Рентгенсепаратор - дальнейший шаг в развитии технологии оптической сепарации

С егодня пройден этап, когда рентгеновский метод был уделом академических структур. Еще начиная с 80-х годов прошлого века для обогащения различной руды и минералов применяли так называемые рентгенсепараторы. Такие машины грубо оценивали качество материалов только по плотности породы в потоке на ленточном конвейере, а дальше происходила также грубая выбраковка неподходящих минералов целой партией, пусть и небольшой.

Разработка такого рода сепарирующих машин наукоемкая, долгая и достаточно дорогая работа. В прошлом году учеными ЛЭТИ был разработан рабочий макет промышленного рентгенсепаратора для очистки зерна и орехов различных культур. За основу макета был взят фотосепаратор Ф-5 производства ОАО «Воронежсельмаш» (рис. 1) [6]. В механизм сепаратора были добавлены следующие основные компоненты: в качестве источника рентгеновского излучения используется специализированная рентгеновская трубка, а в качестве его приемника рентгеночувствительная ПЗС-матрица. Анализ рентгеновского изображения и управление установкой в целом и ее частями производится с помощью компьютерной системы.

Необходимо заметить, что для грубого анализа таких крупных объектов как руда и минералы по одному показателю качества не требуется большой разрешающей способности фотоприемника и высокой точности определения показателя качества, а, значит, нет необходимости в больших потоках данных и высокой мощности микропроцессора. Другое дело сепарация зерна; это сложный по своей микроструктуре живой объект малых размеров с несколькими иден-

Рис. 1. Внешний вид рабочего макета рентгенсепаратора на основе фотосепаратора Ф-5

тифицирующимися анатомо-морфологическими дефектами и характеристиками. Ведь в производстве отбраковка идет в режиме потока, в режиме реального времени. Технические характеристики макета примерно соответствуют паспортным данным фотосепаратора Ф-5: габариты остались те же, производительность около 5 т/ч.

Если оптический сортировщик может оценивать качество анализируемого материала по форме, яркости и цвету его поверхности, а лазерному сепаратору уже доступны некоторые внутренние особенности зерна, то рентгенсепаратор может распознать все описанные человеком скрытые дефекты зерна, к которым добавляются форма, яркость и цвет поверхности исследуемого объекта, так как в нем помимо рентгенографического блока присутствует блок оптической сепарации в видимом диапазоне [4]. Становится возможным проводить разделение объектов (в частности, зерна) по их анатомическим и морфологическим признакам одновременно, в одной технологической машине, но пока что за несколько проходов. Есть еще одна возможность у нового технологического оборудования рентген-сепаратор может дифференцировать скрытый дефект с большой точностью. Так, становится возможным разделить зерно на несколько фракций по степени трещиноватости, внутреннего прорастания, щуплости и энзимомикозного истощения [1]. Эти дополнительные возможности установки особо полезны для семенного материала с целью получения полноценных однородных семян.

На примере зерновых культур новая установка уже сегодня дает возможность сортировать семена по классам.

Валовый сбор злаковых зерновых культур в России сегодня составляет зерно в основном четвертого и пятого классов. Сепарация зерновых культур рентгеновским методом способна повысить их качество в значительной степени. Так, по данным ВНИИЗ, в зависимости от исходного качества на сортировочном столе при разделении зерна пшеницы 4 класса возможно получать от 30 до 80% зерна 3 класса [7]. Цена вопроса новых технологий заключается в прибавочной стоимости исходного продукта приблизительно в полтора раза. Решение этой высокоамбициозной задачи способно дать стране принципиально новый статус на зерновом рынке.

Не менее важным и экономически выгодным является обеспечение сельскохозяйственных предприятий качественным посев- ным материалом. Необходимо создание современных хранилищ семенного фонда. Рентгеновская сепарация в состоянии решить контроль и отбор семян зерновых культур надлежащего качества.

В основе разработки системы рентгеновской экспресс-диагностики внутренних, скрытых недостатков и повреждений семян и зерна предлагается использовать современные компьютерные технологии.

Размеры, форма, масса, плотность и цвет зерновок и семян зависят от сортовых особенностей и почвенно-климатических условий выращивания. Эти параметры должны накапливаться в базе, содержащей морфологические признаки зерна и семян, идентифицируемых с помощью рентгеновского излучения.

Современные методы бездеформацион-ного исследования и сортировки семян ориентированы на использование их физических параметров, прежде всего, таких, как их вес и форма. Поэтому в качестве разделяющих сил используются: силы гравитации, электростатики, помещение семян в струю газа или жидкости и т.п.

Устройства, описанные в существующих патентах, позволяют проводить массовую сепарацию семян по заданным физическим свойствам или их ограниченной совокупности. Основным преимуществом подобного рода конструкций является их большая пропускная способность. Кроме того, следует отметить целесообразность использования подобных устройств для отделения сорных примесей и загрязнений разного рода (мусора).

Принцип рентгенсепарации подобен фотоэлектронной сепарации сыпучих тел (применительно к переработке сельхозпродукции – семян и т.д.), известен уже более полувека. Он заключается в том, что семена, плоды поодиночке или небольшими группами в несколько штук подаются (падают) в зону контроля. В этой зоне семя освещается специальной лампой, а отраженный свет попадает на фотоэлемент. Сигнал фотоэлемента анализируется процессором, и если он не соответствует эталону, то специальный механизм удаления (пневмоклапан или плунжер) выталкивает зерно из общего потока [5, 2]. В сепараторе Ф-5 две видеокамеры, расположенные с двух сторон зоны контроля, с помощью двух осветителей, состоящих из множества диодов, создают трехмерное изображение каждого семени, которое оценивается по всем необходимым параметрам: цвет, форма, состояние поверхности.

Одновременно в зону контроля попадет до 96 семян – столько же пневмоклапанов готовы выбросить некондиционное семя из потока. Весь процесс оценки и принятия решения занимает сотые доли секунды. Подающий лоток имеет ширину 0,5 м, а производительность машины составляет 5 т зерна в час. Фотоэлектронный сепаратор Ф-5 создан по модульному принципу, его агрегаты можно соединять «попарно» и таким образом удвоить производительность.

Решением задачи контроля скрытых повреждений и недостатков является автоматическая система рентгенографического контроля и сепарации семян, состоящая из мощной ЭВМ и программного обеспечения, которое имеет математическое описание анатомических и морфологических дефектов очищаемого продукта [3].

Недостатками данной разработки по опыту работы с макетом являются:

• 1.    Сепарация объектов за один проход всего на две фракции «плохие» и «хорошие»;

• 2.    Недостаточная производительность передачи потоков данных.

Дело в том, что механизм выталкивания семян рассчитан только на работу в один канал отходов, поэтому нет возможности проводить сортировку на более чем две фракции. В то же время идет огромный поток информации это множество фотографий очищаемого объекта с большим разрешением, которую очень сложно быстро сжать, не потеряв при этом нужную информацию. Пока таких мощных микропроцессоров и совершенных алгоритмов сжатия информации нет.

Макет хорошо зарекомендовал себя на сепарации семян подсолнечника и различных орехов небольшого размера (фундук, кедровый орех). В этих культурах макет сепаратора с высокой эффективностью проводит разделение по показателю выполненности ядра ореха или семян подсолнуха и их повреждения плесенью.

Рентгеновская сепарация базируется на принятии решения по каждой зерновке (каждому семени). Это требует разработки принципиально новых подходов в принятии решения на основе анализа одновременно большого числа зерновок, технологии передачи материала и схемы управления.

Для обеспечения требуемой пропускной способности рентгенсепаратора в конструк-

Рис. 2. Принципиальная схема работы рентгеновского сепаратора

Рис. 3. Схема организации потоков сканирования ции может применяться распределенная многоматричная система приема-передачи зерновок и их сканирования «рентгеном».

Управление сепаратором должно реализовываться системой контроллеров, состоящей из: контроллера общего управления, контроллеров графической идентификации и контроллера управления движением. Контроллеры графической идентификации должны соединяться по конвейерной схеме с контроллером управления движением.

Предлагаемая схема организации сканирования промышленного сепаратора предусматривает организацию многоканальных потоков. Диагностика нескольких из них охватывается одним рентгеновским излучателем.

Режимы работы сепаратора устанавливаются органами управления с компьютерного пульта прибора. Состояние оборудования прибора и его исполнительных механизмов высвечивается на мониторе.

В режимах обработки (сепарации и диагностики) каждой контролируемой партии должен создаваться паспорт, включающий в себя:

• •    идентификационный номер;

• •    фиксацию времени получения материалов;

• •    время проведения контроля;

• •    количество зерен или семян, прошедших контроль, каждому из установленных признаков присваивается номер приемника материала (для режима сепарации);

• •    установление числа объектов с установленными признаками;

• •    количество неидентифицируемых объектов.

Таким образом, уже сегодня возможна комплексная оценка качества и сепарация в одном устройстве с созданием электронного протокола по множествам характеристик. Но решать, куда направить то или иное отобранное зерно, семена, орехи или другую продукцию, пока остается за человеком.