特吕茨勒异纤机技术特色与分离效率测定

摘要：为了更好地应用异物异纤检测技术，通过TS-T5异纤机的结构介绍，阐述了该机基于红绿蓝三基色原理，采用CCD线阵扫描技术，将异纤异物颜色和亮度变化转化为数字信号，通过嵌入式图像处理，与棉花颜色和亮度阈值以及临界尺寸比较，对异纤异物进行识别。指出：异物异纤分离效率是衡量异纤机的重要性能指标，应当采取真实、有效、可比和通用的标准化测定方法，定性、定量地准确反映异纤机的性能。TCCM模板对15类异物异纤按颜色、长度、宽度、重量及危害性权重因子进行分级，使异物异纤分离效率具有了可比性。

关键词：异纤机 异物异纤检测 4CCD相机 色彩通道 阈值 TCCM模板

0.序言

在庞大、漫长的纺纱原棉产业链上，从棉花种植到纺纱厂拆包使用，中间许多环节都有可能受到污染，导致有害纺纱的非棉物质以及非本色棉纤维混入原棉。随着大量的聚乙烯薄膜、聚丙烯编织袋、包扎带大量应用于棉花产业生产的过程，污染的范围更广泛，程度更严重，状况更复杂。为应对原棉污染的问题，从上个世纪九十年代末开始，国外率先研发在清花流程中加装专用设备，对原料中的外来物进行检测和清除。设备被命名为异物检测机。在我国，因为原棉污染导致异纤问题比较突出，因此行业内普遍将该设备称为异性纤维检测机，简称异纤机。经过20多年迭代更新，异纤机已成为纺棉清梳联流程中的标配设备。但由于异纤机是集机、光、电、气一体化的设备，对许多棉纺用户来说，在使用和掌握上还存在着一些盲区，影响了异物异纤检测效果。因此有必要更多地普及异纤机的工作原理，有效发挥异纤机的检测功能，提高异物异纤分离效率。

1.异纤机的构成和技术路线

异纤机主要由检测和分离两大功能模块构成（图1）。

检测功能模块是异纤机的核心技术。其工作方式是由光或波发生装置产生物理光或波，对经过喂棉风管检测窗口的棉流进行全覆盖，由感应装置接收所有透射和反射的光或波，生成相应的物体特性信号，送入计算机中央处理器与棉花的特性进行比较，按照软件设定的算法对物体进行判定，如判定为异物异纤，即向分离执行机构发出指令。

分离功能模块是清除异物异纤的执行机构，由高速电磁阀控制的压缩气喷嘴在棉流一侧按所喷气流无缝衔接要求，横向排列。当有异物异纤随棉流经过时，喷嘴按照传感器和计算机所确定的异物异纤尺寸、位置和到达时间，及时喷出高压气流，将异物异纤吹入封闭的落棉室，再经高压风机吸到机外的集纤滤袋。

图1 异纤机模块图

2.特吕茨勒TS-T5异纤机

特吕茨勒是最早在清梳联流程中开发应用异物异纤检测设备的开拓者。从1999年推出第一代异纤机SCFO起，逐步形成了以高速高清晰度CCD相机线阵扫描成像为核心的异物异纤检测技术。CCD中文名称是电荷耦合器件，其光电转换作用可以将光学影像转换为数字信号，被广泛应用于数码相机。CCD相机具有体积小、重量轻、精度高、稳定性好、耐冲击、能适应恶劣工作环境等一系列优点，是理想的异纤机感应装置。TS-T5是2016年推出的第四代异纤机，以4-CCD相机、LED照明等技术特征为特色的高端异纤机，结构如图2所示。

图2 TS-T5异纤机示意图

原料从异纤机顶部的1200mmX90mm矩形喂棉管以10到15米/秒左右的速度进入机器接受检测。矩形管道有助于棉流形成较薄的片状，充分暴露异物异纤以利于捕捉和清除。两个LED照明模块（7）包含536个LED灯和特殊透镜，产生高强度的均匀白色入射光和偏振入射光。通过LED光源的功率控制系统，实现光照几乎无衰减，保证了检测的稳定性，性能优于普通荧光灯照明。通过观察窗覆盖棉流的正反两面。棉流中的物体产生的反射光通过镜面（6）进入两架4CCD相机（1）。4CCD相机根据三基色原理，包含有4块CCD，其中两块CCD（G1，G2）采集绿色光信号，一块CCD（R）采集红色光信号，一块CCD（B）采集蓝色光信号。相机像素为2048 ，扫描频率为4X19千赫。分别采集红、绿、蓝光信号的三块CCD（R，G2，B）对棉流图像进行彩色线阵扫描，基于颜色对比度和尺寸大小判定应分离的异物异纤，可以识别出小到细如发丝般的彩色异纤。该检测称之为彩色异物异纤检测F模块。对于接近棉花颜色，难以由F模块检测的白色丙纶丝之类的异纤，由2块采集绿色光信号的CCD（G1，G2）通过偏振线阵扫描，分辨出异纤表面不同于棉花的反射光光泽，达到检测丙纶丝的效果，该检测称之为光泽检测G模块。原料中的透明和半透明的有色或无色塑料薄膜类的异物在偏振光源装置（4）的照射下产生偏振透射光，经镜面（6）进入带有偏振光滤镜的3CCD相机（2），显现出偏振特性色彩，由3块CCD（R，G，B）线阵扫描进行识别。该检测称之为偏振检测P模块。原料有时会混杂一些漂白过的纤维，虽然大多数也是棉纤维，但对最终产品布面效果造成损害，必须在加工中清除。紫外线照明装置（5）有4根紫外光灯管。漂白过的纤维在紫外入射光下显示出荧光，经镜面（6）进入3CCD相机（2）对荧光进行扫描识别。该检测称之为荧光检测UV模块。棉流经检测区域检测后，进入分离清除区域。在棉流背面的一侧安装了喷嘴梁（8），横向分布有144个微型喷嘴，由48个压缩气阀控制高速气流从微型喷嘴喷出，将异物异纤从棉流中分离出去。为了精准清除，不仅需要从成像确定异物异纤的尺寸和位置，还必须根据棉流速度确定异物异纤到达喷嘴清除点的时间。棉流速度由速度传感器（3）实时监控。计算机在毫秒级时间内完成运算，向相关气阀发出指令，定时定位定量从异物异纤经过的喷嘴喷出高速气流，将异物异纤连带部分纤维吹落到落棉室。底部的皮翼罗拉（9）将落棉输出到吸风管，由风机吸到机外滤袋。

3.TS-T5的检测原理

原棉中包含有形形式式、大大小小、密密麻麻的外来物，异纤机是要在清花加工阶段最大限度地分离棉流中的纤维性和可能分散成为纤维性的异性物质，但同时要控制产生的落棉量，防止损失过多的好纤维，以较小的成本得到较理想的分离效率。通过检测，精准确认目标物体是实现清除的先决条件。TS-T5在一批原料开始投入运行的最初阶段，通过对管道中的原料扫描、数据分析，建立起棉花的颜色和反光亮度的标准数据，作为与后续棉流中的物体进行比对的基准。系统从红、青、绿、粉、蓝和黄六个色彩通道和一个亮度通道设定了色彩对比度和亮度对比度阈值，以百分比形式表示（图3）。色彩通道和亮度通道可以理解为检测系统定向采集的色彩和亮度信息。根据光学原理，棉流的颜色由独立的红绿蓝（RGB）三基色合成。CCD通过滤色镜，将入射光分解成红、绿、蓝，并转换为数字信号。红色信号强，为红色通道；红色信号弱，为青色通道。绿色信号强，为绿色通道；绿色信号弱，为粉色（品红）通道。蓝色信号强，为蓝色通道；蓝色信号弱，为黄色通道。红绿蓝三色强光混合结果趋于白色，红绿蓝三色弱光混合结果趋于灰色。 

1-棉花的亮度（参考基准）。2-亮度对比度阈值调低按钮。3-全部色彩通道对比度阈值调节按钮。4-棉花色彩，不含异物异纤的色彩：在此范围之外色彩的物体被检测为异物异纤。5-当前绿色通道（绿色和品红色）阈值。6-当前蓝色通道（蓝色和黄色）阈值。7-当前红色通道（红色和青色）阈值。8-当前亮度通道阈值。

图3异物异纤检测设定

TS-T5检测原则是首先检测接收到的光的色彩和亮度变化是否超出了某一色彩通道或亮度通道的阈值。如果超出了，然后是识别物体的尺寸。尺寸大小的限度有小、中、大三种规格，事先根据异物异纤控制要求设定。如果尺寸超过临界，则高压气阀启动，将检测到的目标予以清除。为了避免有颜色和亮度差异的棉花被清除，各通道色彩对比度以及亮度对比度阈值可以根据排出异物异纤情况和检测统计数据进行分析，灵活设定一定的宽容度，即降低对比度百分比值（图4）。

1-棉花的亮度（参考基准）。2-黄色通道阈值。3-红色通道阈值。4-品红色通道阈值。5-亮度检测尺寸。6-色彩检测尺寸。7-选择尺寸规格。8-蓝色通道阈值。9-青色通道阈值。 10-绿色通道阈值。 11-亮度低阈值。

图4 异物异纤宽容阈设定

4.特吕茨勒异物异纤分类模板-TCCM

异物异纤的分离效率是异纤机最被关注的焦点。这不仅是帮助潜在客户了解异纤机性能的重要指标，也是帮助正在使用异纤机的客户达到更好清除异物异纤效果的重要数据。通过测试分离效率，可以发现设备的不足之处，对设置进行优化，提高分离效果。异纤机分离效率因异物异纤的种类、尺寸不同而有明显差异。与棉花颜色反差大，团、块、片或长条状的异物分离效率较高，与棉花颜色反差小，线或丝状的异纤分离效率较低。因此不能用一个笼统的分离百分率作为衡量异纤机分离异物异纤能力的标准，应当采取真实、有效、可比和通用的标准化测定方法，定性、定量地准确反映异纤机的性能。

特吕茨勒建立了异物异纤分类模板-TCCM，用于对特吕茨勒异纤机的异物异纤分离效率进行标准化测定。通过对纺纱原料中的15种类别的异物异纤（见图）的颜色、长度、宽度、重量以及危害性权重因子进行细化分级，建立了标准样板，使得异纤机排出的异物异纤可以与样板对照比较，进行数量、重量及其危害性的确认，在此数据基础上的各项统计，如异物异纤分布、分离效率等具有了可比性。

图5 15种异物异纤分类样板

TCCM测定以实际生产中异纤机排出的异物异纤量与喂入原料中的异物异纤总量之比来衡量异物异纤分离效率。测试必须在生产现场进行，首先清空机外集纤滤袋里的落棉并舍弃，将生产线的给棉量设置为正常生产的速度来运行，保证检测在规定的产量下进行。然后将经过了异纤机检测后向梳棉输送的棉流切换到原料收集袋里至少100kg，并暂停生产线。收集机外集纤袋里的落棉，拣出异物异纤，作为排出的异物异纤量。同时对原料收集袋里的棉花进行清点，拣出所含的异物异纤，作为漏检异物异纤量。排出的异物异纤量与漏检的异物异纤量之和，可以作为喂入原料中所含的异物异纤总量。对排出和漏检的异物异纤，对照异物异纤分类样板，分别按颜色、长度、宽度的级别，逐个记录数量和重量并输入TCCM模板。同时将相关的测试数据，如排出的落棉重量（含异纤）、收集的输棉管输出原料重量（含异纤）、测试时间内喷嘴喷射次数等，也输入模板，即可得到TCCM模板自动统计输出的测试结果报告。内容有数量法异物异纤清除率、重量法异物异纤清除率、消除异物异纤有害性效率、异物异纤清除率指数、消除异物异纤有害性效率指数等。

数量法异物异纤清除率=清点的排出异物异纤的数量/喂入原料中的异物异纤数量*100%。

重量法异物异纤清除率=清点的排出异物异纤的重量/喂入原料中的异物异纤重量*100%。

消除异物异纤有害性效率=排出有害性异物异纤的重量/喂入原料中的有害性异物异纤重量*100%。

异物异纤的有害性是由其重量与危害性分级中的权重因子之积所决定。异物异纤的有害性程度按类别分为5、4、3、2、1、0.5、0.02等7个权重级别。见表1。

异物异纤清除率指数=重量法异物异纤清除效率/落棉率。

消除异物异纤有害性效率指数=消除异物异纤有害性效率/落棉率。

若效率高，落棉率低，则指数高。若效率高，落棉率也高，则只能得到中等水准的指数。

表1 异物异纤危害性权重因子

应用TCCM模板对异物异纤的颜色、尺寸和危害性的比对，具有不依赖于设备的有效性以及超越纺纱限定的实用性，因此可以在不同的异纤机之间、不同的纺纱形式之间对异物异纤分离效率进行比较，客观反映异纤机的性能。不过这种测试方法比较耗时费工，不适宜高频次地实施。一般可以根据企业人员情况，安排适当测试周期。在原料变动、机器设定改变或者产品质量出现波动时，应及时进行测试。

除了TCCM测试之外，还有快速的模拟测试方法。在设定窗口处，向棉流管道中投放7X7mm²、15X15mm²和25X25mm²，代表小、中、大三种尺寸规格的红、绿、蓝、青、黄、粉、浅绿、浅蓝、白和透明颜色纸片各10片，经过异纤机检测后，到机外集纤滤袋里收集被排出的纸片，分别统计各种颜色纸片数量，除以投入的10片数量，即可得到各种颜色的清除率。这种测试方法只是帮助了解异纤机的检测和清除功能是否正常而不能准确反映异纤机实际生产过程中对异纤异物的检测率和清除率。

5.结语

异纤机虽然不是传统的纺纱工艺加工设备，但由于纺纱生产和产品质量对异物异纤零容忍，异纤机已发展成为棉纺清花流程中不可或缺的主机设备之一，被用户寄予厚望，为纺纱保驾护航，免除异物异纤困扰。

特吕茨勒TS-T5异纤机是以4CCD相机线阵扫描以及LED、偏振和紫外线三种光源检测异物异纤的高端异纤机。在原有的彩色异物异纤检测模块、塑料薄膜偏振光检测模块和荧光纤维紫外线检测模块基础上，增加了光泽检测模块，具备了检测白色丙纶丝的能力；增加的LED照明模块，加强了识别薄的线状异纤能力。TS-T5通过自动设定颜色通道和亮度通道的阈值，平衡检测灵敏度与落棉率，以较小的成本实现较高的分离效率。如有需要，也可以手动单独干预设定灵敏度相关参数，满足特定异物异纤清除率和落棉率。

特吕茨勒的异物异纤分类模板-TCCM建立了异纤机分离效率的标准测定方法。TCCM模板将15种类别异物异纤按颜色、长度、宽度、重量及危害性权重因子分级，用于测试收集的异物异纤样本进行比对。将比对结果的各级异物异纤数量和重量输入TCCM模板，即可得到异物异纤分离效率及危害性测定的结果报告，并具有可靠的可比性。

参考文献：

[1] 王涛，马利强，张华林. 异纤检测的技术现状和发展趋势[EB/OL]. 2015-06-11/2019-05-29. htpps:www.sohu.com/a/317299697_120065870

[2] 雒书华，曹爱国，刘琳. 特吕茨勒SP-FPU异纤机的应用探讨[C]. 2014’中国纱线质量暨新产品开发技术论文集. 杭州：中国纱线网，2014：366-371.

[3]特吕茨施勒纺纱，异纤机T-SCAN TS-T5-高品质的异物分离装置. 样本，上海，2021.

[4]特吕茨施勒纺纱，异纤机T-SCAN TS-T5. 操作手册. 2016.

[5] 吴敏，刘景凯. 光电检测异纤清除机的原理和工艺性能[J]. 上海纺织科技，2007，35（1）：17-19.

[6] 陆冰. 减少异性纤维的技术措施[C]. 2008’中国纱线质量暨新产品开发技术论文集. 杭州：中国纱线网，2008：348-351.

[7]李妙福. 异纤在线检测清除装置的特征与应用[J]. 上海纺织科技. 2006(1):15-18.

[8]刘荣清. 棉纺异物检测消除的技术分析[J]. 上海纺织科技. 2006(1):12-14.

[9]李鑫，章友鹤. 关于棉纺厂异纤检测和清除设备使用效果与发展前景分析[J]. 现代纺织技术. 2010(2):39-43.