Brevet FR2592486A1 — publié le 19870703

APPAREIL DE COMPTAGE AUTOMATIQUE ET DE DIMENSIONNEMENT DES IMPURETES SUR UN MATERIAU. L'invention concerne un dispositif permettant le comptage et le dimensionnement des impuretés sur la surface plane d'un matériau. Dans la suite du texte,on se referera plus particulièrement à un appareil adapté à la détection,au comptage et au dimensionnement des impuretés à la surface d'une feuille de papier,ces impuretés étant essentiellement constituées de points noirs et de points brillants.Mais,il est bien entendu que cette forme de réalisation préférée n'est nullement limitative de la portée de l'invention qui vise ,en général, le comptage et le dimensionnement d'impuretés sur la surface plane d'un matériau quelconque Par "points loirs", on entend l'agglomération d'impuretés présentant un contraste notable par rapportau fond de la surface plane du matériau, ces impuretés pouvant être, sur une feuille de papier, des résidus d'encre, de sable ou de bois, etc.. Par "points brillants", on entend l'agglomération d'impuretés présentant un contraste notable par rapport au fond de la surface plane du matériau,ces impuretés pouvant être ,sur une feuille de papier ,des agglomérats de plastique ou de cellulose. En général,on étudie des échantillons classiques dont les dimensions utiles sont de l'ordre de 100 x 100 millimètres à 20D x 200 millimètres,et pour lesquels le nombre d'impuretés à compter peut aller de quelques unités à plusieurs centaines.La dimension minimale d'une impureté à détecter ne doit pas être inférieure à la limite de séparation visuelle, Soit de l'ordre de un dixième à deux dixièmes de millimètre.Le nombre de points élémentaires à analyser sur un échantillon s'élève donc à environ un million. Classiquement,un opérateur décompte le nombre de points noirs ou brillants par éclairage direct ou indirect. Mais cela représente un travail long, fastidieux et subjectif qui requiert en outre un personnel expérimenté .Cette méthode est donc coûteuse. Les dispositifs de traitement d'image permettraient de résoudre le problème , mais ils doivent mémoriser la totalité de l'image soit un million de points pour cette application.Cela nécessite une capacité mémoire importante et un dispositif de prise de vue permettant l'acquisition en bloc d'un million de points .De tels dispositifs sont actuellement d'un coût prohibitif. On connait des dispositifs, tel que celui décrit dans la publication canadienne "Journal of Pulp and Paper Science" Volume 11 , n" 3 de Mai 1985,dans lequel on éclaire l'échantillon par carrés de cinquante millimètres de coté, et l'on reçoit l'image sur un tube de télévision.On digitalise le signal reçu en carrés élémentaires de 256 points sur 256 points,que l'on analyse point par point. Ce dispositif présente des inconvénients, à savoir - il suppose d'importantes manipulations car il est nécessaire de déplacer l'échantrllon pour en analyser toute la surface ; - il nécessite une mémoire très importante, car on mémorise tous les points analysés , donc coûteuse - ce matériel est donc rapidement saturé et beaucoup trop lourd. On connait un autre dispositif décrit dans la publication canadienne "The -Pulp and Paper Magazine of Canada",Convention issue, page 187 à 194 et page 240 de Janvier 1957, dans lequel on réalise un échantillon circulaire que l'on balaie par une tête optique en spirale à la manière d'un tourne-disque. Ce dispositif présente des inconvénients notables, à savoir - ce système ne fonctionne que par rétrodiffusion - c'est une méthode assez longue, inhérente au dispositif de détection et cette méthode est d'autant plus longue que la précision demandée est importante - on mesure des impulsions électriques dont on détermine l'amplitude, donc cela suppose un dispositif adapté plus important - cette étude se limite à un papier de faible épaisseur du fait de la profondeur de champ de l'appareil. L'invention pallie ces inconvénients. Elle propose un dispositif qui traite non pas des -surfaces élémentaires mais des lignes d'une face plane d'un matériau,et qui mémorise les informations issues de la ligne précédente. De plus, ce dispositif permet le traitement en transmission ou en rétrodiffusion,et la longueur du matériau observé n'est pas limitée. Ce dispositif est caractérisé en ce qu'il comprend: - une source lumineuse apte à éclairer uniformément sur au moins une ligne ,par transparenco ou par rétrodiffusion ,la surface plane à analyser - un système optique destiné à former l'image de ladite ligne sur un réseau linéaire de photodiodes associées à des moyens permettant d'effectuer un balayage ligne, et fournissant un signal représentant la variation de l'émittance du matériau le long de cette ligne d'analyse - un moyen permettant le déplacement relatif du matériau par rapport au réseau linéaire de photodiodes, effectuant un balayage trame - des moyens permettant de calculer la valeur moyenne du signal du réseau pendant au moins un balayage ligne, de déterminer un niveau de seuil de référence en relation avec la valeur moyenne calculée lors d'au moins un balayage ligne précédent, de comparer la valeur de chaque-élément du réseau à ce niveau de seuil, de mémoriser pour chaque ligne les rangs des pixels correspondant à la prsncc des impuretés , à partir des indications fournies par l'organe de comparaison précédent, puis de dénombrer- de ligne en ligne les pixels représentant la même impureté ; - des moyens de traitement numérique et d'affichage. En d'autres termes, l'invention propose un dispositif simple, facile d'utilisation, permettant de visualiser rapidement la présence d'impuretés de contraste et leur surface relative par rapport à une surface plane d'un matériau Avantageusement, en pratique - le calcul de la valeur moyenne du signal du réseau,la détermination du niveau de seuil de référence et la comparaison de chaque élément du réseau par rapport à ce niveau de seuil sont effectués à partir de signaux analogiques - le moyen d'affichage traduit l'une au moins des caractéristiques suivantes, à savoir . le nombre d'impuretés, la surface des impuretés, . la répartition dimensionnelle des impuretés, la . la proportion en surface des impuretés - le déplacement relatif entre deux balayages ligne est égal à la dimension du pixel ramenée sur le matériau à analyser - le niveau de seuil de référence est calculé à partir de la valeur moyenne du signal du balayage ligne précédent - le matériau est de longueur quelconque - le matériau est sous forme de feuille,ou bien c'est un liquide ou une suspension La manière dont l'invention peut être réalisée et les avantages qui en découlent ressortiront mieux de l'exemple de réalisation qui suit,donné à titre indica tif et non limitatif, l'appui des figures annexées. La figure 1 est une représentation schématique du dispositif selon l'invention. La figure 2 est une représentation schématiquè des signaux électriques reçus dans le cas des points noirs. La figure 3 est une représentation des signaux analogiques reçus en cas de points brillants. La figure 4 est une représentation schématique d'une impureté sur laquelle on a représenté les différents carrés élémentaires Dans la figure l,on peut observer un dispositif de traitement d'une feuille de papier (1) par transmission. On pourrait tout aussi bien travailler en rétrodiffusion si l'on désirait juste une étude superficielle de la feuille (l). On éclaire la feuille de papier (1) uniformément au moyen d'une source lumineuse fixe constituée d'une lampe à filament de tungstène (2).En fait,on éclaire uniformément une ligne(6) de la feuille (l),et ce,au moyen d'une lentille cylindrique convergente (non représentée), interposée entre la lampe (2) et la feuille de papier (l).La feuille de papier (1) est placée sur un chariot mobile transparent (non représenté),qui sert de support à la feuille (1) et de système de progression de la feuille (1) devant le faisceau lumineux linéaire (1O).Le matériau de ce chariot est choisi de telle sorte qu'il n'absorbe pas la lumière.Ce chariot coulisse sur deux glissières parallèles , et est actionné par l'intermédiaire d'une vis sans fin , entrainée en rotation par un motoréducteur.Le chariot est muni d'un dispositif permettant la fixation de la feuille (1) sur lui-même . Avantageusement,le chariot présente un cadre rectangulaire plan qui délimite la zone d'analyse Le système de detection du faisceau lumineux (10) est composé d'un réseau linéaire de mille vingt quatre (1024) photodiodes , analysant à chaque période de son balayage propre une ligne (6) de la feuille (l).Ce balayage est appelé balayage ligne par analogie avec la télévision.Le balayage trame, perpendiculaire au précédent ,est effectué par le chariot Le faisceau lumineux (10) issu de la lampe (2) est transmis au réseau linéaire de photodiodes (3) , après avoir traversé la feuille (1) , par l'intermédiaire d'un objectif (4) , constitué d'une optique photographique traditionnelle .Cet objectif (4) a pour but de focaliser l'image de la partie éclairée de la feuille (1) sur le réseau (3) de photodiodes .Son grandissement peut être adapté soit à la largeur utile de la feuille (1), soit à la dimension du plus petit détail que l'on souhaite détecter.L'objectif présente un diaphragme plus ou moins ouvert , en fonction de l'épaisseur de la feuille de papier (1) à analyser , de façon à transmettre au réseau de photodiodes (3) un éclairement constant .On place au niveau de l'objectif un filtre anticalorique, destiné à absorber les rayonnements infra-rouges On peut éventuellement interposer un filtre sur le trajet du faisceau lumineux (10),et ce également au niveau de l'objectif,afin de sélectionner des points particuliers. Aux 1024 photodiodes correspondent sur la ligne de balayage (6),1024 carrés élémentaires, que l'on dénomme dans la technique par l'expression anglaise "pixel".Le déplacement de la feuille (1) entre deux balayages ligne doit être environ égal à la dimension du pixel pour optimiser le balayage trame.Une vitesse supérieure ferait perdre de l'information , une vitesse inférieure ferait perdre du temps Les photodiodes sont sensibles à l'émittance des différents pixels d'un balayage ligne.Le réseau (3) de photodiodes est connecté à une première carte éléctronique ,dite carte d'évaluation , qui transforme cette émittance en signaux analogiques.Pour un balayage ligne,on observe la variation de l'émittance de la feuille de papier (1) le long de la ligne d'analyse (6). Le dispositif effectue le traitement ligne après ligne ,en mémorisant les pixels correspondant aux impuretés (9)Pour effectuer ce traitement, le signal vidéo du réseau (3) de photodiodes est comparé à un niveau appelé seuil S .Suivant les cas , les numéros des photodiodes donnant un niveau supérieur ou inférieur au seuil S sont mis en mémoire.Le niveau du seuil S correspond à un certain pourcentage du niveau moyen d'éclairage E de la feuille (1) pour le balayage ligne précédent .On suppose que le niveau moyen d'éclairage ne présente pas de discontinuité importante pour une distance correspondant à la valeur d'un pixel. La détermination du niveau d'éclairage moyen E de la feuille (1) effectuée par un intégrateur analogique à partir du signal donné par le balayage précédent, la fixation du niveau du seuil S pour un balayage ,et la détermination de la position relative des points au niveau du seuil ,s'effectuent au niveau d'une seconde carte électronique,dite carte de discrétisation , reliée à un intégrateur analogique. Le réseau (3) de photodiodes est totalement esclave d'un microprocesseur (5) qui,pour chaque balayage ligne: - envoie l'impulsion de départ commandant au réseau de se mettre en mode lecture - envoie les impulsions d'horloge permettant les sorties successives des niveaux analogiques d'éclairement des photodiodes . auprès chaque impulsion d'horloge,le microprocesseur (5) mémorise sur un hit l'état de chaque niveau suivant qu'il est au dessous ou au dessus du seuil S. En particulier , dans le cas de la détection de points noirs (9),le signal a la forme d'un pic négatif, dont le minimum est inférieur à la valeur du seuil fixée comme on peut le voir dans la figure 2.Un microprocesseur (5) décompte tous les éléments en dessous du seuil et les mémorise.La mesure de l'aire de chaque impureté (9) est obtenue par comptage des pixels mémorisés au niveau l,c'est à dire présentant un signal inférieur au seuil S ,et ce pour toutes les lignes de balayage coupant l'impureté (9).Une impureté sur la feuille de papier (1) donne un groupe de pixels au niveau l,comme on peut le voir dans la figure 4.Le critère d'appartenance d'un pixel à ce groupe est de posséder au moins l'un de ses cotés jointif à ce groupe.Pour déterminer l'appartenance au groupe d'un pixel ou d'un sous groupe de pixels sur une nouvelle ligne de balayage (6),l'état de la ligne précédente est conservé en mémoire,le comptage étant effectué au fur et à mesure. Après le passage de la dernière ligne de balayage coupant l'impuret Dans le cas de points brillants,le principe est rigoureusement le même,mis à part dans le fait que les points brillants se manifestent par des pics largement supérieurs au niveau E .Dans ce cas , comme on peut le voir dans la figure 3 , tous les pics supérieurs au seuil S sont comptés l,et les autres 0 ,le reste du calcul étant le même que dans le cas de points noirs. Le résultat du calcul ressort sur un écran video (7) ou sur une imprimante (8) ,et ce sous quelque forme que ce soit , à savoir ,qu'il peut donner - soit le nombre des impuretés - soit la surface de chaque impureté - soit la répartition dimensionnelle des impuretés; - soit la proportion en surface des impuretés . De la présente invention,se dégagent plusieurs avantages , à savoir - Du fait meme de son principe de détection,ce dispositif est peu coûteux,et ne nécessite qu'un système de mémorisation réduit - - du fait de son faible encombrement,il est facilement adaptable à tous les dispositifs courants nécessitant la detection des impuretés à la surface d'un matériau Ce dispositif trouvera des applications tout à fait particulières dans l'industrie papetière,à savoir: : - le contrôle en continu de la qualité de production du papier , par analyse directe de la feuille en cours de fabrication ; - le contrôle de la qualité de production de papier sur des échantillons prélevés en fabrication - le contrôle de la qualité de production de pâte à papier par réalisation de formettes et analyse de ces formettes - le contrôle de rendement d'épurateurs par prélèvement de la pâte en entrée et sortie,et réalisation de formettes à partir de ces prélèvements. - le contrôle en continu ôe la qualité de la pâte à papier , par analyse directe sur machine ou par montage d'une dérivation sur la colonne transportant la pâte et par analyse en continu de la pâte déviée . REVENDICATIONS 1/ Dispositif permettant le comptage et ledimen- sionnement des impuretés de contraste (9) présentes sur une face plane (1) d'un matériau c-aractérisé en ce qu'il comprend: - une source lumineuse (2) apte à éclairer uniformément sur au moins une ligne (6), par transparence ou par rétrodiffusion,la surface plane à analyser - un système optique (4) destiné à former l'image de la dite ligne uniforme (6) sur un réseau linéaire de photodiodes (3) associé à des moyens permettant d'effectuer un balayage ligne,et fournissant un signal représentant la variation de l'émittance du matériau le long de cette ligne d'analyse (6);; - un moyen permettant le déplacement relatif du matériau par rapport au réseau linéaire de photodiode (3), effectuant un balayage trame - des moyens (5) permettant de calcule la valeur moyenne du signal du réseau pendant au moins un balayage ligne, de déterminer un niveau de seuil de référence en relation avec la valeur moyenne calculée lors d'au moins un balayage ligne précédent, . de comparer la valeur de chaque élément du réseau (3) à ce niveau de seuil . de mémoriser pour chaque ligne les rangs des pixels correspondant à la présence des impuretés (9) , à partir des indications fournies par l'organe de comparaison précédent - des moyens de traitement numérique et d'affichage (7,8) 2/ Dispositif pour analyser un matériau selon la revendication l,caractérisé en ce que le calcul de la valeur moyenne du signal du réseau (3),la détermination du niveau de seuil de référence et la comparaison de chaque élément du réseau par rapport à ce niveau de seuil sont effectués à partir de signaux analogiques 3/ Dispositif pour analyser un matériau selon l'une des revendications 1 et 2,caractérisé en ce que le moyen d'affichage (7,8) traduit l'une au moins des caractéristiques suivantes - le nombre d'impuretés (9), - la surface de chaque impureté (9), - la répartition dimensionnelle des impuretés (9), - la proportion en surface des impuretés (9). 4/ Dispositif pour analyser un matériau selon l'une des revndications 1 à 3,caractérisé en ce que le déplacement relatif du matériau par rapport au dispositif d'analyse entre deux balayages ligne est égal à la dimension du pixel ramenée sur le matériau à analyser. 5/ Dispositif pour analyser un matériau selon l'une des revendications 1 à 4 ,caractérisé en ce que le niveau de seuil de référence est calculé à partir de la valeur moyenne du signal du balayage ligne précédent 6/ Dispositif pour analyser un matériau selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le matériau est sous forme de feuille 7/ Dispositif pour analyser un matériau selon l'une des revendications 1 à 6,caractérisé en ce que le matériau est un liquide ou une suspension