СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СТЕПЕНИ ЗРЕЛОСТИ ХЛОПКОВЫХ ВОЛОКОН Российский патент 2009 года по МПК G01N33/36 

Изобретение относится к текстильной промышленности и может быть использовано на предприятиях первичной обработки волокон, а также в прядильном производстве.

Зрелость хлопкового волокна характеризуют толщиной стенки в его поперечном сечении. Отношение наружного диаметра волокна к диаметру его канала называют коэффициентом зрелости. Непосредственное измерение размеров сечения волокон практически невозможно из-за сложности и высокой трудоемкости. Поэтому обычно используют косвенные методы измерения.

Известен способ определения коэффициента зрелости хлопковых волокон посредством использования явления интерференции поляризированного света [1]. При прохождении его через волокно происходит двулучепреломление: возникают обыкновенный и необыкновенный лучи, которые движутся через волокно с разной скоростью. При возрастании толщины стенки в волокне, т.е. увеличении его зрелости, возрастает длина оптического пути лучей и разность фаз волн. В результате разные толщины стенок волокна обуславливают появление максимумов на разных длинах волн. При наложении вышедших из волокон лучей они интерферируют на соответствующей длине волны и волокна оказываются окрашенными в различные цвета. Каждой толщине стенки в волокне соответствуют определенные цвета. Волокнам одинаковой зрелости соответствует несколько цветов, поскольку они закручены, и оптическая длина пути лучей в отдельных зонах волокна оказывается разной. Например, зрелым волокнам (первая группа зрелости) соответствуют оранжевые, золотисто-желтые, розовато-фиолетовые, зеленовато-желтые и зеленые цвета отдельных их участков. Недозрелым волокнам (вторая группа зрелости) соответствуют синие, голубые, желтые и зеленые цвета. Незрелым волокнам (третья группа зрелости) - фиолетовые и синие цвета. Совершенно незрелым волокнам (четвертая группа зрелости) фиолетовые, красные, прозрачно-красные цвета. Для вычисления коэффициента зрелости по данному способу каждой группе зрелости присваивается коэффициент: первой - 2,3; второй - 1,3; третьей - 1,0; четвертой - 0,5. Затем, подсчитывая долю каждой группы волокон и умножая ее значение на соответствующий коэффициент, находят средневзвешенное значение коэффициента зрелости.

К недостаткам данного способа относятся: во-первых, субъективность отнесения волокон к различным группам, т.к. цветовая окраска отдельных участков различных групп может быть аналогичной; во-вторых, показатель двулучепреломления определяется не только толщиной стенки волокна, но и степенью кристалличности, а также анизотропностью кристаллитов целлюлозы, входящих в состав стенки волокна. А это означает, что окраска отдельных участков волокон определяется не только толщиной их стенки, но также зависит от извитости и повреждаемости волокон.

Прототипом является способ определения коэффициента зрелости хлопкового волокна [2], заключающийся в анализе цвета интерференционной картины при прохождении поляризованного света через волокна, находящиеся между покровными стеклами, расположенными в среде нематогенной мезофазы. Диаметр волокон хлопчатника достигает своего предельного значения за несколько дней роста, а затем, в течение 50-70 дней, происходит увеличение толщины за счет заполнения полости целлюлозой. При этом изменяются степень кристалличности волокон, состав вещества, размеры и энергетическое состояние кутикулы. О существенном изменении структуры и состояния поверхности волокон при их созревании свидетельствует, например, тот факт, что незрелые волокна отличаются плохой прокрашиваемостью. По данным инфракрасной спектроскопии для незрелых волокон характерны более "жесткие" межмолекулярные взаимодействия. Жидкие кристаллы нематического типа представляют собой совокупность достаточно подвижных линейных молекулярных образований в виде "стержней". Энергия, необходимая для ориентации структурных образований нематика, очень мала. Например, образование дефектов в них происходит при переохлаждении на 0,01°С. Из сказанного следует, что изменение энергетического состояния поверхностного слоя хлопкового волокна влияет на состояние жидкого кристалла, контактирующего с волокном. В данном способе нагревают волокна с нематиком, определяют ширину зоны нематика с искаженной гомеотропной ориентацией в приповерхностной области волокон перед фазовым переходом нематика в изотропное состояние, измеряют температуру этого перехода, после чего судят о степени зрелости волокон, при этом показатель двулучепреломления нематика выбирают равным 0,2-0,3. Разность между температурой перехода в изотропное состояние нематика и температурой проведения измерения должна составлять 1-3°С. К недостаткам данного способа относится то, что используется органолептический метод определения цвета волокна путем сравнения его с эталонными образцами, что является в значительной степени субъективным и зависит от индивидуального восприятия цвета; велика необъективность отнесения волокон к различным группам зрелости, т.к. цветовая окраска отдельных участков цветовых групп может быть аналогичной и зависеть от присутствия извитости в волокне, за счет чего снижается точность определения коэффициента зрелости; кроме того, низки точность и производительность способа.

Технический результат, на который направлено данное изобретение, состоит в повышении точности и быстродействия процесса измерения. Указанный технический результат достигается тем, что в способе определения степени зрелости хлопка, заключающемся в анализе цвета интерференционной картины при прохождении поляризованного света через волокна, находящиеся между покровными стеклами, расположенными в среде нематогенной мезофазы, с последующим нагреванием волокна и определением ширины зоны с искаженной гомеотропной ориентацией в приповерхностной области волокон перед фазовым переходом нематика в изотропное состояние, согласно изобретению волокна между покровными стеклами располагают вдоль длинной стороны стекол, световой поток направляют параллельно расположению волокон в пробе, сканируют волокна по всей их длине. Определение степени зрелости хлопкового волокна осуществляют с помощью компьютера, при этом изображение пробы фиксируют с помощью цифровой видеокамеры, переносят на экран монитора и обрабатывают компьютерной программой, в базу данных которой предварительно заносят информацию о зависимости коэффициента зрелости и яркости образцов эталонов хлопкового волокна. Затем изображение волокон обрабатывают программой с учетом суммарной составляющей яркости пикселей по всей площади анализируемой пробы волокон при сравнении с данными, полученными в результате анализа яркости пикселей эталонных образцов согласно математическому выражению

где ф - величина, соответствующая фактической зрелости волокна;Y_ij -текущее значение яркости пикселя; n - количество строк матрицы изображения; к - количество столбцов матрицы изображения; р - количество пикселей изображения, и строят графики распределения с известными значениями коэффициента зрелости, определяемые по математическим выражениям

где Yrs, Ygs, Ybs - суммарное значение яркости извитка по каналам RGB (Red - красный, Green - зеленый, Blue - синий); Yrl, Ygl, Ybl, Yr2,Yg2, Yb2 - значение средней яркости извитка по цветовым каналам RGB; I_ij - текущее значение яркости пикселя; n - количество строк матрицы изображения; к - количество столбцов матрицы изображения, где дополнительно учитывают извитость волокон путем деления изображения извитка на равные составляющие по яркости.

На фиг.1 показано изображение хлопкового волокна, относящегося к первой группе зрелости (абсолютно зрелое). На фиг.2 приведено изображение хлопкового волокна, относящегося ко второй группе зрелости (недозрелое). На фиг.3 выделено изображение хлопкового волокна, относящегося к третьей группе зрелости (незрелое). На фиг.4 проиллюстрировано изображение хлопкового волокна, относящегося к четвертой группе зрелости (абсолютно незрелое). На фиг.5 отражен график зависимости распределения яркости по цветовому каналу R (red - красный). На фиг.6 показан график зависимости распределения яркости по цветовому каналу G (green - зеленый). На фиг.7 изображен график зависимости распределения яркости по цветовому каналу В (blue - синий).

Пример практического осуществления способа

Готовят лабораторную пробу хлопковых волокон, где их располагают в среде нематогенной мезофазы, затем производят нагревание волокон с нематиком, определяют ширину зоны нематика с искаженной гомеотропной ориентацией в приповерхностной области волокон перед фазовым переходом нематика в изотропное состояние, измеряют температуру этого перехода. После этого приготовленную пробу хлопковых волокон располагают на предметном столике оптического микроскопа, оснащенного поляроидом и цифровой насадкой для оцифровки изображения, так чтобы волокна между покровными стеклами располагались вдоль длинной стороны стекол, световой поток направляют параллельно расположению волокон в пробе. Сканируют волокна по всей их длине, выводят изображение на экран монитора и обрабатывают компьютерной программой, в базу данных которой предварительно заносят информацию о зависимости коэффициента зрелости и яркости образцов эталонов хлопкового волокна. При пропускании светового потока по всей длине пробы получают компьютерное изображение, где оно фиксируется и переносится на экран монитора компьютера. В качестве технических средств использовали: поляризационный микроскоп марки МП 2 №21877 с цифровой насадкой, компьютер типа Pentium 4 с видеокартой, обладающей разрешением 1024x768 и яркостью не мене 16 бит и винчестером объемом не менее одного гигабайта.

В дальнейшем производят обработку изображения волокон специально разработанной программой с учетом суммарной составляющей яркости пикселей по всей площади анализируемой пробы волокон. При этом изображение пробы волокон разделяют на части (равные одному пикселю), каждая из которых обладает определенной яркостью в интервале от 0 до 255 по каналам RGB, а затем проводят замеры яркости по всей площади пробы волокон и формируют матрицу значений на основании их яркостей. Путем суммирования этих значений по столбцам изображения и выделения среднего арифметического по количеству пикселей определяется средний профиль яркости на пробе волокон

где Zф - величина, соответствующая фактической зрелости волокна; Yij -текущее значение яркости пикселя; n - количество строк матрицы изображения; k - количество столбцов матрицы изображения; р - количество пикселей изображения.

После этого полученное значение сравнивают с данными, имеющимися от анализа яркости пикселей эталонных образцов и построенных на основании этого графических моделей распределения яркости, где согласно способу определения коэффициента зрелости хлопковых волокон посредством использования явления интерференции поляризованного света зрелым волокнам (первая группа зрелости) соответствуют оранжевые, золотисто-желтые, розовато-фиолетовые, зеленовато-желтые и зеленые цвета, недозрелым волокнам (вторая группа зрелости) соответствуют синие, голубые, желтые и зеленые цвета, незрелым волокнам (третья группа зрелости) - фиолетовые и синие цвета, совершенно незрелым волокнам (четвертая группа зрелости) фиолетовые, красные, прозрачно-красные цвета. Для вычисления коэффициента зрелости по данному способу каждой группе зрелости присваивается коэффициент: первой - 2,3; второй -1,3; третьей - 1,0 и четвертой - 0,5. На основании анализа яркости эталонных образцов хлопковых волокон с известными значениями коэффициента зрелости составляется база эталонов в формате RGB, в которую записываются данные, полученные при анализе яркости образцов с известными коэффициентами зрелости, определяемые по формуле:

где Zн - величина, соответствующая нормативной зрелости волокна.

Далее определяют зависимость изменения коэффициента зрелости волокна от изменения яркости по каждому из каналов. При экспериментальном анализе изменения яркости по каналам RGB в соответствии с изменением коэффициента зрелости были определены графические модели и установлены законы распределения яркости при изменении коэффициента зрелости по каждому из каналов. На фиг.5-7 можно наглядно отследить зависимость изменения яркости в формате RGB от изменения значения коэффициента зрелости. В дальнейшем производится учет характера извитости волокон путем деления изображения извитка на равные составляющие по яркости. Такое деление становится возможным в связи с представлением кодировки пикселей изображения в формате RGB, что, в свою очередь, позволяет учесть его при суммарном анализе изображения волокна для определения коэффициента зрелости. Деление яркости изображения осуществляется по формулам

где Yrs, Ygs, Ybs - суммарное значение яркости извитка по каналам RGB; Yrl, Ygl, Ybl, Yr2, Yg2, Yb2 - значение яркости извитка по каналам RGB; I_ij - текущее значение яркости пикселя; n - количество строк матрицы изображения; к - количество столбцов матрицы изображения.

На фиг.1-4 изображены фотографии одиночных волокон разной степени зрелости, обработанных компьютерным методом. Увеличение около фигур представлено в виде сомножителей 280x1.

Для подтверждения положительного результата изобретения был определен коэффициент зрелости волокон различными способами измерения, результаты которых приведены в таблице.

Данные таблицы показывают, что при определении коэффициента зрелости эталонных образцов с известным коэффициентом зрелости компьютерным методом точность измеряемой величины увеличивается в связи с тем, что повышается объективность измерения путем исключения человеческого фактора из процесса, при котором все измерения производятся при помощи программной составляющей, а также возрастает детализация измеряемого образца в связи с применением попиксельного деления изображения в трехмерном формате яркости. Кроме того, учитываются факторы извитости изображения, не принятые во внимание в существующих способах. Поэтому коэффициент зрелости определяется более близким к нормативному в сравнении с ранее используемыми способами. Дополнительно повышается и быстродействие проведения измерений в связи с использованием компьютера как технического средства.

Таблица

Номер пробы)

Номер пробы хлопкового
волокна
известных
групп
зрелостиЗначения коэффициента зрелости, полученные различными методамипо аналогупо прототипупо предлагаемому
способукоэффициент зрелостигруппа зрелостикоэффициент зрелостигруппа зрелостикоэффициент зрелостигруппа зрелости1234567 1-я группа зрелости12,0011,9011,84121,7811,8711,82131,7811,9011,821 2-я группа зрелости11,321,221,3221,2521,031,3231,221,321,32 3-я группа зрелости11,030,441,1320,930,831,0330,440,831,03 4-я группа зрелости10,440,540,5420,540,4540,5430,540,340,454

Источники информации

1.ГОСТ 3274,2-72 М.: Госстандарт, 1989.

2. Патент RU №2202786, МПК G01N 33/36, Способ определения степени зрелости волокон хлопчатника, публикация 20.04.03.

Способ определения степени зрелости волокон хлопчатника включает анализ интерференционной картины при прохождении поляризованного света через волокна, которые находятся между покровными стеклами. Волокна располагают в среде нематогенной мезофазы, нагревают с нематиком и определяют ширину зоны нематика с искаженной гомеотропной ориентацией в приповерхностной области волокон перед фазовым переходом нематика в изотропное состояние, измеряют температуру этого перехода, после чего судят о коэффициенте зрелости волокон. Показатель двулучепреломления нематика выбирают равным 0,2-0,3. Волокна между покровными стеклами располагают вдоль их длинной стороны, световой поток направляют параллельно расположению волокон в пробе, сканируют волокна по всей их длине, выводят изображение на экран монитора и обрабатывают компьютерной программой, в базу данных которой предварительно заносят информацию о зависимости коэффициента зрелости и яркости образцов эталонов хлопкового волокна с учетом суммарной составляющей яркости пикселей по всей площади анализируемой пробы волокон, где дополнительно учитывается извитость волокон, путем деления изображения извитка на равные составляющие по яркости, что позволяет учесть его при суммарном анализе изображения волокна для определения коэффициента зрелости. Использование данного способа обеспечивает быстродействие и точность определения степени зрелости хлопчатника. 1 табл., 7 ил.

Способ определения степени зрелости хлопкового волокна, заключающийся в анализе цвета интерференционной картины при прохождении поляризованного света через волокна, находящиеся между покровными стеклами, которые расположены в среде нематогенной мезофазы, с последующим нагреванием волокон и определением ширины зоны с искаженной гомеотропной ориентацией в приповерхностной области волокон перед фазовым переходом нематика в изотропное состояние, отличающийся тем, что волокна между покровными стеклами располагают вдоль длинной стороны стекол, световой поток направляют параллельно расположению волокон в пробе, сканируют волокна по всей их длине, выводят изображение на экран монитора и обрабатывают компьютерной программой, в базу данных которой предварительно заносят информацию о зависимости коэффициента зрелости и яркости образцов эталонов хлопкового волокна с учетом суммарной составляющей яркости пикселей по всей площади анализируемой пробы волокон, при сравнении с данными, полученными в результате анализа яркости пикселей эталонных образцов с известными значениями коэффициента зрелости согласно математическому выражению

где Zф - величина, соответствующая фактической зрелости волокна; Y_ij -текущее значение яркости пикселя; n - количество строк матрицы изображения; k - количество столбцов матрицы изображения; р - количество пикселей изображения; кроме того, дополнительно учитывают извитость волокон путем деления изображения извитка на равные составляющие по яркости, определяемые математическими выражениями

где Yrs, Ygs, Ybs - суммарное значение яркости извитка по каналам RGB; Yrl, Ygl, Ybl, Yr2, Yg2, Yb2 - значение средней яркости извитка по каналам RGB; Y_ij - текущее значение яркости пикселя; n - количество строк матрицы изображения; k - количество столбцов матрицы изображения.