DE4123935A1

DE4123935A1 - Pruefverfahren zur automatischen und beruehrungslosen messung der doppelbrechung von faeden mit beliebigen gangunterschieden

Info

Publication number: DE4123935A1
Application number: DE19914123935
Authority: DE
Inventors: Siegfried Dr Kaufmann; Dieter Vorbach; Klaus-Juergen Nagel; Joachim Bergner
Original assignee: THUERINGISCHE FASER AG SCHWARZ
Current assignee: THUERINGISCHE FASER AG SCHWARZ
Priority date: 1991-07-19
Filing date: 1991-07-19
Publication date: 1993-01-21

Description

Die Erfindung betrifft ein Prüfverfahren und eine Vor richtung zur automatischen und berührungslosen Messung der Doppelbrechung von Fäden mit beliebigen Gangunter schieden und deren Durchmesser.

Nach dem Prüfverfahren und der Vorrichtung können alle Fäden aus organischen oder anorganischen Polymeren im schmelzeflüssigen oder festen Zustand untersucht werden.

Aus der Sz-PS 3 42 768 ist bekannt, daß man den Gangunter schied von bewegten oder ruhenden Fäden mit einer Prüf anordnung in Verbindung ähnlich einem Senarmont-Kompen sator berührungslos ermitteln kann. Abweichend von der Senarmont-Methode wird bei der DE-AS 10 97 167 das unter einem Winkel von 10 bis 20 Grad zum einfallenden Strahl gestreute Licht gemessen, wobei es dabei notwendig ist, daß ständig ein schwarzer Hintergrund vorhanden sein muß, um ein Lichtintensitäts-Minimum als Indikator für die objektive Einstellung des drehbaren Analysators zu er zeugen.

Nachteilig ist bei den nach der DE-AS 10 97 167 und Sz-PS 3 42 768 bekannten Verfahren, daß damit nur der Gang unterschied der zu prüfenden Fäden ermittelt werden kann, während keine Aussage zum Durchmesser möglich ist. Aus dem vorliegenden Prüfergebnis lassen sich somit keine Rückschlüsse auf die Orientierung, die Doppelbrechung und den Durchmesser der Fäden ziehen, so daß es nicht möglich ist, sofort und schnell den technologischen Prozeß zu regeln. Fäden mit Gangunterschieden von größer als einer verwende ten Wellenlänge können grundsätzlich nicht gemessen werden.

Verfahren zur automatischen Durchmesserbestimmung sind bekannt. So wird bei sehr feinen Fäden mit einem Durch messer 200 Mikrometer nach der Fraunhoferschen Beu gung und bei sehr dicken Fäden nach der Laser-Scanning oder der Schattenmethode gearbeitet (DD-PS 1 15 200 und Schwerdtner, A. u. a. Optoelektronische Meßverfahren zur Durchmesserbestimmung von Fäden, Formeln, Faserstoffen, Fertigwaren (1988) 2, Seiten 24-30).

Aufgabe der Erfindung ist die Weiterentwicklung der be rührungslosen Lichtintensitätsmessung zu einem Verfahren mit zugehöriger Vorrichtung, die in der Lage ist, schnell und zuverlässig sowie automatisch die Doppelbrechungser mittlung bei Fäden mit beliebigen Gangunterschieden und deren Durchmesser möglich zu machen. Es soll dabei uner heblich sein, ob sich der zu prüfende Einzelfaden oder das Fadenbündel in Ruhe oder Bewegung befinden oder beim Spinn- oder Reckprozeß ihre Orientierung und/oder ihren Durchmesser ändern.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß man für die Doppelbrechungsmessung weißes und für die Durch messerbestimmung monochromatisches Licht benutzt. Hierbei wird das Prüfverfahren so durchgeführt, daß an derselben Fadenstelle gleichzeitig der Gangunterschied und der Durchmesser ermittelt werden, wobei zur Gangunter schiedsmessung das unter einem Winkel von 10 bis 40 Grad zum einfallenden Strahl gestreute Licht einer modulierten, weißen Lichtquelle durch Drehen eines Soleilkompensators auf das absolute Lichtintensitätsminimum erfaßt wird, wogegen die Durchmesserbestimmung mit einer monochromatischen Lichtquelle, vorzugsweise einem Laser, im Gleichlicht durch geführt wird und man in bekannter Weise dessen in Richtung des einfallenden Laserstrahles hinter dem Faden erzeugtes Beugungsbild mit der CCD-Zeile abtastet, den Abstand der Beugungsminima als umgekehrt es Maß für die Durchmesserbe stimmung ausnutzt und den Quotienten aus beiden Meßgrößen bildet.

Zur Durchführung des Prüfverfahrens wird eine Vorrichtung eingesetzt, bei der eine modulierbare weiße Lichtquelle, der eine Optik, eine quaderförmige Rechteckblende, deren Höhe gleich der einzustellenden Integrationslänge ist und deren Breite mindestens dem Lageschwankungsbereich des Fadens entspricht, und ein Polarisator nachgeschaltet sind, zu dem zu messenden Faden so angeordnet ist, daß in einem Winkel von 10 bis 40 Grad zum einfallenden Strahl über eine Rechteckblende mit anschließendem Soleilkompen sator und Analysator der Photoempfänger das vom Faden ge streute Licht erhält und der zugeordnete Resonanzverstär ker mit Tendenzerkennungseinheit, der auf die Modulations frequenz abgestimmt ist, mit dem Schrittmotor zum Antrieb des Soleilkompensators gekoppelt ist und daß der mit dem Soleilkompensator ebenfalls verbundene Winkelkodierer mit der Recheneinheit gekoppelt ist, die wiederum über den Komparator mit der CCD-Zeile mit integriertem Taktgenera tor so verbunden ist, daß das vom Faden über die Optik erzeugte Beugungsbild von der CCD-Zeile erfaßbar wird, wobei der Laser mit der Optik spiegelsymmetrisch zur Optik mit der CCD-Zeile angeordnet ist.

Sinnvoll ist es auch, die weiße Lichtquelle mit Gleich licht und den Laser mit Wechsellicht zu speisen.

Ferner kann es von Vorteil sein, wenn die modulierbare weiße Lichtquelle über ein Lichtleitkabel auf den Faden wirkt, wobei der Gesamtquerschnitt des Lichtleitkabels insgesamt ein Rechteck bildet.

Das Prüfverfahren und die Vorrichtung sind für die Über wachung des Spinnprozesses von monofilen oder polyfilen Fäden oder während des Reckprozesses von monofilen Fäden geeignet, um Vorgänge in diesen technologischen Stufen zu untersuchen, Fehlerquellen beim Fadenbildungsprozeß aufzudecken und den Prozeß zu regeln, damit eine konstante Orientierung, d. h. eine konstante Doppelbrechung oder ein konstanter Durchmesser beim Herstellungsprozeß von endlosen Fäden erzielt wird.

Die Anwendung des aufgezeigten Verfahrens und der Vor richtung ist besonders in der Chemiefaserindustrie zur Herstellung von Fäden aus Polyamiden, Polyestern und Polyolefinen geeignet.

Die Erfindung soll an zwei Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.

In der dazugehörigen Figur wird die Anordnung der Vor richtungselemente dargestellt.

Zur Gangunterschiedsmessung ist eine modulierbare weiße Lichtquelle 1 erforderlich, der eine Optik 2, eine qua derförmige Rechteckblende 3, deren Höhe gleich der einzu stellenden Integrationslänge entspricht und deren Breite im Lageschwankungsbereich des Fadens oder der Fäden 5 liegt, und ein Polarisator 4 nachgeschaltet sind.

In einem Winkel von 10 bis 40 Grad zum einfallenden Strahl erhält der Photoempfänger 9 über eine Rechteckblende 6 mit anschließendem Soleilkompensator 7 und Analysator 8 das vom Faden 5 gestreute Licht.

Dem Photoempfänger 9 ist der Resonanzverstärker 10 mit Tendenzerkennungseinheit zugeordnet. Der Resonanzver stärker 10 ist auf die Modulationsfrequenz abgestimmt und mit dem Schrittmotor 11 zum Antrieb des Soleilkompensa tors 7 verbunden. Der Soleilkompensator 7 ist gleich zeitig mit einem Winkelkodierer 12 mechanisch verbunden, der an die Recheneinheit 18 elektrisch angeschlossen ist.

Zur Durchmesserbestimmung ist der Laser 13 mit der Optik 14 notwendig. Spiegelsymmetrisch zum Faden 5 ist eine weitere Optik 15 mit CCD-Zeile 16 und Komparator 17 ange ordnet, der ebenfalls mit der Recheneinheit 18 verbunden ist.

Ausführungsbeispiel 1

Ein ungereckter und glänzender Polyamidfaden mit einem Durchmesser von 152 Mikrometer und einem Gangunterschied von 185 nm soll gemessen werden. Beim verwendeten Soleil kompensator 7 entsprechen dem Gangunterschied von 100 nm genau 360 Winkelgrade. Die Modulationsfrequenz der Xenon lampe 1 beträgt 50 Hz. Die Spalt breite der Rechteckblende liegt bei 15 mm. Der Ablenkwinkel beträgt 35 Grad. Nach Einbringen des Fadens 5 in die in der Figur angegebenen Position dreht der Schrittmotor 11 den Soleilkompensator 7 bis zum ersten relativen Lichtintensitätsminimum, das bei R1=161 nm liegt (Photostrom I=58 nA). Den nächsten Minima sind folgende Werte zugeordnet:

R2 = 777 nm (I = 75 nA),
R3 = 1522 nm (I = 100 nA) und
R4 = 2205 nm (I = 107 nA).

Die Tendenzerkennungseinheit im Resonanzverstärker 10 steuert den Schrittmotor 11 zum ersten Minimum zurück, das in diesem Beispiel gleich zum absoluten Lichtinten sitätsminimum wird. Der Winkelkodierer 12 meldet den dem Gangunterschied von 161 nm entsprechenden Winkel von 144,9 Grad an die Recheneinheit 18 weiter.

Gleichzeitig wird durch die Fraunhofersche Beugung am Faden 5 mit der vom Helium-Neon-Laser 13 stammenden Strahlung der doppelte Winkelabstand der Lichtintensitätsminima in der CCD-Zeile 16 mit dem Taktgenerator und dem Komparator 17 jeweils links und rechts des Hauptmaximums von 0,48 Grad ermittelt. Dieser Winkelabstand wird an die Rechenein heit 18 gemeldet, die aus dem Gangunterschied R1 und dem zum halben Winkelabstand, d. h. von 0,24 Grad, ge hörenden Durchmesser von 152 Mikrometer die Doppel brechung von 0,00106 ermittelt.

Die wegen des Ablenkwinkels von 35 Grad notwendige Kor rektur auf Grund des kleineren wirksamen Durchmessers ergibt dann die Doppelbrechung von 0,00122.

Ausführungsbeispiel 2

Mit der gleichen Anordnung wie im Ausführungsbeispiel 1 soll ein ungereckter und mattierter Polyamidfaden mit einem Durchmesser von 94 Mikrometer und einem Gangunter schied von 1222 nm gemessen werden. Die zu den verschie denen relativen Lichtintensitätsminima gehörenden Gong unterschiede und Photoströme ergeben sich wie folgt:

R1 = 166 nm
I = 69 nm (Maß für die Intensität)
R2 = 800 nm	I = 79 nm
R3 = 1609 nm	I = 86 nm
R4 = 2327 nm	I = 88 nm
R5 = 3042 nm	I = 90 nm

Der zum absoluten Lichtintensitätsminimum gehörende Gang unterschied R1 entspricht nicht dem wirklichen Gangun terschied von 1222 nm.

Ursache sind die zusätzlichen Eigenminima des Soleilkom pensators 7, deren Intensität mit dem Gangunterschied zu nimmt. Diese Eigenminima müssen vom Faden überkompensiert werden. Im Ausführungsbeispiel 1 lag der zu ermittelnde Gangunterschied im Bereich des absoluten Lichtintensitäts minimums des Soleilkompensators (R1 - Soleil = 185 nm mit I = 61 nA).

Im vorliegenden Beispiel müssen die Eigenminima des Sol eilkompensators überkompensiert werden. Aus Versuchen ergab sich für Polyamid - und Polyesterfäden ein einfach zu handhabendes Kriterium:

d. h. die Anzahl N der Faden pro Länge L muß mindestens in der Größenordnung von 0,5 mm^-1 liegen. Das bedeutet bei einer Spaltbreite von L=2 mm, daß ein Faden bereits genügt, aber bei 15 mm Spaltbreite sind mindestens 8 Fäden zur Oberkompensation erforderlich.

Die Ergebnisse für beide Spaltbreiten werden nachfolgend angegeben:

Bei der kleinen Spaltbreite (2 mm) liegt das absolute Lichtintensitätsminimum bei R2 und bei der größeren Spalt breite (15 mm) bei R3 und ergibt in beiden Fällen die richtige Größenordnung des Gangunterschiedes. Die Doppelbrechung liegt dann auch in der richtigen Größenordnung von 0,013. Die Korrektur des Durchmessers ist bei der hier vorliegen den Mattierung nicht notwendig.

Übersicht über verwendete Bezugszeichen

1 modulierbare weiße Lichtquelle
2 Optik
3 quaderförmige Rechteckblende
4 Polarisator
5 Faden
6 quaderförmige Rechteckblende
7 Soleilkompensator
8 Analysator
9 Photoempfänger
10 Resoanzverstärker mit Tendenzerkennungseinheit
11 Schrittmotor
12 Winkelkodierer
13 Laser
14 Optik
15 Optik
16 CCD-Zeile mit Taktgenerator
17 Komparator
18 Recheneinheit für die Quotientenbildung und Anzeige

Claims

1. Prüfverfahren zur automatischen und berührungslosen Messung der Doppelbrechung von Fäden mit beliebigen Gangunterschieden, gekennzeichnet dadurch, daß an derselben Fadenstelle gleichzeitig der Gangunterschied und der Durchmesser ermittelt werden, wobei zur Gang unterschiedsmessung das unter einem Winkel von 10 bis 40 Grad zum einfallenden Strahl gestreute Licht einer modulierten, weißen Lichtquelle durch Drehen eines Soleilkompensators auf das absolute Lichtintensitäts minimum erfaßt wird, wogegen die Durchmesserbestimmung mit einer monochromatischen Lichtquelle, vorzugsweise einem Laser, im Gleichlicht durchgeführt wird und man in bekannter Weise dessen in Richtung des einfallenden Laserstrahles hinter dem Faden erzeugtes Beugungsbild mit der CCD-Zeile abtastet, den Abstand der Beugungs minima als umgekehrtes Maß für die Durchmesserbestimmung ausnutzt und den Quotienten aus beiden Meßgrößen bildet.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Prüfverfahrens zur automatischen und berührungslosen Messung der Doppel brechung von Fäden mit beliebigen Gangunterschieden, gekennzeichnet dadurch, daß eine modulierbare weiße Lichtquelle (1), der eine Optik (2), eine quaderförmige Rechteckblende (3), deren Höhe gleich der einzustellen den Integrationslänge ist und deren Breite mindestens dem Lageschwankungsbereich des Fadens (5) entspricht und ein Polarisator (4) nachgeschaltet sind, zu dem zu messenden Faden (5) so angeordnet ist, daß in einem Winkel von 10 bis 40 Grad zum einfallenden Strahl über eine Rechteckblende (6) mit anschließendem Soleilkompen sator (7) und Analysator (8) der Photoempfänger (9) das vom Faden (5) gestreute Licht erhält und der zugeordnete Resonanzverstärker (10) mit Tendenzerkennungseinheit, der auf die Modulationsfrequenz abgestimmt ist, mit dem Schrittmotor (11) zum Antrieb des Soleilkompen sators (7) gekoppelt ist und daß der mit dem Soleil kompensator (7) ebenfalls verbundene Winkelkodierer (12) mit der Recheneinheit (18) gekoppelt ist, die wiederum über den Komparator (17) mit der CCD-Zeile (16) mit integriertem Taktgenerator so verbunden ist, daß das vom Faden (5) über die Optik (15) erzeugte Beu gungsbild von der CCD-Zeile (16) erfaßbar wird, wobei der Laser (13) mit der Optik (14) spiegelsymmetrisch zur Optik (15) mit CCD-Zeile (16) angeordnet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet dadurch, daß die weiße Lichtquelle mit Gleichlicht und der Laser mit Wechsellicht arbeiten.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet dadurch, daß bei Gleich- oder Wechsellichtbetrieb für beide Lichtquellen vor dem Photoempfänger ein Paßfilter angeordnet wird, dessen obere Wellenlängengrenze unter halb der roten Laserwellenlänge liegt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet dadurch, daß die modulierbare weiße Lichtquelle über Lichtleit kabel auf den Faden wirkt, wobei der Gesamtquerschnitt des Lichtleitkabels insgesamt ein Rechteck bildet.