棉花加工在线检测仪器的研发及应用

董伟辉

(陕西长岭纺织机电科技有限公司，陕西 宝鸡 721013)

0 引言

为了提高棉花加工质量和效率，需要在棉花加工生产线上实现籽棉回潮率和杂质的在线监测，以及皮棉回潮率、杂质和色泽的在线监测，以改善轧花厂的生产加工工艺，监控机器的稳定性，确保能够及时发现问题，并调整生产工艺。目前，国外的棉花轧花生产检测设备主要是乌斯特(USTER)公司制造的检测站[1]，国内主要是长岭纺电研发的棉花加工生产线在线检测仪器。

1 在线检测仪器的组成及原理

在线检测仪器由籽棉主机、皮棉主机以及附属模块组成，如图1所示。其中，籽棉主机检测籽棉的回潮率和杂质等级，皮棉主机检测皮棉的回潮率、杂质等级和颜色级，两主机通过局域网将检测数据上传给中央控制台。中央控制台分析籽棉主机和皮棉主机传来的棉花数据，智能化控制轧花工艺流程，调整棉花加工设备的工艺参数，提高轧花生产线的加工质量。

图1 在线检测仪器组成框图

2 在线检测仪器各模块工作原理

2.1 籽棉主机工作原理

籽棉主机在处理软件的控制下，进行自动取样、回潮率测试、杂质测试、释放样品、数据处理并上传至中央控制台，完成一次测量。之后，该过程实时循环进行。

2.2 皮棉主机工作原理

皮棉主机在处理软件的控制下，进行自动取样、回潮率测试、杂质测试、颜色测试、释放样品、数据处理并上传至中央控制台，完成一次测量，该过程实时循环进行。

2.3 在线取样装置工作原理

皮棉主机和籽棉主机自动在线取样装置原理相同。采用平板式结构，由电机带动取样板旋转，取样板从取样初始位置、取样位置，最后到达测试位置，测试完成后取样板回到取样初始位置，准备进行下一次取样控制。

在线取样的有效性直接影响测试结果的正确性，因此，籽棉主机和皮棉主机分别设计有专用传感器以判断取样的有效性。

2.4 回潮率测量工作原理

回潮率测量模块采用电阻法[2]，利用棉花的电阻与其回潮率呈负相关变化的规律，在一定的纤维量、密度、温度和测试面积等条件下，测得棉花的电阻值，间接得出棉花的回潮率。

2.5 杂质测量工作原理

杂质测量模块采用光学图像法[3]，利用45/0照明方式，光线以与棉花表面法线成45°方向入射于棉花表面上，在法线上利用CCD相机在棉花正下方采集样品的表面图像，将带有杂质的棉花图像传输至处理软件，进行高斯模糊滤波、图像的分割阈值寻找得到二值化的图像，清除图像噪声，对二值化图像的杂质面积和杂质点数进行统计，以进一步对其进行校正。标准杂质板成像和二值化图像见图2。

a) 标准杂质板成像 b) 标准杂质板二值化图像图2 标准杂质板

2.6 颜色测量工作原理

颜色测量模块采用光电反射法[3]，结构见图3。该模块也采用45/0照明方式，光线以与棉花表面法线成45°方向入射于棉花表面上，在法线上测量棉花表面反射光信号，分析得到的光谱成分的3刺激值X，Y，Z，根据经验公式和修正算法，计算出棉花的颜色反射率Rd值和黄度+b值，根据中国棉花等级标准输出颜色级CG。

1—光源；2—色度传感器；3—相机；4—电机；5—棉花；6—压板；7—压板运动轨迹。图3 颜色取样模块结构

3 实验数据

3.1 颜色测试数据

对标准色板(白板、黄板和中心板)连续测试8 h，数据见表1，每块标准色板的反射率Rd与标准值的差值均能满足±0.4%的要求，黄度+b的测试值与标准值的差值均能满足±0.4的要求[4]。

对一种标准棉花连续测试3 d (每天数据取平均值)，数据见表2。标准棉花的反射率Rd测试数据平均值与标准值的差值满足±1.0%的要求，标准差能达到0.3%的要求；黄度+b测试数据平均值与标准值的差值能达到±0.5的要求，标准差能满足不大于0.3的要求[5]。

表1 标准色板颜色测试数据

时间/h白板黄板中心板Rd/%+bRd/%+bRd/%+b0.083.73.981.114.472.78.80.583.63.981.214.572.58.71.083.83.981.114.472.78.92.083.63.881.114.472.48.73.083.73.980.914.572.88.94.083.43.881.114.572.48.75.083.83.981.114.572.78.86.083.63.881.114.472.48.77.083.73.981.114.472.88.98.083.63.980.814.572.68.7 注:Rd标准值:白板为83.7%,黄板为81.4%,中心板为72.6%;+b标准值:白板为4.2,黄板为14.4,中心板为8.5。

表2 标准棉花颜色测试数据

时间Rd/%+b测试值标准差测试值标准差第1天75.30.1010.00.28第2天75.40.2810.10.29第3天75.50.299.90.14 注:Rd标准值为75.3%,+b标准值为10.0。

3.2 杂质测试数据

对标准杂质板连续测试8 h，数据见表3。标准杂质板的杂质粒数Tc测试值与标准值相比能满足±5个的要求，杂质面积Ta测试值与标准值能满足±0.11%的要求[4]。

对标准杂质板连续测试3 d (每天数据取平均值)，数据见表4。标准杂质板的杂质粒数Tc的测试平均值与标准值的差值能满足±5个的要求，标准差能满足不大于6.0的要求；杂质面积Ta的测试平均值与标准值的差值能满足±0.11%的要求，标准差能满足不大于0.04%的要求[5]。

表3 连续测试8 h的标准杂质板测试数据

时间/h杂质粒数Tc/个杂质面积Ta/%0.01981.710.52021.701.02021.712.02021.723.02021.724.02001.725.02001.736.02001.737.02051.748.02001.73 注:杂质粒数Tc的标准值为203个,杂质面积Ta的标准值为1.70%。

表4 连续测试3 d的标准杂质板测试数据

时间杂质粒数Tc/个杂质面积Ta/%测试值标准差测试值标准差第1天2024.51.720.02第2天2003.51.720.02第3天2012.41.710.01 注:杂质粒数Tc的标准值为203个,杂质面积Ta的标准值为1.70%。

3.3 回潮率测试数据

对回潮率标准器进行连续测试，数据见表5。由表5数据可以看出，回潮率标准器的测试数据能够达到±0.1%的要求[2]。

表5 回潮率标准器测试数据

项目时间1.0 h2.0 h3.0 h4.0 h5.0 h6.0 h7.0 h8.0 h第1天第2天第3天测试值/%10.09.910.09.99.99.99.910.010.010.09.9标准差/%0.00.00.00.0 注:标准值为10.0%。

4 结语

通过对棉花加工生产线在线检测仪器的工作原理和各模块的测试原理进行分析，实验测试标准色板、标准棉花、标准杂质板、回潮率标准器并与标准值对比，结果表明其数据的正确性和稳定性均能满足要求。在线检测仪器的研制，对企业合理设置棉花加工生产线，改善轧花机等设备工艺参数，提升棉花加工质量具有重要意义。