CH662653A5

CH662653A5 - Einrichtung zur quermasspruefung eines fuer monochromatische, kohaerente strahlung durchlaessigen oder halbdurchlaessigen fadenfoermigen erzeugnisses.

Info

Publication number: CH662653A5
Application number: CH5403/82A
Authority: CH
Inventors: Ashot Georgievich Osipov
Original assignee: Osipov Ashot G
Priority date: 1981-01-15
Filing date: 1981-01-15
Publication date: 1987-10-15
Also published as: DE3152680T1; GB2110364B; GB2110364A; DE3152680C2; JPS57502182A; WO1982002428A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Quermassprüfung gemäss Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs 1. Neben undurchlässigen fadenförmigen Erzeugnissen haben auch durchlässige und halbdurchlässige fadenförmige Erzeugnisse wie Glasfasern und Chemiefasern weite Verbreitung gefunden, wobei bei deren Herstellung eine Kontrolle ihrer Quermasse (Dicke) durchgeführt werden muss. Die allgemein bekannte Methode zum Messen von Quermassen eines Erzeugnisses nach dessen Beugungsbild (Beugungsmethode), die zur Quermassprüfung der undurchlässigen fadenförmigen Erzeugnisse wirksam angewendet wird, ist für durchlässige und halbdurchlässige fadenförmige Erzeugnisse wie beispielsweise Chemiefasern, die eine heterogene Struktur besitzen, ungeeignet. Dies erklärt sich dadurch, dass ein Beugungsbild, das bei der Behandlung eines zu kontrollierenden Erzeugnisses mit monochromatischer kohärenter Strahlung entsteht und bei den undurchlässigen Erzeugnissen (beispielsweise einem Draht) kontrastreich, bei den heterogenen durchlässigen und halbdurchlässigen Erzeugnissen kontrastschwach ist, durch den durch das Erzeugnis hindurchgetretenen Strahlungsfluss verzerrt wird und somit keine klar ausgeprägte Minima aufweist, nach denen die Masse von Erzeugnissen bestimmt werden.

Bei durchlässigen fadenförmigen Erzeugnissen, die eine homogene Struktur von Glasfasern besitzen, stimmt der Abstand zwischen den Minima des Beugungsbildes mit der bekannten Formel der Beugungstheorie für unduchlässige Strukturen ebenfalls nicht überein (siehe Angew. Phys., 19, N 2, April 1965; J. Gefhart, S. Schmidt «Interferenzerscheinungen an dünnen, durchsichtigen Glasfäden bei kohärenter Beleuchtung»), Jedoch können die Glasfasern aufgrund der homogenen Struktur und fehlenden Doppelbrechung nach der Beugungsmethode durch Ermittlung der Abhängigkeit des Winkelabstandes zwischen den Minima vom Faserdurchmesser und Streuungswinkel unter Einführung entsprechender Korrekturen gemessen werden.

Zum Unterschied von Glasfasern erzeugen Chemiefasern, die eine heterogene Struktur besitzen, die eine Doppelbrechung bedingt, bei der Behandlung mit dem Fluss monochromatischer kohärenter Strahlung ein Beugungsbild, das durch eine sehr komplizierte Formel beschrieben wird.

In diesem Fall sind die Abstände zwischen den Minima nicht nur von der Länge der Strahlungswelle und dem Quermass (beispielsweise dem Durchmesser) des Erzeugnisses, sondern auch von dem Durchlässigkeitsfaktor und der Dop-pelbrechungsgrösse abhängig. Die Berücksichtigung dieser Faktoren ist sowohl praktisch wie auch theoretisch überaus kompliziert, was den Messfehler bedeutend erhöht.

Aus dem oben dargelegten ist es klar, dass die Verzerrung des Beugungsbildes bei den durchlässigen und halbdurchlässigen fadenförmigen Erzeugnissen infolge des Durchgangs des Strahlungsflusses durch das Erzeugnis entsteht.

Bekannt ist die Anwendung eines Mikroskops, das die Schattenmethode benutzt, bzw. die Bestimmung der Dicke von durchlässigen und halbdurchlässigen fadenförmigen Erzeugnissen nach der Fadennummer, die die Durchführung der Messung mit einer Genauigkeit von bis 15-20% erlauben, aber den bestehenden Anforderungen nicht genügen.

Zur Erhöhung der Messgenauigkeit versuchte man, die erwähnte Beugungsmethode zu Messen von Quermassen des zu kontrollierenden Erzeugnisses, die für die undurchlässigen und durchlässigen homogenen fadenförmigen Erzeugnisse effektiv angewendet wird, auch für die durchlässigen und halbdurchlässigen heterogenen fadenförmigen Erzeugnisse anzupassen.

So wurde beispielsweise in der US-PS Nr. 3 709 610,

Klasse 6 Ol n, bekanntgemacht am 9. Januar 1973, vorgeschlagen, eine mehrfache Quermassprüfung des durchlässigen bzw. halbdurchlässigen fadenförmigen Erzeugnisses nach einer Reihe von Beugungsbildern durchzuführen, die bei der Beleuchtung des Erzeugnisses mit einer monochromatischen kohärenten Strahlung gewonnen wurden. Durch Messen der Abstände zwischen den dunklen und hellen Streifen eines jeden Beugungsbildes und Mittelung der Ergebnisse, die aus jedem Beugungsbild gewonnen worden sind, erhält man die Grösse der Quermasse des Erzeugnisses. Jedoch gewährleistet die mehrfache Messung der Quermasse des Erzeugnisses mit der darauffolgenden Mittelung der Ergebnisse ebenfalls keine erforderliche Messgenauigkeit wegen einer niedrigen Kontrastschärfe der «direkten» Beugungsbilder in jedem Messzyklus, die durch die durch die Erzeugnisse hindurchtretende Strahlung bedingt ist.

In derselben Patentschrift wurde vorgeschlagen, die Kontrastschärfe des Beugungsbildes durch Färben der Faser mit einer Farbe zu erhöhen, die für die monochromatische kohärente Strahlung undurchlässig ist. Allerdings gestattet es auch dieses Verfahren nicht, die erforderliche Messgenauigkeit wegen eines Fehlers zu erzielen, der durch die Farbenschicht mitgeschleppt wird. Ausserdem lassen sich nicht alle zur Kontrolle anstehenden Fasern mit einer notwendigen Farbe färben.

Die zwei beschriebenen letzteren Messverfahren sind nur zur Kontrolle von einzelnen Mustern der Erzeugnisse geeignet, an die keine hohen Anforderungen hinsichtlich ihrer

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Quermasse gestellt werden, und lassen sich in den Fertigungsstrassen bei kontinuierlichem Fertigungsablauf von durchlässigen und halbdurchlässigen fadenförmigen Erzeugnissen nicht anwenden.

In der erwähnten US-PS Nr. 3 709 610 ist eine Einrichtung zur Quermassprüfung der durchlässigen und halbdurchlässigen fadenförmigen Erzeugnisse beschrieben, welche monochromatische, kohärente Strahlung auf ein für diese Strahlung durchlässiges bzw. halbdurchlässiges, zu kontrollierendes Erzeugnis richtet. Dabei ist das Erzeugnis in einem senkrecht zur optischen Achse der Strahlung positionierten Halter angeordnet. Die Einrichtung besitzt weiter einen Fotoempfänger für Aufnahme der ein Beugungsbild des Erzeugnisses liefernden Strahlung, welcher an einem Analysator zum Bestimmen von Quermassen des zu kontrollierenden fadenförmigen Erzeugnisses nach dessen Beugungsbild angeschlossen ist.

Die Quermassprüfung eines Erzeugnisses nach dessen Beugungsbild beruht auf der umgekehrt proportionalen Abhängigkeit des Abstandes zwischen den hellen und dunklen Streifen des Beugungsbildes vom zu prüfenden Quer-mass nach der Formel

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sin (p = u —

b wo

<p die Punkte der Beugungsverteilung mit minimaler

Intensität,

|i die Ordnung des Minimums,

X die Wellenlänge der Beugungsstrahlung und b das Quermass des zu prüfenden fadenförmigen Erzeugnisses ist.

Wie bereits erwähnt wurde, verursacht die heterogene Struktur der durchlässigen und halbdurchlässigen fadenförmigen Erzeugnisse die Bildung eines Beugungsbildes, das keine erforderliche Messgenauigkeit erreichen lässt.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Quermassprüfung von für monochromatische kohärente Strahlung durchlässigen und halbdurchlässigen fadenförmigen Erzeugnissen zu schaffen, in der durch Verringerung des Strahlungsflusses, der durch das zu kontrollierende Erzeugnis zum Fotoempfänger hindurchtritt, ermöglicht wird, ein Beugungsbild zu erzeugen, das nach seiner Kontrastschärfe dem Beugungsbild von undurchlässigen fadenförmigen Erzeugnissen nahe ist und somit die Messgenauigkeit beträchtlich erhöht.

Die gestellte Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst.

Weiter kann die Einrichtung zusätzlich dadurch gekennzeichnet sein, dass jede Führung ein Paar von einander zugekehrten, als Teil eines Rotationskörpers ausgebildete Elemente aufweist, deren Oberfläche einander berühren und dass die Berührungspunkte aller Elemente in einer Ebene liegen, die durch die optische Achse der Strahlung aus der Quelle geht, und zwar auf einer Geraden, die zu dieser optischen Achse senkrecht ist.

Ferner sind zweckmässigerweise in der Einrichtung die Elemente eines jeden Paares mit sphärischer Oberfläche ausgeführt.

Die Anwendung in der erfindungsgemässen Einrichtung eines fadenförmigen, für monochromatische kohärente Strahlung undurchlässigen Körpers mit Quermassen, die den Quermassen des zu kontrollierenden fadenförmigen Erzeugnisses gleich sind, und dessen Einstellen in den Halterführungen parallel zum zu kontrollierenden Erzeugnis in der

Ebene, die durch die optische Achse der Strahlungsquelle geht, gewährleistet in dem einen Fall das Ermitteln der Quermasse nach einem Beugungsbild, das mit dem Beugungsbild vom strahlungsundurchlässigen Körper zusammenfällt, d.h. mit einer sehr hohen Genauigkeit. In dem anderen Fall (wenn die Quermasse des zu kontrollierenden Erzeugnisses grösser sind als die des fadenförmigen Körpers) geschieht die Prüfung mit einer Fehlergrösse, die durch die Differenz der Masse, d.h. durch den Betrag der durch das zu kontrollierende Erzeugnis hindurchgetretenen Strahlung, die das Beugungsbild verzerrt, verursacht ist. Daraus folgt, dass bei der Annäherung der Masse des fadenförmigen Körpers (Hindernisses) an die Masse des zu kontrollierenden Erzugnisses die Messgenauigkeit zunimmt.

Die Ausbildung der Führungen in Gestalt von Elementpaaren welche mindestens teilweise als Rotationskörper ausgebildet sind und sich jeweils in einem Punkt berühren, woher die Berührungspunkte aller Paare in einer Ebene welche durch die optische Achse der Strahlungsquelle geht, und auf einer Geraden, die zu dieser Achse senkrecht ist liegen, gewährleistet ein genaues Einstellen des fadenförmigen Körpers parallel zum fadenförmigen Erzeugnis, was die Schärfe des Beugungsbildes erhöht.

Solch eine Gestaltung der Führungen ist in konstruktiver Hinsicht am einfachsten, insbesondere wenn die Elemente eines jeden Paars mit sphärischer Oberfläche ausgebildet sind.

Nachstehend wird die Erfindung anhand der Beschreibung einer konkreten Ausführungsform derselben und der beigelegten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 Ein Prinzipschema der erfindungsgemässen Einrichtung zur Quermassprüfung von durchlässigen und halbdurchlässigen fadenförmigen Erzeugnissen mit einem schematisch dargestellten Halter mit Führungen zur parallelen Einstellung des fadenförmigen Körpers und des zu kontrollierenden Erzeugnisses;

Fig. 2 eine Gesamtansicht der erfindungsgemässen Einrichtung, jedoch ohne Analysator;

Fig. 3 Abschnitte der Elemente eines Paars, die eine Führung bilden, mit einem zwischen deren sphärischen Oberflächen angeordneten zu kontrollierenden Erzeugnis und dem fadenförmigen Körper, in vergrössertem Massstab (im Querschnitt);

Fig. 4 ein Beugungsbild, das vom zu kontrollierenden durchlässigen bzw. halbdurchlässigen fadenförmigen Erzeugnis bei dessen Beleuchtung mit einem Strahlungsfluss von einer Quelle erzeugt wird, ohne Anwendung eines fadenförmigen Körpers, der für monochromatische kohärente Strahlung (punktierte Linie) undurchlässig ist, und mit Anwendung eines fadenförmigen Körpers (volle Linie), gemäss der Erfindung.

Die erfindungsgemässe Einrichtung zur Quermassprüfung von durchlässigen und halbdurchlässigen fadenförmigen Erzeugnissen enthält eine Quelle 1 (Fig. 1, 2) monochromatischer kohärenter Strahlung, in der zu beschreibenden Ausführungform - eine gasdynamischen Helium - Neonlaser, auf dessen optischer Achse in dem durch einen Pfeil angedeuteten Strahlungsfluss ein zu kontrollierendes durchlässiges bzw. halbdurchlässiges fadenförmiges Erzeugnis 3 eingestellt ist.

Das Erzeugnis 3 ist in einem Halter 4 senkrecht zur optischen Achse 2 angeordnet. Zusammen mit dem zu kontrollierenden Erzeugnis 3 ist im Halter 4 ein fadenförmiger Körper 5 angeordnet, der für monochromatische kohärente Strahlung undurchlässig ist und Quermasse aufweist, die den s

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Quermassen des zu kontrollierenden fadenförmigen Erzeugnisses 3 gleich oder kleiner als diese sind.

Die Anordnung des zu kontrollierenden Erzeugnisses 3 und des fadenförmigen Körpers 5 geschieht mittels Führungen 6, die das Einstellen des fadenförmigen Körpers 5 parallel zum Erzeugnis 3 in einer Ebene gewährleisten, die durch die optische Achse 2 geht.

Die Einrichtung enthält ferner einen Fotoempfänger 7, der den nicht vom Körper (5) abgehaltene Strahlungsfluss aufnimmt, der das Beugungsbild dieses Erzeugnisses 3 bildet. Der Fotoempfänger 7 ist an einen Analysator 8 (Fig. 1) zum Ermitteln der Quermasse des zu kontrollierenden fadenförmigen Erzeugnisses nach dessen Beugungsbild angeschlossen.

Der Analysator ist nach einem für einen durchschnittlichen Fachmann auf diesem Gebiet wohl bekannten Schema aufgebaut (siehe beispielsweise K.I. Krylow, W.T. Prokopenko, A.S. Mitrofanow «Laseranwendung im Maschinen-und Gerätebau», veröffentlicht 1978, Verlag «Maschinostrojeniie», Leningrad, SS. 248-270, insbesondere aber 260-262).

Der vorhandene fadenförmige Körper 5, der für die monochromatische kohärente Strahlung der Quelle 1 undurchlässig ist, verhindert, dass auf den zentralen Teil des zu kontrollierenden Erzeugnisses 3 gerichtete Strahlung auf den Fotoempfänger gelangen kann, wodurch ein Beugungsbild nur von den peripheren Teilen des Erzeugnisses gewonnen wird.

Im beschriebenen Ausführungsbeispiel der Einrichtung ist der fadenförmige Körper in unmittelbarer Nähe des zu kontrollierenden Erzeugnisses 3 und vor diesem in der Laufrichtung des Strahlungsflusses angeordnet.

Jedoch ist auch eine Einstellung des fadenförmigen Körpers 5 hinter dem Erzeugnis 3 möglich, wobei durch den zentralen Teil des Erzeugnisses 3 hindurchgetretene Strahlung ebenfalls nicht auf den Fotoempfänger 3 gelangen kann.

Der Halter 4 ist im beschriebenen Ausführungsbeispiel in Gestalt einer Platte 9 (Fig. 2) ausgebildet, an der eine Federplatte 10 befestigt ist. Am Ende der Federplatte 10 ist mit seinem einen Ende der fadenförmige Körper 5 - ein Metalldraht - befestigt, der mit seinem anderen Ende an der Platte 9 befestigt ist.

Wie bereits erwähnt wurde, sind das zu kontrollierende Erzeugnis 3 und der fadenförmige Körper 5 im Halter 4 mittels Führungen 6 angeordnet, im beschriebenen Ausführungsbeispiel mittels zwei Führungen, von denen jede ein Paar von als Rotationskörper ausgebildete Elemente 11,12 enthält, deren Oberflächenbereiche 13 einander zugekehrt sind. Die Elemente 11,12 eines jeden Paars sind auf eine solche Weise angeordnet, dass die Oberflächen 13 einander in einem Punkt A (in Fig. 3, wo die Elemente 11,12 in ver-grössertem Massstab abgebildet sind, ist der Punkt A als im Berührungsbereich liegend dargestellt) berühren, wobei die Berührungspunkte beider Paare in einer Ebene liegen,

welche durch die optische Achse 2 der Quelle 1 monochromatischer kohärenter Strahlung geht. Zudem liegen die Berührungspunkte auf einer Geraden, die zu dieser Achse 2 senkrecht verläuft.

Im beschriebenen Ausführungsbeispiel sind die Elemente 11,12 eines jeden Paars mit sphärischer Oberfläche ausgebildet und in einer Ausnehmung 14 an der Platte 9 befestigt. Der Abstand zwischen den Paaren der Elemente 11,12 muss ein solcher sein, dass der Strahlungsfluss von der Quelle 1 durch eine Bohrung 15 frei hindurchtritt, die in der Platte 9

zwischen den erwähnten Paaren der Elemente 11,12 ausgeführt ist.

Ausser den sphärischen Oberflächen können die Elemente 11, 12 eines jeden Paars mit elliptischen oder konischen Oberflächen ausgeführt sein. Bei der Ausführung der Elemente 11,12 nach einer beliebigen der genannten Varianten werden die Abmessungen dieser Oberflächen in Abhängigkeit von den Massen des zu kontrollierenden Erzeugnisses 3 gewählt.

Da die Kontrolle der Quermasse des fadenförmigen Erzeugnisses 3 sowohl in den einzelnen Abschnitten desselben wie auch auf der gesamten Länge des Erzeugnisses 3 bei dessen Herstellung durchgeführt werden kann, sind Zugrollen 16,17 zur Verschiebung des Erzeugnisses 3 vorgesehen.

Im beschriebenen Ausführungsbeispiel wird für den Fotoempfänger 7 bestimmte Strahlung mit Hilfe eines flachen Spiegels 18, der auf der Welle eines Elektromotors 19 befestigt ist, zum Empfänger 7 reflektiert. Beim Drehen des Spiegels 18 nimmt der Fotoempfänger 7 entsprechende Abschnitte 20 (Fig. 4) des Beugungsbildes auf. Zum Vergleich sind dieselben Abschnitte, die bei fehlendem fadenförmigen Körper 5 gewonnen wurden, mit punktierten Linie gekennzeichnet.

Die erfindungsgemässe Einrichtung zur Quermassprüfung von durchlässigen und halbdurchlässigen fadenförmigen Erzeugnissen arbeitet wie folgt.

Die Quelle 1 (Fig. 1,2,4) monochromatischer kohärenter Strahlung beleuchtet den undurchlässigen fadenförmigen Körper 5 und das durchlässige bzw. halbdurchlässige zu kontrollierende fadenförmige Erzeugnis 3. Durch die Beleuchtung entsteht ein Beugungsbild, das mit Hilfe des rotierenden flachen Spiegels 18 (Fig. 2) vom Fotoempfänger 7 abgetastet wird. Das in elektrische Signale umgewandelte Beugungsbild gelangt in den Analysator 8 (Fig. 1). Der vorstehend erwähnte bekannte Analysator besitzt eine solche Messchal-tung, in der das Ermitteln der Quermasse des zu kontrollierenden Erzeugnisses 3 nach Abständen zwischen den hellen Streifen des Beugungsbildes, d.h. nach den Maxima erfolgt.

Die Anwendung in der erfindungsgemässen Einrichtung eines strahlungsundurchlässigen fadenförmigen Körpers 5, der in einem Halter 4 zusammen mit dem zu kontrollierenden Erzeugnis 3 mittels Führungen 6 angeordnet ist, erhöht die Messgenauigkeit, weil das dabei gewonnene Beugungsbild zu einem unverzerrten und konstrastreichen wird, wie dies in Fig. 4 durch volle Linie angegeben ist, was der bekannten Beugungstheorie für undurchlässige Strukturen entspricht. Dies erklärt sich dadurch, dass der undurchlässige Körper 5 des gleichen bzw. kleineren Quermasses das Hindurchtreten der Strahlung von der Quelle 1 durch den zentralen Teil des fadenförmigen Erzeugnisses 3 in den Fotoempfänger 7 verhindert, wodurch nur periphere Abschnitte des zu kontrollierenden durchlässigen bzw. halbdurchlässigen fadenförmigen Erzeugnisses 3 beleuchtet werden, auf die die Strahlung von der Quelle 1 unter einem grossen Winkel einfällt und die maximale Reflexion besitzen. Hierdurch nähert sich die Messgenauigkeit der durchlässigen und halbdurchlässigen Erzeugnisse mit Hilfe der erfindungsgemässen Einrichtung der Messgenauigkeit der undurchlässigen fadenförmigen Erzeugnisse.

Die Einrichtung zur Quermassprüfung von durchlässigen und halbdurchlässigen fadenförmigen Erzeugnissen kann in den Industriezweigen verwendet werden, wo die Kontrolle der Parameter der fadenförmigen Erzeugnisse, beispielsweise in der chemischen Industrie bei der Chemiefaserherstellung, erforderlich ist.

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1. Einrichtung zur Quermassprüfung eines für monochromatische, kohärente Strahlung durchlässigen oder halbdurchlässigen fadenförmigen Erzeugnisses mit einer Quelle für monochromatische, kohärente Strahlung, einem Halter, einem Fotoempfänger und einem Analysator, wobei der Halter zum Aufspannen des zu prüfenden Erzeugnisses in der von der Quelle abgegebenen Strahlung und senkrecht zu deren optischer Achse, der Fotoempfänger zum Aufnehmen von auf dieses zu prüfende Erzeugnis gerichteter Strahlung, nach deren Wechselwirkung mit demselben, welche ein Beugungsbild dieses Erzeugnisses bildet, und der an den Fotoempfänger angeschlossene Analysator zum Ermitteln des Quermasses dieses Erzeugnisses nach dessen Beugungsbild vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen für monochromatische, kohärente Strahlung undurchlässigen, fadenförmigen Körper (5) mit einem vorgegebenen, gegenüber dem zu prüfenden Erzeugnis (3) gleichen oder kleineren Quermass aufweist, dass Führungen (6) vorgesehen sind, um den Körper (5) parallel zum Erzeugnis (3) mit diesem zusammen in dem Halter (4) in einer Ebene anzuordnen, welche durch die optische Achse (2) der Quelle (1) für monochromatische, kohärente Strahlung geht, so dass auf den zentralen Teil des Erzeugnisses (3) gerichtete Strahlung nicht und damit nur ein Beugungsbild von den peripheren Teilen des Erzeugnisses (3) auf den Fotoempfänger (7) gelangt.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede Führung ein Paar von einander zugekehrten, als Teil eines Rotationskörpers ausgebildeten Elementen (11, 12) aufweist, deren Oberflächen (13) einander berühren und dass die Berührungspunkte aller Elemente (11, 12) in einer Ebene liegen, die durch die optische Achse (2) der Strahlung aus der Quelle ( 1) geht, und zwar auf einer Geraden, die zu dieser optischen Achse (2) senkrecht ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Elemente (11,12) eines jeden Paares mit sphärischer Oberfläche ausgebildet sind.