematic errors, for thresholding and binarization of the image in matrix form, for searching the matrix form of the image and finding areas corresponding to illuminated dust particles and conversion to a database of dust particle sizes. The digital camera (4) is bidirectionally connected to the evaluation device (5).
Description
Způsob měření distribuce prachových částic v prostoru a času a zařízení k provádění tohoto způsobuA method of measuring the distribution of dust particles in space and time and a device for carrying out this method
Oblast technikyField of technology
Vynález spadá do oblasti digitálního zpracování obrazu a oblasti senzoriky.The invention falls into the field of digital image processing and the field of sensors.
Dosavadní stav technikyCurrent state of the art
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.Equipment for digital image evaluation, or there are many types of devices that process digital images for their purpose. It is most often possible to meet them in an industrial environment, when such equipment evaluates, for example, the surface of products and looks for surface defects, checks the diameter of holes, the position of grooves, the depth of cuts, the resulting color of the products, etc. The goal is usually to replace the human factor during the repetitive evaluation of one of the indicators product quality. Machine evaluation is generally more objective, independent of the time of day and the number of hours worked. Unfortunately, the machine evaluation is objective only and only if it works in constant working conditions, which are as close as possible to the conditions during machine calibration. In the event of a change, for example, in the intensity of the ambient light, the brightness threshold set internally by the algorithm may shift and the device will start, for example, to ignore defects or generate false detections, etc. Such conditions must then be validated manually, and the human factor is again involved in the quality assessment process. These conditions are of course unwanted and make production more expensive and slower. In the case of using devices for quality control using digital image evaluation, the goal is always to achieve the greatest possible robustness not only of the mechanical elements, but also of the control and evaluation algorithm. The mentioned method of image processing is described, for example, in patent 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.A special application in the mentioned area is the detection of dust particles. Nowadays, dust particles are in the area of interest both from the point of view of the environment and from the point of view of the health impact on the population. Dust particles (also known as PM, from English particulate matter) are categorized according to their size, because it is their size that has a direct impact on health.
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.The main components of PM are sulfates, nitrates, ammonia, sodium chloride, black carbon, mineral dust and water. Particles with a diameter of 10 pm or smaller are the most harmful from the point of view of the effect on human health, because such small particles can penetrate through the lungs into the bloodstream. The World Health Organization (WHO) has designated airborne PM as a group 1 carcinogen. Studies to date have shown that there is no safe level of exposure to PM, and with any increase in the concentration of PM in the air, the incidence of cancer increases proportionally.
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.It is usually possible to meet dust particle sensors detecting particles in the sizes PM1.0, PM2.5, PM4, PM10, etc. This corresponds to the absolute particle sizes of 0.3 to 1.0 pm, 0.3 to 2.5 pm, 0 .3 to 4.0 pm, .3 to 10 pm, etc.
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 přihlášceIndividual sensors detect PM in a given size interval, or they detect the number of particles of a given size in a certain time. If it is necessary to detect the sizes of each individual particle, it is necessary to group a large number of different sensors and compare their outputs. The inventions described, for example, in patent applications JPH 09243547 and JP 2000214071 are based on this principle, where JPH 09243547 describes a method of detection by illuminating a liquid/gas with a laser beam to create diffraction scattering on dust particles. Scattered light is focused using a front and rear lens system into an optical preamplifier, amplifier and detector. The analog detector is digitized for numerical data processing. JP 2000214071 is also based on light scattering of a laser beam on a dust particle, but uses slit lens arrays and a single photodetector in the form of a photodiode with optical filters. The scattered light generates a current in the photodiode. The number of current pulses corresponds to the number of dust particles passing through the tunnel/sensor. Another solution is described in the application
- 1 CZ 309660 B6- 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.JPH 09101252, where the principle of diffraction of light on dust particles is used. The laser beam is concentrated using a lens into a coherent beam. Upon impact on a dust particle, the light will be diffracted, and the lens behind the area of the dust particles will focus the diffraction on the detector. It consists of circular optical detectors that generate information about a dust particle.
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.The mentioned methods are not very efficient and introduce errors into the measurement chain. On PMs, if they are illuminated, the light falling on them is scattered. The properties of light scattered on particles are used by sensors to measure their number, size and concentration. The basic components are a light source directed to the detection area in the detection chamber, a detector measuring the light scattered by the particle, and electronic circuits that process and analyze the output from the detector.
Senzory obsahují oběhový ventilátor, tunel pro vedení plynného média s obsahem prachových částic, detekční komoru, elektronické vyhodnocovací zařízení a periferii pro komunikaci s okolím.The sensors include a circulation fan, a tunnel for conducting a gaseous medium containing dust particles, a detection chamber, an electronic evaluation device and peripherals for communication with the environment.
Oběhový ventilátor je elektromechanická součástka, která zabezpečuje v čase konstantní (co možná nejvíce) tok plynného média. Oběhový ventilátor určuje, kolik média projde senzorem.The circulating fan is an electromechanical component that ensures a constant (as much as possible) gas flow over time. The circulation fan determines how much media passes through the sensor.
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.The detection chamber is an area inside the sensor that is usually darkened and contains a light source, usually a laser beam, that illuminates the gaseous medium. Its purpose is to shield external influences and thus increase the distance between the signal and the useful signal.
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.The evaluation device is usually implemented with electronic circuits that measure the intensity and length of the light flash generated by a dust particle (PM), illuminated by an intense light source (LED, LASER). Its purpose is to evaluate and present measurement results to an external device.
Podstata vynálezuThe essence of the invention
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.The essence of the invention is the measurement of the distribution of dust particles in space and time and the device for performing this method. The device (Figure 1) contains an opening for the entry of a gaseous medium containing dust particles, a circulation fan, a line, or a tunnel for channeling the medium, a detection chamber with a laser beam, a digital camera with optics, an evaluation device based on a personal computer and a database of evaluated data, or frequency of occurrence of dust particles over time and their size. In this invention, the term "tunnel" refers to the hollow part of the device through which the gaseous medium passes from the entrance to the device, through the fan and the detection chamber to the exit.
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.The circulating fan ensures a constant flow of gas medium through the device. It is possible to control it with the aim of influencing the flow rate of the medium, or its flow volume. The nature of the medium flow through the tunnel is predominantly turbulent behind the circulation fan, gradually becoming predominantly laminar.
Podstatou způsobu je provedení následujících kroků:The essence of the method is to perform the following steps:
a) vehnání plynného média do měřicího prostoru,a) driving the gaseous medium into the measuring space,
b) nasvícení prostoru laserovým paprskem,b) illumination of the space with a laser beam,
c) vytvoření digitálního obrazu laserem nasvícených prachových částic,c) creation of a digital image of laser-illuminated dust particles,
d) převedení digitálního obrazu do maticové podoby,d) conversion of a digital image into matrix form,
e) provedení korekce pozadí na soustavné chyby,e) performing background correction for systematic errors,
f) provedení prahování a binarizace maticové podoby obrazu, g prohledání maticové podoby obrazu a vyhledání oblasti odpovídající nasvíceným prachovým částicím,f) performing thresholding and binarization of the matrix form of the image, g searching the matrix form of the image and finding the area corresponding to the illuminated dust particles,
h) provedení výpočtu velikosti nalezených oblastí ah) performing a calculation of the size of the found areas a
i) převod vypočtených hodnot do databáze velikostí prachových částic.i) transfer of calculated values to the dust particle size database.
V zatemněné detekční komoře prochází médium přes laserový paprsek, který v případě, že v médiuIn a darkened detection chamber, the medium passes through a laser beam, which if in the medium
- 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.- 2 CZ 309660 B6 are not dust particles, the space in the detection chamber does not illuminate in any way, and is therefore not visible. If a dust particle is present in the medium, it is illuminated by the laser beam. After being illuminated, the particles reflect part of the incident light, resulting in an intense glow. This reflected light is captured by a digital camera that continuously scans the area in the detection chamber.
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.The digital image (Figure 2) captured by the camera is converted into a two-dimensional matrix, where each cell of the matrix corresponds to one pixel of image information. The content of the cell is a number in the range 0 to 255, which corresponds to the brightness of the given pixel. A pixel without illumination shows a brightness value of 0, a fully illuminated pixel shows a value of 255, so-called saturation. There are other digital image sensors that have a maximum pixel brightness value other than 255. However, this is of no practical importance for the purposes of this invention. In this context, it is therefore possible to confuse the term matrix cell and image pixel. A matrix cell physically represents a real image pixel of the sensor. The matrix mostly contains only dark pixels, only in places where a dust particle is detected, the pixels have a higher brightness value.
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.The digital image is binarized (Figure 3), or the values of the cells of the matrix are converted to the values 0 or 1, respectively. the possible range of values in a cell is limited to only two values. Binarization is the process where each cell of a matrix is compared to a user-defined threshold value and assigned a new value. This converts an image in shades of gray (pixels take on values from 0 to 255) into a black and white image. This eliminates image digitization errors, various reflections caused by reflections in the detection chamber, etc. Dust particles captured by the camera stand out, forming clearly defined clusters of cells with values greater than the values of cells representing dark areas.
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.Furthermore, background correction for systematic errors is performed. It is possible that, for example, a digital camera contains defects that are manifested by the appearance of pixels with a static, unchanging brightness value (so-called defective pixels). These defective pixels are always in the same place and consistently give false information about the condition of the captured image. It may also happen that there is a dust particle in the scanned area that has stuck to the wall and reflects the light. Again, this is usually a fixed defect that does not correspond to the actual state of affairs in the detection chamber. These continuous defects need to be removed by comparing the current image captured by the digital camera with a reference image where the continuous defects are captured. The detection area is then limited to areas outside of the systematic error areas. In this way, most false detections are eliminated and the image corresponds to the actual state of the gas medium in the detection chamber.
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.Next, a dust particle in the image is found. This is to find the beginning (Figure 4) of a suspicious area that corresponds to a cluster of bright pixels on a dark background. The entire image is searched, or matrix, and when the first bright pixel is found, the search is stopped. A cluster size estimation algorithm is run, where the default detection coordinate corresponds to the coordinate of the first cluster pixel found in the matrix. The output of the algorithm is the size of the square area in which the found cluster of bright pixels is located.
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.In this area, the number of bright pixels corresponding to the size of the captured dust particle is counted. The detected square area is excluded from the further search and the search algorithm that looks for the first bright pixels continues.
Po dokončení detekce jsou sumarizovány informace o všech detekovaných částicích a tyto jsou uloženy do databáze k dalšímu zpracování.After the detection is completed, information on all detected particles is summarized and stored in the database for further processing.
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.As part of the detection of dust particle sizes, the found dust particles are sorted by size and a size histogram is created (Figure 5), or a graph of the frequency of occurrence of particles of a certain size in a given detection time.
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. RozlišovacíThe advantage of the described invention is the possibility of detecting the size of dust particles according to their actual size, and not just information about the size interval in which the particle is located. Distinguishing
- 3 CZ 309660 B6 schopnost detekce je dána rozlišením digitální kamery, která snímá nasvícené prachové částice.- 3 CZ 309660 B6 the ability of detection is given by the resolution of the digital camera that captures the illuminated dust particles.
Objasnění výkresůClarification of drawings
Vynález je blíže osvětlen s pomocí výkresů, na kterých je:The invention is explained in more detail with the help of the drawings in which:
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.in figure 1 is a device for measuring the size of dust particles in space and time, in figure 2 is a digitized image and its interpretation in the form of a matrix of values, in figure 3 is a binarized image and its interpretation in the form of a matrix of values, in figure 4 is the procedure for finding the dust particles in the image, Figure 5 is a histogram of the sizes of dust particles in the image, Figure 6 is a diagram of a device for measuring the distribution of dust particles in space and time.
Příklad uskutečnění vynálezuAn example of the implementation of the invention
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.According to Figure 6, the device for measuring the distribution of dust particles in space and time consists of an opening 1 for the entry of a gaseous medium containing dust particles 6, a circulation fan 2, a tunnel for directing the medium, a detection chamber with a laser beam 3, a digital camera 4 with optics, an evaluation device 5 on the basis of a personal computer and databases 7 of evaluated data, or the size of dust particles and the frequency of their occurrence over time. The individual components of the device are arranged one behind the other in a tube or any other suitable box, while the digital camera 4 is bidirectionally connected to the evaluation device 5.
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.Algorithms for background correction for systematic errors, an algorithm for thresholding and binarization of the image matrix form, an algorithm for searching the image matrix form and finding areas corresponding to illuminated dust particles, an algorithm for calculating the size of the found areas and an algorithm for converting the calculated values into database.
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.Using the circulating fan 2, the measured medium is forced into the device through the opening 1. The dust particles 6 contained in the medium are illuminated by a laser 3 and their image is captured by means of a digital camera 4. The digital image is converted into a matrix form, where each pixel corresponds to one particular cell of the matrix. The digital image has a resolution of 1920 x 1080, or the matrix size corresponds to 1920 in the X direction and 1080 in the Y direction.
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.Subsequently, the image in the form of a matrix of cells is transferred to the evaluation device 5. In the evaluation device 5, a data processing unit with a CPU is present, which initiates a set of algorithms.
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.In the evaluation device 5, background correction for systematic errors is performed in the digital image represented by a two-dimensional matrix. Furthermore, a binarized image containing only black and white pixels is created in the evaluation device 5, or the values of the cells of the two-dimensional matrix are overwritten so that they take only one of the two possible values. This operation is performed using the matrix image binarization algorithm. In the evaluation device 5, the algorithm for searching the matrix form of the image is then initiated and the areas corresponding to the illuminated dust particles are searched for. Furthermore, the algorithm for calculating the size of the found areas is initiated in the evaluation device 5, and finally the algorithm for transferring the calculated values to the database is initiated. The data stored in the database are transferred to external processing and based on them, it is then possible to define the air quality in a given place and time.
- 4 CZ 309660 B6- 4 CZ 309660 B6
Průmyslová využitelnostIndustrial applicability
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.The invention can be used to detect the size of dust particles in a gaseous medium in a given space and time. It is possible to continuously measure the content of particles in the air in the internal environment of buildings, in the areas of industrial enterprises, laboratories with controlled gas medium quality, etc., and thereby determine the degree of health risk in a given location.
Claims (2)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CZ2021-604A CZ2021604A3 (en) | 2021-12-31 | 2021-12-31 | A method of measuring the distribution of dust particles in space and time and a device for this |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CZ2021-604A CZ2021604A3 (en) | 2021-12-31 | 2021-12-31 | A method of measuring the distribution of dust particles in space and time and a device for this |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CZ309660B6 true CZ309660B6 (en) | 2023-06-21 |
CZ2021604A3 CZ2021604A3 (en) | 2023-06-21 |
Family
ID=86766550
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CZ2021-604A CZ2021604A3 (en) | 2021-12-31 | 2021-12-31 | A method of measuring the distribution of dust particles in space and time and a device for this |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CZ (1) | CZ2021604A3 (en) |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN101509931A (en) * | 2009-03-16 | 2009-08-19 | 浙江大学 | Method and apparatus for on-line measuring two-dimension speed and particle size distribution of granules in pipe |
CN102313684A (en) * | 2010-07-08 | 2012-01-11 | 中国科学院过程工程研究所 | System and method for real-time measurement of gas-solid two-phase flow field |
CN106323825A (en) * | 2016-10-26 | 2017-01-11 | 浙江大学 | Pipeline powdered coal particle size measuring device and measuring method |
CZ308988B6 (en) * | 2019-03-20 | 2021-11-10 | Univerzita Hradec Králové | A method of processing an image by a gradual brightness gradient method of image pixels along a longitudinal axis and the apparatus for this |
-
2021
- 2021-12-31 CZ CZ2021-604A patent/CZ2021604A3/en unknown
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN101509931A (en) * | 2009-03-16 | 2009-08-19 | 浙江大学 | Method and apparatus for on-line measuring two-dimension speed and particle size distribution of granules in pipe |
CN102313684A (en) * | 2010-07-08 | 2012-01-11 | 中国科学院过程工程研究所 | System and method for real-time measurement of gas-solid two-phase flow field |
CN106323825A (en) * | 2016-10-26 | 2017-01-11 | 浙江大学 | Pipeline powdered coal particle size measuring device and measuring method |
CZ308988B6 (en) * | 2019-03-20 | 2021-11-10 | Univerzita Hradec Králové | A method of processing an image by a gradual brightness gradient method of image pixels along a longitudinal axis and the apparatus for this |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
LINGJUN GAO, YONGYAN, GANGLU, ROBERT M.CARTER: "On-line measurement of particle size and shape distributions of pneumatically conveyed particles through multi-wavelength based digital imaging", FLOW MEASUREMENT AND INSTRUMENTATION, vol. 27, 10-2012, pages 20 - 28, ISSN: 0955-5986 * |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CZ2021604A3 (en) | 2023-06-21 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP7391173B2 (en) | Food inspection aid system, food inspection aid device, and computer program | |
US5457526A (en) | Apparatus for analyzing particles in fluid samples | |
CN102062739B (en) | Surface examining device | |
US7292338B2 (en) | Particle detection apparatus and particle detection method used therefor | |
US6049381A (en) | Real time suspended particle monitor | |
US9588098B2 (en) | Optical method and apparatus for identifying wood species of a raw wooden log | |
EP0284630B1 (en) | Method for detection of surface defects | |
CN106716125B (en) | Nanoparticle Analyzer | |
US20110170783A1 (en) | Equipment and method for analyzing image data | |
CN101449149A (en) | Surface examining device | |
Klapp et al. | Ornamental fish counting by non-imaging optical system for real-time applications | |
Chao et al. | Design of a dual-camera system for poultry carcasses inspection | |
Chatterjee et al. | An efficient automated biospeckle indexing strategy using morphological and geo-statistical descriptors | |
Park et al. | REAL‐TIME DUAL‐WAVELENGTH IMAGE PROCESSING FOR POULTRY SAFETY INSPECTION 1 | |
CZ309660B6 (en) | A method of measuring the distribution of dust particles in space and time and a device for this | |
US10761007B2 (en) | System and method for light obscuration enhanced imaging flow cytometry | |
CN110749606A (en) | Laser damage detection method and system based on optical element | |
AU2011222741B2 (en) | Apparatus and method for monitoring particles in a stack | |
Paiman et al. | Optimization of light emission for product quality inspection by using machine vision | |
CN119395039A (en) | Visual inspection system for saw blade tooth defects based on deep learning model | |
CN119313638A (en) | A spatial dust concentration detection method based on a hybrid algorithm of pattern recognition and infrared thermal imaging | |
JP2001108636A (en) | Method and apparatus for appearance inspection | |
SU1000974A1 (en) | Device for remote locating of underlaying surface spatial structure anomaly | |
Becker et al. | Sensor system for subpixel geometry and surface inspection of cuboid and ring-shaped objects | |
JP2001255119A (en) | Size measurement method |