专利名称：用于质量和流程控制的动态流体液位及气泡的检测的制作方法
一般说来，本发明是关于质量控制和流程控制，特别是涉及容器中流体液位和流体中的气泡(气体)的检测。
据此，本发明的一个目的是提供一个改进的方法，以便当容器在生产线上的移动时，可以预测容器中的最终的流体液位和溶解的气体量。另一个目的是要完成上述工作而不挤压瓶子。因此，该技术也可用于检测玻璃容器。
另一个目的是指示容器内流体的质量以及盖子是否适当密封。本发明再一个目的是预测作为气泡溶解率函数的液体粘度。
其它的目的和优点是提供在灌装架上灌装喷嘴和被检测容器之间的相关性以便方便地调节容器内流体和气泡的正确量；这样，如果旋转架上有一个喷嘴的标定不对，可以有自动报警。
据此，本发明的一个目的是不在灌装站附近，包括在灌装站前面的地方检测灌好流体的容器。
其它的目的如下(1)检测动态流体中的气体情况，该气体是有意注入流体的，并且提出任何需要调整的流体或气体的灌装。
(2)检测动态流体中不是故意注入流体的不要的气体，并提出任何需要调整的流体或气体的灌装。
(3)对质量控制和流程控制指出误动作灌装元件，例如，不产生气体或产气不足；并将误动作元件和受检容器联系起来。
(4)检测其中不应该有气体的动态流体，即检测流体中有没有不要的气体，它是因误动作元件非故意地注入容器的。
(5)对质量和流程控制指示误动作的灌装元件，例如，它产生不要的气体或空气；并把误动作元件和容器联系起来。
(6)对质量和过程控制指示误动作的消毒元件，例如，它产生不要的气体或空气(是由于热或欠热的结果)；并把误动作元件和受检容器联系起来。
(7)提供一种改进的方法，当容器在生产线上移动时可预测最终的流体液位和溶解的气体量。
(8)指示容器内流体的质量以及容器盖是否适当密封。
(9)预测液体的粘度，粘度是气泡溶解到液体中速率的函数。
(10)利用热力或机械力造成流体和气泡的一种动态，以便在通过灌装站或消毒站实施检测。
(11)对质量和流程控制提供一种改进方法以便用气体或空气的量检测消毒过程。
(12)对质量和流程控制检测未加气体的动态流体中是否存在气泡。
(13)把被检测容器和旋转灌装架上的灌装喷嘴联系起来，以便易于喷嘴调整容器内流体和气泡的正确量，从而如旋转架上有一个喷嘴的标定失常时就有自动警报。
根据下面的说明和附图，另外的目的和优点自会清楚。
附图的简要说明
图1是根据本发明的流体灌装系统的示意图，系统中对质量和流程控制采用了图象处理器。
图2是根据本发明的一个系统的示意图，系统中有一个作用或力的产生站，用于使流体处于动态状态，系统中采用了一个图象处理器。
图3是根据本发明的摄像视场图，说明流体中流体液位和气泡。
图4是根据本发明的流体高度的测量，测量是在摄像视场内沿着一列进行的。
图5是根据本发明的气泡测量，测量是在摄像视场内沿着一行进行的。
图6是说明根据本发明流体液位高度渐近地趋向于一个静态值。
图7说明根据本发明当气泡溶入流体时，气泡的数量渐近地趋向于一个静态值。
本发明的方法由以下序贯的步骤组成(1)一台执行单元，它把机械力或热力施加到灌有流体的容器上，并在生产线上移动。
(2)当容器中的流体处于动态状态中时，用光学方法扫描流体液位。动态状态是由机械力、热力、或两者兼而有之造成的。扫描可产生具有灰阶的产品图象。
(3)对产品图象的相邻象元的灰阶进行比较以便从液体区别气泡，或者把图象中的灰阶加以修改或量化。
(4)测量一次或数次流体的高度。
(5)测量一次或数次流体内气泡(气体)的数量。
(6)测得流体高度数据(步骤3)和气泡测量数据(步骤4)用数学函数与执行单元联系。
(7)对流体高度、气泡数量、流体高度变化率、气泡变化率进行分析，并与合格产品的动态范围和变化进行比较。
(8)通过分析流体和气泡的动态变化而测试容器的泄漏。
(9)测试容器的质量和流程控制。
上述各步骤将分别详细研究。
检测系统能检测灌有流体和气泡的容器，如图1所示。此系统包括了一个采用敏感器108的测量系统，敏感器108位于灌装转架105后面不远处。该系统检测每一个容器里的动态过程。使用该位置是由于容器109中的流体由于灌装运行仍是活动的，所以气泡很容易看见。
正在进来的容器102在进料传送带112上按101方向移动而被转动架105取起。转架上的喷嘴104用于把流体和已溶解的气体灌入容器。转架绕轴106以顺时针方向115转动。容器离开转架后到输出传送带111上。使用瓶子敏感器103和108以将输出传送带111上一个特定的容器和一个给定的灌装喷嘴联系。当容器沿传送带111移动时，摄像机114和图象处理器113摄取容器的图象。
在转架105上灌装后，容器109内的流体处于一种非常活动的过渡状态或动态状态之中。这种动态状态易于用电子方法检测。这就排除了摇动容器以使气体从流体中分离的必要。
摄像机114和处理器113获取了容器109的多幅图象。图象处理器113计算容器图象中的象元数目。该系统也检测容器内气泡的数量、其溶解的速率、液体的粘度。容器可装水、啤酒、酒、液态药物、油、血或其它任何流体。
图象贮存在处理器113的存储器(未示出)中。摄像机114的视场包括了容器中流体液位的表面、以及液体中的气泡。该视场示于图3。图象的灰阶以已知方式加以修改(量化)以便从气泡区别流体。这是通过对液体和气泡选择阈值并应用视象系统的查找表(下面解释)而进行的，例如专利5,204,911(1993年4月20日批准的Schwart等)中说明的。
通过计算象元数目测量液体高度，该象元是沿着修改好的图象的有关液体的每一行(或列)，这将在下面与图4一起解释。图4中流体的图象经修改而具有数值为M的灰阶。视象系统能够完成象元的计算。可以利用视象系统的直方图特征而进行，即通过把图象内的一个“窗口”或有关的区域(AOI)定义为只有一行而进行的。扫描的结果将是一个直方图向量，它是相同灰阶值象元数的计数结果。所以这是一个灰阶值为M的象元的计数；对该值流体图象的灰阶已被修改为M值。在本情况中，它是沿着垂直线的流体的象元数目。
如使用视象系统，另一种快速计算象元的方法已描述于上述5204911专利中。在本专利的系统中，模板图象是不同灰阶线条的一种组合。模板图象和修改好的图象叠加在一起，如图4、5所示。使用沿垂直线或水平线计算象元数，重叠图象的直方图就能解决。把计数数值加以平均就可指示平均的流体液位。本系统优选采用麻省渥本(Woburn，Mass)的图象技术公司(Imaging Technology Inc.)生产的Model 150/151图象处理器。
气泡的测量是通过计算气泡的象元数目，计算是沿着修改好的图象的各行(或列)进行的。计数值指示液体中气泡的数量。因为获取了多幅图象，所以就标出作为时间函数的液体高度、或气泡数量的曲线图。每个曲线图上的变化率，以及与完好容器的变化比较，可以预示液体粘度以及容器是否有任何泄漏。
处理器113在一段时间过程中计算气泡的数目、流体的高度，然后比较每个容器的动态特性以决定容器里的流体的变化是否在预定的偏移之内。然后再把这些结果和预先存在处理器中的完好容器的变化进行比较，也和转架上其它喷嘴的运行进行比较。敏感器能很快地辨别出可能需要调整的有故障喷嘴。
对产品图象灰阶值的修改为的是把这些灰阶加以量化以便区分气泡和液体。利用查找表和现有硬件可以实施，下面图2中充分说明。
图2表示了容器202在输入传送带212上按201方向移向执行站203。执行站对容器进行操作。执行站可以是灌装站、加热(消毒)站、气体或空气注入站、摇动站、以及上述任何组合的执行站。在执行站中处理后，容器在输出传送带211上沿207方向移动。容器由已知的敏感器208感知以便把被检测容器(诸如209)与执行站内的执行单元诸如喷嘴或加热板(未画出)联系起来。这种联系是按已知方式在处理器213内完成。通过利用了光源210和/或215、摄像机214、图象处理器213而完成检测。
现时的检测过程不仅寻找预期会在流体中的气泡，也寻找预期不会在流体中的气泡。例如，如果执行站在容器中只灌装流体(没有气体)，而对容器的检测却证明在有些容器中或全部容器中有气体或空气，则指示有误动作。气泡过量也可能指示灌装转架上的喷嘴出了故障，或是指示维修工程师必须解决的其它问题。
过量气泡的情况在消毒过程中或之后都是不应有的。这可能指示容器过热而引起产品分解。对于在流程和质量控制中，把过热容器和加热单元联系起来是非常重要的。消除产生过量气泡的根源可使产品的有效期明显延长，例如延长到三倍。
因此，图2的系统中使用了一个和图1中图象处理器113一样的图象处理器213，213测量不同的物理现象。在两种情况中，系统都是计算象元。但图2系统计算容器图象中显示由不同的力产生的不同物理现象的象元。诚然，对于一个外界的观察者来说，它看起来好象是相同的物理现象(因为不论在哪里找到的气泡都是一样的)。但是，对目前的情况需要不同的数学方程式来描述。它们可能涉及不同的参数，诸如灌装喷嘴的尺寸不对、注入到被检测容器中的热量、流体温度、以及许多其它参数。需要不同的数学方程式来描述不同的物理现象。数学方程式是非常复杂的，而且大部分情况是不可能求解的。本系统试图通过对流程控制进行检测流体的变化、分析其图象、预测质量、建立执行站和被检测容器的相关性而克服这种数学难题。
本系统也检测容器内气泡的数量、气泡溶解的速率、以及由此而得的液体粘度。容器可以有水、啤酒、酒、液态药物、油、血或任何其它流体。本检测系统以独特的方法使用那些计数以预测流体液位的最终静态值、溶解了的气体量并估测液体粘度。
离开执行站203后，容器中的流体处于非常活动的过渡状态。这个动态状态通过在运动中是否有悬浮的气泡、通过流体高度随时间的变化、通过气泡(气体/空气)溶解于流体的情况，并通过容器内是否存在流体运动而易于检测。
一个采用敏感器208的测量系统位于离灌装执行站203后面不远处。该系统检测每个容器中的动态过程。采用这个位置是由于容器209内的流体仍是活动的，气泡很容易看见。
摄像机214和处理器213摄取了容器209的多幅图象并保存在处理器213的存储器(未示出)中。摄像机214的视场包括了容器流体液位的表面以及气泡。该视场示于图3。
图象的灰阶经修改而量化以便区别液体和气泡。这是通过对液体和气泡选取阈值并应用视象系统的查找表而实施的。
但是，如果容器低速移动(低产量)，就不需要量化(修改)图象灰阶以区分流体和气泡。调整来自摄象机214输出视频信号而输入到图象处理器213使图象变亮也同样可以进行。此时图象中将许多种灰阶值。计算象元可以利用图象处理技术中熟知的方法，诸如边缘检测、斑点检测、滤波、其它方法而进行。那些方法被认为是慢的，即它们需要很多时间，因此比那种图象灰阶经修改而区分气泡和液体的方法是有缺点的。例如，图象灰阶可以修改成只有两种灰阶，直方图向量可以做成只有二位长(对二个灰阶)而不是128位长(对标准的摄像机灰阶)。二位长的向量处理比128位长的向量要快得多。两种方法可用同样的数据解决。
用计算象元数目而测量液体高度，那些象元是在修改好的图象中沿每一与流体有关的各行(或列)的，这将在下面与图4一起解释。图4中流体的图象经修改而具有数值为M的灰阶。视象系统能够完成象元计算。可以利用视象系统的直方图特征，即通过把图象内的一个“窗口”或有关的区域(AOI)定义为只有一条线而进行实施。扫描的结果将是一个直方图向量，它是相同灰阶值象元数的计数结果。所以它是一个灰阶值为M的象元的计数，流体图象的灰阶已被修改成具有此M数值。在本情况中，它是沿着垂直线的流体的象元数目。如使用Image Technology公司，150/151型处理器的视象系统，则有另一种快速计算象元的方法，它描述于前述专利(5204911)，其中模板图象是不同灰阶线条的组合。模板图象与修改好的图象重叠起来，如图4、5所示。重叠图象的直方图将用沿垂直线或沿水平线的象元计算解决。把计数值加以平均就能指示平均流体液位。
沿着修改好的图象的每一行(或列)计算气泡象元的数目就可以测量气泡，这将在下面与图5一起解释。象元计数是通过设置视象系统以把一个“窗口”或有关区域(AOI)定义成只有一条线而进行的。直方图计数结果将是一个向量，它是有相等灰阶值的象元数目的计数。所以它是具有灰阶值K的象元的计数，该K值是气泡图象灰阶经修改而成的值。在本情况中它是沿着垂直线或水平线的气泡象元的数目。当使用视象系统时，另一种快速计算象元的方法在上述5204911专利中定义，其中模板图象是不同灰阶线条的一种组合。把计数值加以平均就可指示平均的流体液位。
计数值指示流体中气泡的数量。因为获取了多幅图象，所以标出液体高度或气泡数量作为时间的函数的曲线图(图6、7)。每个曲线图中的变化率以及与良好容器变化的比较可以预测液体的粘度以及容器中存在的任何泄漏。
在时间过程中处理器213计算气泡的数目和流体的高度，然后把每个容器的动态情况进行比较以决定容器里的流体的变化是否在预定的偏离值之内。然后把结果和预先储存在处理器中的完好容器的变化进行比较，也要和转架上其它喷嘴的运行进行比较。敏感器能快速辩识可能需要调整的有故障的喷嘴。
利用查找表修改产品图象象元的灰阶值这是使用现有的硬件而实施完成。修改或量化灰阶以便区别代表气泡(气体)和代表液体的象元，并使之易于进行，因而在计数过程中更快。(其它方法也能区分气泡和液体)。在计算机起动时查找表和数据一起装入计算机。数据限定转换函数变化是实时的。可参考操作手册“LookupTables”(LUT)，Technical Publications Department，1990，Image Technology Inc，Woburn，Mass。使用查找表以修改图象的灰阶。查找表与变换函数一起装入计算机。对各项产品的变换函数是独特的，这对熟悉该技术的人是周知的，例如对啤酒瓶的变换函数如下产品图象中在0至150之间的全部灰阶(即在阈值150以下)都变成0灰度值，而在151至255之间的全部灰阶都变成灰阶160。
由摄像机214获取的图象示于图3，要把图象修改成具有以暗灰阶显示的气泡，如图4、5所示。根据查找表进行实施。这样就有可能把象元按各自有关的两个组计算象元与液体有关的象元和与气泡有关的象元。通过计算容器内和流体有关的象元数，视象系统能算出液体高度。各图象均由按竖列和横行排列的许多象元所组成。计数是按线条进行的，在修改好的图象中，线条是一竖列或一横行。象元是按线条计数的，把计数值按行的数目加以平均就可以得到最终的流体高度，这在下面的方程式(1)、(2)中将详细解释。
图象灰阶的修改是藉助于图2中的后光源215而进行的。光线从215向前照射到镜子210，从镜子反射通过容器中的流体，然后射回到摄像机214。这样就可能使摄像机和光源都处在传送带的同一边，就有机械上和光学上的优点。摄像机应该比光源稍高一点，以便能收集到从容器来的光。摄像机在传送带的这一边而光源在传送带另一边的较简单的结构也是可能的。
但是，如果容器的产量不高，则不需要修改图象在灰阶以区分流体和气泡。调整输入到图象处理器213的摄像机214的输出视频信号也可以进行。这种情况中图象包含了许多灰阶值。使用图象处理技术中熟知的方法可以进行象元计数，诸如根据地址或根据强度(灰阶)用处理器访问各个图象象元、边缘检测、斑点检测、滤波和其它方法。上面已经说过，这些方法被认为是慢的，即它们需要较长的处理时间，而不如修改图象灰值的方法好。
但是，当容器的产量不高时，不需要修改图象以区分流体和气泡并获得快速的计数方法。但是，因为图象中包含有许多灰阶，计数具有与气泡和流体有关的灰阶的象元而耗费的时间是明显地较大，我们将在下面说明。
为了跟踪流体的动态变化，需要多幅容器图象。今日的计算机技术对要获取多幅图象是足够快的，图3是单幅图象301，它是容器102(图1)的视场107，更准确地说是容器209(图2)的颈部。容器209的多幅图象由摄像机214获取而存贮在处理器213(图2)的存储器中。图象是按相等间隔的时间获取的。
容器的流体液位302是一条波形线条，它指示流体处于动态状态。有气泡303存在也指示流体处于动态状态。图象灰阶(未画出)包含了许多灰阶，某些代表流体，另一些则代表气泡。这些灰阶要修改以使流体由一种灰阶(M，图4)表示，而气泡则由另一种灰阶(K，图4)表示。通过选取合适的灰阶阈值就可以实施。选取的阈值应当是使在经过修改图象中的与气泡有关的象元数为最大。如果阈值选择不当，图象中出现的气泡数就较少。在上面“修改产品图象”中的实例中给出的灰阶范围是0至255，所以阈值必须在这个范围以内。
首先阈值选为0。然后增为1，如此继续下去。每选一次阈值，与气泡有关的象元就计一次数。选取气泡象元数最大的阈值。在该阈值以上的全部灰阶都转换成一个灰阶值。在该阈值以下的所有灰阶都转换成另一种灰阶值，从而形成只有两个灰阶值的图象。
也可以提供具有三个灰阶值的三元图象，如图4所示。一个灰阶值K是对气泡，第二个灰阶值M是对流体，第三个灰阶值L是对流体表面上的介质(空气)。每当摄像机视场包括三种类型介质时就用三元图象。
摄像机的视场可以包含多种类型的介质。例如，如果容器包含几种类型的流体，各层相互复盖，则就发生需要使用超过两个灰阶值的另一种情况，该情况下容器里的每层流体需要一个专门的灰阶值。对每种产品合适的阈值是独特的，而且是用实验方法选取的。
图4和图3相似，它用于表明当流体处于动态状态时，测量容器内流体液位的方法。
利用处理器213的查找表(LUT)修改图3的灰阶(未示出)。它们示于图4，其中像401那样的气泡被暗化而设置为灰阶K；与此相对，在图3中的气泡具有多个灰阶。利用修改灰阶的同样步骤，流体的灰阶(图3中，在波形线302下面)被修改为M值，不同于空气范畴(图3中，线302以上)被修改为灰阶值L。气泡的灰阶与液体的灰阶不同，和液体波形表面上的空气域的灰阶也不同。
用一根长的垂直线或竖列402计算流体高度403。选择视象系统扫描垂直线作为有关的(AOI)的区域。直方图特征是限于仅在已选取的AOI中计算象元数。定位处理器按一条线一条线地移动AOI，使得整个流体将实时地、按序贯序地得到复盖。在同一图象上可能有不同的AOI。垂直线402是一条经过修改的图象的线，由一横行象元组成。例如，点403和点404之间的距离是25个象元。这将是静态状态中沿着线402的流体的高度，即没有气泡的流体。
如上所述，流体处于动态状态，气泡401沿垂直线有两个象元长。流体的实际高度将是25个象元减去气泡401的高，即23个象元。处理器将在图象的底点404和点403之间计数，但只计灰阶为M值的象元数(它们共23个)。因为气泡401是2个象元长，即灰值为K的2个象元，这2个象元不计在内。所以沿垂直线402的实际流体高度将比点403少2个象元而等于23个象元。
对图象内全部平行于线402的可能的垂直线重复该步骤。RS170标准相机能摄取512条平行于线402的垂直线。对第一条垂直线的流体高度是A1，对第二条垂直线是A2，如此类推。各个计数值A1、A2等等都贮存在处理器213的存储器中。全部计数值由处理器的逻辑部件总加，并除以计数的次数。总的流体高度是这些全部垂直计数测量高度的平均值，并以值h表示。
h＝(1/N)×[A1＋A2＋……＋A402＋A512](1)其中N等于垂直线的总数。h值在图4中表示为以象元为单位的距离，它表达了处于动态状态中的流体的平均高度。
在容器内的流体的h值作为时间的函数(沿着生产线上相继的位置)作出图6，请注意，h值是渐近地上升，它指示容器中的气体正在溶解，以及流体正在趋于其静态状态。
不修改所得图象的灰阶也可能对不同灰阶的象元进行计数，这在下面解释。
基本的方法是直接访问法，这时图象处理器访问图象中每一个象元的灰阶值。通过地址或强度进行访问。每个象元都有一个确定其在图象中位置的地址。每个象元都有一个由灰阶值表示的强度。例如，对图象中所有具有给定灰阶值的象元能够访问以获取它们的地址，或者访问专门的地址而获取该象元的灰阶值。处理器能够获取它们的强度值并把它们贮存在存储器中。然后定义一个象元灰阶阈值，以便具有在该阈值以上的灰阶值的任何象元作为流体象元计数，而灰阶在阈值以下的任何象元作为气泡象元计数。然后指定两个处理器计数器，一个用于气泡，一个用于流体。处理器每检测出一个流体象元，它就把流体计数加1。处理器每检测出一个气泡象元，它就把气泡计数加1。处理器序贯地访问全部图象象元或者就访问有关的区域(AOI)。在图象中的一条线或一竖列被确定为一个AOI。
访问每个象元的步骤并将其灰阶与阈值比较是用软件进行的，这样的步骤需要大量处理时间。这是因为软件算法比起硬件功能来是慢的。修改图象灰阶，并用硬件直方图功能根据灰阶对象元进行计数比软件方法要快得多，所以这种方法更好。
象元计数是沿着垂直线402进行以计算流体高度403。视象系统被选定以扫描垂直线作为有关的区域(AOI)。定位处理器以使AOI按一条线一条线地实时地、按序贯次序地移动以复盖整个流体。
垂直线402是由一横行象元组成的图象行。图象处理器按序贯次序沿着线402比较各象元的强度值。比较相互紧挨着的象元的光强值以便检测边界。(图象处理器能依照位置或数值访问各个象元)。例如，边界象元(属于气泡边界或流体边界)能很容易地选取。只在在所选取象元(沿着线403)的上面和下面的象元灰阶变化超过平均灰阶的10％，该选取的象元就认为是边界象元。
平均灰阶可以定义为十个相邻象元的十个灰阶值的总和除以十。在图象处理技术中若干种边缘检测方法是众所周知的，可以用于检测气泡的边缘(表面)。沿着线403前进并在边界之间计算象元数能指示以象元数表示大小的流体高度和气泡。
例如，点403和点405之间的距离是40象元。检测到三个边界第一个距点404为20个象元，第二个距点404为22个象元，第三个距离404为27个象元。结论是气泡的大小是2个象元长，沿着线402的流体液位高度是25个象元，除去气泡的高度。这只是一种计算象元数目并测量尺寸的方法。这种方法是慢的，只应在容器以低生产量速度移动的情况下应用。
在图象修改后，通过如上所述的现有技术中已有的同样求平均的方法再次估测流体的高度。
图5也和图3相似，它表明通过计数有动态流体的容器内的象元数所表达的气泡数的测量方法。
利用处理器213的查找表(LUT)修改图3的灰阶。它们示于图5，其中气泡被暗化并定位到专一的灰阶K，与此相对的是在图3中具有多种灰阶的气泡(未示出)。气泡的灰阶不同于液体的灰阶，也不同于液体波形表面上的空气范畴的灰阶。采用同样的灰阶修改步骤，流体的灰阶修改成具有M值，不同于空气范畴的灰阶，它具有灰阶值L。
利用一条水平长线501以计算气泡的数目。视频系统选取为以一条水平线作为有关的区(AOI)。处理器的直方图特征定位为只在所选取的AOI内计算象元数目。AOI能实时地、序贯地从一条线移到另一条线而复盖全部流体。水平线501是一条由一横行象元组成的经修改的图象线。气泡的数目用象元数目表示。气泡502、503、504处于沿水平线501，并具有灰阶值K，它不同于流体的灰阶M。气泡502沿水平线501的高度是2个象元，气泡503的高度是3个象元，气泡504的高度是2个象元。处理器106(图1)或处理器213(图2)定位到只计算灰阶值为K的象元。所以它将计算沿着水平线501的代表气泡的象元数目。计数值将是2＋3＋2＝7个象元。
对于在液体中所有平行于线501的水平线都将重复此步骤。RS170标准摄像机能摄取平行于线501的480条水平线。为节省处理时间，只在预选的线条数上重复该步骤。线条数取决于溶解的气体的类型、液体的温度、容器内的压力。对于一只标准的啤酒瓶，选择的线条数为20。沿水平线501代表气泡数量的总象元数是B501(B501等于代表气泡502的象元数加上代表气泡503的象元数再加上代表气泡504的象元数，即如上面一段中所计算的是5个象元)。随着流体趋近于静态状态，气泡的数量将随时间而减少，静态状态下气体是完全溶解的。
在第一条水平线上代表气泡的总象元数是B1，在第二条水平线上是B2，如此类推。B1、B2等等每一个计数都贮存在处理器213的存储器中。全部计数由处理器的逻辑单元总加并除以计数的次数。气泡的总量可以按全部水平计数测量的平均值表示而以值B表示。
B＝(1/N)×[B1＋B2＋……＋B480]N等于完成计数的水平线的总数。(N＝480，如果使用摄像机RS170，并且如果是沿着全部水平线而计数气泡)。
沿一横行的代表气泡的总象元数也可以在一段时间里反复计数而加以平均。
沿水平线501的代表气泡的象元数保存在存储器中以备进一步分析。
是气泡平均数量的B值作为时间函数而标在图7上。
不修改所得图象的灰阶而用灰阶计算象元数仍是可能的，就像在上面讨论图4的最后一节中所述。同样的计数步骤用到水平的图象线，而不是垂直的图象线。
图6是图4流体液位h值的时间曲线图。它是按等距时间间隔六次测量的，在纵座标顶部以点子表示。h的变化是指数式的。在h值＝h6处，流体的高度已到达其静态值。利用前三个数值h1、h2、h3可以用对时间外推而得到误差很小的h6值。h值随时间的变化率(dh/dt)能很好地指示流体的粘度和它保持住溶解的气泡体的能力。这就是说，dh/dt越大，流体的粘度越大(测得一批啤酒瓶的dh/dt值为每0.5秒500、200、70、10个象元)。
线段603是检测完好瓶子而得到的统计值，即被认为处在流体量终验收可接受的范围之内。只要新检测的瓶子具有的流体高度是在603曲线上，则线上操作员就可以确信静态流体液面高度是在允许范围之内。较高的统计数范围(未示出)代表过份的灌装。
转架上喷嘴204是按照图6的结果调整的。例如，如果静态高度h6低于线603，则喷嘴204的开口要增加以便使更多的流体进入容器。
图7是图5值B的时间曲线图。B值以等距时间间隔测量6次。B的变化是指数型减少。在B＝B6处流体中的气体已到达其静态值。利用前3个数值B1、B2、B3可以用外推的办法以很小的误差得到气泡溶解所需的时间(B6)。B值随时间的变化率(dB/dt)能很好地指示流体的粘度和它保持住溶解气体的能力。这就是说，dB/dt越大，流体的粘度越大。
如果dB/dt小则指示容器内没有足够的气泡。这可能是泄漏的结果，气泡逸出了容器；或者指示没有注入容器足够的气体。两种情况都需要报废该产品。如果这种情况的发生是在同一个喷嘴，则指示喷嘴必须调整以注入较多的气体。这也可指示喷嘴有机械问题。对这两种情况流程质量工程师必须警惕。
线段703和704是检测完好瓶子而得到的统计数，即认为这些对溶解的气体是最终合格的并且有合格味道的(像制造商所规定的)。只要新检测瓶子的气泡性质是在线段703和704之间，则它们溶有的气体和味道都会在合格范围之内。
据上所述，读者会看到我们已经提供了一种能检测容器内流体气泡和流体灌装液位的方法，而这两者都是处于动态状态的。这样就可以控制产品的质量，这也提供了一种通过分析气泡以指数方式向稳定的状态减少而预测密封盖是否泄漏的方法，通过分析了流体高度而估测及控制容器中的最终流体液位。我们还通过分析动态模式时流体高度的变化而提供了一种预测容器内最终静态流体液位的方法。还有，我们能够把单个的瓶子与灌装转架上的喷嘴联系起来而能够调整特定的喷嘴而不影响整个灌装机。我们也通过检测动态液体中气泡变化率而提供了一种标定喷嘴注入容器的气体量的方法。我们还通过分析气泡数量和液体高度的渐近的变化而提供液体的粘度值。我们也提供了一种预测机械故障的方法，这种故障在流体中引入不愿要的气体(空气、二氧化碳等等)。我们也提供了一种监视消毒和热控制的方法。这是通过在消毒站后检测流体及气泡变化、把它和标准容器的变化进行比较、在不能达到质量标准时把这种变化和执行站联系而进行的。这是对流程控制而决定在执行站是否有任何误动作而进行。
虽然上面的说明包含了许多专门的细节，这些细节不应成为对本发明的限制，而应该作为其优选方案的例举说明。在本发明的描述内许多其它的细化、变化都是可能的。
例如，能够造成动态力的其它的力，诸如核辐射、X射线、声波。
另一个实例，我们可以摇动容器以便在容器内造成的动态流体的条件。但是，这就需要额外的硬件。
所以，本发明的范围不仅由所给出的实施例，也由所附权利要求以及它们的法律上的等价物所限定。
权利要求
1.一种使用敏感器和带存储器的处理单元而检测灌有含气泡液体的容器的方法，所述液体和所述气泡是处于动态状态并且在生产线上移动，该方法包括(a)沿生产线移动一系列的容器经过一个灌装站和一个检测站，(b)在所述灌装站以液体和气体灌装所述系列容器，从而使所述容器中的所述液体含有气泡，该气泡悬浮在所述液体中，由于所述灌装使所述液体和所述悬浮气泡处于一种动态状态中，(c)在所述检测站用光线照亮所述容器以使最后的光来自所述容器，(d)在所述检测站用所述敏感器敏感来自所述容器的所述最后光线，并把所述最后的光转换成一种电信号，(e)由于所述灌装的结果，当所述液体和所述悬浮气泡仍处于所述动态状态时，所述容器被照亮并被敏感，(f)从所述电信号造成含有多种象元的产品图象，其象元为(1)所述的象元具有多个许多有关灰阶表示的光强值，(2)第一种许多所述多种象元代表所述液体，并且具有基本上处在预设阈值一边的灰阶，(3)第二种许多所述多种象元代表所述气泡，并且具有基本上处在所述预定阈值的另一边的灰阶，(g)修改所述产品图象以产生经过修改的产品图象以便区分液体和气泡，通过对全部在所述预定阈值的所述一边的象元都指定一个预定的单一液体灰阶值，并对全部在所述预定阈值的所述另一边的象元都指定一个预定而不同的单一气泡灰阶值，(h)计算具有所述液体灰阶值的象元，并把结果液体象元计数贮存在存储器中，(i)把具有所述气泡灰阶值的象元计数，并把结果气泡象元计数贮存在存储器中，(j)分析所述结果液体象元计数和所述结果气泡象元计数而计算液体高度和气泡。
2.按照权利要求1的方法，还包括分析所述结果的液体和气泡计数通过将所述结果计数和合格瓶子的计数进行比较以决定所述容器是否泄漏。
3.按照权利要求1的方法，还包括通过所述结果计数和合格瓶子的计数进行比较而分析所述结果的液体和气泡计数。
4.按照权利要求1的方法，还包括通过将所述结果计数和合格瓶子的计数进行比较而分析所述结果的液体和气泡计数以验证在所述产品内的气泡量而进行质量控制。
5.按照权利要求1的方法，还包括通过将所述结果液体和气泡计数和合格瓶子的计数进行比较而分析所述结果的计数以控制灌装喷嘴运行。
6.按照权利要求1的方法，还包括通过将所述结果计数和合格瓶子的计数进行比较而分析所述结果的液体和气泡计数而控制灌装液位高度。
7.按照权利要求1的方法，其中所述容器装有一种选自啤酒和软饮料一类的液体。
8.按照权利要求1的方法，其中所述容器装的液体是水。
9.按照权利要求1的方法，其中所述容器装的液体是液态药物。
10.按照权利要求1的方法，其中所述计算具有所述液体灰阶值的象元数是沿着所述液体的垂直线进行的，所述计算具有所述气泡灰阶值的象元数也是沿着所述液体的垂直线进行的，并且其中所述分析所述结果的液体计数和所述结果的气泡计数是通过由所述结果液体计数中减去所述得到的气泡计数。
11.按照权利要求1的方法，其中(a)所述计算具有所述液体灰阶值的象元是在相继的几个时间进行的以便得到几个液体计数，而且还包括平均所述几个液体计数而得到一个平均的液体计数，所述平均液体计数构成所述结果液体计数；以及(b)所述计算具有所述气泡灰阶值的象元是在相继的几个时间上进行的以便得到几个气泡计数，而且还包括平均所述几个气泡计数而得到一个平均的气泡计数，所述的平均气泡计数构成所述的结果气泡计数。
12.按照权利要求1的方法，其中所述计算具有所述液体灰阶值的象元是沿着所述液体的垂直线进行的，而所述计算具有所述气泡灰阶值的象元也是沿着所述液体的垂直线进行的，而且其中所述分析所述结果液体计数和所述结果气泡计数是通过由所述结果液体计数中减去所述结果气泡计数。
13.一种使用敏感器和带存储器的处理单元而检测灌有含气泡的液体的容器系统，所述液体和所述气泡是处于动态状态并且在生产线上移动，该系统包括(a)一条包括一个灌装站和一个检测站的生产线，(b)移动工具，用于将一系列容器沿所述生产线移动而经过所述灌装站和所述检测站，(c)在所述灌装站的灌装工具，用于将液体和气体灌装进所述容器而使所述容器中的所述液体含有悬浮气泡，由于所述灌装而引起所述液体和所述悬浮气泡处于动态状态，(d)在所述检测站的照明工具，用于用光线照亮所述容器使得最后光线来自每个所述容器，(e)在所述检测站的敏感和转换工具，用于(a)敏感来自一个所述容器的所述最后光线，所述敏感和转换工具包括所述敏感器；以及(b)把所述的结果光线变换成一种电信号，(f)当所述液体和所述悬浮气泡仍处于因所述灌装而引起的所述动态状态之中时，所述的照明工具用光照亮所述容器，并且所述敏感和转换工具敏感来自所述容器的所述结果光线，(g)图象工具，用于从所述电信号造成产品图象，该图象包括多种象元，所述图象工具安排得使所述象元具有多个以相应的许多有关灰阶表示的光强值，具有第一种许多代表液体的所述多种象元，其灰阶值基本上在预定阈值的一边，以及具有第二种许多代表所述气泡的所述多个象元且其灰阶值基本上在预定阈值的另一边，(h)修改工具，用于修改所述产品图象而产生经修改的产品图象以便区分液体和气泡，它通过对全部在所述预定阈值的所述这一边的象元都指定一个预定的、单一的液体灰阶值；并对全部在所述预定阈值的所述另一边的象元都指定一个预定的、不同的、单一的气泡灰阶值，(i)液体象元计数工具，用于计算具有所述液体灰阶值的象元数目，并把结果液体象元计数贮存在存储器中，(j)气泡象元计数工具，用于计算具有所述气泡灰阶值的象元数目，并把结果气泡象元计数贮存在存储器中，(k)分析工具，用于分析所述结果液体象元计数和所述结果气泡象元计数以便计算液体高度和气泡。
14.按照权利要求13的系统，还包括通过将所述液体和气泡计数和合格瓶子的计数进行比较，而分析所述液体和气泡计数以决定所述容器是否泄漏的工具。
15.按照权利要求13的系统，还包括通过将所述液体和气泡计数和合格瓶子的计数进行比较，而分析所述液体和气泡计数的工具。
16.按照权利要求13的系统，还包括为质量控制通过将所述液体和气泡计数和合格瓶子计数进行比较而分析所述液体和气泡计数以验证所述产品内气泡数量的工具。
17.按照权利要求13的系统，还包括分析所述液体和气泡计数的工具，通过将所述液体和气泡计数和合格瓶子的计数进行比较而用于控制灌装喷嘴的运行。
18.按照权利要求13的系统，还包括分析所述的液体和气泡计数的工具，通过将所述液体和气泡计数和合格瓶子的计数进行比较而控制灌装液位高度。
19.按照权利要求13的系统，其中所述液体象元计数工具安排成沿所述液体的一条垂直线计算象元数，而且所述气泡象元计数工具也是沿着所述液体的一条垂直线取向的，并且其中所述分析工具安排成从所述结果液体象元计数中减去所述结果气泡计数。
20.按照权利要求13的系统，其中所述液体象元计数工具安排成在相继的时间取几个液体计数并平均这些计数，以及其中所述气泡象元计数工具安排成在相继的时间几个气泡计数并平均结果计数。
21.一个检测灌有含气泡液体的容器的系统，所述液体和气泡是处于动态状态中并在生产线上移动着，该系统使用一个执行站和一个检测站，它包括(a)一个执行站工具，用于在多个容器上操作，使所述容器盛有液体和气体而且所述液体是处于动态状态之中，以及所述气体以气泡形式悬浮在所述液体中，这些气泡也处于所述动态状态中，(b)一个检测站工具，它使用光源和敏感器而用于造成所述容器的一种图象，该容器灌装有处于所述动态状态的所述液体和所述气泡，(c)所述检测站工具安排以造成一种图象，该图象包括具有许多代表所述液体的灰阶的多种象元，以及具有许多代表所述气泡的灰阶的多种其它象元，(d)所述检测站工具有一个存储器和一个处理器，它用于得到所述象元的光强值以得到所述象元的灰阶值、进行数学计算、以及将某些所述象元分类为流体象元而将另一些所述象元分类为气泡象元，并把分类贮存在所述存储器内，(e)计数工具，用于完成代表流体的所述象元的第一种计数以及代表气泡的所述象元的第二种计数，(f)分析工具，用于分析所述第一种计数和第二种计数而控制质量的流程，(g)相关工具，对所述分析工具作出响应，以指示所述执行站的任何误动作而控制质量和流程。
22.按照权利要求21的系统，还包括用于通过使用敏感器而联系所述执行站的所述误动作和受检测的容器的工具。
23.按照权利要求21的系统，其中所述执行站工具是一台消毒机。
24.按照权利要求21的系统，还包括用于分析所述结果液体计数和结果气泡计数的工具，它通过比较所述结果计数和合格瓶子的计数而决定所述容器是否泄漏。
25.按照权利要求21的系统，还包括用于控制所述执行站的运行而比较所述结果液体及气泡计数和合格瓶子的计数的工具。
26.按照权利要求21的系统，还包括利用所述处理器而联系所述执行站的所述误动作和受检测容器的工具。
27.按照权利要求21的系统，其中所述容器盛有一种选自啤酒和软饮料类的液体。
28.按照权利要求21的系统，其中所述计数工具安排成沿所述液体的垂直线取数，并且其中所述的分析工具安排成从所述液体计数减去所述气泡计数。
29.按照权利要求21的系统，其中(a)所述计算工具安排成在几个相继的时间计算具有所述液体灰阶值的象元数目以得到几个液体计数，并且还包括平均所述几个液体计数以得到一个平均液体计数，所述的平均液体计数构成所述液体计数；以及(b)所述计算工具也安排成在几个相继的时间计算具有所述气泡灰阶值的象元数目以得到几个气泡计数，并且还包括平均所述几个气泡计数以得到一个平均气泡计数，所述平均气泡计数构成所述气泡计数。
30.一个监视生产线的质量和流程控制的系统，通过检测灌装有处于动态状态的液体的容器，而且所述容器在生产线上移动着，该系统使用了一个执行站和一个检测站，包括(a)一个执行站工具，用于在所述多个含液体的容器上操作，因所述操作而引起使所述液体处于一种动态状态，(b)一个检测站工具，它使用光源和敏感器而用于产生灌装有所述流体和所述气泡的所述容器的一种图象，该流体和气泡处于所述动态状态中，(c)所述检测工具安排得以便造成一种图象，该图象包括具有许多代表所述流体的灰阶的多个象元，(d)所述检测站工具具有一个存储器和一个处理器，用于得到所述象元的光强值而用于得到所述象元的灰阶值、用于数学计算、以及用于将所述象元分类成流体象元或气泡象元并把所述分类贮存在存储器中，(e)计数工具，用于完成代表流体的所述象元的第一种计数以及代表气泡的任何象元的第二种计数，(f)分析工具，用于分析所述第一种计数和所述第二种计数以控制质量和流程，(g)相关工具，它响应于所述分析工具，用于指示所述工作站的任何误动作以控制质量和流程。
31.按照权利要求30的系统，其中所述检测工具也被安排以检测在所述流体中的不要的气泡。
32.按照权利要求30的系统，其中所述第二种计数等于零。
33.按照权利要求30的系统，其中(a)所述第一种计数是在几个相继的时间进行，以得到几个第一种计数，并且还包括平均所述几个第一种计数而得到一个平均液体计数，所述平均液体计数构成所述第一种计数；以及(b)所述计数工具是在相继的几个时间进行所述第二种计数以得到几个第二种计数，并且还包括平均所述几个第二种计数以得到一个平均气泡计数，所述的平均气泡计数构成所述第二种计数。
34.一种监视生产线质量和流程控制的方法，它通过使用一执行站和一检测站检测灌装有含气泡的液体的容器而进行的，此时所述液体和所述的气泡处于一种动态状态且在生产线上移动，包括(a)在一个执行站在多个容器上操作使得所述容器盛有液体和气体而所述液体处于动态状态，而所述气体是以气泡形式悬浮在所述液体中，而该气泡也处于所述动态状态中，(b)用一个使用光源和敏感器的检测站造成所述的容器的一种图象，容器灌装有处于所述动态状态的所述液体和所述气泡，(c)所述图象包括了具有许多代表所述液体的灰阶的多个象元，还包括了具有许多代表所述气泡的多个其它象元，(d)用处理器在所述检测站得到象元的光强以得到所述象元的灰阶值用于数学计算，以及将某些所述象元分类为流体象元而将另一些所述象元分类为气泡，(e)把所述象元的分类贮存在存储器中，(f)计算代表液体的所述象元而提供液体象元的第一种计数并计算代表气泡的所述象元而提供代表气泡的第二种象元计数，(g)分析所述第一种计数和所述第二种计数以控制质量和流程，(h)将所述第一种和第二种计数的分析和所述执行站联系以指示所述执行站的任何误动作而控制质量和流程。
35.按照权利要求34的方法，还包括利用了一个敏感器将所述执行站的任何误动作和一个受检测的容器联系的工具。
36.按照权利要求16的方法，其中所述的执行站工具是一台消毒机。
37.按照权利要求16的方法，还包括通过比较所述第一种和第二种计数和合格容器的计数而分析所述第一和第二种计数以决定所述容器是否泄漏。
38.按照权利要求16的方法，还包括通过比较所述第一种和第二种计数和合格容器的计数而分析所述第一种和第二种计数以验证所述产品内的液体和气泡量而进行质量和过程控制。
39.按照权利要求16的方法，还包括通过比较所述计数和合格容器的计数而联系所述第一种和第二种计数而控制所述执行站的运行。
40.按照权利要求16的方法，还包括通过比较第一和第二计数与合格容器的计数而控制液体灌装液位高度。
41.按照权利要求16的方法，其中所述容器盛有一种选自啤酒和软饮料类的液体。
42.按照权利要求16的方法，其中所述计数沿所述液体的一条垂直线取计数，以及其中所述分析从所述第一种计数减去所述第二种计数。
43.按照权利要求16的方法，其中(a)所述计数在几个相继的时间计算具有所述液体灰阶值的象元数以得到几个液体计数，并且还包括平均所述几个液体计数而得到一个平均液体计数，所述平均液体计数构成所述液体计数；以及(b)所述计数在几个相继的时间计算具有所述气泡灰阶值的象元数以得到几个计数，并且还包括平均所述几个气泡计数而得到一个平均气泡计数，所述平均气泡计数构成所述气泡计数。
44.一种用于生产线质量和流程控制的方法，它通过采用一个执行站和一个检测站，而检测处于动态状态的液体而且在生产线上移动，该方法包括(a)在一个执行站在多个容器上操作以使所述容器盛有动态状态的液体，(b)用所述的检测站通过使用光源和敏感器而造成所述容器的图象，该容器灌有处于所述动态状态的所述液体，(c)所述图象包括具有许多代表所述液体的灰阶的多个象元，(d)用一个处理器在所述检测站得到所述象元的强度以得到用于数学计算用的所述象元的灰阶值，并用于把所述象元分类为流体象元或气泡象元，(e)把所述的象元分类贮存在存储器里，(f)计算所述代表液体的象元而提供液体象元的第一种计数，并计算代表气泡的任何象元而提供代表气泡的任何象元的第二种计数，(g)分析所述第一种和所述第二种计数用于质量和流程控制，(h)联系所述第一种计数和第二种计数的分析和所述执行站以指示所述执行站的误动作而控制质量和流程。
45.按照权利要求44的方法，其中完成分析以检测在所述流体中不要的气泡。
46.按照权利要求44的方法，其中所述液体不含有气泡，使得所述第二种计数等于零。
47.按照权利要求44的方法，其中(a)所述计数在几个相继的时间进行所述第一种计数而得到几个第一种计数，并且还包括平均所述几个第一种计数而得到一个平均液体计数，所述平均液体计数构成所述第一种计数，以及(b)所述第二种计数是在几个相继的时间完成而得到几个第二种计数，而且还包括平均所述几个第二种计数而得到一个平均气泡计数，所述平均气泡计数构成所述第二种计数。
48.一种用于监视生产线质量和流程控制的方法，它通过使用一个执行站和一个检测站检测处于动态状态并在生产线上移动的液体，这种方法包括(a)在一个执行站在多个容器上操作，使得所述容器装有动态状态的液体，(b)用所述检测站通过使用光源和敏感器造成所述容器的图象，该容器装有处于所述动态状态的所述液体，(c)所述图象包括了具有许多代表所述液体的灰阶的多个象元，(d)用一个处理器在所述检测站得到象元的强度而取得所述象元的灰阶值用于数学计算，并用于将所述象元分类成液体象元或气泡象元，(e)把所述象元的分类贮存在存储器里，(f)计算所述代表液体的象元而提供流体计数，(g)分析所述流体计数用于质量和流程控制，(h)联系所述流体计数的分析以指示在所述执行站的任何误动作。
全文摘要
使用快速图像获取和图像处理控制有利于测量动态和过渡现象。本技术通过摄取盛有液体的容器的图像并修改图像的灰阶而区别液体和气泡。通过计算在图像内沿垂直线或水平线归属于气泡或流体的图像像元的技术可用于检测流体液位和气泡。动态下检测液位和气泡可指示容器有无泄漏、容器内产品的最终质量和数量。它能够很方便地标定和调整在容器内的气泡量，提供机械或热故障的指示。该系统在啤酒和软饮料工业中是极为有用的。
文档编号G01N35/02GK1120163SQ94119000
公开日1996年4月10日 申请日期1994年11月23日 优先权日1993年11月24日
发明者尼若·施瓦茨, 阿里·沙哈, 理查德·伍兹 申请人:尼若·施瓦茨