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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Querschnittes von Erzeugnissen der Textilindustrie, insbesondere demjenigen von Garnen, Vorgarnen und Bändern, wobei das zu prüfende Textilerzeugnis in ein Schallfeld geführt wird, in dem sich mindestens eine Schallquelle und ein Schallempfänger befinden. Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
In der Textilindustrie werden aus der Kenntnis des Verlaufs des Querschnittes von Garnen, Vorgarnen und Bändern einerseits Rückschlüsse auf die Qualität des Spinnereiprozesses gezogen, anderseits dienen die aus der Qualitätskontrolle (wovon die Bestimmung des Querschnittsverlaufs eine Kontrollart darstellt) ermittelten Werte der Beurteilung des Erzeugnisses hinsichtlich seiner Verwendungsfähigkeit.
Eine objektive und von äusseren Einflüssen weitgehend unabhängige Messung des Querschnittes ist daher ein unbedingtes Erfordernis für diese Messeaufgabe. Bisher wurden im wesentlichen elektro-optische, kapazitive und pneumatische Einrichtungen zur Ermittlung des Garn-, Vorgarn- oder Bandquerschnittes angewendet. Dabei weist jedes dieser Systeme bestimmte Vor- und Nachteile auf, wobei die Anforderungen an die Messeeinrichtung an das daraus resultierende Signal darüber entscheiden, welches System in einem bestimmten Fall das geeignetere ist.
Im folgenden wird statt der Begriffe "Garn, Vorgarn und Bänder" lediglich der Ausdruck "Garn" verwendet, wobei aber stets die Gesamtheit dieser Erzeugnisse eingeschlossen ist.
Das bekannte elektro-optische System beruht auf der Schattenwirkung des einen Lichtstrahl durchlaufenden Garnes, wobei teilweise durch besondere Massnahmen das Garn gleichzeitig aus mehr als einer Richtung überprüft wird, um den räumlichen Querschnitt und nicht nur den aus einer einzigen Projektion resultierenden Querschnitt zu erhalten. Trotzdem sind als Nachteile beispielsweise zu bezeichnen : die Anfälligkeit des optischen Systems gegenüber Ablagerungen von Schmutz, Staub, Schwankungen der Lichtintensität infolge nicht konstanter Spannungen, das Ansprechen auf unterschiedliche Reflexionen des Prüfmaterials bzw. auf verschiedene Farbtönungen desselben.
Die Störeinflüsse können durch einen grossen Aufwand an elektrischen Schaltungsmitteln teilweise kompensiert werden. Die weitverbreitete kapazitive Abtastung der Garne ergibt wohl ein Messsignal, das den totalen Garnquerschnitt mit einer einzigen Messstrecke erfasst, ist aber gegenüber den dielektrischen Eigenschaften des Garnmaterials empfindlich. Die im Garn enthaltene natürliche Feuchtigkeit bildet einen Teil des Dielektrikums, so dass deren Schwankungen im Messsignal zutage treten. Zudem benötigt dieses Verfahren über lange Zeit stabile Hochfrequenzgeneratoren, was den schaltungsgemässen Aufwand ebenfalls erhöht.
Die Verwendung pneumatischer Systeme beschränkt sich im wesentlichen auf Vorgarne und Bänder ; dabei wird deren Einsatzbereich dadurch weiter eingeschränkt, dass das Material nicht berührungslos durch die Messeinheit gezogen werden kann. Mit Rücksicht auf die Festigkeit des Materials bleiben dadurch die Durchlaufgeschwindigkeiten und damit die zu bewältigenden Materialmengen sehr klein.
Aus der GB-PS Nr. 710, 124 ist es ferner bekannt, Materialdickemessungen in einem Schallfeld zwischen konusförmigen Schallwandlern durchzuführen. In einem Phasen-Indikator werden die durch das Prüfgerät verursachten Phasenänderungen ausgewertet.
Die Erfindung vermeidet diese Nachteile bei dem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch, dass erfindungsgemäss in dem sich zwischen Schallquelle und Schallempfänger ausbreitenden Schallfeld stehende Wellen gebildet werden, und dass die Bestimmung des Querschnittes des Textilerzeugnissses aus der Grösse der Störung der stehenden Welle gegenüber einer ungestörten stehenden Welle abgeleitet wird.
Dieser Erfindungsgedanke wird nun dadurch weiter verbessert, dass die stehenden Wellen in mindestens einem, mindestens angenähert auf die Arbeitsfrequenz oder einer deren Oberwellen abgestimmten Resonator gebildet werden.
Bevorzugt wird es, dass das Textilerzeugnis mindestens angenähert im Bereich des Geschwindigkeitsmaximums (bzw. Druckminimums) der stehenden Welle geführt wird oder dass das Textilerzeugnis mindestens angenähert im Bereiche des Druckmaximums (bzw. Geschwindigkeitsminimums) der stehenden Welle geführt wird. Zweckmässig ist es, dass der Resonator in einem Schallfeld verwendet wird, bei welchem die Distanz zwischen Schallquelle und Schallempfänger mindestens angenähert
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der halben Wellenlänge der Arbeitsfrequenz entspricht. Dabei kann vorgesehen sein, dass der Schall- quelle und/oder dem Schallempfänger je eine mindestens angenähert auf x/4 abgestimmte Resonanz- kammer zugeordnet wird.
Es ist ferner möglich, dass dem aus Schallquelle und Schallempfänger gebildeten Schallfeld ein Bezugsschallfeld mit Schallquelle und Bezugsschallempfänger zugeordnet wird, und dass das vom Schallempfänger abgegebene, durch das Textilerzeugnis gestörte Signal mit dem Signal des Bezugsschallempfängers verglichen wird. Dabei kann das vom Bezugsschall- empfänger gelieferte Bezugssignal für die Steuerung der Frequenz der Schallquelle herangezogen werden.
Die Erfindung umfasst auch eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Ver- fahrens die gekennzeichnet ist durch Resonatoren, die auf die Arbeitsfrequenz von Schallquelle und Schallempfänger abgestimmt sind. Dabei kann ein Bezugsschallempfänger zur Bildung eines ungestörten Signals vorgesehen sein. Es kann auch ein aus Bezugsschallquelle und Bezugsschall- empfänger bestehendes Bezugsschallfeld vorgesehen sein. Zweckmässigerweise ist das resultierende
Messsignal zur Steuerung von Garnreinigern eingesetzt worden. Gute Ergebnisse erzielt man durch ein mindestens angenähert auf die halbe Wellenlänge der Arbeitsfrequenz oder einer ihrer Ober- wellen abgestimmtes Schallfeld.
Es ist dabei möglich, dass das Textilerzeugnis im Bereich eines
Geschwindigkeitsmaximums (Druckminimums) der stehenden Welle geführt ist oder dass das Textilerzeugnis im Bereiche eines Geschwindigkeitsminimums (=Druckmaximum) der stehenden Welle geführt ist. In diesen Fällen wird der grösste Einfluss des Textilerzeugnisses auf die Laufzeit der Schall- wellen erreicht. Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Schallquelle und/oder dem Schallempfänger eine auf mindestens angenähert 1/4 Wellenlänge der Arbeitsfrequenz oder einer ihrer Oberwellen abgestimmte Resonanzkammer vorgelegt ist. Zweckmässigerweise ist vorgesehen, dass das Textilerzeugnis im Bereich des Austrittes der Schallwellen aus der Resonanzkammer der Schallquelle bzw. im Bereich des Eintrittes der Schallwellen in die Resonanzkammer des Schallempfängers geführt ist.
In bevorzugter Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass dem Bezugsschallempfänger ein Phasendiskriminator zugeordnet ist, mit dessen Bezugssignal die Frequenz der Schallquelle steuerbar ist.
Durch äussere Einflüsse, wie beispielsweise Luftdruck, Temperatur, kann sich die Laufzeit ändern. Um diese Einflüsse berücksichtigen zu können, kann eine Schallquelle zwei Schallempfänger bedienen, wovon ein Schallempfänger direkte Schallwellen, ein weiterer aber Schallwellen empfängt, deren Laufzeit durch das zu prüfende Textilerzeugnis verändert wurde, so dass die von den genannten Schallempfängern abgegebenen Signale miteinander verglichen werden können. Dadurch werden nur die Laufzeitänderungen, hervorgerufen durch das zu prüfende Textilerzeugnis, gemessen und die Störeinflüsse sind eliminiert.
Es kann ferner eine Vielzahl von Messstellen gleichzeitig überprüft werden, indem pro Messstelle jeweils eine Schallquelle einem Schallempfänger gegenübergestellt wird und eine einzelne Bezugsschallquelle mit Bezugsschallempfänger ohne Textilerzeugnis die Bezugslaufzeit liefert.
An Hand der Zeichnungen werden Ausführungsbeispiele der Erfindung erläutert. Dabei zeigen : Fig. 1 eine einfache Messeinrichtung, Fig. 2 eine Messeinrichtung mit Bezugsmessfeld, Fig. 3 eine Anordnung nach Fig. 2 für eine Mehrzahl von Messstellen, Fig. 4 ein Phasendiagramm, Fig. 5 ein auf die halbe Wellenlänge abgestimmtes Schallfeld mit angedeutetem Verlauf des Druckes bzw. der Geschwindigkeit, Fig. 6 und 7 die Anordnung gemäss Fig. 4 mit symmetrisch bzw. unsymmetrisch im Schallfeld orientiertem Textilerzeugnis, Fig. 8 und 9 Anordnungen mit unsymmetrisch angeordneten Resonanzkammern, Fig. 10 eine Anordnung mit symmetrisch angeordneten Resonanzkammern, Fig. 11 als Blockschema eine Regeleinrichtung zur Kompensation von Störeinflüssen.
In Fig. 1 stellt --10-- eine Schallquelle dar, die von einem Speisegerät bzw. Oszillator --11-mit Energie versorgt wird. Das Garn --15-- bewegt sich zwischen Schallquelle --10-- und Schall- empfänger --12- quer zur Schallrichtung und beeinflusst dabei die Laufzeit der Schallwellen in Funktion der Materialmenge. Bei hohen Frequenzen kann die Schallenergie hinreichend eng gebündelt werden, so dass ein erheblicher Teil der Schallenergie den Laufzeit bzw. Phasenänderungen unterworfen wird.
Die vom Schallempfänger --12-- abgegebene Spannung U 1 wird einem an sich bekannten Phasendiskriminator --13-- zugeführt, der aus dem empfangenen, in seiner Laufzeit ver- änderten Signal U1 und dem unveränderten Signal U2 ein resultierendes Messsignal U3 bildet, das in einer An-
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zeige-, Registrier- oder sonstigen Auswertevorrichtung --14-- zur Wirkung gebracht wird. Im Falle, dass die erfindungsgemässe Querschnittsbestimmung zur Reinigung von Garnen eingesetzt wird, enthält die Auswerteschaltung --14-- eine Schneidvorrichtung für die Trennung des Garns beim Auftreten von Fehlern vorgegebener Art.
Gemäss Fig. 2 ist die Anordnung dadurch erweitert, dass der Schallquelle --10-- zwei Schall- empfänger --12, 16-- gegenübergestellt sind, wovon jedoch nur einer, --12--, vom Textilerzeug-
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der das resultierende Messsignal U, wieder an die Auswertevorrichtung --14-- weitergibt.
In der Praxis ist die Bestimmung des Querschnittes von Garnen, Vorgarnen und Bändern gleichzeitig in gewissen Fällen an einer Vielzahl von nebeneinander angeordneten Verarbeitungsstellen zu ermitteln, wobei jeder Verarbeitungsstelle ein Messorgan zuzuordnen ist. Der Aufbau kann in diesem Fall gemäss Fig. 3 getroffen werden. Von einer Speisespannungsquelle --11-- werden eine Bezugsschallquelle --100-- und für jede Messstelle eine Schallquelle-10', 10", 10'"... 10"- versorgt. Der Bezugsschallquelle --100-- ist ein Bezugsschallempfänger --16-- gegenübergestellt, und den Schallquellen --10', 10", 10"'... 10"-- je ein Schallempfänger --12', 12", 12'''...12n--. Diesen ist analog der Anordung gemäss Fig. 2 je ein Phasendiskriminator --17', 17", 17'''...17n-- zugeord-
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2sen.
Fig. 4 zeigt als Diagramm den Verlauf --30-- der Phasenänderung fin Funktion der normierten Frequenz bzw. Wellenlänge. Dieses Verhalten ist an sich aus der Theorie der Schwingungen bekannt. Je nach der Resonanzschärfe (=Güte der Resonanzkreise) ist die Steilheit der Phasenänderung (Tangente --32--) im Wendepunkt 31 grösser oder kleiner, d. h. bei grosser Resonanzschärfe ist die Tangente --32-- steil, bei geringerer Resonanzschärfe weniger steil (Tangente --33--).
Werden nun die Resonanzbedingungen dadurch gestört, dass ein Textilerzeugnis in das Schallfeld eingebracht wird, ändern sich die Laufzeitbedingungen für das mindestens näherungsweise in Resonanz schwingende Schallfeld, wodurch erhebliche Phasenänderungen am Schallempfänger --12-- auftreten. Diese Phasenänderungen werden zu Signalen ausgewertet, die der Menge des in das Schallfeld eingeführten Materials entsprechen. Durch eine hohe Resonanzschärfe der Anordnung können bereits sehr kleine Materialmengen sehr gut messbare Signale erzeugen.
Gemäss Fig. 5 sind Schallquelle --10-- und Schallempfänger --12--, genau ausgedrückt deren druck-bzw. geschwindigkeitserzeugende bzw. aufnehmende Organe, um \/Z (= halbe Wellenlänge der Arbeitsfrequenz) distanziert. Bekanntlich bilden sich dabei, wenn die Begrenzungen des Schallfeldes durch reflektierende Flächen-18, 19-gebildet werden, stehende Wellen aus, bei denen einerseits die Geschwindigkeit der bewegten Luft, anderseits deren Druck örtlich konstant bleibt.
Werden diese stehenden Wellen durch ein in das Schallfeld verbrachtes Textilerzeugnis --15-- (Fig. 6) gestört, resultiert eine Phasenverschiebung undder Schallempfänger-12-erhält ein gegen- über dem ungestörten Zustand phasenverschobenes Schallsignal. Je nach der Menge des eingeführten Textilerzeugnisses wird diese Phasenänderung mehr oder weniger gross ausfallen.
Es gibt auch Unterschiede in der Grösse der Phasenänderung bei gleichbleibender Störgrösse in bezug auf die Stelle, wo die stehende Welle gestört wird. Am ausgeprägtesten sind diese Phasen- änderungen, wenn die Störung entweder in einem Schwingungsknoten oder in einem Schwingungsbauch auftritt. Schwingungsknoten bzw. -bäuche bilden sich bei der stehenden Welle an den Re- flexionsflächen-19, 18--einerseits, und in der Ebene in der halben Distanz zwischen denselben anderseits. Für die Auswertung dieser Erscheinung bedingt dies, dass das Textilerzeugnis-15-
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entlang einer derselben (Fig. 7) geführt wird.
Die Ausbildung stehender Wellen wird durch die Verwendung von Resonanzkammern erheblich
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erleichtert. Es wird damit nicht nur vermieden, dass die Schallquelle --10-- und der Schallempfän- ger --12-- mit (theoretisch unendlich grossen) Ref1 xionsflächen umgeben werden müssen, sondern es ist auch eine Konzentration der Schallenergie im Bereich des Materialdurchganges möglich.
In Fig. 8 ist eine Schallquelle --10-- mit Resonanzkammer --20-- gezeigt, der der Schall- empfänger --12-- in der Reflexionsfläche --19-- gegenübersteht. Die Resonanzkammer --20-- wird mit Vorteil auf ein Viertel der Wellenlänge der Arbeitsfrequenz abgestimmt. Die inverse Anordnung zeigt Fig. 9 mit einer den Schallempfänger --12-- umgebenden Resonanzkammer --22--.
Fig. 10 illustriert ein Schallfeld, das sich zwischen zwei Resonanzkammern --20, 22-- ausbrei- tet, von welchen eine die Schallquelle --10--, die andere den Schallempfänger --12-- umgibt. Der
Gewinn an Phasenänderungen ist bei dieser Anordnung am grössten, da die einander gegenüberlie- genden Öffnungen der Resonanzkammern --20, 22-- nur ein kleines Streufeld verursachen und der
Hauptanteil der Schallenergie von einer Resonanzkammer zur andern übergeht.
Die Wirkung der Resonanzkammer ist noch weiter dadurch steuerbar, dass die Grösse der Phasenänderung durch das Textilerzeugnis --15-- von ihrer Resonanzgüte abhängig ist.
Für die Beseitigung von äusseren Einflüssen, die sich auf die Laufzeit, auf die Resonanzfrequenz oder auf weitere Faktoren auswirken, und damit das aus den Phasenänderungen resultierende Signal verfälschen, können verschiedene Mittel herangezogen werden. In einem bevorzugten Fall ist eine Bezugseinrichtung notwendig, die den gleichen äusseren Einflüssen unterworfen ist wie das Mess- - Schallfeld, so dass alle die Laufzeit bzw. Phasenänderung bzw. die Schallgeschwindigkeit beeinflussenden Parameter in beiden Systemen gleichzeitig wirksam werden. Hiefür kann, wie bereits erwähnt, ein Schallfeld eingesetzt werden, das nicht vom zu prüfenden Textilerzeugnis beeinflusst wird. Dieses System liefert die Bezugsgrösse, mit der das vom Messsystem gelieferte Signal verglichen wird.
Eine andere vorteilhafte Ausbildung für die Kompensation der äusseren Einflüsse besteht darin, dass die Frequenz der Schallquelle derart gesteuert wird, dass die Phasenlage zwischen Schallgeber und-empfänger konstant bleibt. Hiezu wird gemäss Fig. 11 in einem Bezugsschallfeld mit Schallquel- le --100-- und Schallempfänger --16-- über einen Phasendiskriminator --113-- ein Steuersignal U13 erzeugt, welches auf den Oszillator --11-- für die Schallquelle --10-- derart einwirkt, dass die Frequenz in jedem Augenblick den durch die Distanz geforderten Bedingungen entspricht.
Zur Erzielung einer in bezug auf die Querschnittsschwankungen des Textilerzeugnisses --15-symmetrischen Phasenveränderung bei sich verdickendem oder verdünnendem Querschnitt des Textilerzeugnisses ist es weiter vorteilhaft, die Frequenz des leeren Schallfeldes auf einen Wert 35 (Fig. 4) abzustimmen, der an der Grenze des praktisch linearen Teiles der Phasenkennlinie liegt.
Durch das Einführen des zu prüfenden Textilerzeugnisses --15-- wird der Arbeitspunkt auf der Phasenkennlinie gegen den Wendepunkt 31 und über diesen hinaus verschoben, so dass die um einen mittleren Wert des Querschnittes schwankenden positiven und negativen Abweichungen von diesem Mittelwert mindestens angenähert gleiche Phasenänderungen hervorrufen.
Die Resonanzbedingungen lassen sich auch verwirklichen, wenn die geometrischen Abmessungen der Resonanzkammern auf eine der Oberwellen der Arbeitsfrequenz abgestimmt werden.
Das erfindungsgemässe Verfahren und die entsprechenden Vorrichtungen sind universell einsetzbar ; die resultierenden Messsignale U, (bzw. U,,, U, ...) können entweder als Messwerte für den verlauf des Querschnittes angezeigt oder registriert werden (Messung), oder sie können als Steuergrössen für die Regelung von Einrichtungen dienen, die auf die Grösse des Querschnittes des Textilerzeugnisses bei dessen Bildung zurückwirken (Regulierung) oder sie können Organe steuern, die das Textilerzeugnis beim Auftreten unzulässiger Abweichungen vom mittleren Querschnitt durchtrennen (Reinigung).
Mit Vorteil werden Schallquelle und Schallempfänger im Gebiet des oberen Teiles des hörbaren Spektrums bzw. im Ultraschallbereich betrieben, was einerseits störende Geräusche durch die Schallquellen vermindert, anderseits kleine Abmessungen der Prüfapparatur zulässt, da die einzuhaltenden Grössen der Bauteile weitgehend von der Wellenlänge der eingesetzten Schallwellen bestimmt wird.