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Fotoelektrische Messeinrichtung für elektronische
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Garnreiniger Die Erfindung bezieht sich auf eine fotoelektrische Messeinrichtung
in einem elektronischen Garnreiniger, insbesondere auf eine mit diffusem Licht arbeitende
Lichtschranke zur Messung von Abweichungen vom Nenndurchmesser eines durch den Messspalt
bewegten Fadens.
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Die beim Spinnprozess entstehenden Defektstellen im Garn, dies sind
in den meisten Fällen in ihrem Querschnitt über dem Nenndurchmesser liegende Dickstellen,
werden üblicherweise am laufenden, also bewegten Faden gemessen und festgestellt.
Diese Messung erfolgt berührungslos mit Hilfe von Licht, wobei die aus der Messung
gewonnenen und in zeitlich ununterbrochener Folge anfallenden Signale auf Abweichungen
vom Nenndurchmesser also auf Defektstellen untersucht werden. Defekt anzeigende
Signale werden verwendet,
um beispielsweise eine Schneidvorrichtung
in Betrieb zu setzen, die den Faden in der Nähe solcher Defektstellen durchschneidet.
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Es müssen, um den bewegten Faden ununterbrochen zu überwachen, eine
kontinuierliche Folge von fotoelektrischen Momentaufnahmen des aktuellen Fadendurchmessers
erzeugt und praktisch gleichzeitig mit einem vorgegebenen, dem Nenndurchmesser entsprechenden
elektrischen Wert verglichen werden. Aus dem Vergleich resultiert die relative Abweichung
vom Vergleichswert, wobei diese relative Abweichung nur dann einem Fadendefekt entspricht,
wenn das elektrische Abbild des aktuellen Fadendurchmessers im Idealfall genau dem
körperlichen entspricht.
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Eine Abweichung des gemessenen Fadendurchmessers vom wirklichen Fadendurchmesser
geht als Messfhler in die Messung ein und verfälscht den' Wert der relativen Abweichung,
mit dem letztlich, wie schon erwähnt, eine Schneidvorrichtung aktiviert werden soll.
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Es zeigte sich in der Praxis immer wieder, dass in der Umwandlung
des körperlichen Fadendurchmessers mit Hilfe von Licht in ein verarbeitbares elektrisches
Signal die verwendeten Lichtschranken das mit Abstand kritischste Element in der
Funktionskette ist. Meist sind diese Lichtschranken nur bestimmten dynamischen Verhältnissen,
beispielsweise Durchlaufgeschwindigkeit, Auslenkung, Reflexion, etc. im Messspalt
gewachsen, verändern sich diese in Grössenordnungen ausserhalb des verarbeitbaren
Bereichs, so versagen die Lichtschranken, oder besser ausgedrückt,
der
Messfehler wird so gross, dass nur noch unbrauchbare Messwerte entstehen.
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Lichtschranken reagieren auch nicht unempfindlich auf sehr langsame
Aenderungen, die im Vergleich zur Messdynamik eher als statisch anzusehen sind.
Genannt sei zum Beispiel die langsame Akkumulation von Staub, Abrieb, etc. in oder
an den optisch wirkenden Teilen, kurzum, eine zunehmende Verschmutzung der Lichtschranke.
Ebenso gehören in diese Klasse von Messfehler bewirkenden Störungen auch die kumulierenden
Beschädigungen der optischen Teile im Messspalt, wie sie beispielsweise durch immer
wieder vorkommende Berührungen mit dem schnelllaufenden Faden erzeugt werden. Solch
ein aufkommender, systematische Fehler bewirkender Defekt der optischen Einrichtung
ist im Ruhebetrieb oft nicht erkennbar, obgleich der dadurch erzeugte Messfehler
das Resultat schon stark beeinträchtigt.
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Die Ueberlagerung der Fehler aus den geschilderten Mängeln mit den
Fehlern, die durch die Fadendynamik erzeugt werden, sowie weiteren, Fehler beitragenden
Einflüssen, führen zu einer recht kritischen Messaufgabe, der man mit verschiedenen
technischen Mitteln beizukommen versucht.
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So erzeugt eine einfache Lichtschranke aufgrund des Strahlenganges
der Lichtquelle auf der Photozelle ein Schattenbild der Projektion der dem Licht
zugekehrten Fadenoberfläche. Dem Fadendurchmesser entspricht dieses Schattenbild
nur, wenn er zur Fadenlängsachse überall den gleichen Radius aufweist. Die verschiedenen
Formen
der zu detekE elldon Dickstellen sind jedoch nicht immer
rotationssymmetrisch, d.h. Fadendefekte können im gemessenen Schattenbild verschwinden.
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Diesem Mangel hat man in der Entwicklung der Garnreiniger relativ
früh abgeholfen. So zeigt beispielsweise die US-PS 3'264'922, wie mit isotropem,
also diffusem Messlicht die Fadenoberfläche vom Messlicht gleichsam umgriffen wird,
ohne ein Schattenbild zu erzeugen. Das auf die Photozelle auftreffende, diffuse
Messlicht weist ein von der durchlaufenden Fadenoberfläche absorbiertes und teilweise
reflektiertes Manko proportional zum, dies mal nicht projizierten' sondern dem wirklichen
Rundum-Durchmesser auf. Diese Lichtintensitätsänderung auf der Photozelle erzeugt
höchst genaue, dem Fadendurchmesser entsprechende elektrische Signale.
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Die beschriebene Diffuslicht-Schranke ist zudem auf Verschmutzung
der optischen Teile, gegenüber eines exakt abbildenden optischen Systems naturgemäss
wenig empfindlich. Doch zeigt diese Lösung aber unverkennbar, dass eine brauchbare
Messung nur in einem sehr begrenzten Spielraum der Messzone möglich ist, d.h. es
ist eine genaue und stabile Fadenführung durch das Zentrum des Messspaltes erforderlich.
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Zum Zeitpunkt, an dem die Lehre der Messung mit diffusem Licht bekannt
wurde, waren fast ausnahmslos manuell bediente Spulmaschinen in Verwendung. Diese
Maschinen verfügten damals über genügend Platz zur Anordnung von exakten Fadenführungselementen,
ausserdem arbeiteten sie mit relativ geringen Fadengeschwindigkeiten. Diese Maschinen
sind
unterdessen durch vollautomatische Spulmaschinen mit wesentlich höherer Produktivität
ersetzt worden, die den Einsatz dieser Messeinrichtung nicht mehr zulassen, denn:
Erstens: durch die für die Automatisierung erforderlich gewordenen konstruktiven
Massnahmen wurde der vorhandene Plátz für die vorzusehende Messeinrichtung bedeutend
kleiner, sie ist heute in den meisten Fällen auf 10 mm begrenzt; und zweitens ist
in diesem zur Messung vorgesehenen Bereich der Maschine eine exakte Fadenführung
sehr erschwert da fadenführende Teile nicht nahe genug an der Messstelle angebracht
werden können; und drittens haben sich die Fadengeschwindigkeiten um ein Vielfaches
erhöht, wobei viertens durch die vermehrte Verarbeitung elastischer Garne aus Synthetikmischungen
die Fadenlaufunruhe, diese ist letztlich für die Auslenkungen aus der Messzone verantwortlich,
sehr stark zugenommen hat, sie führt bei heutigen modernen Spulautomaten zu Auslenkungen
bis zu 5 mm.
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Die geschilderte technische Entwicklung bei Spulautomaten verlangt
von der Messeinrichtung also präzise Messungen bei wesentlich höheren Durchlaufgeschwindigkeiten
und zugleich bei einer um ein Mehrfaches erhöhten Laufunruhe.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, unter Beibehaltung des Prinzips
der Messung mit diffusem Messlicht eine
Lichtschranke zu schaffen,
die den Nachteil der Forderung nach einer präzisen Fadenposition im Messspalt nicht
mehr aufweist, sondern vielmehr die heute übliche Fadenlauf-Unruhe zulässt.
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Es ist weiter Aufgabe der Erfindung, eine Messeinrichtung zu schaffen,
die der mechanischen Belastung der höheren Fadendynamik ohne abgenützt zu werden,
standhält und gegen kumulative Beschädigungen durch die unvermeidliche Fadenberührung
resistent ist.
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Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, die Messeinrichtung so zu schaffen,
dass sie eine Ausdehnung nur so gross aufweist, um den beschränkten Platzverhältnissen
in modernen Spulautomaten gerecht zu werden.
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Die Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des ersten Patentanspruches
angegebene Erfindung gelöst.
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Zur nachfolgenden, eingehenden Erklärung der Erfindung dienen auch
die Zeichnungen, in denen die Fig. 1 die Messeinrichtung gemäss der Erfindung von
der Vorderseite und in Fig. 2 die Messeinrichtung von oben gezeigt ist und in Fig.
3 mit einem Diagramm das elektrische Fadensignal in Abhängigkeit der Fadenlage innerhalb
des Messspaltes dargestellt ist.
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Die Figuren 1 und 2 zeigen die Messeinrichtung im Prinzip, es sind
also keine eigentlichen Baupläne. Die Massangaben beziehen sich auf Dimensionen,
wie sie für den Einsatz -an einem gewissen Maschinentyp erforderlich sind. Die Funktion
der Messeinrichtung ist also nicht von diesen Massen abhängig; die Messeinrichtung
kann in ihrer Dimensionierung den verschiedenen Erfordernissen angepasst werden.
Jedoch sollen die Massangaben in der Zeichnung die erreichten, geringen Abmessungen
der Messeinrichtung besser vor Augen führen.
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Fig. 1 zeigt nun zwei planparallele Plättchen 1 und 2, mit optisch
transparentem und diffusem Charakter mit den Abmessungen von etwa 4 x 10 x 1 mm,
wobei diese beiden Plättchen durch ein Verbindungsstück 3 auf einen parallelen Abstand
von ungefähr 3 mm fixiert sind. Das Verbindungsstück 3 dient mit seinem V-förmigen
Ausschnitt zur Begrenzung der Fadenauslenkung in der Messzone nach unten hin, d.h.
bevorzugt in Richtung der Schwerkraft.
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Hinter den Plättchen 2 befinden sich zwei Lichtquellen 4 und 5, vorzugsweise
sind dies Leuchtdioden in funktionell optimiertem Abstand und in geringem Abstand
hinter den Plättchen 1 ist eine grossflächige Photozelle, vorzugsweise ein Fotoelement
mit einer aktiven Fläche von 4 x 10 mm angeordnet.
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° Das unter einem Winkel von etwa 90 aus den Lichtquellen 4 und 5
austretende Licht, das mit gestrichelten Linien angedeutet ist, beleuchtet unten
und oben zwei Abschnitte des Plättchens 2 intensiv, während eine Zone in der Mitte
des Plättchens 2 fast nicht beleuchtet wird. Auf der anderen Seite dieses Plättchens
tritt das Licht sekundär
diffus orientiert aus, d.h. also unter
einem Abstrahlungswinkel von nahezu 1800, so dass im mittleren-Bereich des Plättchens
2 eine maximale Kreuzung und Addition der austretenden Lichtstrahlen stattfindet,
wodurch der Beleuchtungsunterschied auf der angestrahlten Seite des Plättchens 2
funktionell kompensiert wird. Bei optimalem Abstand und gleicher Intensität der
beiden Lichtquellen 4 und 5 kann auf einer Strecke, welche ungefähr dem Abstand
der optischen Achsen der Lichtquellen 4 und 5 entspricht, sekundär bzw. abstrahlungsseitig
eine weitgehend gleichmässige Lichtintensität erreicht werden. Aufgrund der diffusen
Strahlung und des geringen Abstandes wird der Faden zwangsläufig von einem hohen
Anteil Lichtstrahlen mit sehr flachem Winkel erreicht, so dass die Bedingungen für
die Messung von nicht rotationssymmetrischen Dickstellen auch hier weitgehend erfüllt
sind. Das vor der Photozelle 6 angeordnete Plättchen 1 aus demselben Material wie
das Plättchen 2 sorgt durch seinen diffusen zerstreuenden Charakter zusätzlich für
eine weitere gleichmässige Verteilung des auf die Photozelle 6 gelangenden Lichtes.
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Im Messspalt 7, also zwischen den Plättchen 1 und 2, ist der Querschnitt
eines Fadens F eingezeichnet, wobei die beiden voneinander wegweisenden Pfeile,
unten und oben am Fadenquerschnitt, die hauptsächliche Richtung der Fadenlaufunruhe
angeben. Die Fadendynamik bewirkt aber ebenso eine Annäherung an die eine oder andere
Platte, dies bis zur Berührung. In dem erzeugten homogenen Messlicht ist die Position
des Fadens in Richtung Sender/ Empfänger nicht von Bedeutung; auch innerhalb von
an anderer Stelle diskutierten Grenzen der zweiten quer zur
Laufrichtung
liegenden Ausdehnung ist die Position des Fadens nicht von Bedeutung.
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Fig. 2 zeigt zum besseren Verständnis noch eine Ansicht der Messeinrichtung
von oben gesehen. Hier wird die untere Lichtquelle 5 von der oberen Lichtquelle
4 verdeckt. Der Messspalt weist hier beinahe einen quadratischen Querschnitt von
4 x 3 mm auf. Der Faden Frist nun in seiner Längsrichtung zu sehen, er verdeckt
hier die Sohle der V-Kerbe des Verbindllnsstücks 3.
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Wird durch den gebildeten Messspalt von in diesem Beispiel 10 mm Höhe
ein Faden von oben her nach unten zur V-Kerbe hin durchgeführt, so ergibt sich für
die von der Photozelle 6 abgegebene Spannung UF eine Variation von d UF entsprechend
Fig. 3. Nach einer Eintauchtiefe von 2 mm-stellt sich für A UF die maximale Signalstärke
von 100 % ein, was nun bis 8 mm in Richtung zur V-Kerbe annähernd konstant bleibt,
um dann wieder abzusinken. Um letzteres zu verhindern, wurde daher die Begrenzung
der Fadenbewegung- durch die V-Kerbe im Verbindungsstück 3 bei etwa 8 mm festgelegt,
so dass nach oben für den Faden ein linearer Bewegungsspielraum von ungefähr 6 mm
zur Verfügung steht. In der Praxis zeigt die Kurve nach Fig. 3 zwar geringe Abweichungen
von wenigen Prozent, da aber eine Abweichung bis zu 5 % für die vorliegende Applikation
tolerierbar ist, wurde bei dem kleinen Massstab auf dieses Detail in der graphischen
Darstellung verzichtet.
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Durch die grosse Fadenunruhe kommt es zu häufigen Berührungen des
laufenden Fadens mit der Messeinrichtung, was durch Abrieb zur Beschädigung des
normalerweise für den Aufbau der Messeinrichtung verwendeten Materials führen kann
und damit zu verfälschten Messergebnissen. Zur Verhinderung dieses Einflusses musste
also ein transparent diffuses Material von grosser Härte gefunden werden, das den
üblichen textilen Bedingungen für berührenden Fadenlauf entspricht. Da als Lichtquelle
heute vorzugsweise Infrarotdioden zum Einsatz kommen, eigenen sich dünne Keramikplättchen
aus Aluminiumoxyd von hoher Reinheit, die ein ausreichendes Durchlassvermögen von
Infrarotlicht zeigen. Die beiden Diffusor-Plättchen der Lichtsende- und Lichtempfangsseite
werden somit mit Vorzug aus diesem Material gefertigt, wobei sie zweckmässig mit
einem Steg oder Verbindungsstück des gleichen Materials verbunden werden, wobei
das Verbindungsstück den V-förmigen Ausschnitt zur einseitigen Fadenbegrenzung aufweist.