DE3334112A1 - Verfahren und vorrichtung zum beruehrungsfreien messen der spannung von in bewegung befindlichen fadenfoermigen produkten und oberflaechen - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum beruehrungsfreien messen der spannung von in bewegung befindlichen fadenfoermigen produkten und oberflaechen

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DE3334112A1 DE19833334112 DE3334112A DE3334112A1 DE 3334112 A1 DE3334112 A1 DE 3334112A1 DE 19833334112 DE19833334112 DE 19833334112 DE 3334112 A DE3334112 A DE 3334112A DE 3334112 A1 DE3334112 A1 DE 3334112A1
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Jean-Pierre 69390 Vernaison Jarry
Robert 69009 Lyon Konopatsky
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    • G01L5/042—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring tension in flexible members, e.g. ropes, cables, wires, threads, belts or bands by measuring vibrational characteristics of the flexible member

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Description

Verfahren und Vorrichtung zum berührungsfreien Messen der Spannung von in Bewegung befindlichen fadenförmigen
Produkten und Oberflächen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum berührungsfreien Messen der Spannung von in Bewegung befindlichen fadenförmigen Produkten und Oberflächen.
Unter fadenförmigen Produkten versteht man jeden textlien, kunststoff-, metallischen oder optischen Faden. Die textlien Fäden liegen vor als Endlosfäden, Multifilamente oder mehrendige Fäden , Monofilamente, aus Fasern gesponnen, allein oder kombiniert verwendet und aus jedem natürlichen, künstlichen, synthetischen oder mineralischen Material.
Unter Oberfläche versteht man jede gewebte, gewirkte oder ungewebte textile Oberfläche, eine Oberfläche aus einer Kunststofffolie, eine Lage aus Fäden, Bändern und Folienbändchen aus Kunststoff, Papier und Metall.
In der Textilindustrie ist die Regelmäßigkeit der Spannung eines Fadenswährend dessen Herstellung oder Umformung von großer Wichtigkeit. Während der Herstellung der Fäden bedingen Spannungsunregelmäßigkeiten, zum Beispiel Orientierungsunregelmäßigkeiten, die Unterschiede in der Farbaffinität, den Fadenbruch bedingende Schwächungszonen oder Unregelmäßigkeiten im Aussehen an diese Fäden verwendenden fertigen Gegenständen hervorrufen. Während der Umformung der Fäden, z. B. beim Weben oder Wirken, können die Spannungsunregelmaßigkeiten z.B. Brüche, an Maschinen oder Fehler im Aussehen beim fertigen Gewebe oder der fertigen Wirkware hervorrufen. Dasselbe gilt für Fadenvliese, z. B. während des Schärens.
Hinsichtlich der Metallfäden sind die Spannungsunregelmäßigkeiten während des Ziehens und Verdrallens herstellungsbedingt. Dasselbe gilt während der Herstellung von Kunststoffolien, ζ. Β. während ihres Ziehens oder Aufbringens auf Rollen. Dasselbe gilt auch für die Spannungsunregelmäßigkeiten von umhüllten oder überzogenen fadenförmigen Produkten.
In der folgenden Beschreibung werden die Ausdrücke "fadenförmige Produkte" und "Oberflächen" der Einfachheit wegen mit "das oder die Produkte" bezeichnet.
Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens und einer Vorrichtung, die das kontinuierliche Verfolgen der Spannung von verschiedenen Teilen eines von einem in Bewegung befindlichen Produkt zurückgelegenen Wegs ermöglichen.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Gegenstände der Ansprüche 1 bzw. 5.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die beiden festen Punkte des vom in Bewegung befindlichen Produkts durchlaufenen Wegs sind durch die Elemente der Einrichtung zur Herstellung oder Umformung des Produkts gegeben.
Unter "berührungsfrei" versteht man das völlige Fehlen von Berührung oder eine geringe Berührung mit sehr schwacher Reibung, die keinen Einfluß auf die Qualität des Produkts hat.
Das Meßprinzip beruht auf dem Gesetz der schwingenden Saiten: Die Grundfrequenz f der Querschwingung eines zwischen zwei Führungen, zwei Rollen oder einer Führung und einer Rolle usw. begrenzten Längenabschnitts L eines Produkts ist durch die folgende Beziehung mit der Spannung t (Kraft je Flächeneinheit) verbunden:
f (Hz) = 50
L(m)
Die optische Beobachtung dieser Frequenz gestattet somit eine einfache Bestimmung der Spannung. Man kann auch die Harmonischen der Grundfrequenz vorsehen, wenn diese sich schlecht für die Messung eignet, d. h. sich die Grundfrequenz zu schwach entwickelt. In diesem Fall wird die Beziehung zwischen der Frequenz und der Spannung, wenn die Harmonische die Ordnung N hat, zu
fN = N*fo ·
Die Messung kann in Luft oder in einem Mittel untergetaucht erfolgen.
Als äußeres System zur Erregung von Schwingungen wird vorzugsweise ein Lautsprecher verwendet, der an den zu übertragenden Frequenzbereich angepaßt ist und in Nähe der Umgebung der schwingenden Saite sowie in einem Abstand vom Faden angeordnet ist, der zwischen 1 cm und 20 cm variieren kann. Durch Hinzufügen einer akustischen Konvergenzvorrichtung kann die Leistung konzentriert werden. Man kann auch einen elektrodynamischen Schwingungserzeuger verwenden, dessen schwingender Teil in einem keramischen Finger endet, der an das Produkt angelegt wird und der eines der Enden der schwingenden Saite bildet. Der Vorteil des Lautsprechers liegt im Fehlen jeglicher.Berührung mit dem Produkt, wobei die Schwingungen durch die Luft übertragen werden. Es können aber manchmal geringfügige Nachteile im Fall von hoher Spannung durch das Auftreten einer Phasenverschiebung zwischen der Schwingung des Lautsprechers und der Bewegung des Produkts auftreten. Der elektrodynamische Schwingungserreger hat den Vorteil, niemals eine Phasenverschiebung zu. erzeugen. Er erzeugt vielmehr eine geringe Berührung mit dem Produkt und kann manchmal eine dem normalen Schwingungsbetrieb überlagerte Dreiecksbewegung einleiten, wenn er mit einer von der Resonanz des Produkts entfernten Frequenz schwingt. Diese Dreiecksbewegung
ist für die Funktion der elektronischen Regelung schädlich. Diese schädliche Erscheinung kann durch Einregeln von elektronischen Filtern beseitigt werden.
Im allgemeinen ist ein Lautsprecher der beste Erreger, wenn Spannungen gemessen werden sollen,, die zum größten Teil kleiner als eine obere Grenze sind, die von der.Art des Produkts und seines Titers (fadenförmige Produkte) abhängt und für Textilfaden bei etwa 10 g/tex liegt. Bei der Inbetriebsetzung der Vorrichtung betreffen die einzuhaltenden Vorschriften das optische Anpeilen und die Einstellung von Filtern und des Verstärkers. Die elektronische Regelung fällt dann ohne Schwierigkeit mit der zu messenden Resonanz in Tritt. Für die oberhalb der angegebenen Grenze erfolgenden Spannungsmessuhgen tritt eine Phasenverschiebung zwischen dem Lautsprecher und dem Detektor auf, die umso größer ist, je höher die Spannung ist. Wenn diese erhöhte Spannung ein wenig in der Größenordnung von + 20 % um den Mittelwert schwankt, ist die Phasenverschiebung 0 etwa konstant. Man führt dann in den Regelkreis eine entgegengesetzte Phasenverschiebung -0 ein, die den normalen Betrieb der Vorrichtung wieder herstellt. Somit kann die Messung einer hohen Spannung in diesem Fall auch unter Verwendung eines Lautsprechers erfolgen, der dann nur eine zusätzliche Einstellung benötigt, was von Bedeutung ist, da, wie oben beschrieben, der Lautsprecher keine Berührung mit dem Faden hat. Jedenfalls kann man bei hohen Spannungen auf einen elektrodynamischen Schwingungserzeuger zurückgreifen.
Fig. 1 zeigt einen Lautsprecher 1 in Nähe der Mitte einer schwingenden Saite, die durch ein Produkt 2 zwischen zwei auf dem Weg des in Bewegung befindlichen Produkts gelegenen Punkten 3 und 4 gebildet ist.
Fig. 2 zeigt einen elektrodynamischen Schwingungserreger 5, der mit dem Produkt 2 in Berührung steht und sich an einem Ende 3 dieser schwingenden Saite befindet.
·— 7 —
Das Fernermittlungssystem für die Schwingungen -ist vorzugsweise ein optisches System mit einem Laser von geringer Leistung, ζ ο B. mit Helium/Neon, der das Produkt unter einem beinahe senkrechten Auffallwinkel beleuchtet, und mit einem Objektiv, das einen Teil des vom Produkt gestreuten, reflektierten oder gebrochenen Lichts auf einen Photodetektor zurückschickt, der aus einem Phototransistor und seiner Polarisationselektronik besteht. Der Photodetektor mißt die Intensität eines Teils des vom Produkt reflektierten Lichts. Die Querbewegungen mit einer Amplitude von über einigen 10 Mikron ändern die Beleuchtung des Produkts durch den Laser, folglich die vom Photodetektor empfangene Intensität. Der Photodetektor liefert ein Signal mit modulierter Intensität und mit der Frequenz f oder f„, wobei die Querintensitätsverteilung in einem Querschnitt des Laserbündels einen Gauß-Verlauf hat. Wenn sich das Produkt in einem Querschnitt bewegt, verändert sich dessen Beleuchtung, wobei die vom Phototransistor empfangene Intensität die Bewegungen des Produkts wiedergibt. Es wird Wert darauf gelegt, daß die Frequenz des optischen Detektors identisch mit derjenigen des Schwingungserregers ist. Die Blickrichtung des Lasers muß so eingestellt werden, daß die Querbewegungen des Fadens eine Flanke der Gauß-Verteilung überstreichen. Es ist möglich, die Ausdehnung der Verteilung durch Hinzufügen einer Zylinderlinse zwischen dem Lager und dem Produkt zu erhöhen. Dieses Zubehör kann von Nutzen sein beim Halten des Produkts im Laserbündel, wenn dieses in Querrichtung schwankt, z. B. auf Grund einer schlechten Spannungsregelung, eines mechanischen Fehlers in dem vom Produkt verfolgten Wegf eines Gebläses unterhalb der Spinndüse z. B. während der Herstellung eines Fadens oder einer schlechten Stabilität des Aufwickelns' auf Rollen oder Spulen. Der Abstand zwischen dem optischen System und dem Produkt variiert vorzugsweise von 5 bis 50 cm. Fig. 3 zeigt das Produkt 2, den Laser 6, die abnehmbare Linse 7, das im allgemeinen aus einer Sammellinse bestehende Objektiv 8 und den Phototransistor 9.
Fig. 4 zeigt die Gauß-Verteilung der Querintensität I in einem Querschnitt des Laserbündels in einem Abstand R von der Mitte O.
Fig. 5 zeigt verschiedene Bedingungsarten für die Blickrichtung des Lasers mit der Mitte O des Laserbündels, der mittleren Lage P des Fadens im Laserbündel und der Schwingungsamplitude A des Produkts.Fig. 5a zeigt" die optimale Bedingung der Blickrichtung, Fig. 5b eine vorschriftsmäßige Bedingung, sowie Fig. 5c und Fig. 5d schlechte Bedingungen.
Das die beiden obigen Systeme verbindende elektronischer Regelsystem besteht aus einer gewissen Anzahl von Einrichtungen, wobei das Prinzip der elektronischen Regelung der Vorrichtung in Fig. 6 gezeigt ist.
Der Schwingungserreger, etwa der Lautsprecher 1, wird über eine Verstärkerstufe 10 und einen Leistungsverstärker 11 durch einen Niederfrequenzgenerator 12 gespeist. Das vom Ermittlungssystem 13 ausgesandte Signal wird durch eine Anordnung von zwei einstellbaren Filtern 14 (Hochpaßfilter und Tiefpaßfilger) behandelt, die zum Wählen des Frequenzbereichs dienen, in dem sich die gesuchte Resonanz oder deren Harmonische befindet. Die zum Schwingungserreger 1 adressierten Filtersignale S1 und S? werden in einem Phasendetektor 15 verglichen, der den Niederfrequenzgenerator 12 mit einer Steuerspannung steuert. Der auf diese Weise gebildete Regelkreis fällt automatisch mit der Frequenz in Tritt, die die Phasenübereinstimmung zwischen S. und S„ herstellt. Diese Frequenz ist die gesuchte Resonanzfrequenz. Zur Messung dieser Freqzenz wird das .Ausgangssignal der Filter 14 in Quadratform 16 gebracht und zu einem Impulzähler 17 geschickt ,der das Lesen durch Anzeigen und/oder Registrieren der Frequenzmessung gestattet. Die Spannung wird dann mit Hilfe der obigen Formel von Hand oder durch einen geeigneten direkt angeschlossenen Rechner abgeleitet. Man kann somit z. B. einen Frequenzmesser, einen Periodenmesser oder eine Datenverarbeitungsanlage verwenden,
die dieselbe Funktion erfüllen kann. Meistens genügt die manuelle Einstellung des Verstärkers 10 auf einen festen Wert, der eine gute Qualität des Signals gewährleistet. Wenn das Signal des Ermittlungssystems eine zu hohe Amplitudenänderung aufweist, kann jedenfalls die Verstärkerstufe 10 so gesteuert werden, daß das Niveau des Signals S1 aufrechterhalten wird. Zur Erleichterung der Regelungen der optischen Blickrichtung des Lasers und der Einstellung der Filter 14 und des Verstärkers 10 kann die Filterstufe mit zwei Steuerausgängen (Signal vor und nach der Filterung) zur Sichtbarmachung am Oszillograph versehen werden.
Mit dieser Vorrichtung kann auch das Messen des Titers eines Filamentenprodukts, etwa eines Textilfadens, erfolgen. Wenn ein Fadenabschnitt mit einer Kraft F in Gramm gespannt wird, ermöglicht die Messung der Spannung t g/tex die Kenntnis seines Titers durch die folgende Beziehung:
τ = (g)
(tex) fc(g/tex)
Somit konnte festgestellt werden, daß das Messen der Längsspannung dieser Produkte dank zweier Hauptvorteile möglich war: Durch eine optische Fernermittlung unter Verwendung eines Lasers, was eine Störung der Luftströmung, z. B. um einen Strang oder einen Faden herum, vermeidet, und eine phasenempfindliche Regelung (Phasendetektor), was das Erzielen einer zufriedenstellenden Genauigkeit in allen Bereichen des vom Produkt durchlaufenden Wegs gestattet.
Somit ist die Vorrichtung in der angegebenen Weise verwendbar für das Messen der Spannung während der Herstellung oder der Umformvorgänge der Produkte, und zwar unabhängig von deren Geschwindigkeit.
Die folgenden Beispiele dienen zur Erläuterung der Erfindung.
- 10 Beispiel 1
Gewünscht ist die Messung der Spannung eines Einzelstrangs während seiner Herstellung zwischen der Spinndüse und der Wickelrolle:
Spinnbedingungen:
- Faden aus Polyhexamethylenadipamid
- Titer des Strangs auf der Wickelrolle: 1 dtex (fertiger Faden 44/13) ,
- Geschwindigkeit der Wickelrolle: 1030 m/min
- Abstand Spinndüse-Wickelrolle: 2,00 m.
Meßbedingungen:
- Helium/Neon-Laser mit 2 mW mit einer Zylinderlinse mit einer Brennweite von 80 mm/ Abstand der Optik vom Faden: 30 cm,
- Lautsprecher mit einen Membrandurchmesser von 20 cm, ohne Konvergenzeinrichtung, eingebaut in ein Schutzgehäuse, Abstand des Lautsprechers vom regelbaren Faden: 2 bis 10 cm.
Die gemessene Spannung beträgt 2,4 g/tex +0,1 g/tex. Diese Spannungsmessung, wenn auch unter schwierigen Bedingungen ausgeführt in Anbetracht der Gegenströmungen unterhalb der Spinndüse, gestattet trotzdem dank der Verfolgung ihres Werts die Entdeckung von eventuellen Änderungen der Temperatur und des rheologischen Verhaltens des Polymers.
Beispiel 2
Dieses Beispiel betrifft die Messung der Spannung zwischen der Wickelrolle und der Schmälzrolle.
Spinnbedingungen:
- Faden aus Polyterephthalatethylenglykol mit einem Titer des Strangs von 4 dtex/Strang,
= Abstand zwischen den Wickelrollen und Berührung an den Schmälzrollen: 0,50 m, wobei die Schmälzrolle sich zwischen der Wickelrolle und den Streckrollen befindet und einen Schmälzfilm auf dem Faden ablagert,
- Geschwindigkeit der Wickelrolle: 600 m/min,
- Geschwindigkeit der Streckrollen: 2500 m/min,
Meßbedingungen:
- Helium/Neon-Laser mit 2 mW ohne Zylinderlinse in Abstand von 30 cm vom Faden,
- Lautsprecher mit einem Durchmesser von 20 cm ohne Konvergenzeinrichtung, angeordnet in einem Abstand vom gemessenen Strang von 1 bis 5 cm.
Der hergestellte Faden hat 140 dtex/30 Stränge. Die mit + 2 % gemessenen Spannungen betragen:
6,25 g/tex für einen Verstreckungsgrad von 4,6, 6,75 g/tex für einen Verstreckungsgrad von 4,9.
Beispiel 3
Dieses Beispiel betrifft die Messung eines Fadens aus PoIyterephthalaethylenglykol mit 280 dtex/60 Stränge zwischen den Lieferrollen und einer Verflechtungsdüse.
- Geschwindigkeit der Lieferrollen: 3000 m/min.
Meßbedingungen:
- Helium/Neon-Laser mit 2 mW ohne Zylinderlinse, im Abstand von 30 cm vom Faden,
- Lautsprecher mit einem Durchmesser von 20 cm, ohne Konvergenzeinrichtung in einem Abstand von Faden von 1 bis 5 cm.
Die gemessene Spannung betrug 0,80 g/tcx j_ 2 ö für eine Wickelgeschwindigkeit des verflochtenen Fadens von 2 900 m/min.
- 12 Beispiel 4
Um das dynamometrische Verhalten eines Fadens aus Polyterephthalatethylenglykol charakterisieren zu können, wird in der Fertigungsstrecke nach den Streckrollen ein Rollenpaar oder Überstreckungsduo zwischengeschaltet. Die Geschwindigkeit des Duos kann über der Zeit linear variieren und folglich dem Faden eine zusätzliche fortschreitende Dehnung erteilen. Durch Aufzeichnen der Entwicklung der Spannung im Verlauf der Beschleunigung des Duos erhält man eine dynamometrische Kurve als Linie. Diese in Fig. 7 dargestellte Kurve wurde unter Verwendung eines elektrodynamischen Schwingungserregers erhalten. Das Signal wurde an einem Rechner der Marke SEMS gemessen, der zur Überwachung der Position verwendet wird. Der Keramikfinger befindet sich am Ausgang der Streckrollen zur genauen Lokalisierung des oberen Knotens der schwingenden Saite.
Die Ausführungsbedingungen sind die folgende: Spinndüsendurchsatz: 40 g/min für einen Faden von 140 dtex/30 Stränge, Geschwindigkeit der Streckrollen: 3 000 m/min, Geschwindigkeit des Überstreckungsduos: 3000 m/min bis 3150 m/min, Länge der schwingenden Seite zwischen den Keramikfinger und dem elektrodynamischen Schwingungserreger: 0,34 m, Erfassung am Rechner: 1 Punkt der Fig. 7 entspricht einer Berechnung auf 10 Perioden, Taktfolge: 1 Punkt/sec.
Beispiel 5
Die Spannung eines vermessingten Stahldrahts von 0,385 g/m wird in Bewegungsrichtung aufwärts von einer den Stahldraht mit einer Geschwindigkeit von 90 m/min aufwickelnden Spule gemessen.
Mit einer Vorrichtung nach der Erfindung beträgt die Messung 1,8 kg. Wenn eine Kontrolle mit einem Berührungsspannungsmesser der Bauart ROTSCHILD vorgenommen wird, beträgt die gemessene Spannung 1,9 kgT was eine vergleichbare Messung ergibt. Trotz-
dem ist mit einem Berührungspannungsmesser die Messung nicht
stabil auf Grund der Reibung an der Meßeinrichtung und der
Durchmesserunterschiede (so klein sie auch immer sind) des vermessingten Stahldrahts.
Beispiel 6
Die Messung der Spannung erfolgt an einer Litze aus vier vermessingten Stahlfilamenten in Bewegungsrichtung aufwärts einer die Litze mit einer Geschwindigkeit von 90 m/min aufwickelnden Spule. Die Spannung beträgt mit einer Vorrichtung nach der Erfindung 7 kg und mit dem Berührungsspannungsmesser der Bauart ROTSCHILD 8 kg.
Bei einer Wickelgeschwindigkeit von 320 m/min beträgt die mit der Vorrichtung nach der Erfindung gemessene Spannung 12,5 kg und die mit der anderen mit Berührung arbeitenden Vorrichtung mit den angeführten Nachteilen der Berührung 12 kg.
Beispiel 7
An einem gezwirnten Cord von 17 g/m wird die Spannung bei einer Wickelgeschwindigkeit von 90 m/min gemessen. Die Messung beträgt mit der Vorrichtung nach der Erfindung 10 kg und ist stabil, während die Messung mit dem mit Berührung arbeitenden Spannungsmesser auf Grund des Dralls nicht zuverlässig ist und zwischen 9 und 11 kg variiert. Dies zeigt gut den Vorteil der Anwendung des berührungsfreien Spannungsmessers nach der Erfindung.
Leerseite

Claims (7)

Dr. F. Zumstein sen. - Dr. E. Assmann - Dr. R. Koenigsberger Dipl.-Ing. F. Klingseisen - Dr. F. Zumstein jun. PATENTANWÄLTE ZUGELASSENE VERTRETER BEIM EUROPÄISCHEN PATENTAMT REPRESENTATIVES BEFORE THE EUROPEAN PATENT OFFICE DT 4050 RH0NE-P0ULENC FIBRES, Lyon, Frankreich Verfahren und Vorrichtung zum berührungsfreien Messen der Spannung von in Bewegung "befindlichen fadenförmigen " Produkten und Oberflächen Patentansprüche
1. / Verfahren zum ständigen Messen der Spannung eines sich bewegenden Produkts ohne Berührung des Produkts mit der für die Messung verwendeten Vorrichtung, wobei das in Bewegung befindliche Produkt auf einer gegebenen Länge seines Wegs zwischen zwei Festpunkten Querschwingung.en ausgesetzt ist, dadurch
gekennzeichnet,
daß die Querschwinguijgen durch ein optisches System aus der Ferne ermittelt werden, das zu einem elektronischen System hin 'überträgt, das die die Schwingungen aussendende Einrichtung und die Einrichtung für die Fernermittlung regelt sowie an ein Meßgerät angrenzt.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß das Produkt fadenförmig ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das optische System zur Ermittlung von Schwingungen einen Laser aufweist.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Detektor ein oszillierendes Signal mit derselben Frequenz wie das Erregungssignal liefert, das die die Querschwingungen liefender Einrichtung speist. -
5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einem Schwingungserregungssystem, mit einem System zur Fernermittlung der Schwingungen, mit einem elektronischen Regelsystem, das die beiden vorhergehenden Systeme verbindet, und mit einer Meßeinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß das System zur Fernermittlung der Schwingungen ein optisches System ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das optische System einen Laser aufweist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie auch zur Messung des Titers von Textilfaden verwendet wird.
DE19833334112 1982-09-22 1983-09-21 Verfahren und vorrichtung zum beruehrungsfreien messen der spannung von in bewegung befindlichen fadenfoermigen produkten und oberflaechen Withdrawn DE3334112A1 (de)

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