乌斯特原棉含杂率快速测试系统GT1000分析研究报告

含杂率是棉花质量基本要求之一，通过含杂率和回潮率可以折算出皮棉的公定重量，是棉花产业链各方交接结价的依据，也是国家储备棉入库结算重量的凭证，直接影响到交接双方的切身利益。准确地检验原棉中杂质的含量，有助于棉花加工企业改进加工工艺，提高原棉质量；有助于棉纺织企业根据杂质检验结果正确计算用棉量，并采取相应措施，减少成纱疵点，降低生产成本，保证产品质量。

传统原棉杂质分析仪（YG101、YG041与YG042型），存在测试时间长、人员劳动强度大的问题，检测效率不能满足目前棉花仪器化公检的需要。全自动原棉杂质分析系统，由高效杂质分离和收集系统、杂质图像分析系统、杂质自动称量及计算系统等组成，具有测试速度快、自动化程度高等技术特点，对于解决目前棉花公证检验中原棉含杂率检验存在的技术瓶颈，提供了快速而高效的解决方案。

本文重点介绍全自动原棉杂质分析系统（GT1000）的验证试验，重点介绍GT1000的校准功能实现方式，从而为其他国产原棉杂质快速测试系统提供有益的借鉴。

1 原棉含杂率测试方法现状

国内、外棉花含杂率测试方法，主要包括两大类：1）机械分离及称量法，利用气流与高速机械部件的相互作用将杂质与棉纤维分离，然后称重得出含杂率，测试仪器包括原棉杂质分析仪YG101、YG041、YG042等；2)图像分析法，应用摄像头获取棉样表面的图像，再利用计算机软件进行图像分析，得到杂质数据，主要测试仪器为HVI大容量棉纤维性能测试仪。

国内GB/T 6499—2012《原棉含杂率测试方法》[1]，应用传统原棉杂质分析仪（YG101、YG041与YG042型），利用高速运动的机械部件和气流的共同作用将棉纤维与附着在其中的杂质相互分离，分别称重和计算，得出原棉杂质百分率，缺点是人员操作强度大、测试时间长，不能与棉花HVI检验工作效率相匹配。GB/T 20392—2006 HVI《棉纤维物理性能试验方法》[2]，应用HVI大容量棉纤维性能测试仪棉花杂质测试模块，采用高分辨率摄像机扫描一定照度的试样表面，在排除棉样表面平均色特征情况下，对扫描图像分析计算杂质数量和面积，测试原理有别于传统原棉杂质分析仪（YG101、YG041与YG042型）机械分离杂质及称量法，相关测试数据与传统称量法无法匹配。美标ASTM D 2812-07(2012) 《原棉中非皮棉含量测试方法》[3]，应用雪莱分析仪对原棉中非皮棉部分进行测试，其工作原理与传统原棉杂质分析仪（YG101、YG041与YG042型）相同，也是利用高速运动的机械部件和气流的共同作用将棉纤维与附着在其中的杂质相互分离，分别称重和计算，得出原棉杂质百分率。

陈松恩等[4]探讨大容量快速检测仪（HVI）检验得出的棉花杂质指标和传统仪器检验得出的棉花含杂率之间的关系。通过整理甘肃省2007年度棉花检验的大量数据，分析了HVI杂质面积率、HVI杂质粒数、HVI级数与机检杂质率的关系，指出两种检验结果在一定范围内有很好的线性关系，HVI检验的杂质面积率和传统仪器检验的含杂率线性关系较好。冯志新等[5]提出一种基于机器视觉技术的棉花含杂率快速检测方法，该方法通过彩色摄像机摄取含有杂质的棉花样品彩色图像，然后提取原棉RGB图像3个颜色通道的灰度图像，进行图像预处理，经过阈值分割、数学形态学处理，最后计算得到棉花样品的含杂率。赵西娜等[6]采用数字图像处理技术对原棉疵点杂质进行检测与识别，利用自适应阈值分割的方法对目标图像进行分割及轮廓提取，并根据目标图像的相关特征值，提出了离心率与面积周长之比相结合的人工智能分析方法对原棉疵点杂质进行识别分类，取得了很好的效果。高方蕊等[7]针对传统原棉杂质分析仪体积庞大、机械式天平称重、人工计算含杂率效率低的问题，对其主机传动系统、喂棉机构、刺辊分梳机构、气流系统、外形、供电方式等方向进行了创新，有效地提高了测试效率；增加了称重系统，设计专用电子天平，自动处理各种数据，准确计算原棉含杂率，避免了人为的计量误差。徐守东等[8]对长江流域棉区棉花加工过程中不同环节抽取的棉花含杂率检验样品，按照GB/T 6499—2007《原棉含杂率试验方法》逐一进行检测，获得棉花含杂率数据，长江流域棉区加工后皮棉含杂率样本均值为1.657%，在置信度为0.95的条件下，置信区间为（1.603%，1.711%）。万少安等[9]对黄河流域棉区棉花加工过程中不同采样点棉花进行取样，测试、统计棉花含杂率，并采用数据统计分析方法，分析不同采样点棉花含杂率的分布状况，确定了黄河流域棉区加工后皮棉含杂率的样本均值为1.417%。周斯尧等[10]针对现有棉花杂质检测系统的缺陷，利用不同棉花内部常见杂质的介电常数各不相同的特性，当棉花通过微波扫描头进行谐振检测时，若棉花中有杂质存在，将会引起微波谐振腔的谐振频率和幅度的变化，分析这些变化就可以准确判断棉花中是否含有杂质，并检测出杂质的含量及成分，从而可以快速测量棉花的含杂率，提高出厂的棉花品质。

2 全自动原棉杂质测试系统

目前国内、外原棉杂质快速测试系统，主要包括乌斯特公司开发的GT1000全自动原棉杂质分析系统、北京智棉公司研发的MC-101智能快速杂质分析仪和陕西长岭开发的CGT-1快速原棉杂质测试仪，对于解决目前棉花公证检验中原棉含杂率检验存在的技术瓶颈，提供了快速而高效的解决方案。

乌斯特公司开发的全自动原棉杂质分析系统（GT1000），由高效杂质分离和收集系统、杂质图像分析系统、杂质自动称量及计算系统等组成，具有测试速度快、自动化程度高等技术特点。陕西长岭研发的CGT-1快速原棉杂质测试仪，包括棉杂分析主机、纤尘收集装置、电气控制系统和主处理机等组成，是一种快速、自动、准确的原棉含杂率测试仪器，能在5分钟内完成原棉试样含杂率测试，其测试原理：原棉试样在分梳刺辊的作用下，受到打击使得纤维得到开松，被分解的原棉在除尘刀和流线刀的作用下，将纤维和杂质分离，杂质因比重较大落入收杂箱内的电子秤托盘上，称重后数据上传计算机，托盘中的杂质被吸入纤尘收集装置中，纤维随气流运动而附着在尘笼表面，测试完成后纤维经过原棉板落入净棉箱内。北京智棉开发的MC-101智能快速杂质分析仪，采用空气负压原理，将杂质从棉纤维中分离，实现了样品与杂质的自动称重、自动计算和检测结果的自动传输，与传统检测设备Y101相比，检测结果一致性好，实现了棉花含杂率检测的智能化、自动化，为完善棉花检测技术、提升棉花加工质量、促进棉花公平贸易，提供了有效的技术支持。表1所示为原棉杂质测试仪技术性能对比分析。

表1 原棉杂质测试仪技术性能对比分析

从表1可知，传统原棉杂质分析仪（Y101、YG041、YG042）与全自动原棉杂质分析仪（GT1000、CGT-1、MC-101）相同之处主要在于：测试原理基本相同，均是采用机械和气流的共同作用将棉纤维与附着在其中的杂质相互分离，并通过称重和计算，得出原棉杂质百分率。传统原棉杂质分析仪（Y101、YG041、YG042）与全自动原棉杂质分析仪（GT1000、CGT-1、MC-101）不同之处主要在于：

1）试样量不同。传统原棉杂质分析仪（Y101、YG041、YG042）采用两个100g平行试样，全自动原棉杂质分析仪（GT1000、CGT-1、MC-101）试样质量可调。为了同步比较原棉杂质分析仪（YG041）与原棉杂质分析仪（乌斯特GT1000）测试数据差异，此次验证试验统一选择单个试验样品量为50g。

2）试样梳理次数不同。传统原棉杂质分析仪（Y101、YG041、YG042）采用两次梳理，全自动原棉杂质分析仪（GT1000、CGT-1、MC-101）采用一次或两次梳理，其中GT1000采用一次梳理；对于传统原棉杂质分析仪（Y101、YG041、YG042），有研究表明一次梳理杂质量为试样杂质含量的90%；对于GT1000，其一次梳理杂质量为试样杂质含量的86%～90%；从这个角度而言，两者测试数据存在10%～14%系统性偏差，只能通过校准来解决这个系统性偏差。

3）称量方式不同。传统原棉杂质分析仪（Y101、YG041、YG042）人工收集杂质并称量，全自动原棉杂质分析仪（GT1000、CGT-1、MC-101）自动收集杂质并自动称量，大大减少了人工强度，并有效加快了测试速度，平均一个样品测试时间从原来的10分钟降低到2～5分钟左右。

4）杂质分离效率不同。传统原棉杂质分析仪（Y101、YG041、YG042）杂质中存在一定量落棉、索丝、游离纤维，因此在称量杂质前需要通过人工方式挑拣落棉、索丝、游离纤维；全自动原棉杂质分析仪（GT1000、CGT-1、MC-101）优化了机械分离装置，杂质分离效率较高，落杂干净，杂质中落棉、索丝、游离纤维明显少于传统原棉杂质分析仪，不需要人工参与挑拣落棉、索丝、游离纤维。图1所示为GT1000与YG041落杂对比。

图1 GT1000与YG041落杂对比

3 全自动原棉杂质分析系统（GT1000）验证试验

乌斯特公司开发的全自动原棉杂质分析系统（GT1000），由高效杂质分离和收集系统、杂质图像分析系统、杂质自动称量及计算系统等组成，具有测试速度快、自动化程度高等技术特点。

2018年11月—12月，GT1000原棉杂质率测试系统在国纺中心（江阴）进行了第一轮验证试验；在第一轮验证试验之后，乌斯特公司将GT1000原棉杂质率测试系统发回美国研发部门进行系统升级，经过系统升级后的两台GT1000于2019年4月中旬发回江阴实验室，2019年5月—6月，进行了第二轮验证试验，并完成了相关验证试验分析报告。

3.1 第一轮验证试验（GT1000）

3.1.1 验证试验样品（55批次）

第一轮验证试验共计选取55批次不同含杂率的原棉试样，包括54批次锯齿棉，其中三道皮清（30批次）、一道皮清（12批次）、未皮清（12批次），皮辊棉1批次，用于验证原棉杂质分析仪（GT1000）与YG041测试数据的相符性。

注：石河子纤检所提供了12批次锯齿棉（一道皮清）和12批次锯齿棉（未皮清）原棉试样，常州纤检所提供了1批次皮辊棉。

图2所示为不同皮清工艺的样品YG041含杂率分布。从图2中可以发现锯齿棉（三道皮清）YG041含杂率中位值1.4%，锯齿棉（一道皮清）YG041含杂率中位值3.5%，锯齿棉（未皮清）YG041含杂率中位值7.4%，皮辊棉YG041含杂率3.1%。

图2 不同皮清工艺原棉试样含杂率（YG041）

3.1.2 GT1000仪器校准

表2所示为第一轮验证试验，55批次原棉样品，YG041与GT1000测试数据之间的相关性分析。从表2可知，YG041与GT1000测试数据之间呈现较高相关性，线性函数回归决定系数R2=0.955，幂函数回归决定系数R2=0.957；除此之外，幂函数回归标准差（0.150）小于线性函数回归标准差（0.512），且幂函数通过数据原点（0，0），因此全自动原棉杂质分析系统（GT1000）选择幂函数回归作为第一级校准。

表2 GT1000第一级校准（55批次）

图3所示为基于第一轮验证试验数据（55批次），YG041与GT1000测试数据之间的相关性分析。

图3 YG041与GT1000测试数据之间的相关性分析（55批次）

与此同时，全自动原棉杂质分析系统（GT1000）开放给实验室第二级线性校准：y=a+bx(a=0，b=1)，用于实验室最终校准，初始斜率为1，截距为0。

3.2 第二轮验证试验（GT1、GT3）

3.2.1 相符性试样（63批次）

第二轮验证试验共计选取63批次不同含杂率的原棉试样，包括61批次锯齿棉，其中三道皮清（41批次）、一道皮清（10批次）、未皮清（10批次），皮辊棉2批次，用于验证原棉杂质分析仪GT1000与YG041测试数据的相符性，同时选择两台全自动原棉杂质分析系统（GT1、GT3），用于评估两台全自动原棉杂质分析系统（GT1、GT3）之间的差异性。

图4所示为不同皮清工艺的样品YG041含杂率分布，从中可以发现正常皮清工艺锯齿棉（三道皮清）YG041含杂率中位值1.5%，锯齿棉（一道皮清）YG041含杂率中位值3.6%，锯齿棉（未皮清）YG041含杂率中位值7.35%，皮辊棉YG041含杂率2.75%。

目前，进口钾到货量较低，库存持续消耗，市场可售现货偏紧；各方对钾肥大合同涨价预期较强，报价有不同程度提高；但钾肥实际需求仍无明显起色，市场多以观望为主。盐湖提价后，市场进入新价格消化期，将继续对钾肥市场起到支撑作用；国际钾肥市场仍呈现供应偏紧状态，贸易商涨价意愿较强。预计短期内国内氯化钾价格将保持高位坚挺、稳中探涨态势，重点关注国内钾肥大合同谈判情况。

图4 不同皮清工艺原棉试样含杂率（YG041）

3.2.2 重复性试样（6批次）

同时，在63批次不同含杂率的原棉试样中，选取6批次不同含杂率棉样，用于分析原棉杂质分析仪（GT1000）测试数据的重复性。

表3所示为用于重复性试验的6批次原棉样品，其含杂率分布区间1.01%～4.25%。

表3 不同含杂率原棉重复性试样

3.2.3 试验数据分析

3.2.3.1 相符性试验数据分析（63批次）

第二轮验证试验共计选取63批次不同含杂率的原棉试样，包括61批次锯齿棉，其中三道皮清（41批次）、一道皮清（10批次）、未皮清（10批次），皮辊棉2批次，用于验证原棉杂质分析仪GT1000与YG041测试数据的相符性，同时选择两台全自动原棉杂质分析系统（GT1、GT3），用于评估两台全自动原棉杂质分析系统（GT1、GT3）之间的差异性。

3.2.3.1.1 YG041-GT1相关性

图5所示为63批次不同含杂率的原棉试样YG041-GT1散点分布图，从中可知，在第一级幂函数校准y=cxb(c=1.325，b=1.022)状态下，YG041测试数据与GT1线性相关函数：

图5 YG041与GT1分布（线性相关）

图6所示为63批次不同含杂率的原棉试样GT1-YG041差异分布，从中可知，在第一级幂函数校准y=cxb(c=1.325，b=1.022)状态下：

2）对于10批次一道皮清锯齿棉，GT1与YG041差异中位值-0.1；

3）对于10批次未皮清锯齿棉，GT1与YG041差异中位值0.65；

4）对于2批次皮辊棉，GT1与YG041差异中位值-0.1。

图6 GT1与YG041差异分布

因此，经过第一级幂函数校准（y=1.325x1.022)，GT1与YG041差异，除了含杂率较高且不匀率很大的未皮清棉样，其他试样差异已经降低到了较为满意的程度。

3.2.3.1.2 YG041-GT3相关性

图7所示为63批次不同含杂率的原棉试样YG041-GT3分布图，从中可知，在第一级幂函数校准y=cxb(c=1.325，b=1.022)状态下，YG041测试数据与GT3线性相关函数：

图7 YG041与GT3分布（线性相关）

图8所示为63批次不同含杂率的原棉试样GT3-YG041差异分布，从中可知，在第一级幂函数校准y=cxb(c=1.325，b=1.022)状态下：

1）对于41批次三道皮清锯齿棉，GT3与YG041差异中位值0.0；

2）对于10批次一道皮清锯齿棉，GT3与YG041差异中位值0.05；

3）对于10批次未皮清锯齿棉，GT3与YG041差异中位值0.65；

4）对于2批次皮辊棉，GT3与YG041差异中位值0.0。

因此，经过第一级幂函数校准（y=1.325x1.022)，GT3与YG041差异，除了含杂率较高且不匀率很大的未皮清棉样，其他试样差异已经降低到了较为满意的程度。

图8 GT3与YG041差异分布

3.2.3.1.3 GT1-GT3差异分布

图9所示为63批次不同含杂率的原棉试样GT1-GT3差异分布，从中可知，在第一级幂函数校准y=cxb(c=1.325，b=1.022)状态下：

1）对于41批次三道皮清锯齿棉，GT1与GT3差异中位值0.10；

2）对于10批次一道皮清锯齿棉，GT1与GT3差异中位值-0.05；

3）对于10批次未皮清锯齿棉，GT1与GT3差异中位值-0.05；

4）对于2批次皮辊棉，GT1与GT3差异中位值-0.05。

因此，在第一级幂函数校准（y=1.32x1.024)状态下，GT1与GT3差异已经降低到了满意的程度。

图9 GT1与GT3差异分布

3.2.3.1.4 第二级校准（线性）

表4所示为应用两个锯齿棉含杂标准试样，对两台全自动原棉杂质分析系统GT1000进行线性校准（第二级）获得的相关函数。

表4 GT1000第二级校准（两点）

3.2.3.1.5 GT1与YG041测试差异

表5所示为经过第二级线性校准，63批次不同含杂率的原棉试样GT1-YG041差异中位值。

3.2.3.1.6 GT3与YG041测试差异

表6所示为经过第二级线性校准，63批次不同含杂率的原棉试样GT3-YG041差异中位值。

3.2.3.2 重复性试验数据分析

选取6批次不同含杂率棉样，验证原棉杂质分析仪（GT1000）测试数据的重复性。表7所示为6批次不同含杂率棉样，在GT1上重复性试验数据，从中可以发现，5个锯齿棉重复性试样测试数据变异系数基本稳定在10%以内，皮辊棉测试数据变异系数在15%以内。

表8所示为6批次不同含杂率棉样，在GT3上重复性试验数据，从中可以发现，锯齿棉1#和锯齿棉2#重复性测试数据CV值偏高，存在一定程度的异常状况。

4 结论和建议

基于上述全自动原棉杂质测试系统（GT1000）验证试验，可以初步得出下列结论：

1）全自动原棉杂质分析系统（GT1000）单个试样的测试时间2分钟，传统原棉杂质分析仪（YG041）单个试样的测试时间10～15分钟，GT1000测试效率明显优于YG041，且自动化程度高，人员操作强度低；

表5 GT1与YG041测试差异中位值（两点）

表6 GT3与YG41测试差异中位值（两点）

表7 GT1重复性测试数据（两级校准） %

表8 GT3 重复性测试数据（两级校准） %

2）GT1000采用一次梳理，且杂质分离效率较高，落杂干净，与YG041相比（两次梳理，落杂中纤维较多），GT1000初始测试数据偏小，存在系统偏差，需要进行校准；

3）GT1000测试数据与YG041测试数据呈现较高的相关性，应用幂函数+线性函数两级校准模型，能够将YG041测试数据与GT1000测试数据有效关联起来；

4）GT1000应定期进行校准和核查，使得GT1000测试数据与YG041测试数据能够保持一致。

综上所述，通过全自动原棉杂质分析系统（GT1000）验证试验，其他国产全自动原棉杂质分析系统（CGT-1、MC101），可以参照GT1000校准方式，构建自身的校准体系，从而将自身测试数据与传统原棉杂质分析仪（YG041）有效关联起来，达到与传统原棉杂质分析仪检测结果的一致性。