СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ДЛИНЫ ГРУППЫ ТЕКСТИЛЬНЫХ ВОЛОКОН Российский патент 2004 года по МПК G01B11/02 

Изобретение относится к текстильной промышленности и может быть использовано сырьевыми лабораториями текстильных предприятий при оценке качества текстильных волокон.

Существующие в Российской Федерации нормативные документы [1, 2] предусматривают следующие характеристики длины текстильных волокон: средняя арифметическая длина, модальная длина, штапельная длина, среднеквадратическое отклонение от средней арифметической длины, коэффициент вариации длины группы текстильных волокон. В то же время нормативный документ [3], принятый в 2001 году в республике Узбекистан (основной экспортер хлопкового волокна в Россию), предусматривает другой набор характеристик длины текстильных волокон: средняя условная длина, эффективная (верхняя средняя) длина, а также длины групп волокон, соответствующие заданной оптической плотности поглощенного светового потока.

Известен способ измерения характеристик длины группы текстильных волокон [4], заключающийся в последовательном выполнении следующих операций: помещение части лабораторной пробы волокон на иглы гребня, расчесывание волокон, выступающих с наружной стороны гребня с целью их распутывания и параллелизации, непрерывное фотоэлектрическое сканирование толщины полученной бородки текстильных волокон с построением диаграммы изменения толщины бородки по ее длине, графическое определение характеристик длины группы текстильных волокон по построенной диаграмме: средней условной длины, эффективной (верхней средней) длины, а также значений длин групп волокон, соответствующих 50% и 2,5% оптической плотности светового потока, поглощенного основанием бородки. Преимущество способа заключается в высокой скорости получения результатов. Основными недостатками способа являются следующие: во-первых, на полученные результаты влияет интенсивность расчесывания пробы оператором, то есть присутствует субъективный фактор; во-вторых, в испытаниях фактически участвуют не целостные волокна, а только их концы, выступающие за иглы гребня; в-третьих, в ходе испытаний используются косвенные измерения оптической плотности поглощенного светового потока, которая имеет нелинейную зависимость от толщины бородки. С метрологической точки зрения это вызывает как систематическую, так и случайную составляющие погрешности измерения, величины которых трудно оценить. Кроме того, данный способ имеет функциональные ограничения, заключающиеся в невозможности определения характеристик, предусмотренных [1, 2].

За прототип принят способ измерения характеристик длины группы текстильных волокон [5], который заключается в последовательном выполнении следующих операций: приготовление из лабораторной пробы текстильных волокон окончательной пробной ленты (далее - ленты), формирование из ленты штапеля массой от 25 до 35 мг, измерение длины отдельных волокон, рассортировка штапеля по классам длин от максимальной до минимальной длины с интервалом в 2 мм, измерение доли содержания каждого класса по массе или по количеству волокон, определение функции плотности распределения текстильных волокон по длине в приготовленном штапеле, вычисление характеристик функции плотности распределения текстильных волокон по длине в штапеле, предусмотренных [1, 2]. Данный способ обладает метрологическим преимуществом, заключающимся в определении длины целостных волокон от одного конца до другого путем прямых измерений. Недостатком данного способа является наличие большого количества трудоемких и длительных операций по приготовлению и рассортировке штапеля. Трудоемкость и длительность приготовительных и измерительных операций обусловлена малыми размерами текстильных волокон и их большим количеством в штапеле.

Техническим результатом является расширение функциональных возможностей за счет определения всей совокупности используемых характеристик длины (см. таблицу), а также повышение точности определения характеристик длины текстильных волокон за счет устранения субъективного фактора в приготовлении бородки и уменьшения случайной и систематической погрешности путем измерения длины целостных волокон.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе определения характеристик длины группы волокон, заключающемся в приготовлении из лабораторной пробы текстильных волокон ленты, согласно изобретению ленту плотно зажимают поперек продольной оси по линии в середине ленты, вычесывают незажатые волокна с обеих сторон, после снятия зажима производят фотоэлектрическое сканирование по всей длине полученной пробы, строят диаграмму (эмпирическую функцию) изменения оптической плотности поглощенного светового потока по длине пробы, для определения средней условной длины из вершины диаграммы проводят касательные к ее боковым ветвям и вертикальный отрезок до пересечения с осью абсцисс, определяют угол отклонения каждой касательной от вертикального отрезка, вычисляют сумму тангенсов этих углов, для определения эффективной длины из середины вертикального отрезка проводят касательные к боковым ветвям диаграммы, определяют угол отклонения каждой касательной от вертикального отрезка, вычисляют сумму тангенсов этих углов, для определения длины при заданной оптической плотности поглощенного светового потока на соответствующем расстоянии от оси абсцисс проводят горизонтальный отрезок, соединяющий две ветви построенной диаграммы, для определения средней арифметической, модальной, штапельной длин, среднеквадратического отклонения длины определяют параметры теоретических распределений, наиболее близких к построенной диаграмме, находят передаточную функцию между подобранными теоретическими распределениями, дифференцируют передаточную функцию по длине, определяют значения функции плотности распределения кончиков текстильных волокон в пробе дифференцированием эмпирической функции изменения оптической плотности поглощенного светового потока, формируют промежуточную функцию суммированием значений производной передаточной функции по длине и функции плотности распределения кончиков текстильных волокон в пробе, получают расчетную функцию плотности распределения текстильных волокон по длине в штапеле суммированием абсолютных значений промежуточной функции в порядке симметрии относительно линии, совпадающей с проведенным ранее вертикальным отрезком.

На фиг.1 изображена схема реализации измерительных операций способа; на фиг.2 и фиг.3 - графическое представление полученной информации.

Примеры практического осуществления способа.

Последовательность выполнения операций следующая: приготовление из лабораторной пробы текстильных волокон ленты [5], плотное зажатие ленты поперек продольной оси по линии в середине ленты, вычесывание незажатых волокон с обеих сторон, снятие зажима, фотоэлектрическое сканирование по всей длине полученной пробы путем пропускания через нее света и измерения оптической плотности поглощенного светового потока, построение диаграммы изменения оптической плотности поглощенного светового потока по длине пробы, определение значений характеристик длины волокон, предусмотренных [3], с помощью графических построений, определение параметров теоретических распределений, наиболее близких к построенной диаграмме, нахождение передаточной функции между подобранными теоретическими распределениями, дифференцирование передаточной функции по длине, определение значений функции плотности распределения кончиков текстильных волокон в пробе дифференцированием эмпирической функции изменения оптической плотности поглощенного светового потока, формирование промежуточной функции суммированием значений производной передаточной функции по длине и функции плотности распределения кончиков текстильных волокон в пробе, получение расчетной функции плотности распределения текстильных волокон по длине в штапеле, вычисление характеристик длины согласно [1, 2].

В ходе фотоэлектрического сканирования пробы получают диаграмму изменения оптической плотности поглощенного светового потока по длине пробы, представленную на фиг.2, а. Абсциссу точки А, расположенной на вершине диаграммы, принимают за начало отсчета.

Для определения средней условной длины необходимо из точки А провести касательные к боковым ветвям диаграммы и определить углы α₁ и α₂ отклонения касательных от вертикали, проведенной из точки А до пересечения с осью абсцисс в точке В. Сумма тангенсов углов α₁ и α₂ пропорциональна удвоенному значению средней условной длины (фиг.2, б).

Для определения эффективной длины L_э следует отрезок АВ разбить пополам точкой С. Из точки С необходимо провести касательные к боковым ветвям диаграммы и определить углы α₃ и α₄ отклонения касательных от вертикали. Сумма тангенсов углов α₃ и α₄ пропорциональна удвоенному значению эффективной длины (фиг.2, в).

Для определения длины 50% оптической плотности поглощенного светового потока L_50% необходимо через точку С провести горизонтальный отрезок, соединяющий две ветви построенной диаграммы (фиг.2, г). Длина этого отрезка соответствует удвоенному значению длины 50% оптической плотности поглощенного светового потока.

Для определения длины 2,5% оптической плотности поглощенного светового потока L_2,5% необходимо отложить вверх от точки В отрезок BD, длина которого равна 1/40 длины отрезка АВ. Через точку D проводят горизонтальный отрезок, соединяющий две ветви построенной диаграммы (фиг.2, д). Длина этого отрезка соответствует удвоенному значению длины 2,5% плотности поглощенного светового потока.

Для определения характеристик длины согласно [1, 2] необходимо проанализировать диаграмму изменения оптической плотности поглощенного светового потока. При анализе (отдельно по ветвям, находящимся справа и слева от точки А) был сделан вывод, что распределения, находящиеся по обеим сторонам от точки А, хорошо согласуются с законом распределения, известным как логарифмически нормальный. Указанный закон характеризуется двумя параметрами: математическим ожиданием М и средним квадратическим отклонением σ.

Вместе с тем известно, что распределение текстильных волокон по длине в штапеле согласуется с нормальным законом распределения, который характеризуется математическим ожиданием М₁ и средним квадратическим отклонением σ₁. Поэтому для того чтобы перейти от эмпирической функции изменения оптической плотности поглощенного светового потока по длине пробы к функции распределения текстильных волокон по длине в штапеле, необходимо воспользоваться передаточной функцией вида

связывающей нормальный F_н(L) и логарифмически нормальный F_л.н.(L) законы распределения. График изменения передаточной функции представлен на фиг.3, а. Он показывает накопленное приращение или уменьшение доли волокон в процессе формирования пробы, состоящей из целостных волокон с произвольными сдвигами друг относительно друга. Для того чтобы определить величину приращения или уменьшения доли волокон в каждом сечении пробы, необходимо продифференцировать функцию F(L) по длине. В результате получают дифференциальную кривую, представленную на фиг.3, б.

На следующем этапе осуществляют дифференцирование эмпирической функции (фиг.2, а) для определения функции плотности распределения кончиков текстильных волокон по длине пробы (фиг.3, в). Наложив две функции (фиг.3, б) и (фиг.3, в) друг на друга получают промежуточную функцию (фиг.3, г). Далее получают расчетную функцию плотности распределения текстильных волокон по длине в штапеле суммированием абсолютных значений промежуточной функции в порядке симметрии относительно линии, совпадающей с проведенным ранее вертикальным отрезком АВ. По полученной расчетной функции по известным формулам [5] определяют значения характеристик длины, предусмотренных [1, 2].

Анализ результатов, полученных от реализации предлагаемого способа, показал, что перечень получаемых характеристик длины группы текстильных волокон существенно расширен и включает в себя всю совокупность используемых характеристик длины (см. таблицу). Кроме того, исключен субъективный фактор при формировании пробы, а именно интенсивность расчесывания волокон за счет плотного зажима расчесываемых волокон. Устранено влияние систематической составляющей погрешности измерения за счет включения в измерительный процесс ненаблюдаемого ранее участка волокон, расположенного на расстоянии до 3,8 мм от линии игл гребня. Уменьшена случайная составляющая погрешности за счет перехода к исследованию целостных волокон, а не их концов, выступающих за иглы гребня.

Заявленный способ осуществляли с использованием оптического сканера и компьютера. Схема реализации способа содержит операции подготовки пробы, сканирования (получение изображения) пробы и цифровой обработки изображения. В процессе сканирования (фиг.1) задействованы: предметный столик 1, источник света 2, фотоэлектрический датчик 3, блок оцифровки аналогового сигнала 4. Цифровая обработка изображения выполняется компьютерной программой и условно разбита на несколько блоков (фиг.1): блок вычисления значений параметрических характеристик длины 5, блок дифференцирования функционального сигнала 6, блок задатчика параметров теоретического распределения 7, блок преобразователя сигнала 8, блок дифференцирования преобразованного сигнала 9, блок суммирования 10. Вывод информации осуществляется на экран монитора или на регистрирующее устройство 11.

Выход блока оцифровки аналогового сигнала 4 связан со входами блока вычисления значений характеристик длины 5, блока дифференцирования функционального сигнала 6 и блока задатчика параметров теоретического распределения 7. Выход блока вычисления значений характеристик длины 5 связан с экраном монитора или печатающим устройством 11. Выход блока дифференцирования функционального сигнала 6 связан со входом блока суммирования 10. Выход блока задатчика параметров теоретического распределения 7 связан со входом блока преобразователя сигнала 8, выход которого связан со входом блока дифференцирования преобразованного сигнала 9. Выход блока дифференцирования преобразованного сигнала 9 связан со входом блока суммирования 10, который также связан со входом блока вычисления значений характеристик длины 5.

Измерение осуществляется следующим образом.

Из лабораторной пробы текстильных волокон готовят ленту, полученную ленту плотно зажимают в середине по линии поперек продольной оси, вычесывают незажатые волокна с обеих сторон. Через подготовленную пробу волокон 12 (фиг.1), расположенную на предметном столике 1, пропускают свет от источника 2. Фотоэлектрический датчик 3, работающий по принципу зарядовой связи, воспринимает световой поток, прошедший через пробу, пропорционально его оптической плотности. Оцифровка полученного аналогового сигнала осуществляется в блоке 4. По мере движения датчика 3 вдоль пробы от края до края оптическая плотность поглощенного светового потока будет меняться. Ее изменение описывается диаграммой, представленной на фиг.2, а. Оцифрованный сигнал одновременно поступает на вход блока вычисления значений характеристик длины 5, графическое определение которых показано на фиг.2,б...2,д, на вход блока дифференцирования функционального сигнала 6, который позволяет перейти от эмпирической функции изменения оптической плотности поглощенного светового потока по длине пробы (фиг.2, а) к функции плотности распределения кончиков текстильных волокон по длине пробы (фиг.3, в) и на вход блока задатчика параметров теоретических распределений 7, где подбираются значения параметров: математического ожидания М и M₁, среднего квадратического отклонения σ и σ₁. Далее сигнал от блока задатчика параметров теоретических распределений 7 поступает на вход блока преобразователя сигнала 8, где происходит преобразование функции изменения оптической плотности поглощенного светового потока по длине пробы в функцию, представленную на фиг.3, а, в соответствие с передаточной функцией F(L). После этого преобразованный сигнал от блока 8 поступает на вход блока дифференцирования 9, в котором сигнал принимает вид функции приращения (уменьшения) доли волокон по каждому сечению в процессе формирования пробы, состоящей из целостных волокон с произвольными сдвигами друг относительно друга (фиг.3, б). Далее в блоке суммирования 10 происходит сложение сигналов, полученных со входов блоков 6 и 9. Полученный суммарный сигнал представлен на фиг.3, г. В конечном итоге полученный сигнал поступает на вход блока вычисления значений характеристик длины 5, где происходит расчет требуемых характеристик длины группы текстильных волокон. Экран монитора 11 дает наглядное представление о всех характеристиках длины, полученных в ходе измерения, а также графическое представление о полученных функциональных распределениях.

Источники информации

1. ГОСТ 3279-76. Волокно хлопковое. Технические условия.

2. ГОСТ 26383-84. Шерсть тонкая. Технические условия.

3. O′z DSt 604-2001. Волокно хлопковое. Технические условия. Ташкент, 2001.

4. Международный стандарт. ИСО 4913-81. Материалы текстильные. Хлопковое волокно. Определение длины и показателя равномерности.

5. ГОСТ 3274.5-73. Волокно хлопковое. Методы определения длины.

6. Справочник по теории вероятностей и математической статистике./B.C. Королюк и др. - М.: Наука, 1985.

Способ определения характеристик длины группы текстильных волокон заключается в приготовлении из лабораторной пробы текстильных волокон ленты. Далее ленту плотно зажимают поперек продольной оси по линии в середине ленты, вычесывают незажатые волокна с обеих сторон, после снятия зажима производят фотоэлектрическое сканирование по всей длине полученной пробы, строят диаграмму (эмпирическую функцию) изменения оптической плотности поглощенного светового потока по длине пробы, после чего с помощью графических построений и математических преобразований определяют значения характеристик длины волокон. Технический результат - расширение функциональных возможностей, повышение точности определения характеристик длины текстильных волокон. 3 ил., 1 табл.

Способ определения характеристик длины группы текстильных волокон, заключающийся в приготовлении из лабораторной пробы текстильных волокон ленты, отличающийся тем, что ленту плотно зажимают поперек продольной оси по линии в середине ленты, вычесывают незажатые волокна с обеих сторон, после снятия зажима производят фотоэлектрическое сканирование по всей длине полученной пробы, строят диаграмму (эмпирическую функцию) изменения оптической плотности поглощенного светового потока по длине пробы, для определения средней условной длины из вершины диаграммы проводят касательные к ее боковым ветвям и вертикальный отрезок до пересечения с осью абсцисс, определяют угол отклонения каждой касательной от вертикального отрезка, вычисляют сумму тангенсов этих углов, для определения эффективной длины из середины вертикального отрезка проводят касательные к боковым ветвям диаграммы, определяют угол отклонения каждой касательной от вертикального отрезка, вычисляют сумму тангенсов этих углов, для определения длины при заданной оптической плотности поглощенного светового потока, на соответствующем расстоянии от оси абсцисс проводят горизонтальный отрезок, соединяющий две ветви построенной диаграммы, для определения средней арифметической, модальной и штапельной длин, среднеквадратического отклонения длины определяют параметры теоретических распределений, наиболее близких к построенной диаграмме, находят передаточную функцию между подобранными теоретическими распределениями, дифференцируют передаточную функцию по длине, определяют значения функции плотности распределения кончиков текстильных волокон в пробе дифференцированием эмпирической функции изменения оптической плотности поглощенного светового потока, формируют промежуточную функцию суммированием значений производной передаточной функции по длине и функции плотности распределения кончиков текстильных волокон в пробе, получают расчетную функцию плотности распределения текстильных волокон по длине в штапеле суммированием абсолютных значений промежуточной функции в порядке симметрии относительно линии, совпадающей с проведенным ранее вертикальным отрезком.