烏斯特原棉含雜率快速測試系統(tǒng)GT1000分析研究報告

含雜率是棉花質量基本要求之一，通過含雜率和回潮率可以折算出皮棉的公定重量，是棉花產業(yè)鏈各方交接結價的依據，也是國家儲備棉入庫結算重量的憑證，直接影響到交接雙方的切身利益。準確地檢驗原棉中雜質的含量，有助于棉花加工企業(yè)改進加工工藝，提高原棉質量；有助于棉紡織企業(yè)根據雜質檢驗結果正確計算用棉量，并采取相應措施，減少成紗疵點，降低生產成本，保證產品質量。

傳統(tǒng)原棉雜質分析儀（YG101、YG041與YG042型），存在測試時間長、人員勞動強度大的問題，檢測效率不能滿足目前棉花儀器化公檢的需要。全自動原棉雜質分析系統(tǒng)，由高效雜質分離和收集系統(tǒng)、雜質圖像分析系統(tǒng)、雜質自動稱量及計算系統(tǒng)等組成，具有測試速度快、自動化程度高等技術特點，對于解決目前棉花公證檢驗中原棉含雜率檢驗存在的技術瓶頸，提供了快速而高效的解決方案。

本文重點介紹全自動原棉雜質分析系統(tǒng)（GT1000）的驗證試驗，重點介紹GT1000的校準功能實現方式，從而為其他國產原棉雜質快速測試系統(tǒng)提供有益的借鑒。

1 原棉含雜率測試方法現狀

國內、外棉花含雜率測試方法，主要包括兩大類：1）機械分離及稱量法，利用氣流與高速機械部件的相互作用將雜質與棉纖維分離，然后稱重得出含雜率，測試儀器包括原棉雜質分析儀YG101、YG041、YG042等；2)圖像分析法，應用攝像頭獲取棉樣表面的圖像，再利用計算機軟件進行圖像分析，得到雜質數據，主要測試儀器為HVI大容量棉纖維性能測試儀。

國內GB/T 6499—2012《原棉含雜率測試方法》[1]，應用傳統(tǒng)原棉雜質分析儀（YG101、YG041與YG042型），利用高速運動的機械部件和氣流的共同作用將棉纖維與附著在其中的雜質相互分離，分別稱重和計算，得出原棉雜質百分率，缺點是人員操作強度大、測試時間長，不能與棉花HVI檢驗工作效率相匹配。GB/T 20392—2006 HVI《棉纖維物理性能試驗方法》[2]，應用HVI大容量棉纖維性能測試儀棉花雜質測試模塊，采用高分辨率攝像機掃描一定照度的試樣表面，在排除棉樣表面平均色特征情況下，對掃描圖像分析計算雜質數量和面積，測試原理有別于傳統(tǒng)原棉雜質分析儀（YG101、YG041與YG042型）機械分離雜質及稱量法，相關測試數據與傳統(tǒng)稱量法無法匹配。美標ASTM D 2812-07(2012) 《原棉中非皮棉含量測試方法》[3]，應用雪萊分析儀對原棉中非皮棉部分進行測試，其工作原理與傳統(tǒng)原棉雜質分析儀（YG101、YG041與YG042型）相同，也是利用高速運動的機械部件和氣流的共同作用將棉纖維與附著在其中的雜質相互分離，分別稱重和計算，得出原棉雜質百分率。

陳松恩等[4]探討大容量快速檢測儀（HVI）檢驗得出的棉花雜質指標和傳統(tǒng)儀器檢驗得出的棉花含雜率之間的關系。通過整理甘肅省2007年度棉花檢驗的大量數據，分析了HVI雜質面積率、HVI雜質粒數、HVI級數與機檢雜質率的關系，指出兩種檢驗結果在一定范圍內有很好的線性關系，HVI檢驗的雜質面積率和傳統(tǒng)儀器檢驗的含雜率線性關系較好。馮志新等[5]提出一種基于機器視覺技術的棉花含雜率快速檢測方法，該方法通過彩色攝像機攝取含有雜質的棉花樣品彩色圖像，然后提取原棉RGB圖像3個顏色通道的灰度圖像，進行圖像預處理，經過閾值分割、數學形態(tài)學處理，最后計算得到棉花樣品的含雜率。趙西娜等[6]采用數字圖像處理技術對原棉疵點雜質進行檢測與識別，利用自適應閾值分割的方法對目標圖像進行分割及輪廓提取，并根據目標圖像的相關特征值，提出了離心率與面積周長之比相結合的人工智能分析方法對原棉疵點雜質進行識別分類，取得了很好的效果。高方蕊等[7]針對傳統(tǒng)原棉雜質分析儀體積龐大、機械式天平稱重、人工計算含雜率效率低的問題，對其主機傳動系統(tǒng)、喂棉機構、刺輥分梳機構、氣流系統(tǒng)、外形、供電方式等方向進行了創(chuàng)新，有效地提高了測試效率；增加了稱重系統(tǒng)，設計專用電子天平，自動處理各種數據，準確計算原棉含雜率，避免了人為的計量誤差。徐守東等[8]對長江流域棉區(qū)棉花加工過程中不同環(huán)節(jié)抽取的棉花含雜率檢驗樣品，按照GB/T 6499—2007《原棉含雜率試驗方法》逐一進行檢測，獲得棉花含雜率數據，長江流域棉區(qū)加工后皮棉含雜率樣本均值為1.657%，在置信度為0.95的條件下，置信區(qū)間為（1.603%，1.711%）。萬少安等[9]對黃河流域棉區(qū)棉花加工過程中不同采樣點棉花進行取樣，測試、統(tǒng)計棉花含雜率，并采用數據統(tǒng)計分析方法，分析不同采樣點棉花含雜率的分布狀況，確定了黃河流域棉區(qū)加工后皮棉含雜率的樣本均值為1.417%。周斯堯等[10]針對現有棉花雜質檢測系統(tǒng)的缺陷，利用不同棉花內部常見雜質的介電常數各不相同的特性，當棉花通過微波掃描頭進行諧振檢測時，若棉花中有雜質存在，將會引起微波諧振腔的諧振頻率和幅度的變化，分析這些變化就可以準確判斷棉花中是否含有雜質，并檢測出雜質的含量及成分，從而可以快速測量棉花的含雜率，提高出廠的棉花品質。

2 全自動原棉雜質測試系統(tǒng)

目前國內、外原棉雜質快速測試系統(tǒng)，主要包括烏斯特公司開發(fā)的GT1000全自動原棉雜質分析系統(tǒng)、北京智棉公司研發(fā)的MC-101智能快速雜質分析儀和陜西長嶺開發(fā)的CGT-1快速原棉雜質測試儀，對于解決目前棉花公證檢驗中原棉含雜率檢驗存在的技術瓶頸，提供了快速而高效的解決方案。

烏斯特公司開發(fā)的全自動原棉雜質分析系統(tǒng)（GT1000），由高效雜質分離和收集系統(tǒng)、雜質圖像分析系統(tǒng)、雜質自動稱量及計算系統(tǒng)等組成，具有測試速度快、自動化程度高等技術特點。陜西長嶺研發(fā)的CGT-1快速原棉雜質測試儀，包括棉雜分析主機、纖塵收集裝置、電氣控制系統(tǒng)和主處理機等組成，是一種快速、自動、準確的原棉含雜率測試儀器，能在5分鐘內完成原棉試樣含雜率測試，其測試原理：原棉試樣在分梳刺輥的作用下，受到打擊使得纖維得到開松，被分解的原棉在除塵刀和流線刀的作用下，將纖維和雜質分離，雜質因比重較大落入收雜箱內的電子秤托盤上，稱重后數據上傳計算機，托盤中的雜質被吸入纖塵收集裝置中，纖維隨氣流運動而附著在塵籠表面，測試完成后纖維經過原棉板落入凈棉箱內。北京智棉開發(fā)的MC-101智能快速雜質分析儀，采用空氣負壓原理，將雜質從棉纖維中分離，實現了樣品與雜質的自動稱重、自動計算和檢測結果的自動傳輸，與傳統(tǒng)檢測設備Y101相比，檢測結果一致性好，實現了棉花含雜率檢測的智能化、自動化，為完善棉花檢測技術、提升棉花加工質量、促進棉花公平貿易，提供了有效的技術支持。表1所示為原棉雜質測試儀技術性能對比分析。

表1 原棉雜質測試儀技術性能對比分析

從表1可知，傳統(tǒng)原棉雜質分析儀（Y101、YG041、YG042）與全自動原棉雜質分析儀（GT1000、CGT-1、MC-101）相同之處主要在于：測試原理基本相同，均是采用機械和氣流的共同作用將棉纖維與附著在其中的雜質相互分離，并通過稱重和計算，得出原棉雜質百分率。傳統(tǒng)原棉雜質分析儀（Y101、YG041、YG042）與全自動原棉雜質分析儀（GT1000、CGT-1、MC-101）不同之處主要在于：

1）試樣量不同。傳統(tǒng)原棉雜質分析儀（Y101、YG041、YG042）采用兩個100g平行試樣，全自動原棉雜質分析儀（GT1000、CGT-1、MC-101）試樣質量可調。為了同步比較原棉雜質分析儀（YG041）與原棉雜質分析儀（烏斯特GT1000）測試數據差異，此次驗證試驗統(tǒng)一選擇單個試驗樣品量為50g。

2）試樣梳理次數不同。傳統(tǒng)原棉雜質分析儀（Y101、YG041、YG042）采用兩次梳理，全自動原棉雜質分析儀（GT1000、CGT-1、MC-101）采用一次或兩次梳理，其中GT1000采用一次梳理；對于傳統(tǒng)原棉雜質分析儀（Y101、YG041、YG042），有研究表明一次梳理雜質量為試樣雜質含量的90%；對于GT1000，其一次梳理雜質量為試樣雜質含量的86%～90%；從這個角度而言，兩者測試數據存在10%～14%系統(tǒng)性偏差，只能通過校準來解決這個系統(tǒng)性偏差。

3）稱量方式不同。傳統(tǒng)原棉雜質分析儀（Y101、YG041、YG042）人工收集雜質并稱量，全自動原棉雜質分析儀（GT1000、CGT-1、MC-101）自動收集雜質并自動稱量，大大減少了人工強度，并有效加快了測試速度，平均一個樣品測試時間從原來的10分鐘降低到2～5分鐘左右。

4）雜質分離效率不同。傳統(tǒng)原棉雜質分析儀（Y101、YG041、YG042）雜質中存在一定量落棉、索絲、游離纖維，因此在稱量雜質前需要通過人工方式挑揀落棉、索絲、游離纖維；全自動原棉雜質分析儀（GT1000、CGT-1、MC-101）優(yōu)化了機械分離裝置，雜質分離效率較高，落雜干凈，雜質中落棉、索絲、游離纖維明顯少于傳統(tǒng)原棉雜質分析儀，不需要人工參與挑揀落棉、索絲、游離纖維。圖1所示為GT1000與YG041落雜對比。

圖1 GT1000與YG041落雜對比

3 全自動原棉雜質分析系統(tǒng)（GT1000）驗證試驗

烏斯特公司開發(fā)的全自動原棉雜質分析系統(tǒng)（GT1000），由高效雜質分離和收集系統(tǒng)、雜質圖像分析系統(tǒng)、雜質自動稱量及計算系統(tǒng)等組成，具有測試速度快、自動化程度高等技術特點。

2018年11月—12月，GT1000原棉雜質率測試系統(tǒng)在國紡中心（江陰）進行了第一輪驗證試驗；在第一輪驗證試驗之后，烏斯特公司將GT1000原棉雜質率測試系統(tǒng)發(fā)回美國研發(fā)部門進行系統(tǒng)升級，經過系統(tǒng)升級后的兩臺GT1000于2019年4月中旬發(fā)回江陰實驗室，2019年5月—6月，進行了第二輪驗證試驗，并完成了相關驗證試驗分析報告。

3.1 第一輪驗證試驗（GT1000）

3.1.1 驗證試驗樣品（55批次）

第一輪驗證試驗共計選取55批次不同含雜率的原棉試樣，包括54批次鋸齒棉，其中三道皮清（30批次）、一道皮清（12批次）、未皮清（12批次），皮輥棉1批次，用于驗證原棉雜質分析儀（GT1000）與YG041測試數據的相符性。

注：石河子纖檢所提供了12批次鋸齒棉（一道皮清）和12批次鋸齒棉（未皮清）原棉試樣，常州纖檢所提供了1批次皮輥棉。

圖2所示為不同皮清工藝的樣品YG041含雜率分布。從圖2中可以發(fā)現鋸齒棉（三道皮清）YG041含雜率中位值1.4%，鋸齒棉（一道皮清）YG041含雜率中位值3.5%，鋸齒棉（未皮清）YG041含雜率中位值7.4%，皮輥棉YG041含雜率3.1%。

圖2 不同皮清工藝原棉試樣含雜率（YG041）

3.1.2 GT1000儀器校準

表2所示為第一輪驗證試驗，55批次原棉樣品，YG041與GT1000測試數據之間的相關性分析。從表2可知，YG041與GT1000測試數據之間呈現較高相關性，線性函數回歸決定系數R2=0.955，冪函數回歸決定系數R2=0.957；除此之外，冪函數回歸標準差（0.150）小于線性函數回歸標準差（0.512），且冪函數通過數據原點（0，0），因此全自動原棉雜質分析系統(tǒng)（GT1000）選擇冪函數回歸作為第一級校準。

表2 GT1000第一級校準（55批次）

圖3所示為基于第一輪驗證試驗數據（55批次），YG041與GT1000測試數據之間的相關性分析。

圖3 YG041與GT1000測試數據之間的相關性分析（55批次）

與此同時，全自動原棉雜質分析系統(tǒng)（GT1000）開放給實驗室第二級線性校準：y=a+bx(a=0，b=1)，用于實驗室最終校準，初始斜率為1，截距為0。

3.2 第二輪驗證試驗（GT1、GT3）

3.2.1 相符性試樣（63批次）

第二輪驗證試驗共計選取63批次不同含雜率的原棉試樣，包括61批次鋸齒棉，其中三道皮清（41批次）、一道皮清（10批次）、未皮清（10批次），皮輥棉2批次，用于驗證原棉雜質分析儀GT1000與YG041測試數據的相符性，同時選擇兩臺全自動原棉雜質分析系統(tǒng)（GT1、GT3），用于評估兩臺全自動原棉雜質分析系統(tǒng)（GT1、GT3）之間的差異性。

圖4所示為不同皮清工藝的樣品YG041含雜率分布，從中可以發(fā)現正常皮清工藝鋸齒棉（三道皮清）YG041含雜率中位值1.5%，鋸齒棉（一道皮清）YG041含雜率中位值3.6%，鋸齒棉（未皮清）YG041含雜率中位值7.35%，皮輥棉YG041含雜率2.75%。

目前，進口鉀到貨量較低，庫存持續(xù)消耗，市場可售現貨偏緊；各方對鉀肥大合同漲價預期較強，報價有不同程度提高；但鉀肥實際需求仍無明顯起色，市場多以觀望為主。鹽湖提價后，市場進入新價格消化期，將繼續(xù)對鉀肥市場起到支撐作用；國際鉀肥市場仍呈現供應偏緊狀態(tài)，貿易商漲價意愿較強。預計短期內國內氯化鉀價格將保持高位堅挺、穩(wěn)中探漲態(tài)勢，重點關注國內鉀肥大合同談判情況。

圖4 不同皮清工藝原棉試樣含雜率（YG041）

3.2.2 重復性試樣（6批次）

同時，在63批次不同含雜率的原棉試樣中，選取6批次不同含雜率棉樣，用于分析原棉雜質分析儀（GT1000）測試數據的重復性。

表3所示為用于重復性試驗的6批次原棉樣品，其含雜率分布區(qū)間1.01%～4.25%。

表3 不同含雜率原棉重復性試樣

3.2.3 試驗數據分析

3.2.3.1 相符性試驗數據分析（63批次）

第二輪驗證試驗共計選取63批次不同含雜率的原棉試樣，包括61批次鋸齒棉，其中三道皮清（41批次）、一道皮清（10批次）、未皮清（10批次），皮輥棉2批次，用于驗證原棉雜質分析儀GT1000與YG041測試數據的相符性，同時選擇兩臺全自動原棉雜質分析系統(tǒng)（GT1、GT3），用于評估兩臺全自動原棉雜質分析系統(tǒng)（GT1、GT3）之間的差異性。

3.2.3.1.1 YG041-GT1相關性

圖5所示為63批次不同含雜率的原棉試樣YG041-GT1散點分布圖，從中可知，在第一級冪函數校準y=cxb(c=1.325，b=1.022)狀態(tài)下，YG041測試數據與GT1線性相關函數：

圖5 YG041與GT1分布（線性相關）

圖6所示為63批次不同含雜率的原棉試樣GT1-YG041差異分布，從中可知，在第一級冪函數校準y=cxb(c=1.325，b=1.022)狀態(tài)下：

2）對于10批次一道皮清鋸齒棉，GT1與YG041差異中位值-0.1；

3）對于10批次未皮清鋸齒棉，GT1與YG041差異中位值0.65；

4）對于2批次皮輥棉，GT1與YG041差異中位值-0.1。

圖6 GT1與YG041差異分布

因此，經過第一級冪函數校準（y=1.325x1.022)，GT1與YG041差異，除了含雜率較高且不勻率很大的未皮清棉樣，其他試樣差異已經降低到了較為滿意的程度。

3.2.3.1.2 YG041-GT3相關性

圖7所示為63批次不同含雜率的原棉試樣YG041-GT3分布圖，從中可知，在第一級冪函數校準y=cxb(c=1.325，b=1.022)狀態(tài)下，YG041測試數據與GT3線性相關函數：

圖7 YG041與GT3分布（線性相關）

圖8所示為63批次不同含雜率的原棉試樣GT3-YG041差異分布，從中可知，在第一級冪函數校準y=cxb(c=1.325，b=1.022)狀態(tài)下：

1）對于41批次三道皮清鋸齒棉，GT3與YG041差異中位值0.0；

2）對于10批次一道皮清鋸齒棉，GT3與YG041差異中位值0.05；

3）對于10批次未皮清鋸齒棉，GT3與YG041差異中位值0.65；

4）對于2批次皮輥棉，GT3與YG041差異中位值0.0。

因此，經過第一級冪函數校準（y=1.325x1.022)，GT3與YG041差異，除了含雜率較高且不勻率很大的未皮清棉樣，其他試樣差異已經降低到了較為滿意的程度。

圖8 GT3與YG041差異分布

3.2.3.1.3 GT1-GT3差異分布

圖9所示為63批次不同含雜率的原棉試樣GT1-GT3差異分布，從中可知，在第一級冪函數校準y=cxb(c=1.325，b=1.022)狀態(tài)下：

1）對于41批次三道皮清鋸齒棉，GT1與GT3差異中位值0.10；

2）對于10批次一道皮清鋸齒棉，GT1與GT3差異中位值-0.05；

3）對于10批次未皮清鋸齒棉，GT1與GT3差異中位值-0.05；

4）對于2批次皮輥棉，GT1與GT3差異中位值-0.05。

因此，在第一級冪函數校準（y=1.32x1.024)狀態(tài)下，GT1與GT3差異已經降低到了滿意的程度。

圖9 GT1與GT3差異分布

3.2.3.1.4 第二級校準（線性）

表4所示為應用兩個鋸齒棉含雜標準試樣，對兩臺全自動原棉雜質分析系統(tǒng)GT1000進行線性校準（第二級）獲得的相關函數。

表4 GT1000第二級校準（兩點）

3.2.3.1.5 GT1與YG041測試差異

表5所示為經過第二級線性校準，63批次不同含雜率的原棉試樣GT1-YG041差異中位值。

3.2.3.1.6 GT3與YG041測試差異

表6所示為經過第二級線性校準，63批次不同含雜率的原棉試樣GT3-YG041差異中位值。

3.2.3.2 重復性試驗數據分析

選取6批次不同含雜率棉樣，驗證原棉雜質分析儀（GT1000）測試數據的重復性。表7所示為6批次不同含雜率棉樣，在GT1上重復性試驗數據，從中可以發(fā)現，5個鋸齒棉重復性試樣測試數據變異系數基本穩(wěn)定在10%以內，皮輥棉測試數據變異系數在15%以內。

表8所示為6批次不同含雜率棉樣，在GT3上重復性試驗數據，從中可以發(fā)現，鋸齒棉1#和鋸齒棉2#重復性測試數據CV值偏高，存在一定程度的異常狀況。

4 結論和建議

基于上述全自動原棉雜質測試系統(tǒng)（GT1000）驗證試驗，可以初步得出下列結論：

1）全自動原棉雜質分析系統(tǒng)（GT1000）單個試樣的測試時間2分鐘，傳統(tǒng)原棉雜質分析儀（YG041）單個試樣的測試時間10～15分鐘，GT1000測試效率明顯優(yōu)于YG041，且自動化程度高，人員操作強度低；

表5 GT1與YG041測試差異中位值（兩點）

表6 GT3與YG41測試差異中位值（兩點）

表7 GT1重復性測試數據（兩級校準） %

表8 GT3 重復性測試數據（兩級校準） %

2）GT1000采用一次梳理，且雜質分離效率較高，落雜干凈，與YG041相比（兩次梳理，落雜中纖維較多），GT1000初始測試數據偏小，存在系統(tǒng)偏差，需要進行校準；

3）GT1000測試數據與YG041測試數據呈現較高的相關性，應用冪函數+線性函數兩級校準模型，能夠將YG041測試數據與GT1000測試數據有效關聯(lián)起來；

4）GT1000應定期進行校準和核查，使得GT1000測試數據與YG041測試數據能夠保持一致。

綜上所述，通過全自動原棉雜質分析系統(tǒng)（GT1000）驗證試驗，其他國產全自動原棉雜質分析系統(tǒng)（CGT-1、MC101），可以參照GT1000校準方式，構建自身的校準體系，從而將自身測試數據與傳統(tǒng)原棉雜質分析儀（YG041）有效關聯(lián)起來，達到與傳統(tǒng)原棉雜質分析儀檢測結果的一致性。