CN1039364C - 对纤维样品中的渣滓进行监测的设备 - Google Patents

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Abstract

含杂质纤维样品中渣滓的监测设备，包括测定样品重量的秤，重量值送至计算机。样品送往感测容积时，光传感器产生体现该容积存在渣滓的输出信号。该信号可为因为存在渣滓而引起消光的相应波形。也可对容积中渣滓进行图象分析而产生对应于粒径，其形状或组成的信号。计算机接收重量数据的传感器的输出信号而产生单位样品重量的一部分某种渣滓的计数的/或对应于渣滓之有效直径、投影面积、重量及纤维计数和重量等形式的输出数据。

Description

对纤维样品中的渣滓进行监测的设备
本发明涉及对纤维样品中的杂质的测量，更确切地说，提供对棉纱中的可见杂质进行计数，测定大小和分类的方法和设备。这些工作是根据对杂质或渣滓的新定义而进行的。
棉纱中的渣滓与灰尘在收割时开始产生。任何清理过程的主要目的就是要除掉“可见杂质”和最大限度地减小清洁过程的腐蚀性，近几年来，轧棉厂的产量已有戏剧性地增长。对世界级(world-class)纺织厂而言，对清洁过程的要求在不断提高，因为现代化高产生率的精纺机械对渣滓和尘埃的允限很小。去除渣滓与尘埃总是以更多的纤维损耗和损坏为代价。显然，对每个轧棉和纺纱过程来说，务必实现渣滓与尘埃，棉结与短纤维含量之间的最佳化。
渣滓与尘埃意味着纺织纤维中存在不希望有的颗粒。这可见杂质不仅影响纱线均匀度和强度，而且还降低制造工序的效率。
历来，渣滓与尘埃是用缓慢的重量分析法来测量的。也就是说，去除可见杂质的同时记录其重量作为样品重量的百分比。这种重量分析法不能提供有关渣滓和尘埃粒子的数量或大小或形状或类型方面的信息。当重量百比往往小于0.1％时，对当今清洁渣滓和推动轧棉、纺纱和市场情况的信息技术来说，重量法的精确度和速度均变得不能令人满意。
更重要的是，与简单的重量相比，渣滓的数量连同其大小，形状和类型正日益成为对纤维值或工艺性能的更好说明。
因此，显然，根据先有技术的规定，对渣滓或杂质进行更严谨更精确，更快和更经济的测量是必要的。但同样清楚表明：附加测量也是必要的。记录不同处理点的杂质百分比重量是不再适宜了；重要的是也要记录渣滓(树叶、树皮、草、种子皮碎片等)的大小和种类或类别，或要去除该杂质的困难程度(可清洗性)，或该渣滓或将特定类渣滓是否有损于某已知的纺织制造工艺过程。
因此，本发明的一个目的是对纤维样品中的杂质提供几种新测量值。本发明揭示了一种基本的新物理参数，即每克样品中的渣滓粒子计数。广泛运用该参数以及大小、形状和种类的引伸将改善对杂质的描述，从而改善质量和有益性。
本发明的又一目的是提供用于测量计数/克、粒径、形状和种类方面的几种根本不同的方法和设备。这些方法和设备体现了将各种杂质的实物导向沈学敏感装置的手段。
本发明的一个重要结果是改善了对纤维样品中杂质的重量百分比的测量值，可使该先有技术的描述参数具备改善了的准确度、精度和清洗纤维样品的速度。
本发明通过提供一种将渣滓粒子和纤维的样品称重后，经处理以确定渣滓数据的设备而达到上述目的及与监测渣滓相关的其它目的。一个导引***最好包括一分离器、空气传送***和喷嘴基本上将样品中的所有渣滓粒子引向处于对光敏感状态下的感测体积。一个光学传感器感测基本上取样体积上显现的全部渣滓粒子，并产生一个表明在取样体积中至少存在渣滓粒子的输出信号。该输出信号被传送到包括用于接收模拟信号的模数转换器的计算机。计算机根据传感器输出信号确定对渣滓粒子的至少一个计数并计算每单位重量的原始样品的渣滓粒子计数。然后，计算机输出以每单位重量的样品中的渣滓粒子计数为形式的数据。
在最佳实施例中，光学传感器测每个渣滓粒子的存在，并测量每个渣滓粒子的特性，该特性对应于该渣滓粒子的粒径。对应于这类投影面积的光学传感器产生一个或多个输出(v)。一般地说，最佳处理装置接收该输出(v)和对应于渣滓粒子的所述计数和粒径的输出数据。具体地说，处理装置根据对不同粒径的粒子不同方程而感测到的特性计算每个渣滓粒子的投影面积(如以后所定义的)。更确切地说，该处理装置对小粒运用一种方程，而对大粒子运用另一方程，所述小和大粒子问的差别是由被感测特性的预定阈值所定义的。换言之，若输出(v)小于阈值，则该粒子作为小粒子对待。反之，作为大粒子处理。
在最佳实施例中，处理装置还计算每单位重量的样品的小粒子计数(最好，计数值/克)并计算每单位重量样品的大粒子的分立计数。两种计数值均作为数据而输出。
还有，渣滓粒子的重量同聚集的投影面积相关。因此最好，处理装置还计算和输出样品中渣滓的总预计重量和基于聚集的投影面积的可见杂质的百分比。此外，处理装置计算和输出渣滓粒子的平均投影有效直径。此处所用“有效直径”是指采用方网格或滤网经实验测定的直径。我们称通过具有x和x开口的方网格但不通过具有y和y的较小网格的粒子其有效直径为(x-y)0.5。投影面积是有效直径的平方并在后面被定义为“E-O”(电-光)块体(units)。
在最佳实施例中，配置了一光探测器，以探测由光源产生的光，并当粒子通过该光源和探测器之间时，测量光的消失(消光)以产生输出(v)。除了消光之外，或代之以消光，可进行由粒子引起的诸如背散射和(或)向前散射光的其它测量。这类测量可根据所需信息，以不同角度和采用不同视野来进行。这类电光技术揭示了包括几何形状，细度，组成(composition)和类型等粒子的其它特性。利用这一信息以及诸如棉花渣滓等的已知渣滓特性，使可识别每个粒子为树叶、种子皮、草树皮等。因此，例如，可输出代表每克样品中渣滓粒子数的数据(计数值/克)，当其有效直径大于500微米时，则该渣滓为“树叶”。还例如，可产生每克渣滓计数，这些渣滓的长度大于1000微米，厚度薄于100微米，其V40/V0之比小于0.85，其中V40表示40°向前光散射，V0表示在0°时光消失，这两个角度都是相对于光的行进方向的。在进行这类测量时，不难理解：对实物的导引是为便于测量起见或使得诸如渣滓粒子的实物计数，其大小度量和分类成为可能。
通过参照下列结合附图对最佳实施例的详细说明，可更好地理解本发明，附图中：
图1是渣滓监测设备的方块图；
图2示出小渣滓粒子和一传感器；
图3示出大渣滓粒子和传感器；
图4为一渣滓粒子的侧缘视图；
图5为一渣滓粒子的顶部平面视图；
图6为一渣滓粒子的前缘视图；
图7为表示渣滓粒子在x轴上的规范化投影面积和y轴上的概率曲线图；
图8为表示x轴上粒子直径同表示由送到传感器的粒子产生之电压的y轴的坐标图；
图9为表示类似于图8所示信息的拼合图；
图10a和10b分别为表示由本发明所测量的每克投影面积与手动测定的可见杂质百分比之间相关性的曲线图与图表；
图11为由该设备典型输出的一个例子；和
图12示出利用观测纤维与渣滓之薄平片的视频摄象机的一替换实施例。
现参见附图，其中相同标号表示贯穿几种视图的相同或相应部件，图1中示出了用于监测包括纤维与渣滓的纤维样品12中之渣滓的渣滓监测设备10。样品12先被置于一定标器14上，其压力(或重量)敏感传感器16在导线18上产生一个与样品12之重量相对应的信号。导线18上的信号被传送到计算机20，计算机20包括接收该模拟重量信号的适宜的A/D转换器。计算机20根据来自导线18的信号计算和贮存样品12之重量。
接着，通过机械渣滓制造机21或用手使样品12形成通常称之为渣滓的细长构形，然后令渣滓通过导管22传送到由2ellweger乌斯特等公司出售的识别机/分离器24。纤维样品12接合分离器轮26和28，压板27及该技术领域中已知分离器24内将纤维与渣滓分开的其它部件。渣滓通过导管30和32收集。正如导管30和32中的箭头所示，导管30和32中所存在气流在接近轮26和28时将相对被剔入导管30和32的粒子运动。该气流通常称为逆流，而导管则称之谓逆流狭通道(counterflow slot)。该逆气流将纤维回抛入导管30和32，但轮子以足够的速度撞向渣滓粒子，致使这些粒子克服逆流作用而到达转向点31和33，在那里，渣滓粒子被吸入导管30与32中，同逆流反向行进的气流里。显然，转向点31和33体现了导管30和32中的小容积空间，在那里，渣滓粒子不是被返至圆筒26、28，就是被带出。还有一点很清楚的是可调节被带出的渣滓粒子的大小。
棉绒(纤维)由导管34收集并被送到导管36，导管36内有真空传动气流。同样，导管38内的真空传动气流接收和吸入来自导管30和32的渣滓粒子。分离器24被设计成能分离和区别渣滓粒子和纤维，以使基本上将全部渣滓粒子一次一个地送达导管38，同时基本上将所有纤维一次一个地送达导管36。虽然，将渣滓粒子同纤维气动分离以送到各分离气流的方式是可取的，但人们会认识到样品12的实物可用机械方式区别，只是被混合地送到单一气流，然后丙用光学装置加以识别或分类。换句话说，通过光学装置可将实物分离为渣滓与纤维两类。
导管38中的渣滓粒子被送到光学传感器40，在那里为在渣滓粒子穿过由光源42所产生的光时能借助喷嘴46进行测量而被导向，并为一检测器44所检测。然后，这些粒子经抽吸喷嘴48收集并吸入导管49内的抽吸(ssuetion driven)气流中。当渣滓粒子通过传感器40时，它们贯穿一感测体积52，在其内呈现基本上为随机的取向。这样，在喷嘴46对渣滓粒子加速的同时，喷嘴48对这些粒子起减速作用，这两喷嘴被设计成：使粒子在感测体积52的范围内呈现大致为随机的取向。由检测器44所感测的光，以一个电压信号形式在导线53上传输该导线，将该信号发送到计算机20，该计算机有适宜的A/D转换器接收该信号并将其输入计算机20。就一种最佳方式即言，检测器44和光源42被配置成去控测粒子通过感测体积52时由粒子引起的消光现象。由于可任意组合，也可运用光的散射现象。虽然最佳实施例基本上是就消光控测而论，人们不难理解：检测器44可代表一种组合探测器，去探测由通过感测体积52的粒子所引起的光的向前散射，向后散射及光的消失。
在导管36处设置了一种类似的电光传感器50，以感测纤维通过传感器50时的光导特性。在这种结构下，人们供给一个样品便可能获得有关纤维和渣滓的多个数据(SS/MD)结果。传感器50和40大致是相同的，只是传感器50包括一注入喷嘴56和抽吸喷嘴58，两者为使通过传感器50的纤维定向而设置。在测量纤维时这种使纤维定向的功能是极其有用的，但不是绝对必要的。特别对渣滓而言，在其进入感测体积52以前，不必将其定向于任何特定角度位置。实际上，使渣滓以大致随机的取向去导向是最好的。
传感器40经导管49和传感器50经导管60连接到真空泵62，该泵为建立如上所述的气流而提供必需的抽吸或真空。过滤器59设置在泵62上游的导管49中，用以收集全部渣滓粒子，而过滤器61置于导管60中，用以收集所有纤维。对任一给定样品12来说，可从过滤器59和61重新获得已分离的纤维和渣滓，供人工分析之用，如用秤14称其重量。这种手动分析主要用于基于传感器40和50之输出的测值与计算值校准，检验或补充这类光学测值。
现参照图2，该图示出一个正在接近检测器44的小颗粒64。必须注意：该小颗粒64的面积显著小于检测器44的宽度。因此，当颗粒64在传感器44的前面通过时，应了解：由颗粒64引起的消光多半取决于该颗粒的投影面积。
参照图3，该图示出正在接近检测器44的大颗粒66。当颗粒66在检测器44面前经过时，自然，该颗粒将横跨检测器44。因此，被颗粒66所消光一否则将由检测器44感测到，的量多半与颗粒66的有效直成正比。
现参照图4，5和6，这些图分别示出了一个典型渣滓粒子68的侧缘视图，顶部平面视图和前端缘视图。大多数渣滓粒子具有象这些图中所示的片状，因此可知：对渣滓粒子68的观测或描绘随着该片通过传感器时的取向不同而作显著地变化。这样可以可以假定：由传感器40产生的数据特别是消光数据的有效性是有限的。
图7示出了象颗粒68等的渣滓粒子以图5所示的法向或垂直取向来表观其本身的概率。曲线70表示当一渣滓粒子能缠一个轴自由旋转时，该粒子的不同取向的概率，并预计稍多于14％的时间将呈现法向形式。另一方面，预计只有3％左右的时间出现法向投影面积的1/10外形。
当允许渣滓粒子可在两个垂直轴上自由旋转时，由曲线72预计渣滓粒子68出现法向外形的时间少于2％，同时预计出现10％左右的法向投影面积之外观的时间约为9％。类似地，出现15％法向投影面积外形的时间约为7.5％，而出现20％法向投影面积外形的时间约为7％。在粒子呈现随机取向的情况下，根据曲线72，预期人们只能偶而见到粒子的法向外形。因此、人们期望将基本上以随机方式取向的渣滓粒子再导向光学传感器，会产生一个不包含有用粒径信息的探测信号，因为人们很少会着眼于粒子的法向发生率。
然而，图8所示的实验结果表示：检测器44的消光输出将同粒子的有效直径充分相关，因而也同粒子的投影面积十分相关。图8的坐标图之y轴代表来自检测器44的平均穿值电压，x轴代表粒子直径。为达这次试验目的起见，该粒子的实际有效直径是通过手动地让粒子穿过逐渐增大的小孔的屏板网格而确定的。图示的圆形符号表示对应球形玻璃碎粒的数据，菱形符号表示对应渣滓粒子的数据。我们知道平均峰值电压是同渣滓粒子和玻璃球两者之直径均充十分相关的。(图8所示的电压信号实际上是两个放大器的电压信号，有较高灵敏度的放大器之增益是较低灵敏度放大器的12.5倍。两放大级均需要覆盖宽广的动态范围)。
图9中，曲线部分74和76类似于图8之曲线，只是为清楚起见，已将曲线的两部分***开。参见图见可知：对小颗粒和大颗粒来说，检测器44的输出同粒之间的函数关系是不同的。对小颗粒来说，检测器44的输出电压(v)同粒径的关系是通过方程v＝a+bx+cx2相关的，其中x为诸如有效直径等的一维粒径。更确切地说，对小于微米左右的小于488微米渣滓而言，该关系可定义如下：v＝0.000303X2+0.00475X-0.043。对大颗粒来说，该关系由形式为v＝mxfb的方程来定义。更确准地说，直径大于488微米的棉渣滓，该关系由下列公式规定：v＝0.0313x-5.78。
简单概括地说：如图2-6及与其相关的文字所述的各个不同的渣滓粒子，当它们通过图1中的光学传感器40时，便在导线53上产生信号。计算机20至少对代表渣滓粒子的这些信号进行计数，并结合样品重量产生一个新的每克样品计数值的基本数据。
但导线53上的这些信号不仅表示每克渣滓粒子有计数值，而且还包括有关粒径，形状，组成和取向方面的信息。见国际申请WO-A-91/14169。该详尽的电光信息可用于确定每个粒子的重量。通过将特定粒径范围内的计数值/克同所有粒径范围之和相乘便给定了渣滓粒子的总重量。被样品重量除便得出对可见杂质百分比的预测。
幸好，我们的研究已发现了12用平均消光模式信号来预测可见杂质百分比的一种更简单和更精密的方法。图8和9表示用已知的粒径，形状和组成特性对样品进行必要和充分的精确校准结果。取向也是同有效地包含于该校准中。
对一示未知样品进行测量的第一步是计算对应每个渣滓粒子电压信号的有效直径D。更准确地说，Y图1，的计算机20采用传感器40的消光探测器输出，以对每一粒子计算一维粒径测值D(有效直径)。例如，根据图8或9，9.5v的平均峰值消光电压对应于有效直径D＝488微米的渣滓。重要的是：该平均值包括粒径形状，组成和取向等全部效果。从图8的电压转换成有效直径D的过程是由计算机20借助查找表或借助如上所述的二次和线性方程来处理的。
第二步骤是根据定义E-O块体＝(D/1,000)2，去计算E-O块体。这具有对每个渣滓以平方毫米为单位的投影面积的解释作用。第三步是将样品中所有粒子的E-E块体的贡献相加。
作为该方法对渣滓是正确有效的一种确认，来看图10a和10b。图10a的Y轴表示可见杂质可见杂质百分比的通常重量。渣料为图1中的过滤器59截获。
可见：在渣滓含量覆盖的宽广范围内，x轴上的E-O块体同可见杂质百分比相关。这一结果支持了所述做设：渣滓重量正比于它的面积。这一假设从物理学观点，似乎也是合理的。最后，每克总E-O块体具有直观满意的解释：以平方毫米为单位的总的E-O块体代表从一克样品中提取的渣滓的投影面积。
现参见图11，该图示出5个同样的棉纤样品的典型输出。标有“Rep”的第一列表示样品号或重量数。在“样品粒径”下，以克为单位给出了原始样品的重量标有“总”的下一列，示有每克原始样品之渣滓的计数值。在标有“平均粒径”的下一列，以微米为单位示出了每个样品的所有渣滓的平均有效直径。再下一列示有以每克计数值为单位的“尘埃”信息。计算机20通过对某一粒径以下(使传感器输出(v)小于一个阈值)的粒子数进行计数并将该计数值除以以原始样品之克数为单位的总重量从而确定这个数值。下一列标有“渣滓”，表示每克粒子的计数值大于一预定尺寸(使传感器输出(v)大于一阈值)。就棉纤而言，平均粒径的粒子通常视为渣滓。因此，在最佳实施例中，有一个对应尘埃和渣滓的输出。然而，应该记住：术语“渣滓”，如我们在本文上下文所用的，是指样品中任何非纤维物质，因而包括心上尘埃渣滓定义。这种混淆的术语是由早先的测量手段和定义引起并遗憾地，在工具界普通流行。在最后一列，示出了测量棉纤中渣滓的传统单位一计算出的可见杂质百分比。该计算是在上述的电光块体基础上进行的。
上述的每一列的底部三个数表示五个重量测值平均值，樯准偏差和变化参数百分比。
图11所示的下部，有两个坐标图，其x轴表示每克计数值，y轴表示粒径(有效直径)。在顶部左侧角落上的第一图采用该图左上侧所示标度。在该显示图的右下侧所示的第二图采用其右下侧所示标度。这两图表示纤维样品中渣滓的粒径分布，只是这些数据已经规范化为每克样品之每种粒径的计数值。右上角上的方格图形表示相当于样品中渣滓之投影面积的E-O块体。
上述输出是对设备10所提供的输出类型的示范。要注意：所述每克渣滓的计数值是对整个样品和特定渣滓类，即粒径类，而言给定的。同样，可为其它渣滓或样品的类别或种类提供每克渣滓有计数值。例如，计算机20也接收来自传感器50的关于清洁纤维之电光数据并用电光法测试计数和重量。因此，设备10也可输出作为另一种可供选择的输出，即每清洁纤维读数或每克清洁纤维的渣滓计数。
虽然，现已根据图1所示设备对本发明作了基本描述，但要知道本发明的关键观点并不受该具体设备任一方面的限制。例如，先将渣滓与纤维分离然后分别测量以随机外观呈现的纤维与渣滓是可取的，但要知道其它设备也可用于达到这种随机外观。例如，如图12所示，纤维80和渣滓82一起呈现薄平面形式。在这种情况下，纤维和渣滓足以分散到渣滓表现出区别与纤维的个性，同时处于感测体积中的纤维层有足够的薄度，以致所有渣滓均可借助摄象机观测。由摄象机84现测的样品90的面积及该样品的深度确定了该实施例中的感测体积，并当导引样品90时，摄象机84基本上观测到感测体积中的全部渣滓。该摄象机理解为是提供可见光谱范围内及可见光谱外的图象信息的  更准确地说，该摄象机包含近红外成象装置和在许多光波长上的成象设施。按需要，可在样品90上方设置一个或多个发光源86和在样品下方设置一个或多个光源88。在该实施例中，运用传统的数字式图象分析技术，先在具有几何构形和足以可能构成渣滓的投影面积的观测区内识别所有的目标。计算机20通过对被渣滓82所占的分立图象元素(象素)进行计数而确定每个渣滓的投影面积。一旦确定了计数值与投影面积，即可用前述方法计算其他所需数据。
最后，应注意，在对每克样品中渣滓计数的新数据乘积中，纤维样品的重量也可根据国际申请WO-A-91/14169中的准则，借助图1中的纤维传感器50同电光法测定。

Claims (15)

1.对渣滓和纤维组成的样品中的渣滓进行监测的设备，其特征在于包括：
测重装置，用于测定所述样品的重量并产生以重量为单位的重量数据；
分离器，用于从纤维中分离出渣滓和将渣滓分成颗粒；
感测容积，用于感测被分离的渣滓；
导引装置，用于将渣滓分别引向处于对光学敏感状态下的所述感测容积；
光学感测装置，用于通过光感测渣滓，并用于产生一个至少对应于感测容积中渣滓的大小的输出信号；以及
处理装置，用于接收所述重量数据和所述光学感测装置的输出信号，测定至少一部分渣滓的计数，以便将该计数除以样品重量并输出以每单位样品重量的渣滓计数为形式的数据。
2.如权利要求1所述的设备，其特征在于所述光学感测装置还通过光感测渣滓的存在及渣滓的直径。
3.如权利要求2所述的设备，其特征在于所述处理装置还根据对应于渣滓大小的所述信号计算每个渣滓的投影面积。
4.如权利要求2的所述设备，其特征在于：所述处理装置还根据形式为v＝mx+b的公式计算高于预定阈值时产生感测装置输出(v)的那些渣滓的投影有效直径，并根据公式v＝ax2+cx+d，计算那些在所述预定阈值以下产生感测装置输出(v)的渣滓的投影有效直径，公式中a、b、c、d和m均为常数，而x是每个渣滓的投影有效直径。
5.如权利要求1所述的设备，其特征在于所述处理装置还根据对应于所述部分中的渣滓的大小和所述部分中对渣滓的计数，预测至少一部分渣滓的重量。
6.如权利要求5所述的设备，其特征在于所述处理装置根据渣滓的所述计数和大小预测可见杂质(VFM)的百分数。
7.如权利要求5所述的设备，其特征在于所述处理装置计算小于488微米的每份渣滓样品重量的第一计数和大于488微米的每份渣滓样品重量的第二计数，并输出每份渣滓样品的所述第一和第二计数。
8.如权利要求7所述的设备，其特征在于所述小于488微米的渣滓包括小于对应可视为灰尘的最大渣滓的预定值的渣滓。
9.如权利要求7所述的设备，其特征在于所述处理装置对产生对应于落入一预定范围内的大小的信号的渣滓进行计数，对大小落入一个预定范围的渣滓的每份样品重量的计数进行计算，并输出渣滓样品的每份重量的所述计数。
10.如权利要求2所述的设备，其特征在于所述处理装置为样品中基本上全部渣滓计算一个平均大小值并输出该平均大小值。
11.如权利要求1所述的设备，其特征在于所述处理装置根据渣滓的大小将所述输出数据分成至少一类，对该类中的渣滓进行计数以产生一个分类计数并输出对应于所述分类计数的数据。
12.如权利要求11所述的设备，其特征在于所述数据包括单位样品重量的分类计数。
13.如权利要求1所述的设备，其特征在于还包括：仅对所述纤维的一种特性进行测定的装置，该装置产生纤维大小数据并将该纤维大小数据输入到所述处理装置；以及
所述处理装置计算和输出作为该纤维大小数据的函数的计数形式的数据。
14.如权利要求13所述的设备，其特征在于所述特性是样品的每单位重量的纤维计数，以及所述处理装置计算和输出以单位纤维计数的渣滓计数为形式的数据。
15.如权利要求13所述的设备，其特征在于，所述特性是清洁纤维的重量，及所述处理装置计算和输出以单位清洁纤维重量之渣滓计数为形式的数据。
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