СПОСОБ ОЦЕНКИ ТОНИНЫ ЛУБЯНОГО ВОЛОКНА Российский патент 2024 года по МПК G01N21/84 

Изобретение относится к методам контроля параметров качества волокнистых материалов и может быть использовано при анализе их свойств при реализации процессов заготовки и переработки, а также при решении задач квалиметрии.

Известен способ определения тонины волокон овечьей шерсти по ГОСТ 17514-93 [1], по которому из основных частей руна случайным образом отбирают точечные штапельные пробы и формируют контрольную пробу из 10 точечных проб, промывают, прочесывают и нарезают контрольные волокна длиной не более 2 мм и массой 0,2 г. Нарезанные волокна помещают в бюксу, добавляют несколько капель глицерина и на предметное стекло наносят 1-2 капли смеси, устанавливают на предметном столике микроскопа либо ланометра и измеряют тонину в мкм не менее 300 отрезков волокон, разделяют на классы тонины и общую тонину определяют как среднее арифметическое всех результатов измерений. Однако применяемый стандартный способ очень длителен, трудоемок и принципиально не может быть применен к оперативному контролю и оценке свойств волокон больших объемов в процессах заготовки и переработки волокон.

Известен способ определения тонины волокон хлопка, основанном на учете сопротивления прохождению потока воздуха через волокнистый образец. Поместив пробу определенной массы и плотности в пространство постоянного объема, хлопковое волокно с меньшей линейной плотностью, то есть более тонкое, больше сопротивляется прохождению воздушного потока по сравнению с волокном большей линейной плотности. Это определяется тем, что при равной массе образца, число волокон в нем будет больше, чем меньше линейная плотность волокна. При этом поверхность образца будет большей и будет оказывать большее сопротивление прохождению воздушного потока [2].

Недостатком этого технического решения является низкая точность контроля, вызванная изменением объемной плотности волокнистой массы от активного воздействия на нее проходящего воздуха.

Известен способ определения тонины хлопковых волокон, заключающийся в том, что подвергают образец из хлопковых волокон сжимающей нагрузке, прозвучивают его, измеряют амплитуду прошедших колебаний и учитывают ее при расчете зрелости хлопковых волокон. Нагрузку прикладывают вдоль направления прозвучивания, а зрелость волокон определяют из отношения излученного и принятого акустических сигналов [3]. Недостатком известного способа является то, что различная средняя длина и тонина волокон, вызванная различием климатическим и биолого-почвенным, обуславливают низкую точность контроля.

Известен способ определения тонины волокон, включающий формирование волокнистой пробы, ее анализ посредством оптической микроскопии и обработку цифрового изображения с последующей оценкой тонины волокна [4]. При применении этого способа также выявлены недостатки. Так, для анализа лубяных волокон, состоящих из комплекса элементарных волокон затруднительно спрогнозировать тонину волокна, получаемую в результате утонения лубяных волокон при формировании растягивающих напряжениях, например, при одноосном растяжении.

Известен также способ определения тонины волокон, включающий формирование волокнистой пробы, анализ посредством оптической микроскопии и обработку черно-белого цифрового изображения с последующей оценкой тонины волокна, представленного на изображении в виде черных объектов путем определения среднего арифметического их ширины в разных зонах по длине волокон [5].

Однако и этот способ не лишен недостатков. Важнейшим из них является пониженная точность определения тонины в виде оптоволоконной ширины волокон представленных на изображении при наличии их пересечений. В зонах пересечения волокон ширина этих пересечений может отличаться от ширины волокон, что приводит к снижению точности получаемых результатов.

Известный способ [5] по своей технической сущности является близким к предлагаемому изобретению.

Технической задачей изобретения является повышение точности измерения и снижение продолжительности анализов за счет исключения специальной подготовки волокон в виде их расположения без пересечения друг с другом перед получением их цифрового изображения.

Указанная задача достигается тем, что в способе определения тонины лубяных волокон, включающем формирование волокнистой пробы, анализ посредством оптической микроскопии и обработку черно-белого цифрового изображения с последующей оценкой тонины волокна, представленного на изображении в виде черных объектов путем определения среднего арифметического их ширины в разных зонах по длине волокон, согласно изобретению, при формировании волокнистой пробы раскладку волокон на предметном столе осуществляют с возможным их пересечением друг относительно друга, определение ширины волокон проводят по этапам, на первом этапе строят топологический скелет у волокон, представленных в виде черных объектов и выявляют места и центры их пересечения друг относительно друга, на втором этапе определения ширины в центре каждого пересечения черных объектов удаляют часть их изображений площадью, равной площади круга минимального радиуса, содержащего в себе всю область пересечения, далее у оставшейся части черных объектов определяют в разных зонах их длины удвоенные кратчайшие расстояния от линии скелета до их краев Дi, а в качестве тонины волокна принимают среднее арифметическое расстояний Дi, причем эти же значения Дi используют для расчета коэффициента вариации толщины волокон.

Формирование пробы путем раскладки волокон на предметном столе с возможным их пересечением друг относительно друга позволяет сократить время анализа. Это связано с тем, что в анализируемой пробе количество волокон может достигать нескольких сотен. Обеспечение автономного расположения каждого волокна требует значительного времени. Поэтому возможность допускать волокна пересекающиеся друг относительно друга в плоскости фотографирования перед получением их цифрового изображения позволяет ускорить процесс испытания при оценке тонины волокон.

Определение ширины волокон поэтапно повышает точность анализа. Это обеспечивается исключением из цифрового изображения частей изображения волокон в виде черных пикселей, которые связаны с зонами пересечения волокон. В этих зонах идентифицировать ширину каждого из пересекающихся волокон не возможно. Из-за этого ширина объектов в виде черных пикселей не будет представлять ширину волокон. Для исключения этого на первом этапе строят топологический скелет волокон в виде черных объектов и выявляют места и центры пересечения черных объектов друг относительно друга.

Последующие операции, проводимые на втором этапе определения ширины, а именно удаление, начиная с центра каждого пересечения черных объектов, части их изображений площадью, равной площади круга минимального радиуса, содержащего в себе всю область пересечения волокон, позволяет повысить точность результатов анализа. Дело в том, что после такого удаления на цифровом изображении волокна представляются без зон пересечения в виде отрезков объектов черного цвета. Для каждого из них по их длине можно с использованием топологического скелета найти удвоенные кратчайшие расстояния от линии скелета до их краев Дi.

Использование массива значений Дi, определенных в условиях отсутствия зон пересечения волокон, для определения среднего арифметического и для расчета коэффициента вариации толщины волокон, обеспечивает повышение точности результатов анализа.

Сущность операций, производимых на этапах анализа при определении ширины волокон, поясняется на чертежах в виде схем фрагментов волокон в виде черных объектов. На фиг. 1 представлен исходный вид оцифрованного черно-белого изображения волокон, часть которых пересекаются друг относительно друга. На фиг. 2 - фрагмент части пересекающихся волокон с указанными линиями скелета. На фиг. 3 - фрагмент части пересекающихся волокон с удаленной частью изображения волокон. На фиг. 4 - представлен конечный вид оцифрованного черно-белого изображения волокон, у части которых (пересекающихся волокон) удалены зоны их пересечения.

Предлагаемый способ реализуется следующим образом. Для анализа готовят пробу льняного волокна в виде навески длиной 27 см и массой 0,42 г (по требованиям ГОСТ 10330-76 «Лен трепаный. ТУ» с изменением №4). Далее ее разрывают на разрывной машине, например, РМП-1 (по требованиям ГОСТ 10330-76 «Лен трепаный. ТУ» с изменением №4). Полученные разорванные участки освобождают из зажимов и от них отрезают участки навески, которые были в зажимах на определенную длину. Оставшиеся участки дополнительно разрезают на отрезки и их раскладывают тонким слоем волокон на освещенный снизу стол микроскопа с прозрачной поверхностью. При разложении волокон допускают наличие пересекаемых друг друга волокон. Разложенные волокна накрывают покровным стеклом. Включают цифровой оптический микроскоп и проводят анализ оцифрованного черно-белого изображения волокон. Программа ЭВМ обеспечивает поэтапный анализ цифрового изображения. На первом этапе она обеспечивает построение топологического скелета волокон в виде черных объектов. Долее также с использованием программы выявляются места и центры пересечения черных объектов друг относительно друга. После этого, используя программные возможности в центре каждого пересечения черных объектов удаляются части их изображений площадью круга минимального радиуса, содержащего в себе всю область пересечения волокон. После удаления части изображения волокон у оставшейся части черных объектов определяются в разных зонах их длины удвоенные кратчайшие расстояния от линии скелета до их краев Дi. Полученные значения программой используются для расчета тонины волокна в виде среднего арифметического из массива расстояний Дi, а также для расчета коэффициента вариации ширины волокон.

Пример реализации способа

Для проверки способа подготовили две партии льняного волокна, полученного из стеблей льна разной степени биологической спелости и тресты разной степени вылежки. В итоге получено грубое и тонкое волокно.

Каждая партия была проанализирована путем микроскопии с применением микроскопа Levenhuk DTX 90. Этот микроскоп в паре с ЭВМ позволяет вручную рассчитывать размеры объектов. В частности измеряли ширину волокон в разных местах их длины. Чем меньше ширина, тем тоньше волокна, а значит больше тонина.

Параллельно этому анализу провели оценку тонины волокна по предлагаемому способу. Для анализа готовили пробу льняного волокна в виде навески длиной 27 см и массой 0,42 г (по требованиям ГОСТ 10330-76 «Лен трепаный. ТУ» с изменением №4). Далее осуществляли ее разрыв на разрывной машине РМП-1 (по требованиям ГОСТ 10330-76 «Лен трепаный. ТУ» с изменением №4). Полученные разорванные участки освобождали из зажимов и от них отрезали участки навески, которые были в зажимах на длину 65 мм. Оставшиеся участки дополнительно разрезали на отрезки и их разложили тонким слоем волокон на освещенный снизу стол микроскопа с прозрачной поверхностью. При разложении волокон допускали наличие пересекаемых друг друга волокон. Разложенные волокна накрывали покровным стеклом.

После этого включали цифровой оптический микроскоп, специальную программу на ЭВМ, с помощью которой проводился анализ оцифрованного изображения волокон. Программа ЭВМ преобразует изображение в черно-белый вид, подвергает его анализу с использованием алгоритмов технического зрения. После этого программа рассчитывает среднее арифметическое из всей совокупности значений ширины. Полученный результат ширины оказался равным 120 мкм. По величине полученного среднего арифметического значения ширины судят о тонине волокон. Чем меньше ширина, тем тоньше волокно, а значит больше тонина.

Кроме этого программа рассчитала коэффициент вариации из всей совокупности значений ширины (он оказался равным 0,56). По величине полученного коэффициента вариации судят о вариации тонины волокон, то есть судят о степени неоднородности тонины волокон.

Предлагаемый способ определения тонины лубяных волокон не требует значительных затрат на реализацию, а его использование возможно при проведении материаловедческих испытаний в рамках решения задач стандартизации и квалиметрии.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАНЫХ ИСТОЧНИКОВ:

1. Межгосударственный стандарт ГОСТ 17514-93 "Шерсть натуральная. Методы определения тонины".

2. Национальный стандарт РФ ГОСТ Р 53235-2008 «Волокно хлопковое. Методы определения линейной плотности и показателя микронейр».

3. Авторское свидетельство SU 1013842 А1 Способ определения зрелости хлопковых волокон. Дата публикации: 1983-04-23.

4. Система анализа тонины и состава волокна. Оборудование фирмы «Оллен лаб»: https://ollenlab.ru/onas.html / (дата просмотра: 28 апреля 2021 г.).

5. Патент РФ №2779715 Способ оценки тонины лубяного волокна. Патенотооблад-ль Костромская ГСХА, авторы Пашин Е.Л., Орлов А.В. Опубл. 19.09.2022, бюл. №26.

Использование: для оценки тонины лубяного волокна. Сущность изобретения заключается в том, что формируют волокнистую пробу, анализируют посредством оптической микроскопии и обрабатывают черно-белое цифровое изображение с последующей оценкой тонины волокна, представленного на изображении в виде черных объектов, путем определения среднего арифметического их ширины в разных зонах по длине волокон, при этом при формировании волокнистой пробы раскладку волокон на предметном столе осуществляют с возможным их пересечением друг относительно друга, определение ширины волокон проводят по этапам, на первом этапе строят топологический скелет у волокон, представленных в виде черных объектов, и выявляют места и центры их пересечения друг относительно друга, на втором этапе определения ширины в центре каждого пересечения черных объектов удаляют часть их изображений площадью, равной площади круга минимального радиуса, содержащего в себе всю область пересечения, далее у оставшейся части черных объектов определяют в разных зонах их длины удвоенные кратчайшие расстояния от линии скелета до их краев Дi, а в качестве тонины волокна принимают среднее арифметическое расстояний Дi, причем эти же значения Дi используют для расчета коэффициента вариации толщины волокон. Технический результат: обеспечение возможности повышения точности измерения и снижения продолжительности анализов. 4 ил.

Способ оценки тонины лубяного волокна, включающий формирование волокнистой пробы, анализ посредством оптической микроскопии и обработку черно-белого цифрового изображения с последующей оценкой тонины волокна, представленного на изображении в виде черных объектов, путем определения среднего арифметического их ширины в разных зонах по длине волокон, отличающийся тем, что при формировании волокнистой пробы раскладку волокон на предметном столе осуществляют с возможным их пересечением друг относительно друга, определение ширины волокон проводят по этапам, на первом этапе строят топологический скелет у волокон, представленных в виде черных объектов, и выявляют места и центры их пересечения друг относительно друга, на втором этапе определения ширины в центре каждого пересечения черных объектов удаляют часть их изображений площадью, равной площади круга минимального радиуса, содержащего в себе всю область пересечения, далее у оставшейся части черных объектов определяют в разных зонах их длины удвоенные кратчайшие расстояния от линии скелета до их краев Дi, а в качестве тонины волокна принимают среднее арифметическое расстояний Дi, причем эти же значения Дi используют для расчета коэффициента вариации толщины волокон.