Патент на изобретение №2349899

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ ЖИДКОСТИ И ОЦЕНКИ ФЛОТАЦИОННОЙ АКТИВНОСТИ ФЛОТОРЕАГЕНТА

(57) Реферат:

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано для измерения поверхностного натяжения жидкости и оценки флотационной активности флотореагентов. Техническим результатом изобретения является повышение точности расчетов поверхностного натяжения путем использования цифрового фотоаппарата высокого разрешения, увеличение скорости расчетов и уменьшение габаритов установки путем аппаратной реализации вычислительных алгоритмов, определение параметров, характеризующих вклад отдельных групп ПАВ в величину флотационной активности реагентов. Задача решается тем, что в известное устройство, содержащее оптический микроскоп, держатели сидящего пузырька, систему освещения пузырька, вводят цифровой фотоаппарат, блок вычисления величины поверхностного натяжения, блок вычисления параметров флотационной активности реагентов, ОЗУ видеоданных, ОЗУ выходных данных, контроллер цифрового фотоаппарата, контроллер шины, счетчик времени, схему управления блоками. 1 ил.

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано для измерения поверхностного натяжения жидкости и оценки флотационной активности флотореагентов.

Известно устройство для измерения поверхностного натяжения жидкости (пат. РФ №2135981, МПК G01N 13/02, 1999 г.), содержащее струйный элемент, расходомер, дроссель, источник расхода газа, источник постоянного расхода, устройство перемещения, измеритель перемещения, блок управления, вычислительный блок, генератор линейно нарастающего давления, генератор тактовых импульсов.

Недостатком данного устройства является низкая скорость определения поверхностного натяжения, невозможность измерения динамически изменяющегося поверхностного натяжения, конструкционная сложность и высокая стоимость.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство для измерения поверхностного натяжения жидкостей [Л.Б.Бойнович, A.M.Емельяненко. Автоматизированная установка для измерения поверхностного натяжения жидкостей и краевых углов смачивания. / Приборы и техника эксперимента, 2002, №2. – С.167], содержащее оптический микроскоп, видеокамеру, оцифровывающий процессор для формирования и записи в цифровой форме оптического изображения исследуемой капли, дозатор жидкости, держатели сидящего пузырька, систему лазерного освещения пузырька и ЭВМ, осуществляющую анализ изображений.

Расчет зависимости поверхностного натяжения от времени производится по набору изображений пузырька путем выделения контура пузырька, аппроксимации формы пузырька, решения уравнения Лапласа, описывающего множество форм пузырька, для полученной формы.

Недостатком данной установки является низкая точность расчетов поверхностного натяжения жидкости, обусловленная погрешностями аппроксимации формы пузырька, вызванной низким разрешением анализируемого изображения. Также недостатком данной установки является низкая скорость расчетов в связи с высокими вычислительными затратами на решение дифференциального уравнение Лапласа для множества форм пузырька.

Технической задачей изобретения является повышение точности расчетов поверхностного натяжения путем использования цифрового фотоаппарата высокого разрешения, увеличение скорости расчетов поверхностного натяжения путем аппаратной реализации вычислительных алгоритмов, определение параметров характеризующих вклад отдельных групп поверхностно-активных веществ (ПАВ) в величину флотационной активности реагентов.

Задача решается тем, что в известное устройство, содержащее оптический микроскоп, держатели сидящего пузырька, систему освещения пузырька, введены цифровой фотоаппарат (ЦФА), блок вычисления величины поверхностного натяжения (БВПН), блок вычисления параметров флотационной активности реагентов (БВПФА), ОЗУ видеоданных (ОЗУВД), ОЗУ выходных данных (ОЗУВХД), контроллер цифрового фотоаппарата (КЦФА), контроллер шины (КШ), счетчик времени (СВ), схему управления блоками БВПН и БВПФА (СУ), причем группа входов КЦФА соединена с группой выходов ЦФА, первый выход СУ, предназначенный для выдачи сигнала, разрешающего фотографирование и запуск счетчика времени, соединен с входом ЦФА и входом СВ, выход СВ, предназначенный для выдачи синхронизирующих сигналов через заданные моменты времени, соединен с третьим входом СУ, группа выходов КЦФА соединена с группой входов ОЗУВД, вход КЦФА соединен с вторым выходом СУ, который предназначен для выдачи сигнала начала передачи данных из КЦФА в ОЗУВД, групповой выход ОЗУВД соединен с групповым входом БВПН и предназначен для передачи данных изображения из ОЗУВД, шестой выход СУ соединен с входом ОЗУВД и предназначен для переключения режимов записи, чтения ОЗУВД, вход БВПН соединен с третьим выходом СУ, который предназначен для управления работой БВПН, выход БВПН соединен с первым входом СУ и предназначен для передачи сигнала окончания вычислений, группа выходов БВПН соединена с группой входов БВПФА и предназначена для передачи результатов вычислений, произведенных в БВПН, второй вход СУ соединен с выходом БВПФА, который предназначен для формирования сигнала завершения вычислений, вход БВПФА соединен с четвертым выходом СУ, который предназначен для формирования сигнала, управляющего работой БВПФА, групповой вход ОЗУВХД соединен с групповым выходом БВПФА, который предназначен для передачи расчетных данных из БВПФА, вход ОЗУВХД соединен с седьмым выходом СУ, который предназначен для переключения режимов работы ОЗУВХД, группа входов КШ соединена с группой выходов ОЗУВХД, предназначенной для передачи расчетных данных из ОЗУВХД, первый вход КШ соединен с пятым выходом СУ, который предназначен для формирования сигнала готовности передачи данных внешнему устройству, четвертый вход СУ соединен с выходом КШ, предназначенным для формирования сигнала старта устройства, второй вход КШ предназначен для приема сигнала старта устройства от внешнего устройства, на группе выходов КШ формируются выходные данные результатов вычислений для передачи во внешнее устройство.

Изобретение может быть использовано для расчета поверхностного натяжения, определения параметров, характеризующих вклад отдельных групп ПАВ в величину флотационной активности реагентов, и соответствует критерию «промышленная применимость».

Сущность изобретения поясняется чертежом, где показана структурная схема автоматизированного устройства для измерения поверхностного натяжения жидкости и оценки флотационной активности флотореагента.

Устройство содержит (фиг.1) ЦФА 1, СУ 2, БВПН 3, БВПФА 4, ОЗУВД 5, ОЗУВХД 6, КЦФА 7, КШ 8, СВ 9, причем группа входов КЦФА 7 соединена с группой выходов ЦФА 1, первый выход СУ 2 соединен с входом ЦФА 1 и входом СВ 9, выход СВ 9 соединен с третьим входом СУ 2, группа выходов КЦФА 7 соединена с группой входов ОЗУВД 5, вход КЦФА 7 соединен с вторым выходом СУ 2, групповой выход ОЗУВД 5 соединен с групповым входом БВПН 3, шестой выход СУ 2 соединен с входом ОЗУВД 5, вход БВПН 3 соединен с третьим выходом СУ 2, выход БВПН 3 соединен с первым входом СУ 2, группа выходов БВПН 3 соединена с группой входов входов БВПФА 4 и второй группой входов КШ 8, второй вход СУ 2 соединен с выходом БВПФА 4, вход БВПФА 4 соединен с четвертым выходом СУ 2, групповой вход ОЗУВХД 6 соединен с групповым выходом БВПФА 4, вход ОЗУВХД 6 соединен с седьмым выходом СУ 2, первая группа входов КШ 8 соединена с группой выходов ОЗУВХД 6, первый вход КШ 8 соединен с пятым выходом СУ 2, четвертый вход СУ 2 соединен с выходом КШ 8.

КЦФА 7 предназначен для управления обменом данными между ЦФА 1 и УРПН. СУ 2 предназначена для синхронизации работы блоков БВПН 3, БВПФА 4, синхронизации при записи, чтении ОЗУВД 5, ОЗУВХД 6, КШ 8. ОЗУВД 5 предназначено для хранения данных изображения. ОЗУВХД 6 предназначено для хранения результатов расчетов. КШ 8 предназначен для управления обменом данными между автоматизированным устройством для измерения поверхностного натяжения жидкости и оценки флотационной активности флотореагента и внешним устройством. БВПН 3 предназначен для вычисления поверхностного натяжения жидкости по цифровому изображению пузырька газа в жидкости. БВПФА 4 предназначен для вычисления параметров, характеризующих вклад отдельных групп поверхностно-активных веществ (ПАВ) в величину флотационной активности реагента. СВ 9 предназначен для синхронизации моментов захвата изрображения путем генерации синхронизирующих сигналов в заданные моменты времени: 1; 2; 3; 5; 7; 10; 15; 20; 30; 40; 50; 60; 75; 90; 120; 150; 180; 210; 240; 270; 300; 330; 360; 400; 450; 500; 600; 700; 800; 900; 1000; 1200; 1500; 1800; 2100; 2400; 2700; 3000 с.

Устройство работает следующим образом. От внешнего устройства на второй вход КШ 8 поступает сигнал старта устройства, на выходе КШ 8 формируется сигнал старта устройства, поступающий на четвертый вход СУ 2. На первом выходе СУ 2 формируется сигнал начала фотографирования, поступающий на вход СВ 9 и вход ЦФА 1. СВ 9 выдает сигналы начала фотографирования в заданные моменты времени, формирующиеся на выходе СВ 9 и поступающие на третий вход СУ 2. ЦФА 1 выполняет фотографирование и формирует на группе выходов данные изображения, которые поступают на группу входов КЦФА 7. На шестом выходе СУ 2 формируется сигнал переключения в режим записи, поступающий на вход ОЗУВД 5. На втором выходе СУ 2 формируется сигнал начала передачи данных из КЦФА в ОЗУВД, поступающий на вход КЦФА 7. На группе выходов КЦФА 7 формируются данные изображения, поступающие на группу входов ОЗУВД 5. Через время, достаточное для записи данных изображения в ОЗУВД 5, на шестом выходе СУ 2 формируется сигнал переключения в режим чтения, поступающий на вход ОЗУВД 5. На третьем выходе СУ 2 формируется сигнал начала вычисления поверхностного натяжения, поступающий на вход БВПН 3. Изображение поступает с группы выходов ОЗУВД 5 на группу входов БВПН 3. На изображении методом пространственного дифференцирования выделяется контур пузурька, затем методом Андерса, Хаузера и Тукера [Обогащение и использование угля: Научн. тр. КузНИИ углеобогащения. – М.: Недра, 1970. Вып.5] по контуру пузырька производится расчет поверхностного натяжения. После окончания вычислений на группе выходов БВПН 3 формируется результат вычислений поверхностного натяжения, поступающий на группу входов БВПФА 4. На выходе БВПН 3 формируется сигнал, уведомляющий об окончании вычислений, поступающий на первый вход СУ 2. На седьмом выходе СУ 2 формируется сигнал переключения в режим чтения, поступающий на вход ОЗУВХД 6. На четвертом выходе СУ 2 формируется сигнал начала вычислений, поступающий на вход БВПФА 4. После получения значений поверхностного натяжения для изображений пузырьков, полученных в моменты времени, заданные в СВ 9, производится анализ зависимости поверхностного натяжения от времени. Известно, что кривая зависимости является суммой некоторого числа экспонент вида: D_i ехр(-B_it), где В_i и D_i – параметры i-й экспоненты, t – время в секундах. Числовые значения параметров В_i и D_i количественно характеризуют флотационную активность реагента. Определение значений параметров В_i и D_i осуществляется путем разложения кривой зависимости поверхностного натяжения от времени на сумму элементарных экспонент [Мелик-Гайказян В.И., Емельянова Н.П., Драганов А.В. К инструментальной оценке флотационной активности апполярных реагентов и их сочетаний с различными веществами, используемыми при пенной флотации. / Обогащение руд 6 (236), 1994]. После окончания вычисления на выходе БВПФА 4 формируется сигнал окончания вычислений, поступающий на второй вход СУ 2, а на группе выходов БВПФА 4 формируются данные результатов вычислений, поступающие на группу входов ОЗУВХД 6. Через заданный промежуток времени, определяющий частоту фотографирования, на выходе СВ 9 формируется сигнал, поступающий на третий вход СУ 2 и уведомляющий о начале следующего цикла работы устройства, где под циклом работы устройства понимается набор операций, включающий захват изображения, передачу изображения в БВПН, расчет поверхностного натяжения в блоке БВПН, передачу результатов расчета поверхностного натяжения в БВПФА. На первом выходе СУ 2 формируется сигнал начала фотографирования, поступающий на вход ЦФА 1 и СВ 9, после чего цикл операций повторяется. Через время, достаточное для перехода пузырька в состояние равновесия, – 3000 с, СВ 9 выдает сигнал завершения работы, поступающий на третий вход СУ 2. После этого на седьмом выходе СУ 2 формируется сигнал переключения в режим чтения, поступающий на вход ОЗУВХД 6, а на пятом выходе СУ 2 формируется сигнал готовности передачи данных, поступающий на первый вход КШ 8. На группе выходов ОЗУВД 5 формируются выходные данные, поступающие на группу входов КШ 8. На группе выходов КШ 8 формируются выходные данные, поступающие на ВУ.

Для реализации СУ 2 могут быть использованы программируемые логические микросхемы (ПЛИС), например ПЛИС серии МАХ 9000 фирмы Altera. CB 9 реализуется на микросхемах, реализующих функции счетчиков, сумматоров. ОЗУВД 5 и ОЗУВХД реализуются на микросхемах памяти, удовлетворяющих требуемому быстродействию и объему, например на микросхемах MT29M2G08AABWG фирмы Micron. Реализация КШ 8 определяется типом шины ВУ. Реализация КЦФА 7 определяется типом интерфейса ЦФА 1. Для реализации БВПН 3 и БВПФА 4 используется 32-разрядный микроконтроллер, например микроконтроллер AT32UC3A семейства AVR32 фирмы Amtel. В качестве ЦФА 1 используется фотоаппарат Canon 300D с максимальным разрешением 3072×2048 пикселей.

Изобретение позволяет повысить точность расчетов поверхностного натяжения, увеличить скорость расчетов и уменьшить габариты установки, определять параметры, характеризующие вклад отдельных групп ПАВ в величину флотационной активности реагентов.

Формула изобретения

Устройство для измерения поверхностного натяжения жидкости, содержащее оптический микроскоп, держатели сидящего пузырька, систему освещения пузырька, отличающееся тем, что введены цифровой фотоаппарат (ЦФА), блок вычисления величины поверхностного натяжения (БВПН), блок вычисления параметров флотационной активности реагентов (БВПФА), ОЗУ видеоданных (ОЗУВД), ОЗУ выходных данных (ОЗУВХД), контроллер цифрового фотоаппарата (КЦФА), контроллер шины (КШ), счетчик времени (СВ), схему управления блоками БВПН и БВПФА (СУ), причем группа входов КЦФА соединена с группой выходов ЦФА, первый выход СУ, предназначенный для выдачи сигнала, разрешающего фотографирование и запуск счетчика времени, соединен с входом ЦФА и входом СВ, выход СВ, предназначенный для выдачи синхронизирующих сигналов через заданные моменты времени, соединен с третьим входом СУ, группа выходов КЦФА соединена с группой входов ОЗУВД, вход КЦФА соединен с вторым выходом СУ, который предназначен для выдачи сигнала начала передачи данных из КЦФА в ОЗУВД, групповой выход ОЗУВД соединен с групповым входом БВПН и предназначен для передачи данных изображения из ОЗУВД, шестой выход СУ соединен с входом ОЗУВД и предназначен для переключения режимов записи, чтения ОЗУВД, вход БВПН соединен с третьим выходом СУ, который предназначен для управления работой БВПН, выход БВПН соединен с первым входом СУ и предназначен для передачи сигнала окончания вычислений, группа выходов БВПН соединена с группой входов БВПФА и предназначена для передачи результатов вычислений, произведенных в БВПН, второй вход СУ соединен с выходом БВПФА, который предназначен для формирования сигнала завершения вычислений, вход БВПФА соединен с четвертым выходом СУ, который предназначен для формирования сигнала, управляющего работой БВПФА, групповой вход ОЗУВХД соединен с групповым выходом БВПФА, который предназначен для передачи расчетных данных из БВПФА, вход ОЗУВХД соединен с седьмым выходом СУ, который предназначен для переключения режимов работы ОЗУВХД, первая группа входов КШ соединена с группой выходов ОЗУВХД, предназначенной для передачи расчетных данных из ОЗУВХД, первый вход КШ соединен с пятым выходом СУ, который предназначен для формирования сигнала готовности передачи данных внешнему устройству, четвертый вход СУ соединен с выходом КШ, предназначенным для формирования сигнала старта устройства, второй вход КШ предназначен для приема сигнала старта устройства от внешнего устройства, на группе выходов КШ формируются выходные данные результатов вычислений для передачи во внешнее устройство.

РИСУНКИ