專利名稱：在線大污染物分析器和方法
技術領域：
本發明涉及一種在線自動化大污染物(macrocontaminant)分析器和分析紙衆中的大污染物的方法。
背景技術：
污染物表示紙漿懸浮液中或白水中的不良成分，因為它們可妨礙紙漿、紙張或紙質產品的制造操作或質量。根據預先建立的尺度，它們被分類為大污染物和微污染物。通常通過測量0. 10至0. 15mm縫篩上保留下來的材料的量來區分大污染物與微污染物。紙漿和白水中的大污染物的準確確定對于制漿者和造紙者、化學品供應商、粘接劑制造商、印刷工和研究者是最重要的。 大污染物的這個測量對于制漿廠和造紙廠特別有用，因為它指示了控制和清除策略。紙漿和水流中的污染物的性質和數量取決于所制造的紙漿的類型和系統封閉的程度。原漿中的有害污染物的例子是源于木材的不完整去纖維化的漿塊。膠黏物是所謂的另一重要污染物類，因為它們屬于強烈傾向于沉積在多種表面上或粘附到多種表面的材料。代表回收紙漿中的顯然最不利的污染物類的膠黏物包括多種親脂性化合物。它們源于用于多種功能(像粘合、密封、涂布和印刷)的標簽、膠帶、封皮、印戳、紙板中所使用的壓敏粘接劑(PSA)、熱熔膠、調色劑、蠟、涂料和粘合劑。在制漿、篩選、泵抽、分散和捏合期間對回收廠中與回收紙一起引進的粘接劑、涂料和蠟進行強烈的機械動作。在紙漿處理和紙張制造期間施加于粘接劑的強剪力將導致使它們分裂為大范圍的粒子大小。膠黏物質在水相中的釋放導致從脫墨廠生產出不合規格的紙漿、用于它們的鈍化和溶劑清潔的化學成本提高、造紙機上和印刷車間中的運轉性能差、以及產品質量差。盡管對于回收操作的高效率控制至關重要，但是由于人員短缺和手動方法的單調乏味的性質，大膠黏物(macrostickies)測量不頻繁參考文獻1_5。盡管問題嚴重，但是對于在線監視紙漿流中的膠黏物，提出了非常少的設備參考文獻6_10。開發在線儀器所面對的最大障礙之一是單元必須能夠測量紙漿墊中或主要包括纖維的紙漿懸浮液中的少數污染物。這些纖維的存在阻礙了污染物的適當探測，尤其是當圖像分析用于對象辨別和量化時。為了避開這個問題，多種實驗室方法在探測、量化和測量污染物之前首先分離污染物。最廣泛使用的實驗室方法使用實驗室用篩、水力旋流器、過濾設備等來首先使污染物與纖維分離參考文獻1_5、10。一旦隔離，污染物(諸如膠黏物、污垢和漿塊)就被從篩網收集或沉積在濾紙上。而污垢和漿塊不需要專門為它們的量化做準備，當污染物包括膠黏物時，情況就不一樣了。膠黏物的膠黏性質用于使它們與其它大污染物分離、或者將它們輸送到合適的支承件，在該支承件處，可對它們進行目檢以及用眼睛或在圖像分析器的幫助下對它們進行計數。為視覺分析做膠黏物準備是限制膠黏物分析的通過量的單調乏味的過程。一些其它儀器基于污染物的膠黏性和它們沉積在造紙機網部和紙張上的傾向參考文獻2、11-14。雖然有用，但是這些實驗室測試全都是耗時的并且沒有顯微鏡檢查，和/或化學分析關于污染物的類型、它們的面積或數量沒有揭露太多。
存在以下幾個專利，這些專利描述了用于在線測量主要包括其它成分的液體中的小比例成分的設備，特別是在探測血液中的白血球、血小板或抗體參考文獻15-31和紙漿中的漿塊參考文獻32-43的領域中。更少的專利涉及紙漿中的膠黏物的實際在線測量參考文獻6-10、44。這些分析器中的許多分析器需要稀釋血液或紙漿樣品，以使感興趣成分的顯現(visualization)或探測便利。通過層流式水動力流通池則使得可對成分或污染物進行識另U、測量或統計(enumeration)參考文獻15、17_19、21-32、34-36、41_69。白血球或血小板在大量紅血球中的顯現通常涉及使紅血球形成球形、或者通過細胞裂解促進它們的移除參考文獻15、18、22、23、28、30、50、51、59、用熒光染料給不同生物成分染色參考文獻18-22、24、25、27、30、70、71、或者通過電泳分離它們參考文獻72_77。在這些系統中，粒子探測可通過下述方式來進行散射光的光電探測參考文獻15、18、21-25、27、30、31、70、71、78、79、近紅外反射參考文獻56、57、或者通過對電荷耦合器件所捕捉的圖像進行圖像分析參考文獻25-27、49、52-55、72、76、77、80-82。圖像分析是分辨各個成分的特征并且使得可對它們進行統計和測量的有用工具參考文獻25、80。與血球不同，紙漿纖維、漿塊或膠黏物不能經歷使細胞裂解來使血球和血小板與更多的紅血球分離的細胞裂 解。另一方面，在許多方面，用于分離、探測和測量白血球和血小板的許多技術可用于紙漿。樣品稀釋、水動力聚焦和熒光染料的使用實際上在許多紙漿應用中被用于在對纖維進行光電探測或通過電荷耦合器件使它們成像之前分離和/或區分它們。參考文獻6、7、9、32、34、35、42-44、83。然而，當分析對象是大的膠黏粒子時，它相對于纖維群體的量如此小，以至于在層流式流通池中必須以低流速對大容量樣品進行處理，以便探測到足夠量的膠黏物，以獲得統計上顯著的計數。這對使用水動力聚焦的分析器的通過量施加了嚴重的限制。在以下段落中進一步描述這些方法。與血液分析器相比，漿塊分析器使用紙漿稀釋、水動力聚焦、篩網、水力旋流器或通過間隙的抽吸式提取器來在分析污染物之前使漿塊與纖維團分離參考文獻9、32、34-43、84。因為漿塊具有比水大的直徑和比水高的密度，所以篩網和水力旋流器可使漿塊與紙漿團分開。使光通過流通池和樣品，光或脈沖信號的改變將使得可確定粒子或纖維大小參考文獻9、32、34-36、40、42、43。雖然有用，但是少數污染物及其與纖維類似的顏色妨礙了它們的顯現和識別。使得可進行漿塊含量確定——比水高的密度、以及比纖維大的直徑——的相同原理也將使從紙漿隔離出大膠黏物便利。關于膠黏物探測和測量，已描述了使用熒光染料來探測紙漿的疏水性成分的四種方法參考文獻6_8、83。Horn等人的方法7被設計為探測紙漿中的木材樹脂粒子。該分析器使用與Esser等人8、Di Cesare6和Perry等人83所述的那些分析器相同的原理，除了它們被定義為膠黏物分析器之外。這些儀器均使用與將熒光染料添加到紙漿懸浮液相結合的光電探測作為識別紙漿中的有機成分(諸如膠黏物和木材樹脂)的手段。熒光染料與疏水性污染物(諸如膠黏物)反應。當被熒光染色的成分被特定波長的光激發時，疏水性污染物將發射稍后可被光電探測器探測的光。與污染物的大小成比例的發光信號在光電池中被探測，并且對這些信號進行估計以測量疏水性污染物。該方法的問題之一是，親脂性提取物(諸如甘油三酸酯和脂肪酸85)中富有的纖維、細粒和漿塊可干擾膠黏物的測量。因此，這些方法沒有在膠黏物與松脂之間進行區分，因為這兩類的性質都是疏水性。而且，這些方法不允許基于膠黏物的面積或類型來對它們進行統計。所有這四種方法都使用層流式流通池或水動力聚焦來分離污染物和使得可對它們進行探測。組合水動力聚焦與現有的污染物分開步驟可給予更好的結果，諸如Carr9所述的方法。第一膠黏物分析器被Carr9描述。該分析器通過下述方式作用，即，首先將紙漿樣品稀釋到小于0. 5%的稠度，并且使稀釋的紙漿樣品通過一系列水力旋流器以根據粒子的密度來分離它們。然后在分離的粒子通過流通池之前再次將它們稀釋到小于0. 5%的稠度。該流被施加背光，光電探測器包括被對齊以接收透射光的線性敏感元件陣列。與粒子對齊的敏感元件創建與寬度成比例的信號。通過快速地依次激活元件，創建數字數據流，該數字數據流被微處理器處理，以確定粒子大小并生成多個污染物相關信號，這些污染物相關信號與不同的分類大小范圍(諸如大、中和小污染物粒子)相關。還可增加熒光染料的添加來幫助識別光電池中的污染物。如果我們在20年之后重新審視該方法，則增加成像能力的電荷耦合器件的使用可改進該方法。該方法的限制之一是，水力旋流器用于從紙漿分離膠黏物。除了蠟和其它輕量級大污染物之外，常見的大膠黏物具有與水類似的密度，限制了通過水力旋流器分開它們，并且在樣品制備中導致纖維的存在。作為在線設備的該方法的另一缺點是，在探測層流中的粒子之前，使用水動力聚焦來分離這些粒子。可被這樣的池 處理的樣品大小在毫升的量級上小。由紙漿篩選或清潔方法導致的公升大小的樣品的通過將限制這樣的流通池的使用。用于分析紙漿中的非常小的膠黏物的方法已被Banerjee10描述。再次，篩選(盡管通過過濾)用于從纖維漿料移除纖維、纖維碎片和其它大污染物粒子，此后測量過濾樣品的碳含量。接著，對濾液進行超濾，以從濾液分離出具有高分子重量的膠黏物，隨后，測量超濾樣品的碳含量。超濾中所使用的濾孔大小為25 ym。最后，使用碳含量來確定纖維漿料中的微膠黏物濃度。雖然有用，但是該方法被報告給予微膠黏物的估算、而沒有給予大污染物(諸如大膠黏物、漿塊和調色劑)的估算。原理上，從木材溶解或由造紙機添加劑引起的其它有機材料應該通過25 iim的孔，而不被探測到。然而，這些成分趨向于在紙漿水中形成團塊，這些團塊可干擾這個測量。流通池已知是測量深色粒子和微小物，諸如牛皮紙84和回收紙漿中存在的樹皮、金屬和調色劑污染物(Simpatic，PapTech)。雖然對于測量深色污染物有效38、84，但是這些分析器難以探測與紙漿在視覺上沒有太大不同的污染物(諸如膠黏物)86。

發明內容
因此，本發明的目的是提供一種紙漿或白水樣品中所存在的大污染物的在線自動化分析。所述在線自動化分析器首先通過篩選來從紙漿分離污染物。然后自動地將分開的污染物輸送到室，該室使得可進一步基于污染物在水中的相對密度來將它們分為輕量級類和重量級類。然后使輕量級污染物和/或重量級污染物成像，并且針對它們的類型、數量、大小和投影面積進行分析。圖像分析使得可基于污染物的顏色、大小、直徑和形狀來探測它們的類型。對來自樣品的所有圖像的數據求平均值，并且制備報告，該報告包括重量級污染物和輕量級污染物的總數和面積。該報告可顯現在分析器的計算機屏幕上、或者被發送到工廠數據庫和控制系統。數據存儲在處理器中，并且具有與污染物的原始圖像的鏈接。該數據儲存將使得用戶可查看每個污染物類型的總數和面積的歷史趨勢。因此，根據本發明的一方面，提供一種用于紙漿和/或白水流的在線大污染物分析器，該分析器包括紙漿分類器，將來自所述流的樣品分離為包括大污染物的液態組分；污染物室，裝入容納所述組分的污染物池；光學室，包括與所述池連接的、捕捉至少一個探測圖像的光學探測器；和控制室，拍攝所述至少一個探測圖像，并且進行圖像分析以確定所述組分中的至少一種大污染物的類型和數量。根據本文所述的分析器的另一方面，所述光學探測器是從所述污染物池生成所述探測圖像的至少一個高清晰數字照相機。根據本文所述的分析器的又一方面，所述污染物池包括污染物沉降板，所述污染物沉降板包括對所述探測圖像的質量進行優化的彩色背景。根據本文所述的分析器的又一方面，所述光學探測器聚焦在所述污染物池的污染 物沉降板上。根據本文所述的分析器的又一方面，所述光學探測器聚焦在所述污染物池內的液態組分的表面處。根據本文所述的分析器的另一方面，所述控制室包括計算機，所述計算機包括執行圖像分析并監控分析器的任務執行的軟件程序。根據本文所述的分析器的另一方面，所述軟件程序與照相機動態鏈接庫、成像庫和OPC服務器通訊，進行交互以識別大污染物的類型和數量。根據本文所述的分析器的又一方面，所述OPC服務器還與PLC通訊，所述PLC與紙漿分類器、污染物室和光學室通訊。根據本文所述的分析器的又一方面，所述污染物池是包括污染物沉降基板和集成彩色沉降板的透明柱體池，所述光學探測器包括第一高清晰數字照相機和第二高清晰數字照相機，其中，所述第一照相機聚焦在所述集成彩色沉降板上，所述第二照相機聚焦在所述液態組分的表面上，并且所述控制室包括計算機，所述計算機包括執行圖像分析并監控分析器的任務執行的軟件程序。根據本發明的一個實施例，提供一種分析紙漿和/或白水流的大污染物的方法，該方法包括將來自所述流的樣品分離為大污染物組分；通過所述組分的光學測量來生成至少一個探測圖像；和分析所述至少一個探測圖像，并且確定所述組分中的至少一種大污染物的數量和類型。根據本文所述的方法的另一實施例，所述至少一個探測圖像由高清晰數字照相機生成。根據本文所述的方法的又一實施例，生成第一探測圖像和第二探測圖像，并且所述第一探測圖像聚焦在輕量級大污染物上，所述第二探測圖像聚焦在重量級大污染物上。根據本文所述的方法的又一實施例，通過計算機的軟件程序分析所述至少一個探測圖像，所述計算機與照相機動態鏈接庫以及成像庫和OPC服務器通訊，所述軟件程序識別至少一種大污染物。根據本文所述的方法的又一實施例，所述軟件程序進一步通訊以控制所述樣品的分離和所述至少一個光學圖像的生成。


現在將參照以圖示的方式顯示本發明的具體實施例的附圖，在附圖中圖I是根據本發明的一個實施例的在線大污染物分析器的示意性流程圖；圖2是根據本發明的另一實施例的在線分析器的另一實施例的流程圖，該流程圖顯示如何通過低或中稠度市售自動取樣器來手動或在線地將紙漿和/或白水樣品進給(feed)到紙漿分類器；圖3是與圖I的在線分析器連接的紙漿份化器的示意性流程圖，紙漿分類器用于從紙漿纖維流分出大污染物組分，所述大污染物組分可選地可被輸送到根據本發明的另一實施例的在線分析器以用于分析類型、數量和面積；圖4是根據圖I的在線分析器的污染物室的一個實施例的示意性流程圖，所述污染物室容納大污染物，并且使得可對它們進行稀釋、分散、辨別、圖像捕捉以及最終將它們 輸送到下水道；圖5是描繪根據本發明的一個實施例的使得可對污染物室中的輕量級污染物和重量級污染物這二者進行圖像捕捉和分析的事件序列的邏輯圖；圖6是根據本發明的一個實施例的包括用于圖像捕捉的數字照相機的光學室的組件的示意性流程圖；圖7是根據本發明的一個實施例的控制室的硬件組件和軟件組件的示意性流程圖；這些組件執行分析器的特定任務，并且包括與在線分析器的其它單元的通訊和與工廠數據控制系統的鏈接，所述其它單元諸如紙漿分類器、自動取樣器以及光學室中的照相機、位于污染物室中的各種閥和傳感器、可編程邏輯控制器(PLC)硬件、路由器、計算機屏幕；圖8是根據圖I的在線分析器的一個實施例的圖像分析程序的參數的示意性流程圖，所述圖像分析程序處理照相機所捕捉的圖像，并且確定大污染物的類型、數量和大小；圖9是示出根據圖I的在線分析器的用于識別并表征輕量級大污染物和重量級大污染物的步驟的進一步細節的邏輯流程圖；和圖10是根據本發明的一個實施例的分析圖像如何被轉換為數值數據、曲線圖、數據表格、或者作為圖像文件被存儲的示意性流程圖。
具體實施例方式大污染物是其主要成分為長纖維和細小元素的水性懸浮液的副成分。樣品到分析器的運輸可使用市售紙漿取樣器來手動地或自動地進行。總而言之，在線自動化分析器識別從紙漿或白水樣品分出的大污染物的類型，并且通過圖像分析來測量它們的數量、大小和投影面積。在該單元中，所有動作都是自動化的，以使得人工干預限于校準和維護過程。為了獲得用于隨后分析的清晰圖像，首先從纖維材料分離出大污染物，并且使用狹縫孔徑為0.003"至0.004"的篩選系統來聚集這些大污染物。分析器被設計為合并篩選系統的獨立單元，或者它可被改裝為現存的商用紙漿分類器。紙漿或白水流被手動地或通過自動取樣器添加到紙漿分類器的入口。在篩選幾乎移除所有纖維之后，分散在水中的分開的大污染物被自動地排放到專門設計的污染物池。在該池中，首先通過空氣噴射均勻地混合水中的污染物，此后大污染物根據它們與水的密度差異分離。輕量級大污染物(諸如蠟、低密度膠黏物、熱熔膠、塑料、清漆以及它們的組合)漂浮到池的頂部，而比水密度大的污染物沉降到池的底部。重量級污染物下沉，因為它們的密度比水大，包括大膠黏物、漿塊、熱熔膠、高密度塑料、清漆和黑色污染物(諸如調色劑或污垢)以及它們的組合。污染物室中的燈光以及沉降板的材料和顏色確保在照相機鏡頭進行圖像捕捉之前充分地顯現和辨別污染物，所述照相機鏡頭聚焦在水相的頂部上或污染物池的底部處。重復室的水相中的污染物分散、圖像捕捉和圖像分析，以確保所測量的污染物的數量足以確保結果的統計顯著性。對來自樣品的所有圖像的數據求平均值，并且制備報告，該報告包括重量級污染物和輕量級 污染物的總數和面積。該報告可顯現在分析器的計算機屏幕上、或者可被發送到工廠數據庫和控制系統。數據存儲在處理器中，并且具有與污染物的原始圖像的鏈接。該數據儲存還將使得用戶可查看每種污染物類型的總數和面積的歷史趨勢。除了所述兩個污染物類之外，重量級污染物可進一步分為四個不同類別，包括1、白色或發白大膠黏物，包括熱熔膠、塑料和清漆；2、漿塊；3、黑色污染物或污垢，諸如調色劑；或者，4、塑料和清漆。如果分析器與聚團室耦接，則聚團的微膠黏物的識別將也是可能的。將參照附圖來更詳細地描述所述分析器和方法的這些特征。更詳細地參照附圖，圖I示出在線自動化大污染物分析器及其相關聯的設備I的主要組件。在線自動化大污染物分析器5在本文中可用商標FPAutoSpeck 標識。分析器5對從紙漿或白水樣品分出的大污染物進行計數。雖然來自考慮中的處理流2的大污染物22主要涉及回收紙漿中的膠黏物、輕量級大污染物和污垢，但是相同的在線自動化分析器5可用于原漿中的有害成分(諸如漿塊)的識別和量化。標號后面的字符后綴a和b分別是指人工樣品和在線樣品。在線自動化分析器5安放在具有三個分離的隔室或室的不銹鋼機柜中，這三個室根據它們的主要功能被命名為污染物室30、光學室40和控制室50。該機柜獨特地用于保護電子組件不受振動以及工廠的濕熱的惡劣環境的影響。就這點而論，只要機柜是堅固和防水的，它就可由諸如塑料和金屬的幾種材料構成。在該圖中，大污染物22的在線自動化分析器5與商用紙漿分類器20耦接，并且對于在線分析，可添加商用在線取樣器10b。紙漿或白水樣品12a/b通過取樣器10a/b被進給到紙漿分類器20，取樣器10a/b為手動IOa或在線自動取樣器10b，紙漿分類器20分離污染物22，并且將它們輸送到污染物室30。污染物室30用于首先將污染物22分離為或分開為輕量級大污染物31或重量級大污染物32、然后在圖像捕捉42之前分散污染物。在優選實施例中，位于光學室40中的照相機拍攝輕量級污染物31或重量級污染物32的圖片(執行圖像捕捉)。輕量級污染物31可包括蠟、熱熔膠、塑料和/或清漆，而重量級污染物32可包括大膠黏物、漿塊、塑料、清漆、熱熔膠和/或黑色污染物或污垢(諸如調色劑)。控制室50具有以下兩個硬件和軟件的部分分別操作FPAutoSpeck 的光學室和污染物室的組件的硬件和軟件51、53 ;以及分別用于自動取樣器和紙漿分類器的硬件和軟件55、57。圖像分析軟件然后對輕量級污染物31和重量級污染物32的數量進行計數，并且測量它們的表面積。除了污染物的總數和面積之外，以直方圖的形式制作報告，該報告顯示給定大小范圍或箱柜內的污染物的數量。該報告可顯現在FPAutoSpeck 的計算機屏幕上，或者該數據可被發送到工廠數據和控制系統60。數據存儲在處理器中，并且具有污染物的原始圖像的鏈接。該數據儲存還將使得用戶可查看每種污染物類型的總數和面積的歷史趨勢。圖2顯示如何通過低或中稠度市售自動取樣器IOb手動地或在線地將來自紙漿或白水線的紙漿或白水樣品進給到紙漿分類器。關于手動取樣模式(a)，紙漿或白水的處理流樣品2通過手動取樣器IOa獲取。已知容積和/或固體含量的組分12a被手動地進給到紙漿分類器20的稀釋環路或容納器皿。在對該組分進行處理之前，在軟件界面14a的操作窗口中選擇手動工作模式。手動取樣模式(a)需要在添加樣品的組分之前將關于樣品容積或固體含量的值用密鑰加密到程序中。在添加該組分并且按下用戶界面14a的窗口中的開始之后，樣品可被自動地處理。關于在線取樣模式(b)，自動取樣器IOb由在線自動化大污染物分析器I的可編程邏輯控制器(PLC) 64之一通過電氣和/或電子連接55控制。用戶可通過用戶界面14b 的窗口訪問自動取樣器參數和控制。可控硬件可包括取樣活塞或隔膜和用于空氣和樣品流動的閥56。取樣管線中的小玻璃窗口使得用戶可確定樣品行進到紙漿分類器的入口的時間量。該行進時間和活塞的打開必須針對每個自動取樣管線進行校準。沖洗水7的恒壓用于推壓樣品通過管道系統。然后在指定時間切換樣品偏向閥16，以使得樣品胡蘿卜可流到紙漿分類器20的入口。沖洗水7的流動可以可替換地通過排水管18偏轉到下水道9。為了將污染物數量與紙漿重量或白水容積相關，在線取樣需要將關于樣品的容積或固體含量(有時，以及取樣管線中的壓力)從工廠數據控制系統60輸送到在線自動化大污染物分析器5的處理器。可替換地，紙漿重量可通過使用在線稠度計測量構成胡蘿卜的紙漿樣品的稠度來確定。在紙漿流2中，大污染物的數量很少，并且在感興趣污染物表示漿料中的副成分的情況下，通過圖像分析系統對它們進行識別變得困難。紙漿分類器20用于從紙漿纖維流2分出大污染物22，其中，它們隨后可被輸送到大污染物22的在線自動化分析器5以用于分析類型、數量和面積。圖3顯示紙漿分類器20如何與FPAutoSpeck 耦接。FPAutoSpeck 可被改裝為諸如大污染物分析器I內所包括的商用紙漿分類器或任何其它定制紙漿分類器。可替換地，可通過篩選系統24從通過再循環的紙漿和白水隔離并聚集污染物，篩選系統24包括篩網、壓力篩或水力旋流器類型的反向或單向流動清潔器。偏轉閥23將使得可幾次通過同一單元或一系列單元或者幾次再循環通過同一單元或一系列單元，以確保幾乎所有的纖維和細小元素被移除，以使得可最佳地顯現大污染物。相同閥23將使得沖洗水或丟棄的纖維可排出到下水道9。紙漿或白水樣品12a/b被手動地12a或通過在線自動取樣器12b進給到稀釋環路26或紙漿分類器20的貯存器，以用于用30°C或更低溫度的無污染物的水進行稀釋。在稀釋之后，使樣品通過具有寬度為一英寸的1/3000至1/6000的狹縫的篩網，該篩網使得纖維和小的纖維性元素和非纖維性元素可通過，同時阻止寬度大于或等于75或150 m的大污染物22通過。小于lm/s的低狹縫速率將確保在使大污染物22聚集在篩網一側的同時充分地移除纖維。在更高速率，污染物聚集和隔離可通過幾次通過或幾次再循環通過28同一篩網來實現。然后將聚集的大污染物輸送到FPAutoSpeck 分析器5的污染物池34進行分析、或者輸送到第二工位以對樣品進行手動分析8。沖洗水27在整個篩網上沖洗，以防止狹縫堵塞并且沖洗大污染物的輸送管線。然后，在大污染物22的圖像被捕捉以用于隨后進行圖像分析的同時，使紙漿分類器20準備對另一樣品進行處理。與紙漿分類器20的其它連接包括水位傳感器21 ;電氣和電子接頭3 ;閥和控制傳感器4、以及樣品混合6裝置。如圖4中所見，從紙漿分類器20分出的大污染物22被輸送到污染物室30的污染物池34。污染物室30使所有液體處理組件保持與FPAutoSpeck 的電子部分分離。室30用于容納大污染物，并且使得可對它們進行稀釋、分散、辨別、圖像捕捉、以及最終將它們輸送到下水道9。污染物室30配備有幾個組件，包括污染物池34、用于樣品稀釋和沖洗的可伸縮噴淋系統35、沉降板36、燈37、空氣噴嘴81、氣動閥38、水位傳感器39、水管線82 (閥)以及溢流槽和漏斗。污染物室30內裝入的主要組件是污染物池34。污染物池34具有在池底部的透明基底或污染物沉降板36。在優選實施例中，污染物池34包括配備有污染物沉降板36的透明柱體池33。該池可被布置有透明沉降基板和相鄰的在該池外部的彩色背景板。各種可能的板使得污染物可顯現并且可充分地辨別它們的類型。柱體33和板36可由幾種透明材料制成，諸如玻璃、有機玻璃或聚碳酸酯。沉降板36還可由不同的有色材料制成，諸如塑料、金屬(未經處理的、經過陽極化處理的、電鍍的)、或者具有彩色背景的鋼化玻璃。為了對 給定污染物的顯現和辨別進行優化，用于構造板36的材料可變化，其顏色也一樣。沉降板36插件易于根據維護或用于查看不同污染物類型的需要來進行改變。可伸縮噴淋系統35使得可對樣品進行稀釋或者在樣品之間對污染物池進行沖洗。氣動閥38控制噴淋蓋在污染物池34上方或移到一側的運動。噴淋系統35的噴淋噴嘴與噴淋蓋相配合，以防止水噴射到光學室窗口上。噴淋蓋伸縮，以使得可對污染物進行圖像捕捉。水量根據預定水位進行調整，所述預定水位使得可充分地分離輕量級污染物和重量級污染物，同時使得對象在圖像捕捉42期間可以處于兩個照相機的鏡頭的焦距處，以用于最佳觀看和辨別。水位傳感器39使得可對污染物池中的水位進行探測和控制。輕量級污染物31將漂浮，而重量級污 染物32將沉降到室的底部。兩個系列的空氣噴嘴81和閥38使得可在電荷耦合器件(CCD)(諸如掃描儀、高清晰照相機41/43或攝像機)的各次圖像捕捉之間分散污染物。關于圖像分析70，兩個配備有廣角鏡頭的防水發光二極管(LED)燈37被定位為通過柱體壁照射污染物。可替換地，燈37的數量可變化，并且可以是各種源，諸如燈絲、激光或氣體放電弧光燈。可添加透鏡、散射器或濾光器來提供照射污染物的、沒有反射或陰影的燈光。上述與圖像輸送相關聯的功能通常通過電子和電氣鏈接84操作。拍攝重復圖像以確保大污染物的統計測量。一旦圖像捕捉42完成，座置(seat)在柱體的外壁上的兩個氣動閥38就使柱體池31提升。指出，根據氣動閥的用途，它們的類型不同。然后啟動沖洗水閥，并且噴淋35將污染物池34沖洗為無污染物。排水系統80使沖洗水82和大污染物31/32通過可伸縮支承基板排放到下水道9。排水系統80包括排水柱體和必要的管道系統。在污染物池34的突發性溢流的情況下,溢流83槽和漏斗位于內部柱體33的背部。位于柱體壁基底中的橡膠密封墊確保柱體池33與沉降板36之間的不透水密封。柱體池33座置在沉降板36插件上，沉降板36插件與由不銹鋼或其它材料制成的支承基板(未顯示)相配合。該基板固定在使污染物沉降板36的維護和改變便利的可伸縮基板抽拉支承件上。污染物室30包括一系列硬件組件，這些硬件組件被同步以使得可充分地進行輕量級污染物31和重量級污染物32這二者的圖像捕捉和分析。圖5顯示必要的事件序列。當紙漿分類器閥25打開以將大污染物排放到污染物池34時，分開的污染物被輸送到FPAutoSpeck 的污染池34。同時觸發(來自噴淋系統35的)水流82或例如稀釋物。當水位傳感器39指示達到水位時，停止噴淋水流82，并且在預定時間內混合污染物，同時從位于基底和污染物池34的上水位處的噴嘴81注射空氣。在混合之后，停止空氣流，并且使得污染物可在預設時間(X分鐘)內沉降到污染物沉降板36上。因為輕量級污染物31僅存在于某些類型的回收紙漿或紙漿水(諸如由舊波紋形紙盒制成的回收紙漿)中，所以可使用兩種圖像捕捉模式之一。如果輕量級大污染物31存在，則在預定時間內通過位于在頂部水位正上方的柱體池33的上水位中的噴嘴注射空氣。當空氣流停止時，然后使得污染物可以穩定下來。然后打開燈B37，并且使噴淋蓋35伸縮到柱體池33的一側，使得可用照相機B 43通過光學窗口 44進行圖像捕捉42。在重量級或沉降污染物32的圖像捕捉42之前，打開燈A37，然后啟動照相機A 41。在圖像捕捉42之后，在污染物池34的柱體33上方更換噴淋蓋35，并且關閉燈A37和B 37。重復步驟1-3的這個例行程序，直到預定數量的圖像被拍攝，以使得可、對統計顯著數量的污染物進行分析70。如果不對輕量級污染物32進行測量，則不需要照相機B 43，并且在從I至3的步驟的例行程序中省略步驟2 (輕量級污染物31的混合和圖像捕捉42)。一旦預先計劃的數量的圖像已被拍攝并且可伸縮噴淋系統35在污染物池34上方的位置被更換，污染物池柱體33就被氣動控制閥38提升，并且污染物被沖洗到下水道9。啟動將水82供給可伸縮噴淋系統35的沖洗水閥，以使得可對污染物池34進行清潔。在清潔之后，關閉沖洗水流閥，并且關閉下降的污染物池柱體33。FPAutoSpeck 現在準備好接收大污染物22的另一樣品。圖6 :光學室的框圖光學室40是防水室，其包括一個或多個至少11兆像素的工業級高清晰數字照相機。可替換地，可使用工業級掃描儀或高清晰數字照相機或攝像機。為了保持照相機41/43和處理器冷卻，打開空氣流閥86，以使得光學室和控制室(分別為40/50)這二者內部的空氣可流動。照相機A 41和B 43的距離被設置為清晰地聚焦在沉降到污染物沉降板36上的重量級污染物32或漂浮在水頂部上的輕量級污染物31上。工業鏡頭與焦距為105和80nm的照相機組合使用，這些照相機使得污染物可顯現。鏡頭和增設部分可根據需要改裝。光學窗口 44保護光學設備免受水噴射和污染物室30的潮濕環境的影響。窗口下面的空氣噴射82防止在光學窗口上形成水滴。照相機由位于計算機室50中的計算機58和照相機接口軟件70控制。圖像捕捉42通過污染物室調度中的事件序列觸發(圖5)。在用空氣分散樣品之后拍攝重復圖像，直到達到污染物數量上的統計顯著性為止。然后由圖像分析軟件70分析捕捉圖像。圖I :控制室和通訊的框圖為了實現污染物的探測，FPAutoSpeck 需要執行特定任務的一系列硬件和軟件組件。圖7顯示控制室50、其電氣連接87及其與FPAutoSpeck 的其它單元的通訊的示圖，所述其它單元諸如紙漿分類器20、自動取樣器10b、光學室40中的照相機41/43、位于污染物室30中的各種閥和傳感器、可編程邏輯控制器63/64硬件、路由器65、計算機屏幕66以及到工廠數據控制系統60的鏈接。計算機控制室50本身是安放操作FPAutoSpeck 所必要的硬件和軟件的防水箱。控制室50的溫度和濕度由溫度傳感器69控制，溫度傳感器69繼而調節渦流69。可替換地，可使用其它形式的空氣冷卻系統68。硬件纟目件:工業級個人計算機(PC) 58處于控制室50的中心和FPAutoSpeck 在線分析器I上。PC 58的主要用途是運行專用軟件程序70 (Macrostickies. exe),該專用軟件程序70監控系統所需的所有任務的執行。成像設備所特有的照相機動態鏈接庫74如成像庫76和OPC服務器72那樣安裝在PC上。PC 58通過遵循以太網協議的路由器65與兩個PLC 63/64來回通訊。一個PLC 63處理污染物室的操作，而另一個PLC 64處理紙漿分類器20和自動取樣器IOb的操作。這些PLC 63/64用于實現邏輯動作序列，并且對對于與它們附連的設備所發生的事件作出響應。關于自動取樣器10b，PLC 64根據決定哪個自動取樣器IOb正在工作的用戶定義調度表操作，然后觸發紙漿取樣例行程序。當紙漿到達紙漿分類器20時，PLC監視篩選操作，并且當完成時，它打開閥以將分開的污染物22輸送到污染物池34。一旦污染物的排放序列完成， PLC 64就迫使對紙漿分類器20進行洗滌，以使得它為下一紙漿樣品做好準備。一旦污染物22到達污染物池34中，污染物室PLC 63就激活如圖5所指示的步驟的例行程序。如圖所示，PLC 63控制用于空氣和水流的閥82、氣動閥38，該氣動閥38用于使噴淋蓋35伸縮，并且提升污染物池柱體33、燈37的打開和關閉、以及發起清潔周期。通過OPC服務器72，當到拍攝污染物圖片的時間時，PLC 63還向PC 58發信號。兩個高分辨率照相機41/43通過分離的USB (通用串行總線)接頭與PC 58連接，這些USB接頭提供照相機41/43與PC 58之間的雙向通訊。PC 58還物理地安放硬盤78，硬盤78存儲分析的歷史記錄。記錄的數值存儲在數據庫(諸如Access 數據庫)中，并且圖像以標準格式存儲在硬盤上的分離位置處。觸摸敏感式計算機屏幕66使得用戶與FPAutoSpeck 軟件之間可交互，并且使得圖像分析結果可顯現。通常，FPAutoSpeck 系統不具有鍵盤或鼠標。觸摸屏幕復制鼠標的動作，以使得用戶可選擇Macrostickies. exe的將顯示的特定頁面。如果需要鍵入數據，則使得用戶可鍵入數據的屏幕上鍵盤出現。指出，可添加其它外部設備(諸如鍵盤)，并且可通過外部端口(諸如USB端口)使用這些外部設備。軟件組件:存在FPAutoSpeck 分析器的四個重要軟件組件。被稱為Macrostickies. exe的定制軟件程序70用VB. Net開發，但是可用C++或任何其它編程語言來編寫。軟件70協調并控制硬件組件的行為，顯示分析結果，并且對用戶交互作出反應。照相機動態鏈接庫74是Macrostickies. exe與照相機41/43之間的雙向接口。在一個方向上，該庫將圖像分辨率、光學增益以及現場圖像預覽和快照請求傳遞給照相機41/43。在另一個方向上，它將實際數字圖像傳遞給Macrostickies. exe。第三組件是成像庫76,其提供必要的圖像處理例行程序，以正確地在圖像上定位并測量污染物的微小物。最后組件是OPC服務器72 (用于處理控制的對象鏈接和嵌入)，其提供PLC 63/64與Macrostickies. exe之間的雙向通訊。Macrostickies. exe是FPAutoSpeck 系統的主程序70。它通過與系統的各種組件的軟件和硬件鏈路陣列來協調系統的不同任務。具有大量通用函數和特征的高級計算機編程語言VB. Net 考慮到強大的Macrostickies. exe程序的開發。然而，在應用程序開發中，VB. Net 需要訪問專用硬件(諸如數字照相機和PLC)。該訪問通過添加具有專用打包庫的形式的專用增設部分和軟件網關來提供。FPAutoSpeck 應用程序需要許多這樣的庫。照相機動態鏈接庫74提供對照相機41/43的訪問。該庫用作與照相機硬件的雙向通道。通過它，Macrostickies. exe可啟用和禁用照相機,讀取或寫入照相機參數,開啟或關閉現場圖像預覽，并且觸發快照的獲取42。成像庫76還是包括標準圖像處理函數或濾波器的動態鏈接庫。一個可能的源是可供AForge使用的公共域庫。污染物的探測通過運行圖像90來確定，圖像90由Macrostickies. exe通過這些濾波器的子集序列獲取。通常,Macrostickies. exe將通過與一些濾波器特定參數一起傳遞將被處理的圖像來調用濾波器。濾波器然后返回修改圖像。目前，大污染物分析器使用OPC服務器72作為另一類型的專用庫。它用作用于與現場儀器通訊的協議。“對象鏈接和嵌入”是使得能夠在應用程序之間傳送信息的微軟技術，但是特定用于現場儀器的任何其它類型的定制或市售的通訊協議將是合適的。在這種具體情況下，OPC 72與兩個PLC 63/64的變量通訊。當閥的狀態改變時，這的例子發生，PLC立即將該信息傳送給OPC服務器72。繼而，OPC服務器72中斷Macrostickies. exe以讓它 知道改變。在另一方向上,Macrostickies. exe可通過請求開啟OPC服務器72的特定變量來發起紙漿樣品2的獲取和篩選。OPC服務器72通過將該請求傳遞給與紙漿分類器20附連的PLC 64來作出響應。圖8 :圖像分析參數的框像分析軟件70是FPAutoSpeck 的關鍵組件之一。它用于處理照相機所捕捉的圖像，并且確定大污染物22的數量和大小。圖8顯示圖像分析的主要參數。一旦圖像90被照相機41/43捕捉，成像軟件70就對它進行分析以用于污染物識另IJ、大小測量和數量。一開始，分離的照相機41/43使輕量級污染物31和重量級污染物32成像。一旦這些圖像90被獲取，Macrostickies. exe就對這些圖像進行處理以增強探測、識別、面積測量和統計。第一處理通常包括顏色隔離92。通常，紅、綠和藍(RGB)通道用于濾波。可替換地，可使用色調、飽和度和亮度(HSL)。在一些情況下，還可包括基于明度或Y的附加隔離。顏色隔離之后，圖像被轉換為灰階圖像94。然后在圖像分析之前應用灰度級探測或二值化96中的閾值。提取特征98(諸如給定大小范圍內的粒子的粒子面積、圓度和數量)，然后發送這些特征98以用于數據編譯100。所述軟件然后對每種類型的污染物的數量和面積進行計數，并且創建給定大小范圍或箱柜內的污染物的直方圖。報告可顯現在FPAutoSpeck 的計算機屏幕66上，或者被發送到工廠數據和控制系統60。數據存儲在處理器78中以顯示污染物的圖像或者查看它們的總數和面積的歷史趨勢。圖9 :圖像分析的細節圖9顯示用于識別和表征輕量級大污染物31和重量級大污染物32的步驟的進一步細節。該圖的右側顯示圖像分析軟件如何分析輕量級污染物31。輕量級污染物31 (諸如蠟、低密度膠黏物、熱熔膠、塑料和清漆)是密度比漂浮在污染物池34中的水的頂部上的水小的那些污染物。這些輕量級污染物31的圖像分別被聚焦在水表面上的照相機43成像。首先對圖像進行處理，以隔離顏色92并且增強特征探測98。可執行使用RGB (紅、綠、藍)或HSL (色調、飽和度、亮度)的圖像處理。明度、對比度和Y92可增強輕量級污染物31的顯現。還可執行其它圖像操縱，諸如翻轉。在轉換為灰階94之后，除粒子大小探測限值之外，指定閾值96也應用于輕量級污染物31。為了消除纖維、漿塊、氣泡或小偽像的探測，還應用探測限值。探測限值根據粒子最大寬度或所估計的直徑來指定。對指定范圍的探測限值內的粒子進行測量和統計，而從編譯100排除指定范圍外部的那些粒子。重量級大污染物32是密度比沉降在污染物池34的插件上并且被第二照相機41成像的水大的那些污染物，圖像90通過圖像分析軟件70獲取。FPAutoSpeck 的圖像分析軟件70使得可進一步將重量級污染物識別為以下四個不同類別i)白色或發白大膠黏物、塑料、清漆和/或熱溶膠；ii)漿塊；iii)黑色污染物或污垢，諸如調色劑；或iv)塑料和/或清漆。如果FPAutoSpeck 與使其可被篩選的大小范圍內的小污染物存在的聚團室耦接，則使聚團的大膠黏物的識別便利。按與輕量級污染物31相同的序列檢查i)白色或發白重量級大污染物。一個例外是背景被校正以確保圖像沒有光暈。另一例外是濾波和圖像增強參數不同于用于輕量級污染物31的濾波和圖像增強參數。探測限值相同，但是閾值限值96不同。對具有探測限值內的最大寬度的粒子的面積進行測量和計數，并且將該面積編譯100到報告中。此刻，被計數的白色大污染物包括樣品中所包括的任何塑料或清漆。關于粒子和/或清漆的識別，圖像分析軟件將對這些對象進行計數。關于塑料和清漆，已確定了用于漿塊和黑色污染物或污垢(諸如調色劑)的準確參數。描述了所提議的用于識別黑色污染物或污垢和漿塊的方案。再次，應用圖像濾波器和 增強來對圖像進行優化。不同的探測限值還使漿塊的識別便利。關于漿塊、塑料和清漆，探測限值還包括其它性質，諸如大小和形狀。
_3] 圖10 :數據儲存的框10顯示分析圖像90如何被轉換為數值數據100、曲線圖104、數據表格105、或者如何被存儲為圖像文件107 (—些例子尤其包括emf、wmf、jpg、jfif、jpeg、jpe、png、tiff等)。圖像90如圖9所示那樣進行分析70。數值數據100以圖表104和數據表格105這二者的格式呈現在FPAutoSpeck 的屏幕上。可替換地，數值數據100可通過以太網接線或通過無線連接被輸送到工廠數據系統60。數據100還存儲在PC 58的硬盤驅動器107上，并且具有與從其測量它們的圖像的鏈接。所鏈接的數據和圖片108可被輸送到USB密鑰或者被打印109。參考文獻I. Doshi, M. R. , De Jong, R. L.和 Aziz, S. Method of measuring macroand micro stickies in a recycled sample containing pulp fibers.美國專利US20080283206A1 (11/2008) 2. Castro, C.和 Dorris, G. M. Measuring microstickies depositionby monitoring pressuredrop through a collector.Progr.Pap.Recyc.，13(3) :23-33(2004).3. Sithole, B.和 Filion, D. Assessment of methods for the measurement ofmacrostickies in recycled pulps. Progr. Pap. Recyc. , 17(2):16-25(2008).4. Tappi. Macro stickies content in pulp: the pick-up method (1999).5. Doshi, M. R. A review of stickies measurement methods. Progr. Pap.Recyc.，18(3) :21-32(2009).6. Di Cesare, N. Method for measuring hydrophobiccontaminants in paperpulp.美國專利 US20080308241A1 (12/2008).
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1.一種用于紙漿和/或白水流的在線大污染物分析器，所述分析器包括 紙漿分類器，將來自所述流的樣品分離為包括大污染物的液態組分； 污染物室，裝入容納所述組分的污染物池； 光學室，包括與所述池連接的、捕捉至少一個探測圖像的光學探測器；和 控制室，拍攝所述至少一個探測圖像，并且進行圖像分析以確定所述組分中的至少一種大污染物的類型和數量。
2.根據權利要求I所述的分析器，其中，所述光學探測器是從所述污染物池生成所述探測圖像的至少一個高清晰數字照相機。
3.根據權利要求I所述的分析器，其中，所述污染物池包括污染物沉降板，所述污染物沉降板包括對所述探測圖像的質量進行優化的彩色背景。
4.根據權利要求3所述的分析器，其中，所述光學探測器聚焦在所述污染物池的污染物沉降板上。
5.根據權利要求I所述的分析器，其中，所述光學探測器聚焦在所述污染物池內的所述液態組分的表面處。
6.根據權利要求I所述的分析器，其中，所述控制室包括計算機，所述計算機包括執行所述圖像分析并監控所述分析器的任務執行的軟件程序。
7.根據權利要求6所述的分析器，其中，所述軟件程序與照相機動態鏈接庫、成像庫和OPC服務器通訊，進行交互以識別所述大污染物的類型和數量。
8.根據權利要求7所述的分析器，其中，所述OPC服務器還與PLC通訊，所述PLC與所述紙漿分類器、所述污染物室和所述光學室通訊。
9.根據權利要求I所述的分析器，其中，所述污染物池是包括污染物沉降基板和集成彩色沉降板的透明柱體池， 所述光學探測器包括第一高清晰數字照相機和第二高清晰數字照相機，其中，所述第一照相機聚焦在所述集成彩色沉降板上，所述第二照相機聚焦在所述液態組分的表面上，并且 所述控制室包括計算機，所述計算機包括執行所述圖像分析并監控所述分析器的任務執行的軟件程序。
10.一種分析紙漿和/或白水流的大污染物的方法，所述方法包括 將來自所述流的樣品分離為大污染物組分； 通過所述組分的光學測量來生成至少一個探測圖像；和 分析所述至少一個探測圖像，并且確定所述組分中的至少一種大污染物的數量和類型。
11.根據權利要求10所述的方法，其中，所述至少一個探測圖像由高清晰數字照相機生成。
12.根據權利要求10所述的方法，其中，生成第一探測圖像和第二探測圖像，并且所述第一探測圖像聚焦在輕量級大污染物上，所述第二探測圖像聚焦在重量級大污染物上。
13.根據權利要求10所述的方法，其中，通過計算機的軟件程序分析所述至少一個探測圖像，所述計算機與照相機動態鏈接庫以及成像庫和OPC服務器通訊，所述軟件程序識別所述至少一種大污染物。
14.根據權利要求13所述的方法，其中，所述軟件程序進一步通訊以控制所述樣品的分離和所述至少一個光學圖像的生成。
全文摘要
本公開涉及在線大污染物分析器和方法。描述了在線自動化大污染物分析器。所述分析器用于紙漿和/或白水流，所述分析器包括紙漿分類器，將來自所述流的樣品分離為大污染物組分；污染物室，裝入容納所述組分的污染物池；光學室，包括與所述池連接的、捕捉至少一個探測圖像的光學探測器；和控制室，拍攝所述至少一個探測圖像，并且進行圖像分析以確定所述組分中的至少一種大污染物的類型和數量。本文還描述了大污染物的分析方法，所述方法包括將來自所述流的樣品分離為大污染物組分；通過所述組分的光學測量來生成至少一個探測圖像；和分析所述至少一個探測圖像，并且確定所述組分中的至少一種大污染物的數量和類型。
文檔編號G01N33/18GK102741683SQ201080062660
公開日2012年10月17日 申請日期2010年12月17日 優先權日2009年12月18日
發明者C·C·卡羅卡, D·菲利翁, G·M·多瑞斯, M·A·理查德, N·佩格, S·格恩德隆 申請人:Fp創新研究中心