WO2002088013A1

WO2002088013A1 - Fadenspannungsmesser, basierend auf einem fotolastischen messprinzip

Info

Publication number: WO2002088013A1
Application number: PCT/EP2002/003691
Authority: WO
Inventors: Stefano Dr.-Ing. Lamprillo
Original assignee: Iropa Ag
Priority date: 2001-04-10
Filing date: 2002-04-03
Publication date: 2002-11-07
Also published as: DE10117878A1

Abstract

Bei einem Fadenspannungsmesser (M) für einen an einem stationären Deflektor (D) umgelenkten Faden, von welchem in einer Auswerteschaltung (6) entsprechend der mit der Fadenspannung (t) korrespondierenden Last (K) Ausgangssignale (i) abgeleitet werden und im Lastübertragungsweg wenigstens eine Transducer-Einrichtung (E) vorgesehen ist, weist die Transducer-Einrichtung (E) ein lichtdurchlässiges, elastisch deformierbar angeordnetes, fotoelastisches Element (S) und eine an die Auswerteschaltung (6) angeschlossenen, optoelektronische Abtasteinrichtung (A) für zumindest eine lastabhängig variierende optische Eigenschaft des fotoelastischen Elements (S) auf.

Description

FADENSPANNUNGSMESSER, BASIEREND AUF EINEM FOTOLASTISCHEN MESSPRINZIP

Die Erfindung betrifft einen Fadenspannungsmesser gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.

Fadenspannungsmesser haben bei ruhendem oder laufendem Faden aus der sehr kleinen Last des am Deflektor umgelenkten Fadens präzise Angaben zur Fadenspannung zu liefern. Aus der von der kleinen Last des Fadens resultierenden Deformation muss die Fadenspannung in einem fadenverarbeitenden System, z.B. einer Webmaschine mit Schuss-Fadenliefergeräten, trotz arbeitsbedingter Vibrationen und bei laufendem Faden variierender Reibungseinflüsse sauber ermittelt werden. In der Praxis wurden für diesen Zweck Fadenspannungsmesser entwickelt, die mit Dehnungsmesselementen oder piezoelektrischen Elementen arbeiten, die von der Auswerteschaltung analysiert werden. Um hierbei eine klare Messung der Fadenspannung innerhalb eines großen Messbereiches und trotz der vom Faden stammenden und der äußeren Einflüsse sicherzustellen, ist ein hoher elektronischer und vorrichtungstechnischer Aufwand erforderlich. Die bekannten Fadenspannungsmesser sind teure und empfindliche Geräte, die in fadenverarbeitenden Systemen meist in großer Anzahl installiert sind. Bei Dehnungsmessstreifen oder piezoelektrischen Elementen wird das Phänomen genutzt, dass deren Materialien unter einer mechanischen Last ihre elektrischen Eigenschaften verändern und über die Veränderungen Rückschlüsse auf die mechanische Spannungszustände bewirkenden Last ermöglichen. Beispielsweise variiert der elektrische Innenwiderstand oder eine verformungsbedingt abgegebene e- lektrische Spannung. Zum Ableiten einigermaßen brauchbarer Nutzsignale ist jedoch hoher elektronischer Aufwand notwendig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen baulich einfachen und funktionssicheren, kostengünstig herstellbaren Fadenspannungsmesser einer anderen Art zu schaffen, der einen großen Messbereich hat und mit moderatem elektronischem Aufwand klare Ausgangssignaϊe ableiten lässt.

Die gestellte Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. In Abkehr vom konventionellen Prinzip, die elastische Deformation in der Transducer- einrichtung direkt auf elektronischem Weg abzugreifen und auszuwerten, wird das Phänomen der Doppelbrechung eines fotoelastischen, deformierbaren Elements zum Messen der Fadenspannung eingesetzt. Aus der Deformation des fotoelastischen E- lementes wird auf optoelektronischem Weg mit polarisiertem Licht über die Änderung des Brechungsverhaltens anhand der Intensität des austretenden Lichts abgetastet, die sich mit einer Änderung des inneren Spannungszustandes im fotoelastischen E- lement ändert. Das fotoelastische Element besteht aus einem dielektrischen Material, das transparent und normalerweise zumindest weitestgehend isotrop ist. Dieses Material wird anisotrop, sobald es einer mechanischen Spannungskondition unterworfen wird. Die dadurch induzierte Anisotropie resultiert in unterschiedlichen Brechungsindizes für verschiedene Lichtwellen-Polarisierungsrichtungen unter Bezug auf die hauptsächlichen Spannungen im Inneren des Elements. Über die Intensität des austretenden Lichts lässt sich die Spannungskondition detektieren. Eine in etwa senkrecht auftreffende Lichtwellenfront polarisierten Lichts wird in zwei Wellen aufgeteilt, die sich im Inneren des Elementes mit zwei unterschiedlichen Geschwindigkeiten fortpflanzen, da es entlang der Hauptachsen im Element unterschiedliche Brechungsindizes vorfindet. Daraus resultiert im austretenden Licht eine Phasendifferenz; das Element agiert wie ein uniaxialer Kristall, bei dem die Intensität des austretenden Lichtes einer analytischen Gleichung folgt, die leicht ableitbar ist. Da die Hauptspannungen im Element in der Praxis kaum parallel zu den Polarisierungsachsen orientiert sind, lassen sich die Spannungskonditionen anhand des austretenden Lichtes einfach durch dessen Isoch- romate abtasten. Praktisch über die gesamte Ausdehnung des Elementes führt die spezielle Anordnung zu einem nahezu konstanten Phasenversatz oder einer Phasendifferenz, wodurch sich die beiden durchgehenden Lichtwellen gegenseitig beeinflussen. Durch Auswerten des schließlich aufgefangenen Lichtes in Relation zum beaufschlagenden Licht lassen sich die momentanen Spannungskonditionen im fotoelastischen Element mit geringem elektronischen Aufwand innerhalb eines weiten Messbereichs beurteilen. Daraus kann die Fadenspannung präzise abgeleitet werden. Die Ausgangscharakterist ist nicht linear, sondern in erster Annäherung quadratisch. Durch geeignete, bekannte Linearisierungsverfahren kann die Fadenspannung jedoch mit hoher Präzision gemessen werden. Da die Fadenspannung indirekt über die auf optoelektronischem Weg ermittelte innere Spannungskondition des elastischen Ele- ments ermittelt wird, und zwar unter Nutzung des Effekts der Fotoelastizität bzw. der Doppelbrechung und unterstützt durch die geometrischen Voraussetzungen, lassen sich starke und aussagefähige Nutzsignale zum Messen der Fadenspannung erzielen. Dies geschieht mit moderatem elektronischem Aufwand. Der mechanische Aufbau des Fadenspannungsmessers ist einfach. Der Fadenspannungsmesser lässt sich kostengünstig produzieren, ist unempfindlich, kompakt und deshalb in fadenverarbeitenden Systemen optimal zu installieren. Erfindungsgemäß wird das Phänomen fotoelastischen Materials genutzt, das unter durch die mechanische Last der Fadenspannung hervorgerufenen inneren Spannungszuständen seine optischen Eigenschaften verändert und damit Rückschlüsse auf das Ausmaß der Last und die Fadenspannung ermöglicht. Damit ist gemeint, dass fotoelastisches Material bei Beleuchtung oder Durchleuchtung beispielsweise mit polarisiertem Licht sein Brechungsverhalten oder das Verhältnis zwischen aufgebrachtem und durchgelassenem Licht mit der Last ändert, wobei zusätzlich die Geometrie des fotoelastischen Elements eingesetzt wird, um starke und aussagefähige Ausgangssignale innerhalb eines weiten Messbereiches abzuleiten. Da das Ausgangssignal stark und innerhalb eines weiten Bereichs aussagefähig variiert und eindeutiges Verhältnis zwischen der Änderung des mechanischen Spannungszustandes und der Veränderung der optischen Eigenschaften gegeben ist, bleibt der notwendige elektronische Aufwand zum Auswerten des Ausgangssignals gering. Außerdem lässt sich der Fadenspannungsmesser kostengünstig, einfach und kompakt gestalten, wobei der Einsatz des Mediums Licht als außerordentlich vorteilhaft für die präzise Messung so geringer Kräfte, wie sie aus der Fadenspannung eines dünnen Fadens resultieren, von Vorteil ist. Dazu kommt, dass das fotoelastische Elemente als hauptsächliche aktive Komponente des Fadenspannungsmessers nur berührungslos durch das Licht abgetastet wird, was den Aufbau vereinfacht, da an dem fotoelastischen Element kein direkter elektrischer Abgriff benötigt wird.

Das Phänomen der Fotoelastizität nutzende Messeinrichtungen für große Kräfte, Drücke oder andere Messwerte sind bekannt aus US 4466295 A und US 3 971 934 A.

Zweckmäßig wird der Faden-Deflektor direkt mittels des fotoelastischen Elements in der Lagerung abgestützt, so dass jegliche aus der Fadenspannung resultierende Kraft in das fotoelastische Element eingeleitet wird und in diesem einen mechanischen Spannungszustand induziert, der strikt lastabhängig variiert und sich mit Licht stö- rungsunempfindlich abtasten lässt.

Günstig ist ein fotoelastisches Element in Plattenform, von dem der Faden-Deflektor einseitig auskragend absteht und dabei einen Faden kontaktbereich aufweist, der von der nächstliegenden Plattenoberfläche mit einem Torsionshebelarm beabstandet ist. Auf diese Weise wird das fotoelastische Element primär einer Torsion mit Scherbelastungen unterworfen, gegebenenfalls in Verbindung mit einer Biegung, da das fotoelastische Element besonders empfindlich auf Torsion anspricht. Die optische Achse der optoelektronischen Abtasteinrichtung durchsetzt die Platte quer zum Plattenverlauf, vorzugsweise in etwa senkrecht zu den Plattenoberflächen, so dass eine kritische Lichtkollimation innerhalb eines zu langen Lichtweges im fotoelastischen Element vermieden wird. Die gelagerte Masse des fotoelastischen Elements beträgt dabei nur ein Minimum, so dass speziell für die Anwendung bei der Fadenspannungsmessung eine günstige Eigenresonanzfrequenz beispielsweise in der Größenordnung von etwa 1 kHz mit guten unmittelbarem Ansprechverhalten erzielt wird.

Sehr praktikabel ist eine streifenförmige Platte, die an gegenüberliegenden Längsenden in der Lagerung stationär festgelegt ist, wobei die Plattenbreite ein Vielfaches der Plattenstärke beträgt. Die optische Achse der optoelektronischen Abtasteinrichtung durchsetzt die streifenförmige Platte senkrecht zur Plattenhauptebene und im Abstand vom Faden-Deflektor und einem eingespannten Längsende, d.h. in einem Bereich, in dem die mechanische Torsions-Spannung im fotoelastischen Element nahezu homogen ist, was das Positionieren der optischen Achse der optoelektronischen Abtasteinrichtung vereinfacht.

Alternativ könnte das fotoelastische Element eine einseitig eingespannte Platte sein, die im Abstand von der im Festlegungsbereich direkt vom Faden kontaktiert wird und somit selbst den Faden-Deflektor bildet, oder einen Fadenführer zum Kontakt mit dem Faden trägt. Die Platte wird unter der Last aus der Fadenspannung bei dieser Ausführungsform im Wesentlichen auf Biegung belastet. Als Material für das fotoelastische Element eignet sich besonders isotroper oder qua- si-isotropen Kunststoff oder isotropes optisches Glas. Für die Verwendung im Fadenspannungsmesser eignet sich allerdings auch Kunststoff oder optisches Glas mit einer einigermaßen definierten, vorzugsweise herstellungsbedingten, optischen Lichtdurchgangsachse. Solche Materialien sind normalerweise isotrop und werden in einem mechanischen Spannungszustand anisotrop. Besonders zweckmäßig ist ein fotoelastischer Kunststoff wie Polycarbonat, der handelsüblich mit den gewünschten Materialspezifikationen erhältlich ist. Die induzierte Anisotropie resultiert in unterschiedlichen Brechungsindizes für unterschiedliche Licht-Polarisierungsrichtungen in Bezug auf die hauptsächlichen Spannungen im Inneren des fotoelastischen Elements. Die Spannungskondition kann detektiert werden durch Messen der Intensität des austretenden Lichts, wobei das fotoelastische Element zwischen zwei linearen Polarisierungselementen mit sich kreuzenden Polarisierungsachsen platziert ist.

Da es für die Verwendung des fotoelastischen Elements in dem Fadenspannungsmesser wichtig ist, im weitgehend belastungsfreien Zustand möglichst wenig herstellungsbedingte Spannungen im Inneren zu haben, sollen bei einer aus einer Kunststofffolie ausgeschnittenen Platte zumindest die frei verlaufenden Schnittränder geschliffen sein, um "eingefrorene" Spannungen zu eliminieren. Die Platte wird mit Übermaß zugeschnitten und dann zumindest in den freiliegenden Schnitträndern durch Schleifen auf die notwendige Plattenbreite gebracht, um unerwünschte Einflüsse auf die Messgenauigkeit zu minimieren.

Um den Einfluss von Fremdlicht oder dgl. zu minimieren, sollte das fotoelastische Element außerhalb des Durchgangsbereiches der optischen Achse der optoelektronischen Abtasteinrichtung eine lichtundurchlässige Abdeckung aufweisen, z.B. einen Farbauftrag.

In der optoelektronischen Abtasteinrichtung sollte die Lichtquelle ein zumindest quasi monochromatisches Licht aussenden. Ein erstes Polarisierelement zwischen der Lichtquelle und dem fotoelastischen Element nimmt eine nur lineare Polarisierung des Lichts vor, das auf das fotoelastische Element auftrifft. An der gegenüberliegenden Seite wird ein zweites Polarisierelement platziert, dessen Polarisierungsachse gegen- über der Polarisierungsachse des ersten Polarisierelementes mit einem vorbestimmten Winkel versetzt ist, beispielsweise 90 %. Dahinter wird der Empfänger positioniert. Durch Abstimmen der Drehpositionen der ersten und zweiten Polarisierelemente relativ zueinander und relativ zur optischen Lichtdurchgangsachse des fotoelastischen Elements, wird eine Positionierung ermittelt, bei der ohne Belastung des fotoelastischen Elementes oder mit einer minimalen Belastung eine minimale Lichttransmission eintritt, während die Lichttransmission innerhalb eines breiten Abtastbereichs mit aufgebrachter Last und steigender Fadenspannung gesetzmäßig bis zu einem Maximum zunimmt. Es kann zweckmäßig sein, die Polarisierelemente dreheinstellbar anzuordnen, um für sie die beste Orientierung in Relation zum fotoelastischen Element einstellen zu können. Es ist so stets möglich, zwei orthogonale Positionen zu finden, in denen die Lichtlöschung zwischen den sich kreuzenden Polarisierelementen nahezu perfekt ist, z.B. besser als 0,1 %. Dabei ist es zweckmäßig, das fotoelastische Element nur weitgehend reiner Torsion zu unterwerfen, damit der Fadenspannungsmesser eine geringe Vibrationsempfindlichkeit zeigt.

Als Lichtquelle ist eine Rotlicht-LED zweckmäßig, während der Empfänger ein Fotoelement wie ein Fototransistor sein kann. Die Ausgangscharakteristik ist nicht linear, sondern in erster Annäherung quadratisch, d.h., die Intensität des aus dem zweiten Polarisierelement austretenden Lichtes folgt einem analytischen Ausdruck, der einfach abgeleitet werden kann. Beispielsweise ist die Intensität des austretenden Lichts proportional zum quadrierten Wert des durch die Last aufgebrachten Drehmoments, so dass über den gleichbleibenden Torsionshebelarm der Last direkt die Fadenspannung ermittelt wird.

Zweckmäßigerweise ist der Faden-Deflektor ein Keramikstab oder Keramikrohr, vorzugsweise mit rundem Querschnitt, der mit einer Halterung auf der Platte festgelegt ist und sich in etwa senkrecht zur Plattenoberfläche erstreckt. Keramisches Material hat gute Verschleißfestigkeit gegen die Abrasion des Fadens, ist leicht, temperaturunempfindlich und dämpfend.

Bei einer konkreten Ausführungsform wird die Platte hochkant zwischen zwei Lagerböcken festgelegt, so dass sie den Zwischenraum zwischen den Lagerböcken über- brückt. In einem Lagerbock sind den beiden Plattenoberflächen zugewandte erste und zweite plattenförmige Polarisierelemente enthalten, deren Drehposition zweckmäßigerweise einstellbar ist. Die Lichtquelle und der Empfänger, die ebenfalls in diesem Lagerbock untergebracht sind, definieren die optische Achse der optoelektronischen Abtasteinrichtung, die die Platte senkrecht zur Plattenoberfläche durchdringt, und zwar im Abstand von der Stelle, an der der Faden-Deflektor aus der Last eine Torsion in der Platte erzeugt, und auch im Abstand vom Festlegungsbereich der Platte. Dieses Baukonzept führt zu geringer Vibrationsempfindlichkeit des Fadenspannungsmessers und zu einem guten und unmittelbaren Ansprechverhalten des Fadenspannungsmessers auf Fadenspannungsänderungen.

Baulich einfach wird an dem Grundkörper auch ein brückenförmiger Halter mit Fadenführern angeordnet, die mit dem Faden-Deflektor den Fadenweg durch den Fadenspannungsmesser festlegen. Gegebenenfalls wird ein zusätzlicher Fadenführer in unmittelbarer Nähe des Faden-Deflektors platziert, damit der Faden den Faden-Deflektor in gleichbleibendem Abstand von der Platte beaufschlagt, selbst wenn die Abstände zu den Fadenführern in Fadenlaufrichtung relativ groß gewählt werden. Dabei reicht ein kleiner Umlenkwinkel des Fadens aus, was dessen mechanische Belastung (Reibung, Beugung) minimiert.

Ausführungsformen des Erfindungsgegenstandes werden anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Perspektivansicht eines Fadenspannungsmessers,

Fig. 2 eine Schemadarstellung zu dem Fadenspannungsmesser von Fig. 1 , und

Fig. 3 schematisch eine abgewandelte Ausführungsform eines Fadenspannungsmessers.

Ein Fadenspannungsmesser M in Fig. 1 ist zum Einsatz an fadenverarbeitenden Systemen vorgesehen, um die Spannung in einem laufenden oder ruhenden Faden F zu messen bzw. ein die Fadenspannung repräsentierendes Ausgangssignal bereitzustellen, gegebenenfalls zum Steuern wenigstens einer zugeordneten Komponente wie beispielsweise einer steuerbaren Fadenbremse (nicht gezeigt). Ein typischer Einsatzort des Fadenspannungsmessers M ist der Fadenweg zwischen einem Fadenliefergerät und einer Webmaschine.

Der Fadenspannungsmesser M weist einen Grundkörper 1 und einen brückenartigen Halter 2 für zwei aufeinander ausgerichtete Fadenführer 3 auf, die einen vorbestimmten, geraden Fadenweg durch den Fadenspannungsmesser M definieren. Der Faden F wird an einem Deflektor D umgelenkt, in der gezeigten Ausführungsform an einem Stab oder Rohr 12, beispielsweise aus keramischem Material und mit rundem Querschnitt. Der Faden F lastet auf dem Faden-Deflektor D in einem vorbestimmten Kontaktbereich 14, in welchem der Faden F durch einen nicht gezeigten, weiteren Fadenführer gehalten werden kann.

Am Grundkörper 1 sind beiderseits eines Zwischenraums 17 Lagerböcke 4, 5 angeordnet. Im Lagerbock 5 ist eine optoelektronische Abtasteinrichtung A angeordnet, bestehend aus einer Lichtquelle LS, beispielsweise einer Rotlicht-LED 12, einem ersten Polarisierelement Pj in Form einer viereckigen oder runden Platte, die im Lagerbock 5 drehverstellbar ist; einem mit Abstand gegenüberliegenden zweiten Polarisierelement Po, ebenfalls in Form einer viereckigen oder runden Platte, die drehverstellbar angeordnet sein kann, und einem Empfänger R, beispielsweise einem Fotoelement oder Fototransistor 13. Die Lichtquelle LS und der Empfänger R sind über Leitungen mit einer Auswerteschaltung 6 verbunden, die ein Signal i liefert.

Ein fotoelastisches Element E, beispielsweise mit der Form einer langgestreckten, dünnen Platte S, ist mit einem Längsende in einem Festlegungsbereich 7 im Lagerbock 7 und z.B. wie hier auch mit dem anderen Längsende in einem Festlegungsbereich 8 im Lagerbock 5 eingespannt. Zwischen den Festlegungsbereichen 7 und 8 erstreckt sich die Platte S hier hochkant stehend. Die Platte S hat zueinander parallele Plattenoberflächen 9 und ebenfalls zueinander parallele Plattenrandflächen 10. An der Platte S ist der Faden-Deflektor D mit einer Halterung 11 bewegungsübertragend festgelegt. Da der Faden F den Faden-Deflektor D im Kontaktbereich 14 mit einer Last K beaufschlagt, die als Reaktionskraft aus der Fadenspannung abgeleitet ist, der Faden-Deflektor einseitig frei auskragt, und der Kontaktbereich 14 einen Torsionshebelarm zur Platte S hat, wird von der Last K in der Platte S reine Torsion erzeugt, die im Inneren der Platte S einen Torsionsspannungszustand bewirkt, der sich im Ausmaß nach der Last K richtet. Hierfür ist es zweckmäßig, die Platte S an zwei gegenüberliegenden Endbereichen festzulegen und dazwischen zu tordieren.

Die Platte S besteht beispielsweise aus dielektrischem, transparentem, normalerweise zumindest quasi-isotropem Material wie optischem Glas oder Kunststoff (amorphes organisches Glas, oder Kunststoff mit kubischem Kristallgitter) und wird im Falle einer inneren Torsionsspannungskondition anisotrop. Aus der Anisotropie resultieren für unterschiedliche Lichtwellen-Polarisierungsrichtungen unterschiedliche Brechungsindizes in Bezug auf die hauptsächlichen Spannungen im Inneren des fotoelastischen Elements.

Ist nun, wie bei dem Spannungsmesser M in Fig. 1, das fotoelastische Element E zwischen zwei linearen Polarisierelementen Pj, P_σ angeordnet, derart, dass die optische Achse der optoelektronischen Abtasteinrichtung A im Abstand vom Festlegungsbereich 8 und von der Halterung 11 und in etwa senkrecht zu den Plattenoberflächen 9 durch die Platte S gerichtet ist, dann lässt sich die Spannungskondition detektieren durch Messen der Intensität des Lichtes, das aus der durchleuchteten Platte austritt. Dabei sind die Polarisierelemente so angeordnet, dass ihre Polarisierungsachsen einander kreuzen. Durch Abstimmen der relativen Drehstellungen der Polarisierelemente auf die Lichtdurchgangsachse des fotoelastischen Elements lässt sich eine weitgehende Lichtauslöschung bei weitestgehend spannungsfreier Kondition des fotoelastischen Elementes einstellen. Mit zunehmender Torsionsspannung im Inneren des fotoelastischen Elementes steigt die Intensität des austretenden Lichtes. Diese Intensitätsvariation wird vom Empfänger R registriert und in der Auswerteschaltung 6 in ein Ausgangssignal i umgewandelt, aus dem sich die Fadenspannung ermitteln lässt.

Die Lichtintensität ist zumindest in etwa proportional zum quadrierten Wert des aufgebrachten, die Torsionsspannung hervorrufenden Drehmoments, resultierend aus der Last K und dem Torsionshebelarm des Fadenkontaktbereichs 14 zur Platte S. Als Platte kann ein Polycarbonat, z.B. bekannt mit dem Handelsnamen optisches LE- XAN, verwendet werden mit einer Dicke von beispielsweise 1 bis 2 mm. Die Polarisierelemente Pi, Po sind sogenannte Polaroide. Die Lichtquelle LS erzeugt z.B. ein quasi-monochromatisches Licht. Polycarbonat in Plattenform ist normalerweise nicht isotrop. Herstellungsbedingt kann es jedoch eine optische Lichtdurchgangsache besitzen, selbst wenn es nicht unter mechanische Spannung gesetzt ist. Mittels der beiden Polarisierelemente lassen sich zwei orthogonale Positionen finden, mit denen die Lichtauslöschung zwischen den Polarisierelementen nahezu perfekt ist, beispielsweise besser als 0,1 %. Da das fotoelastische Element nur tordierbar angeordnet ist, arbeitet es mit geringer Vibrationsempfindlichkeit.

Das Verhalten unter reiner Torsionsspannung sei anhand Fig. 2 erläutert. Die Platte S, beispielsweise aus Polycarbonat, hat eine Breite h, eine Länge I und eine Dicke b. Sie ist am linken Ende im Festlegungsbereiche 7 festgelegt. Am anderen Ende wird ein Drehmoment T aufgebracht. Dadurch erscheint in der Platte S ein gleichförmiger Spannungsstatus als ein Spannungstensor. Dieser modifiziert den dielektrischen Tensor, so dass die Platte S ein anisotropes Verhalten bekommt. Die hauptsächlichen Spannungen liegen auf der XY-Ebene, so dass ihre Richtung zu keiner Zeit parallel zu den Achsen der beiden Polarisierelemente Pj, P₀ sind, deren Achsen hauptsächlich in der X-Richtung orientiert sind. Jede senkrecht auf der Platte S auftreffende Lichtwellenfront wird in zwei Wellen aufgeteilt, die sich in der Platte S mit zwei unterschiedlichen Geschwindigkeiten fortpflanzen, und zwar als Folge der unterschiedlichen Brechungsindizes entlang zweier Hauptachsen. Daraus resultiert eine Phasendifferenz, wobei sich aus der gewählten Anordnung nahezu über die gesamte Plattenerstreckung eine konstante Phasenverzögerung ergibt, zumindest was die Isochromaten des Lichts betrifft. Das von dem zweiten Polarisierelement P₀ austretenden Licht folgt einer analytischen Gleichung, die leicht abgeleitet werden kann.

Da sich die beiden Wellen- oder Schwingungskomponenten durch die Platte mit einer Gesamtphasendifferenz fortpflanzen, und die Amplituden der aus dem zweiten Polarisierelement austretenden Lichtwellen oder Lichtschwingungen ohne weiteres herausfindbar sind, kommt es zwischen den beiden Wellen zu einer Interferenz, die letztend- lieh für die Variation des austretenden und vom Empfänger registrierten Lichts verantwortlich ist.

Die aus Polycarbonat bestehende Platte hat beispielsweise eine Länge von 50 mm, eine Breite von 20 mm und eine Dicke von 2 mm und lässt sich mit der optoelektronischen Abtasteinrichtung A zuverlässig zum Ableiten eines aussagefähigen Ausgangssignals abtasten, insbesondere unter Aufbringen einer Torsionsspannung, um die Fadenspannung messen zu können.

In Fig. 3 ist schematisch eine andere Anordnung des fotoelastischen Elements E gezeigt. Das fotoelastische Element E ist wieder eine Platte S mit zueinander parallelen Plattenoberflächen 9 und Plattenrandflächen 10. Wie bei der Ausführungsform der Platte S in den Fig. 1 und 2 ist die Platte aus einer Polycarbonatfolie parallel zu ihrer Hauptrichtung ausgeschnitten, wobei diese Hauptrichtung übereinstimmen sollte mit de Hauptdimension der Folie. Die Platte wird mit einer größeren Weite als benötigt ausgeschnitten. Die korrekte Dimension wird durch Schleifen zumindest der Längsschnittränder hergestellt, um eingefrorene oder innenliegende Spannungszustände von der Herstellung und/oder dem Zuschneiden der Platte zu beseitigen. Zweckmäßig sind die nicht benutzten Oberflächen der Platte mit lichtundurchlässigen Abschirmungen versehen, z.B. mit einem Farbauftrag C in Fig. 1.

In der Variante in Fig. 3 ist die Platte S nur im Lagerbock 4 im Festlegungsbereich 7 einseitig eingespannt. Sie kragt mit dem anderen Ende frei aus. Die Platte S kann direkt als der Faden-Deflektor D dienen, indem der Faden F direkt über die_^Platte und im Kontaktbereich 14 umgelenkt wird, um die Last K abzugeben. Die optoelektronische Abtasteinrichtung A ist zwischen dem Festlegungsbereich 7 und dem Kontaktbereich 14 so angeordnet, dass ihre optische Achse in etwa senkrecht zu den Plattenoberflächen 9 und mit Abstand von den Längsrändern die Platte durchsetzt.

In der gestrichelten Alternativ in Fig. 3 ist am freien Ende der Platte S ein Fadenführer 15 direkt oder mit einer Halterung 16 festgelegt, der den Kontaktbereich 14 für den Faden F bildet. In dieser Auslegung wird die Platte hauptsächlich auf Biegung beaufschlagt, so dass mit der optoelektronischen Abtasteinrichtung A die inneren Biege- Spannungen detektiert und aus den Biegespannungskonditionen über die Variation der Intensität des austretenden Lichts auf die Fadenspannung geschlossen wird. Das Abtastprinzip kann auch mit dem Doppelbrechungsphänomen (birefringence) umschrieben werden. Die Auswerteschaltung ist relativ einfach. Sie dient auch zum Aktivieren der Lichtquelle LS und zum Polarisieren des Fotoelements, z.B. eines Fototransistors 13. Das Ausgangssignal wird z.B. über einen ca. 10 K-Ohm Lastwiderstand abgelesen, in Verbindung mit einem 10 nF Parallelfilter-Kondensator, und kann direkt an ein Oszilloskop geleitet werden, und zwar ohne weitere Verstärkung oder Konditionierung. Die visuelle Darstellung wird jeweils anhand von beispielsweise 16 Durchschnittsmustern durchgeführt. Die Verbindungsleitungen zur Auswerteschaltung, und dann weiter, sollten zweckmäßigerweise gut abgeschirmt sein, um dem Fadenspannungssignal so wenig Rauschen wie möglich zu überlagern.

Am besten geeignet zum Messen der Fadenspannung scheint eine Anordnung ähnlich der in Fig. 1 , d.h. ein plattenförmiges fotoelastisches Element, das mit der Last K aus der Fadenspannung im Wesentlichen rein auf Torsion belastet wird und beidendig eingespannt ist. Durch Abtasten nur der inneren Torsionsspannungen, mit dem kurzen Durchgangsweg des Lichts durch die geringe Dicke der Platte und senkrecht zu den Plattenoberflächen, mit der abgestimmten Ausrichtung der sich kreuzenden Polarisierungsachsen der linearen Polarisierelemente, und mit beispielsweise rotem Licht, lässt sich die Fadenspannung innerhalb eines weiten, d. h. gespreizten Bereiches präzise messen, wobei eine geringe Änderung der Fadenspannung bereits zu einer deutlichen Änderung der Intensität des austretenden Lichts führt. Durch die reine Torsionsspannung im fotoelastischen Element ist der Fadenspannungsmesser relativ unempfindlich gegen anders orientierte Vibrationen, wie sie meist in fadenverarbeitenden Systemen, z.B. an einer Webmaschine, unvermeidbar sind. Der Fadenspannungsmesser M ist kompakt, baulich einfach und besteht aus wenigen und kostengünstigen Teilen. Er ist betriebssicher und universell einsetzbar.

Claims

Patentansprüche

1. Fadenspannungsmesser (M) für einen innerhalb eines festgelegten Fadenwegs an einem stationär gelagerten Deflektor (D) umgelenkten Faden (F), mit einer elektronischen Auswerteschaltung (6), die aus der vom Deflektor (D) aufgenommenen, mechanischen und mit der Fadenspannung (t) korrespondierenden Last (K) Ausgangssignale (i) ableitet, wobei im Lastubertragungsweg vom Deflektor (D) in die Lagerung (4, 5) wenigstens eine lastabhängig deformierbare und von der Auswerteschaltung überwachte Transducer-Einrichtung (E) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Transducer-Einrichtung (E) ein lichtdurchlässiges, unter der Fadenspannung (t) im Fadenspannungsmesser (M) elastisch deformierbar angeordnetes, fotoelastisches Element (S) und eine an die Auswerteschaltung (6) angeschlossene, optoelektronische Abtasteinrichtung (A) für zumindest eine lastabhängig variierende optische Eigenschaft des mit Licht (L) beaufschlagten fotoelastischen Elements (S) aufweist.

2. Fadenspannungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Faden-Deflektor (D) mittels des fotoelastischen Elements (S) in der Lagerung (4, 5) abgestützt ist.

3. Fadenspannungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das fotoelastische Element (S) plattenförmig ausgebildet und an wenigstens einem Plat- tenrandbereich in der Lagerung (4, 5) festgelegt ist, dass der Faden-Deflektor (D) im Abstand vom Festlegebereich (7, 8) einseitig auskragend mit einer Richtung quer zum vom Festlegebereich (7, 8) ausgehenden Plattenverlauf am fotoelastischem Element (S) angebracht ist und einen vorbestimmten Fadenkontaktbereich (14) aufweist, der von der dem Fadenkontaktbereich nächstliegenden Plattenoberfläche (9) oder Plat- tenrandfläche (10) mit einem Torsionshebelarm beabstandet ist, und dass zur Messung der Fadenspannung (t) anhand einer von der Last (K) erzeugten Torsion (T) mit Scherbelastungen im fotoelastischen Element (S) die optoelektronische Abtasteinrichtung (A) eine optische Achse (X) aufweist, die das fotoelastische Element (S) quer zum Plattenverlauf und in Richtung des Plattenverlaufs mit einem Abstand vom Fa- den-Deflektor (D) und dem Festlegebereich (7, 8) durchsetzt, vorzugsweise in etwa senkrecht zu einer Plattenoberfläche (9)

4. Fadenspannungsmesser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das fotoelastische Element (S) eine streifenförmige Platte und an gegenüberliegenden Längsenden in der Lagerung (4, 5) stationär festgelegt ist, dass der Faden-Deflektor (D) in etwa quer zur Längsrichtung der Platte orientiert und zwischen den Längsenden an der Platte gehaltert ist, und dass die optoelektronische Abtasteinrichtung (A) zwischen der Halterung (11) des Faden-Deflektors (D) und einem Längsende der Platte mit ihrer optischen Achse (X) im Wesentlichen senkrecht zur Plattenoberfläche (10) angeordnet ist.

5. Fadenspannungsmesser nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das fotoelastische Element (S) als der Faden-Deflektor (D) eine in der Lagerung (4) zumindest einseitig festgelegte Platte umfasst, die entweder direkt durch den kontaktierenden Faden (F) oder mittelbar über einen an der Platte angeordneten Fadenführer (15) mit der Last (K) in etwa senkrecht zur Plattenoberfläche (10) in biegendem Sinn beaufschlagt ist.

6. Fadenspannungsmesser nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das fotoelastische Element (S) aus isotropem Kunststoff oder optischem Glas besteht.

7. Fadenspannungsmesser nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das fotoelastische Element (S) aus einem Kunststoff oder optischem Glas mit einer definierten, vorzugsweise herstellungsbedingten, optischen Lichtdurchgangsachse besteht.

8. Fadenspannungsmesser nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das fotoelastische Element (S) aus Polycarbonat, z.B. Handelsname optisches LEXAN, besteht.

9. Fadenspannungsmesser nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das fotoelastische Element (S) eine aus einer Folie ausgeschnittene, ebene und lichtdurchlässige Platte ist, deren vom Festlegungsbereich (7, 8) ausgehende oder sich zwischen endseitigen Festlegungsbereichen erstreckende Schneidrandflächen (10) geschliffen sind.

10. Fadenspannungsmesser nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das fotoelastische Element (S) außerhalb des Durchgangsbereiches der optischen Achse (X) der optoelektronischen Abtasteinrichtung (A) eine lichtundurchlässige Abdeckung (C) aufweist, vorzugsweise einen Farbauftrag.

11. Fadenspannungsmesser nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die optoelektronische Abtasteinrichtung (A) eine Lichtquelle (LS) für zumindest quasi monochromatisches und/oder polarisiertes Licht (L), zwischen der Lichtquelle (LS) und dem fotoelastischen Element (S) ein erstes Polarisierelement (Pj), in Richtung der optischen Achse (X) und bei der gegenüberliegenden Oberfläche des fotoelastischen Elements (S) ein zweites Polarisierelement (P₀) mit gegenüber der Polarisierungsachse des ersten Polarisierelements mit vorbestimmtem Winkel um die optische Achse (X) verdrehter Polarisierungsachse, die vorzugsweise gemeinsam eine Licht- Doppelbrechung (birefringense) verursachen und dahinter einen Empfänger (R) aufweist.

12. Fadenspannungsmesser nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (LS) eine Rotlicht-LED (12) und der Empfänger (R) ein Fotoelement (13) sind.

13. Fadenspannungsmesser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Faden-Deflektor (D) ein Keramikstab oder -röhr (12), vorzugsweise mit rundem Querschnitt, ist, der mit seiner Halterung (11) auf der Platte festgelegt ist und sich in etwa senkrecht zur Plattenoberfläche (10) erstreckt.

14. Fadenspannungsmesser nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an einem Grundkörper (1) des Fadenspannungs- messers (M) zwei mit einem Zwischenraum (17) beabstandete Lagerböcke (4, 5) vorgesehen sind, dass die Platte an beiden Enden in den Lagerböcken (4, 5) festgelegt ist, vorzugsweise hochkant liegend, und sich durch den Zwischenraum (17) erstreckt, dass der Deflektor (D) im Zwischenraum an der Platte angebracht ist und mit einem den Fadenkontaktbereich (14) aufweisenden Ende gegenüber den Lagerböcken (4, 5) vorsteht, dass in einem Lagerbock (5) den beiden Plattenoberflächen (10) zugewandte erste und zweite plattenförmige Polarisierelemente (Pj, B) enthalten sind, und dass die Lichtquelle (LS) und der Empfänger (R) im Lagerbock (5) an den ersten und zweiten Polarisierelementen (Pj, P_σ) platziert sind.

15. Fadenspannungsmesser nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass am Grundkörper (1) unterhalb des Zwischenraums (17) und des Endes des Faden- Deflektors (D) ein brückenförmiger Halter (2) mit zwei aufeinander ausgerichteten Fadenführern (3) angeordnet ist, die mit dem Faden-Deflektor (D) den Fadenweg durch den Fadenspannungsmesser (M) definieren.