DE102014209721A1 - Method for determining a property of a rod-shaped article of the tobacco-processing industry by means of X-radiation, and sample holder - Google Patents
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Abstract
Ein Verfahren zur Bestimmung einer Eigenschaft eines stabförmigen Artikels (15) der Tabak verarbeitenden Industrie, insbesondere eines Filterstabes, eines Tabakstocks, einer Filterzigarette oder eines Multisegmentartikels, mittels Röntgenstrahlung umfasst die Schritte: – Positionieren des stabförmigen Artikels (15) in einer Röntgenvorrichtung (11, 12) auf einem zwischen einer Röntgenquelle (11) und einem Röntgendetektor (12) angeordneten Probenhalter (20); – Drehen des Probenhalters (20) oder der Röntgenvorrichtung (11, 12) um eine Rotationsachse; – Durchstrahlen des stabförmigen Artikels (15) mit Röntgenstrahlung (14) und Aufnahme von Röntgenbildern in unterschiedlichen Drehpositionen; – Rekonstruktion eines 3D-Modells des stabförmigen Artikels (15) aus den aufgenommenen Röntgenbildern mittels eines CT-Algorithmus; und – EDV-Auswertung des 3D-Modells des stabförmigen Artikels (15) zur Bestimmung der Eigenschaft des stabförmigen Artikels (15).A method for determining a property of a rod-shaped article (15) of the tobacco processing industry, in particular a filter rod, a tobacco rod, a filter cigarette or a multi-segment article, by means of X-radiation comprises the steps of: positioning the rod-shaped article (15) in an X-ray device (11, 12) on a sample holder (20) arranged between an X-ray source (11) and an X-ray detector (12); - rotating the sample holder (20) or the X-ray device (11, 12) about an axis of rotation; - By irradiating the rod-shaped article (15) with X-radiation (14) and recording X-ray images in different rotational positions; - Reconstruction of a 3D model of the rod-shaped article (15) from the recorded X-ray images by means of a CT algorithm; and - EDP evaluation of the 3D model of the rod-shaped article (15) for determining the property of the rod-shaped article (15).
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer Eigenschaft eines stabförmigen Artikels der Tabak verarbeitenden Industrie mittels Röntgenstrahlung.The invention relates to a method for determining a property of a rod-shaped article of the tobacco processing industry by means of X-radiation.
Die Verteilung bzw. Anordnung eines in einen stabförmigen Artikel der Tabak verarbeitenden Industrie eingebrachten Materials, beispielsweise eines Aktivkohle-Granulats, Fadens oder einer Kapsel, wird heute überwiegend mittels optischer Inspektion von Schnittflächen ermittelt. Um Aussagen um Eigenschaften im Inneren des stabförmigen Artikels zu erhalten, muss dieser üblicherweise zerschnitten werden, da optische Verfahren nur oberflächen-, jedoch nicht volumenempfindlich sind. Das Zerschneiden des stabförmigen Artikels führt zu dessen Zerstörung und beeinflusst zudem die zu messende Eigenschaft, beispielsweise durch Quetschen des Artikels, wodurch das Messergebnis beeinflusst wird. Erwünscht ist daher eine nicht beeinflussende bzw. zerstörungsfreie Messmethode mit einer größeren Messstatistik.The distribution or arrangement of a material introduced into a rod-shaped article of the tobacco processing industry, for example an activated carbon granulate, thread or a capsule, is determined today predominantly by means of optical inspection of cut surfaces. In order to obtain information about properties inside the rod-shaped article, it usually has to be cut, since optical processes are only surface-sensitive, but not volume-sensitive. The cutting of the rod-shaped article leads to its destruction and also influences the property to be measured, for example by squeezing the article, whereby the measurement result is influenced. Therefore, a non-influencing or non-destructive measurement method with a larger measurement statistic is desired.
Aus der
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren und einen Probenhalter bereitzustellen, mit denen eine Eigenschaft von stabförmigen Artikeln standardisiert, reproduzierbar und zerstörungsfrei mit hoher Genauigkeit dreidimensional bestimmt werden kann.The object of the invention is to provide a method and a sample holder with which a property of rod-shaped articles standardized, reproducible and non-destructive can be determined three-dimensionally with high accuracy.
Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der stabförmige Artikel mittels Mikro-Computertomografie untersucht. Dazu wird der stabförmige Artikel auf einem zwischen einer Röntgenquelle und einem Röntgendetektor angeordneten Probenhalter positioniert. Der Probenhalter oder die Röntgenvorrichtung wird um seine bzw. ihre Achse gedreht und der stabförmige Artikel mit Röntgenstrahlung durchstrahlt, wobei Röntgenbilder in unterschiedlichen Drehpositionen des Probenhalters bzw. der Röntgenvorrichtung aufgenommen werden. Aus den aufgenommenen Röntgenbildern wird mittels eines Computertomografie- bzw. CT-Algorithmus ein 3D-Modell des stabförmigen Artikels ermittelt. Aus dem 3D-Modell kann mittels EDV-Auswertung die gewünschte Eigenschaft des stabförmigen Artikels dreidimensional hochaufgelöst ermittelt werden. Die Erfindung entspricht somit einer Verwendung einer Mikro-CT-Messvorrichtung mit einer Röntgenquelle, einem Röntgendetektor und einem zwischen der Röntgenquelle und dem Röntgendetektor angeordneten Probenhalter, wobei Probenhalter oder Röntgenvorrichtung um eine Rotationsachse rotierbar sind, zur Bestimmung einer Eigenschaft eines stabförmigen Artikels der Tabak verarbeitenden Industrie.The invention solves this problem with the features of the independent claims. According to the method of the invention, the rod-shaped article is examined by means of microcomputer tomography. For this purpose, the rod-shaped article is positioned on a sample holder arranged between an X-ray source and an X-ray detector. The sample holder or the X-ray device is rotated about its or its axis and irradiates the rod-shaped article with X-radiation, wherein X-ray images are recorded in different rotational positions of the sample holder and the X-ray device. From the recorded X-ray images, a 3D model of the rod-shaped article is determined by means of a computed tomography or CT algorithm. From the 3D model, the desired property of the rod-shaped article can be determined in a high-resolution three-dimensional manner by means of EDP evaluation. The invention thus corresponds to a use of a micro-CT measuring device with an X-ray source, an X-ray detector and a sample holder arranged between the X-ray source and the X-ray detector, wherein sample holder or X-ray device are rotatable about a rotation axis for determining a property of a rod-shaped article of the tobacco processing industry ,
Vorteilhafte Anwendungen der Erfindung betreffen die Untersuchung von Filterstäben, Tabakstöcken oder Zigaretten. Vorteilhaft kann eine Verteilung quer zur Stabachse und/oder eine radiale und/oder axiale Verteilung bzw. Anordnung eines in den stabförmigen Artikel eingebrachten Materials, beispielsweise eines Granulats, Fadens oder einer Kapsel, bestimmt werden. In einer beispielhaften Anwendung kann die radiale und/oder axiale Verteilung von Aktivkohle-Granulat in Filterstäben bestimmt werden. Die Erfindung kann beispielsweise auch zur Detektion von Hohlräumen und/oder von unerwünschten Fremdkörpern in stabförmigen Artikeln verwendet werden. Ebenfalls denkbar ist die Bestimmung einer radialen und/oder axialen Verteilung und/oder einer Verteilung quer zur Stabachse von Tabak oder Celluloseacetat in dem stabförmigen Artikel.Advantageous applications of the invention relate to the examination of filter rods, tobacco rods or cigarettes. Advantageously, a distribution transverse to the rod axis and / or a radial and / or axial distribution or arrangement of a material introduced into the rod-shaped article, for example a granulate, a thread or a capsule, can be determined. In an exemplary application, the radial and / or axial distribution of activated carbon granules in filter rods can be determined. The invention can also be used for example for the detection of cavities and / or unwanted foreign bodies in rod-shaped articles. It is also conceivable to determine a radial and / or axial distribution and / or a distribution transverse to the rod axis of tobacco or cellulose acetate in the rod-shaped article.
Eine weitere vorteilhafte Anwendung besteht in der Vermessung von Multisegmentartikeln, beispielsweise von Multisegmentfiltern, wobei in einem stabförmigen Artikel verschiedene Segmente unterschiedlicher Dichte angeordnet sind.A further advantageous application consists in the measurement of multi-segment articles, for example multi-segment filters, wherein different segments of different density are arranged in a rod-shaped article.
Vorzugsweise wird die Kante eines Umhüllungsstreifens des stabförmigen Artikels mittels Bildverarbeitung erkannt und eine Analyse-Region für die weitere Bildanalyse innerhalb des erkannten Umhüllungsstreifens definiert, so dass der Umhüllungsstreifen bei der weiteren Auswertung außer Betracht bleibt. Des Weiteren erfolgt vorzugsweise eine rechnerische Korrektur der Abweichung der stabförmigen Artikel von der Rotationsachse und/oder eine Schwarz-Weiß-Filterung und/oder eine Segmentierung der Bilddaten. Diese bevorzugten Maßnahmen der Bildauswertung und -analyse dienen dazu, die Aussagekraft, Genauigkeit und Reproduzierbarkeit der Messergebisse zu erhöhen.Preferably, the edge of a wrapping strip of the rod-shaped article is detected by image processing and an analysis region is defined for further image analysis within the detected wrapping strip so that the wrapping strip is disregarded in the further evaluation. Furthermore, a mathematical correction of the deviation of the rod-shaped articles from the rotation axis and / or a black-and-white filtering and / or a segmentation of the image data preferably takes place. These preferred measures of image analysis and analysis serve to increase the informative value, accuracy and reproducibility of the measurement results.
Vorzugsweise wird ein einem stabförmigen Artikel entsprechender Stapel von Schnittbildern entlang der Stabachse in axiale Scheiben gleichmäßiger Höhe unterteilt und für jede Scheibe eine statistische Größe ermittelt. Dies ermöglicht es, aus der statistischen Größe einen für eine axiale Partikelverteilung in dem stabförmigen Artikel aussagekräftigen Qualitätswert Qz zu berechnen. Der Qualitätswert Qz wird besonders vorteilhaft aus einem Mittelwert μz und einer Standardabweichung σz der statistischen Größe als Varianzkoeffizient CVz = σz/μz berechnet.Preferably, a stack of sectional images corresponding to a rod-shaped article divided along the rod axis in axial slices of uniform height and determined a statistical size for each disc. This makes it possible to calculate from the statistical quantity a quality value Qz meaningful for an axial particle distribution in the rod-shaped article. The quality value Qz is particularly advantageous from an average value μ z, and calculates a standard deviation σ for the statistical quantity as a coefficient of variation CV = σ z z / μ z.
Vorzugsweise wird ein einem stabförmigen Artikel entsprechender Stapel von Schnittbildern entlang der Stabachse in einem zweidimensionalen Raster aufsummiert und für jedes Rasterelement eine statistische Größe ermittelt. Dies ermöglicht es, aus der statistischen Größe ein für eine Partikelverteilung in dem stabförmigen Artikel quer zur Stabachse aussagekräftigen Qualitätswert Qxy zu berechnen. Besonders vorteilhaft wird der Qualitätswert Qxy aus einem Mittelwert μxy und einer Standardabweichung σxy der statistischen Größe als Varianzkoeffizient CVxy = σxy/μxy berechnet.Preferably, a stack of sectional images corresponding to a rod-shaped article along the bar axis is summed in a two-dimensional grid and a statistical variable is determined for each grid element. This makes it possible to calculate from the statistical quantity a quality value Q xy meaningful for a particle distribution in the rod-shaped article transverse to the rod axis. Particularly advantageously, the quality value Q xy is calculated from a mean value μ xy and a standard deviation σ xy of the statistical variable as a variance coefficient CV xy = σ xy / μ xy .
Ein Aspekt der Erfindung betrifft einen Probenhalter zum Halten von stabförmigen Artikeln der Tabak verarbeitenden Industrie in einer Mikro-CTMessvorrichtung zur zerstörungsfreien Röntgeninspektion, wobei der Probenhalter erfindungsgemäß an seiner Oberseite eine Mehrzahl von Aufnahmen aufweist, deren Innendurchmesser an den Außendurchmesser der stabförmigen Artikel angepasst ist. Dadurch kann eine Vielzahl von stabförmigen Artikeln gleichzeitig gemessen werden, wobei die Artikel passgenau und somit positionssicher in den Aufnahmen gehalten werden.One aspect of the invention relates to a sample holder for holding rod-shaped articles of the tobacco processing industry in a non-destructive X-ray micro-CT measuring device, wherein the sample holder according to the invention comprises a plurality of receptacles whose inner diameter is adapted to the outer diameter of the rod-shaped article. As a result, a large number of rod-shaped articles can be measured at the same time, with the articles being held in a precise fit and thus positionally secure in the receptacles.
Vorzugsweise ist der Probenhalter mittels einer Steckverbindung auf einen Sockel aufsteckbar. In diesem Fall kann ein Probenhalter einfach und schnell gegen einen anderen Probenhalter, beispielsweise mit Aufnahmen anderen Durchmessers, getauscht werden.Preferably, the sample holder is attachable by means of a plug connection to a socket. In this case, one specimen holder can be easily and quickly exchanged for another specimen holder, for example with different diameter shots.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren erläutert. Dabei zeigt:The invention will be explained below with reference to preferred embodiments with reference to the accompanying figures. Showing:
Die in
Die Probe
Zwischen der Röntgenquelle
Eine vorteilhafte Ausführungsform des Probenhalters
An der Oberseite
Der Innendurchmesser der Aufnahmen
Vorzugsweise ist ein Satz mit einer Mehrzahl von beispielsweise fünfzig Aufsätzen
Die Aufnahmen
Vorteilhaft ist lediglich eine Steckverbindung
Eine Ausführungsform des Probenhalters
Im Folgenden wird der Ablauf der Messung und Auswertung anhand der Bestimmung der Verteilung von Aktivkohle (Charcoal) in einem Filterstab beispielhaft beschrieben.In the following, the course of the measurement and evaluation based on the determination of the distribution of activated carbon (Charcoal) in a filter rod is described by way of example.
Zunächst werden die zu untersuchenden aktivkohlehaltigen Filterstäbe
Sodann werden Röntgenprojektionen (Durchlichtaufnahmen) der Probe
Wenn die Ausdehnung des Röntgenstrahls
Für den Fall, dass die Länge der Probe
Wenn die Ausdehnung des Röntgenstrahls
Die Röntgenprojektionen werden aus dem Röntgendetektor
Aus dem computertomografisch berechneten 3D-Modell werden mittels Bildverarbeitung und nachfolgender Auswertung gewünschte Eigenschaften der Probe
Das 3D-Modell liegt in Schnittbildern in einem Sampling-Abstand unterhalb von 0.1 mm, beispielsweise von 33 μm vor, d.h. bei einem 10 cm langen stabförmigen Artikel
Die Verarbeitung der Schnittbilder
Vorzugsweise wird die Schiefe der stabförmigen Artikel
Vorzugsweise erfolgt eine Kompensation der Bilddaten um das Umhüllungsmaterial
Der Teil jedes Schnittbildes
Anschließend wird vorzugsweise eine Filterung der Bilddaten durchgeführt, um eine Schärfung des Kontrastes zu erzielen. Der angewendete Filter kann beispielsweise ein Schwarz-Weiß-Filter sein, so dass als Resultat ein Schwarz-Weiß-Bild bzw. ein 1-Bit-Bild vorliegt, siehe
Vorzugsweise wird dann ein weiterer Schwellwert entsprechend der zu analysierenden Struktur, hier beispielsweise Aktivkohle, gewählt, um eine Segmentierung der Schnittbilder
Danach werden vorzugsweise zusammenhängende Bildstrukturen (Objekte und Poren) unter einer definierten Größe gelöscht, um Bildstörungen bzw. Artefakte zu reduzieren. Die definierte Größe ist vorzugsweise kleiner als 25 Voxel, weiter vorzugsweise kleiner als 15 Voxel, noch weiter vorzugsweise kleiner als 10 Voxel und beträgt beispielsweise acht Voxel.Thereafter, preferably coherent image structures (objects and pores) are deleted below a defined size to reduce image artifacts or artifacts. The defined size is preferably less than 25 voxels, more preferably less than 15 voxels, even more preferably less than 10 voxels, and is for example eight voxels.
Es folgt eine Strukturanalyse der Schnittbilder
Zur anschließenden Verarbeitung werden die Schnittbilder
Anschließend wird vorzugsweise die Schnitt- bzw. Trennkante jedes stabförmigen Artikels
Danach wird der jeweils einem stabförmigen Artikel
Sodann wird für jede Scheibe eine statistische Größe ermittelt. Die statistische Größe kann beispielsweise die Anzahl der darin enthaltenen Kohlepartikel (bzw. allgemein der darin enthaltenen separaten Objekte) sein. Die statistische Größe kann alternativ beispielsweise die Anzahl der darin enthaltenen separaten Objekte multipliziert mit dem Objektvolumen sein, was für inhomogenes Streugut aussagekräftiger sein kann.Then a statistical value is determined for each slice. The statistical size may be, for example, the number of carbon particles contained therein (or more generally the separate objects contained therein). Alternatively, for example, the statistical size may be the number of separate objects contained therein multiplied by the object volume, which may be more meaningful for inhomogeneous grit.
Die statistische Größe, beispielsweise die Partikelanzahl mal dem Partikelvolumen, variiert über die Scheiben. Für jeden stabförmigen Artikel
Zur Beurteilung der Verteilung quer zu der Stabachse werden zunächst sämtliche Schnittbilder
Vorteilhaft werden vorab Randgebiete ausgeschlossen, um zum einen keinen Einfluss durch das Umhüllungspapier zu bekommen und zum anderen nur vollständige Rasterflächen in die Bewertung einzubeziehen.Advantageously, peripheral areas are ruled out in advance in order not to be influenced by the wrapping paper and to include only complete grid areas in the evaluation.
Anschließend werden statistische Größen für die zweidimensionale xy-Verteilung errechnet, insbesondere ein Mittelwert μxy und eine Standardabweichung σxy der zweidimensionalen xy-Verteilung. Der Mittelwert μxy wird beispielsweise als derjenige Wert der untersuchten statistischen Größe (hier diejenige Partikelanzahl) bestimmt, der die geringste Summe der quadratischen Abweichungen ergibt. Auf ähnliche Weise wird die Standardabweichung σxy bestimmt.Subsequently, statistical quantities for the two-dimensional xy distribution are calculated, in particular an average value μ xy and a standard deviation σ xy of the two-dimensional xy distribution. Of the Mean value μ xy is determined, for example, as the value of the examined statistical quantity (here the number of particles), which yields the least sum of the quadratic deviations. In a similar way, the standard deviation σ xy is determined.
Aus einer geeigneten Verknüpfung dieser statistischen Werte μxy, σxy kann wiederum ein einzelner, für die zweidimensionale xy-Verteilung der Partikel aussagekräftiger Qualitätswert Qxy für jeden stabförmigen Artikel
Die Varianzkoeffizienten CVz und CVxy können jeweils als absoluter Wert, beispielsweise eine Zahl zwischen 0 und 1, oder als Prozentwert angegeben werden. Generell sind die Varianzkoeffizienten CVz und CVxy umso kleiner, je gleichmäßiger die axiale Verteilung bzw. die zweidimensionale Verteilung quer zur Stabachse der Kohlepartikel, und je höher somit die Qualität der stabförmigen Artikel ist.The variance coefficients CV z and CV xy can each be given as an absolute value, for example a number between 0 and 1, or as a percentage value. In general, the more uniform the axial distribution or the two-dimensional distribution transversely to the rod axis of the carbon particles, and the higher the quality of the rod-shaped articles, the smaller are the variance coefficients CV z and CV xy .
In den
Nach dem zuvor Gesagten werden erfindungsgemäß ein Qualitätswert für die axiale Verteilung und ein Qualitätswert für die zweidimensionale Verteilung quer zur Stabachse standardisiert und reproduzierbar erhalten. Es wird mit verhältnismäßig geringem Zeitaufwand eine hohe Messstatistik erzielt. Bei stabförmigen Artikeln gleicher Spezifikation sind sichere, quantitative Qualitätsvergleiche möglich.According to the above, according to the invention, a quality value for the axial distribution and a quality value for the two-dimensional distribution transverse to the rod axis are standardized and reproducibly obtained. It is achieved with relatively little time a high measurement statistics. For rod-shaped articles of the same specification, reliable, quantitative quality comparisons are possible.
Die Übertragung der Qualitätswerte für die Verteilungen von Kohlepartikeln in Filterstäben kann auf andere Eigenschaften stabförmiger Artikel der Tabak verarbeitenden Industrie übertragen werden.The transfer of carbon particle distribution quality values into filter rods may be transferred to other rod-shaped product characteristics of the tobacco processing industry.
Anhand dieser Qualitätswerte können vorteilhaft maschinenbauliche Effekte und entsprechende Verbesserungen an Stabherstellungsmaschinen der Tabak verarbeitenden Industrie dargestellt werden.On the basis of these quality values, advantageous mechanical engineering effects and corresponding improvements to rod manufacturing machines of the tobacco-processing industry can be represented.
Im Folgenden wird abschließend ein vorteilhaftes Verfahren für eine Strukturanalyse im Falle nicht voneinander trennbarer Objekte, beispielsweise Tabakfaseragglomerat in einer Zigarette oder in einem Tabakstock, beschrieben.In the following, an advantageous method for a structural analysis in the case of non-separable objects, for example tobacco fiber agglomerate in a cigarette or in a tobacco rod, will be described in conclusion.
Zunächst erfolgt eine Erkennung der Schnittkante als Referenzpunkt. Dann erfolgt vorteilhaft eine Berechnung des Füllgrades in Abhängigkeit der Axialposition, beispielsweise durch separates Vermessen des Brandendes, mittels Objektfläche in den Stapelbildern und der zugehörigen Analyse-Region.First, a detection of the cutting edge as a reference point. Then advantageously, a calculation of the degree of filling as a function of the axial position, for example by separate measurement of the end of the fire, by means of object surface in the stack images and the associated analysis region.
Anschließend erfolgt vorteilhaft eine Berechnung des Schwerpunktes der Objekte im 2D-Bild in Abhängigkeit der Axialposition, wobei eine Verschiebung der Strukturen zur Naht bzw. links und/oder rechts der Naht prozesstechnisch möglich ist.Subsequently, a calculation of the center of gravity of the objects in the 2D image as a function of the axial position is advantageously carried out, wherein a shift of the structures to the seam or to the left and / or right of the seam is process-technically possible.
Schließlich erfolgt vorteilhaft eine Berechnung der Ausrichtung der Struktur mittels der mittleren freien Weglänge von Teststrahlen in Abhängigkeit der Raumrichtung, d.h. dem Quotienten der Länge der Teststrahlen innerhalb der Analyse-Region und der Anzahl der Schnittpunkte mit den Objekten innerhalb der Analyse-Region. Die Berechnung der Ausrichtung der Struktur umfasst eine Berechnung der Ausrichtung der Schnittfläche senkrecht zu der Stabachse und eine Berechnung der Ausrichtung entlang der Stabachse.Finally, it is advantageous to calculate the orientation of the structure by means of the mean free path of test beams as a function of the spatial direction, i. the quotient of the length of the test beams within the analysis region and the number of intersections with the objects within the analysis region. The calculation of the orientation of the structure includes a calculation of the orientation of the cut surface perpendicular to the rod axis and a calculation of the orientation along the rod axis.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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