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 на этапах заготовки и переработки, а также при решении задач квалиметрии.

Известен способ определения тонины волокон шерсти по ГОСТ 17514-93 [1], по которому из анализируемой массы волокон случайным образом отбирают точечные штапельные пробы и формируют контрольную пробу из 10 точечных проб. Их 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 и измеряют тонину в мкм не менее 300 отрезков волокон. Далее их 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 во время заготовки и переработки волокон.

Известен способ определения тонины волокон хлопка, основанный 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, сильнее сопротивляется прохождению воздушного потока по сравнению с волокном большей линейной плотности. Это определяется тем, что при равной массе образца, число волокон в нем будет тем больше, чем меньше линейная плотность волокна. В этом случае 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 образец из хлопковых волокон подвергают сжимающей нагрузке, прозвучивают его, измеряют амплитуду прошедших колебаний и ее учитывают 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]. Однако при его применении для анализа лубяных волокон, состоящих из комплекса элементарных волокон затруднительно спрогнозировать тонину волокна, получаемую в результате утонения лубяных волокон при формировании растягивающих напряжений при доминирующем на практике одноосном растяжении.

Известен также способ определения тонины лубяного волокна, включающий формирование волокнистой пробы в виде навески определенной длины и массы, ее анализ посредством оптической микроскопии с подсветкой снизу, получение и обработку ее черно-белого цифрового изображения с последующей оценкой тонины волокна путем вычисления среднего арифметического всей совокупности величин ширины волокон в разных участках их длины [5].

Однако при его применении для анализа лубяных волокон, состоящих из комплекса элементарных волокон не столь эффективно спрогнозировать тонину волокна, получаемую в результате переработки лубяных волокон, при которых оно расщепляется на более тонкие комплексы. Кроме этого при формировании цифрового изображения посредством оптической микроскопии с подсветкой волокон снизу необходимо, чтобы анализируемые волокна были представлены в виде единичных объектов, то есть волокна не должны пересекаться. Однако для обеспечения такого состояния волокна требуется значительное время при подготовке волокон перед получением их цифрового изображения.

Несмотря на недостатки известный способ [5] по своей технической сущности является наиболее близким к предлагаемому изобретению.

Технической задачей изобретения является уменьшение продолжительности анализа, а также повышение точности контроля и информативности анализа за счет прогнозирования тонины волокон с учетом их потенциальной расщепленности.

Указанная задача достигается тем, что в способе определения тонины лубяных волокон, включающем формирование волокнистой пробы в виде навески определенной длины и массы, ее анализ посредством оптической микроскопии с подсветкой снизу, получение и обработку ее черно-белого цифрового изображения с последующей оценкой тонины волокна путем вычисления среднего арифметического всей совокупности величин ширины волокон в разных участках их длины, согласно изобретения, что сформированную навеску из исходных волокон разрезают на отрезки длиной не более 15 мм, осуществляют их равномерную раскладку на предметном стекле с возможным пересечением части отрезков друг относительно друга, на полученном черно-белом изображении идентифицируют волокна как черные объекты и по центру их ширины находят у них оси вдоль их длины, на изображении удаляют его части, в которых расположены пересекающиеся отрезки волокон, причем удаление осуществляют от центра пересечения волокон в этих частях изображения до образующих описываемых эти пересечения окружностей, центр которых совпадает с центром пересечения волокон, величину радиусов окружностей для каждого пересечения выбирают в виде кратчайшего расстояния от центра пересечения волокон до ближайшей точки белого фона изображения, а тонину волокнистых отрезков оценивают путем определения кратчайшего расстояния от оси до края волокон в виде черных объектов после удаления частей изображения с находящимися в них пересекаемыми волокнами.

Разрезание сформированной навески из исходных волокон на отрезки длиной не более 15 мм позволяет обеспечить уменьшения их тонины за счет наличия имеющихся в волокне внутренних расщеплений. Их проявление и учет позволяет повысить точность и информативность испытаний за счет оценки потенциальной способности к расщеплению волокон при механических воздействиях на них. Длина резки не более 15 мм объясняется примерно нижним уровнем длины элементарных волокон, которые составляют техническое волокно, представленное в виде навески.

Осуществление равномерной раскладки на предметном стекле с возможным пересечением части отрезков волокон друг относительно друга позволит упростить и сократить по продолжительности процесс подготовки отрезков волокон перед получением их цифрового изображения.

Идентификация на полученном черно-белом изображении отрезков волокна как черных объектов позволяет упростить и повысить точность анализа при определении тонины из-за нахождении оси вдоль их длины, а также при нахождении центра их ширины.

Удаление на изображении его частей, в которых расположены пересекающиеся отрезки волокон, позволит повысить точность определения тонины. Это объясняется тем, что нахождение центральных осей волокон с использованием программирования на ЭВМ осуществляется на основе построения «скелета» по стандартным алгоритмам, например [6]. Поэтому в зоне пересечения ширина черных объектов будет завышенной, что будет снижать точность определения тонины. Для исключения этого необходимо исключить определение толщины (а значит и тонины) в зоне пересечения волокон. Такие зоны предложено удалять, как части изображения с пересечениями волокон.

Удаление частей изображения с пересекающимися волокнами предложено осуществлять следующим образом. От центра пересечения волокон в этих частях изображения формируют образующую окружность, центр которой совпадает с центром пересечения волокон. Радиус окружности для каждого пересечения выбирают в виде кратчайшего расстояния от центра пересечения волокон до ближайшей точки белого фона изображения.

В этом случае внутри описываемой окружности будет располагаться пересечение волокон, которое необходимо удалить. При таком варианте удаления минимизируется удельный вес удаленной суммарной площади с учетом индивидуальных условий для каждого из пересечений волокон.

Оценка тонины волокнистых отрезков путем определения кратчайшего расстояния от оси до края волокон в виде черных объектов после удаления частей изображения с находящимися в них пересекаемыми волокнами позволяет повысить точность анализа за счет исключения хон пересечения волокон, где их ширина определяется ошибочно.

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом.

Для анализа готовят пробу льняного волокна в виде навески длиной 27 см и массой 0,42 г. (например, по требованиям ГОСТ Р 53484-2022 «Лен трепаный. ТУ»). Далее ее разрывают на разрывной машине, например, РМП-1 (по требованиям ГОСТ Р 53484-2022). Полученные разорванные участки освобождают из зажимов и от них отрезают участки навески, которые были в зажимах на определенную длину. Оставшиеся участки разрезают по длине на отрезки длиной 10 мм. Их раскладывают тонким равномерным слоем волокон на освещенный снизу предметный стеклянный стол микроскопа. При разложении допускают наличие пересекаемых волокон. В отличие от варианта, когда волокна не должны пересекаться, раскладка волокон с возможным пересечением обеспечивает сокращение времени на раскладку волокон на 20…30%. Разложенные волокна накрывают покровным стеклом. Включают цифровой оптический микроскоп и проводят анализ оцифрованного изображения волокон. Включают специальную программу на ЭВМ, с помощью которой проводится анализ оцифрованного изображения волокон. ЭВМ посредством специальной программы преобразовывает изображение в черно-белый (бинарный) вид, осуществляет нахождение «скелета» волокон, производит вырезку всех зон на общем изображении с пересекаемыми волокнами, а также фиксирует ширину всех оставшихся (после удаления-вырезки из общего изображения) волокон в разных зонах их длины. После этого программа рассчитывала среднее арифметическое из всей совокупности значений ширин. По величине полученного среднего арифметического значения ширины ЭВМ. Найденная ширина, как оптоволоконная ширина, является оценкой тонины волокна. При наличии совокупности значений ширины возможна также оценка распределений ширины по классам в виде гистограммы.

Пример реализации способа.

Для проверки способа подготовили две партии лубяного волокна - льняного и пеньки. Эти волокна по своей структуре разные и имеют разную толщину, а значит и тонину, как оптоволоконную ширину.

Каждая партия волокна определенной массы (50 мг) в виде отрезков 10 мм. Их раскладывали тонким равномерным слоем волокон на освещенный снизу предметный стеклянный стол микроскопа. При разложении допускали наличие пересекаемых волокон. Это обеспечивало значительное сокращение времени на 20-27% на раскладку волокон в сравнение с вариантом, когда требуется не допущение фактов пересечения волокон. Разложенные волокна накрывали покровным стеклом. Включали цифровой оптический микроскоп, специальную программу на ЭВМ, с помощью которой проводился анализ оцифрованного изображения волокон (см. фиг. 1). Это осуществлялось следующим образом. ЭВМ посредством специальной программы бинаризации преобразовывала изображение в черно-белый вид. После этого программа осуществляла по алгоритму [6] нахождение «скелета» волокон, посредством оригинальной программы проводили «вырезку» всех зон на общем изображении с пересекаемыми волокнами. После этого программа рассчитывала ширину всех оставшихся волокон в разных зонах их длины. Далее определялось среднее арифметическое из всей совокупности значений ширины. По величине полученного среднего арифметического значения ширины ЭВМ оценивали тонину волокон. Чем меньше ширина, тем меньше тонина. Также по полученным данным тонины были построены гистограммы, позволяющие оценить распределение тонины в ее общем интервале значений.

Данные испытания представлены на фиг. 2 в виде гистограмм. Из полученного результата следует различие средней тонины у волокон льна и пеньки, что соответствует общепризнанным данным [7]. При проведении анализов время испытаний составило не более 10 минут для каждого вида волокна, что оказывается приемлемым для использования на практике.

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 ИСПОЛЬЗОВАННЫХ 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. Дата публикации 12.09.2022., бюл. №26.

6. Ма Ц., Цветков В.Ю., Конопелько В.К. Скелетизация изображений на основе комбинации одно- и двухподытерационных моделей // Информатика. 2020. Т. 17. №2. С. 25-35.

7. Крагельский И.В. Физические свойства лубяного сырья. М., Гизлегпром, 1939.470 с.

Использование: для оценки тонины лубяного волокна. Сущность изобретения заключается в том, что формируют волокнистую пробу в виде навески определенной длины и массы, проводят ее анализ посредством оптической микроскопии с подсветкой снизу, получают и обрабатывают ее черно-белое цифровое изображение с последующей оценкой тонины волокна путем вычисления среднего арифметического всей совокупности величин ширины волокон в разных участках их длины, при этом сформированную навеску из исходных волокон разрезают на отрезки длиной не более 15 мм, осуществляют их равномерную раскладку на предметном стекле с возможным пересечением части отрезков относительно друг друга, на полученном черно-белом изображении идентифицируют волокна как черные объекты и по центру их ширины находят у них оси вдоль их длины, на изображении удаляют его части, в которых расположены пересекающиеся отрезки волокон, причем удаление осуществляют от центра пересечения волокон в этих частях изображения до образующих описываемых эти пересечения окружностей, центр которых совпадает с центром пересечения волокон, величину радиусов окружностей для каждого пересечения выбирают в виде кратчайшего расстояния от центра пересечения волокон до ближайшей точки белого фона изображения, а тонину волокнистых отрезков оценивают путем определения кратчайшего расстояния от оси до края волокон в виде черных объектов после удаления частей изображения с находящимися в них пересекаемыми волокнами. Технический результат: обеспечение возможности уменьшения продолжительности анализа, а также повышение точности контроля и информативности анализа. 2 ил.

Способ оценки тонины лубяного волокна, включающий формирование волокнистой пробы в виде навески определенной длины и массы, ее анализ посредством оптической микроскопии с подсветкой снизу, получение и обработку ее черно-белого цифрового изображения с последующей оценкой тонины волокна путем вычисления среднего арифметического всей совокупности величин ширины волокон в разных участках их длины, отличающийся тем, что сформированную навеску из исходных волокон разрезают на отрезки длиной не более 15 мм, осуществляют их равномерную раскладку на предметном стекле с возможным пересечением части отрезков относительно друг друга, на полученном черно-белом изображении идентифицируют волокна как черные объекты и по центру их ширины находят у них оси вдоль их длины, на изображении удаляют его части, в которых расположены пересекающиеся отрезки волокон, причем удаление осуществляют от центра пересечения волокон в этих частях изображения до образующих описываемых эти пересечения окружностей, центр которых совпадает с центром пересечения волокон, величину радиусов окружностей для каждого пересечения выбирают в виде кратчайшего расстояния от центра пересечения волокон до ближайшей точки белого фона изображения, а тонину волокнистых отрезков оценивают путем определения кратчайшего расстояния от оси до края волокон в виде черных объектов после удаления частей изображения с находящимися в них пересекаемыми волокнами.