Verfahren und Vorrichtung für die kapazitive Bestimmung des Verlaufes des Gewichts pro Längeneinheit an Textilmaterial
In der Textilindustrie besteht das Bedürfnis nach Messmethoden für die Bestimmung des Verlaufes des Gewichts pro Längen einheit an Textilmaterial, beispielsweise an Bändern, Vorgarnen und Garnen der Spinnerei. Es sind bereits zahlreiche Verfahren be- kanntgeworden, welche gestatten, diese Bestimmung mit einer in vielen Fällen hinreichenden Genauigkeit durchzuführen. Dabei hat es sich gezeigt, dass die kapazitive Messung mit Hilfe des Hochfrequenz-Messkondensators gesamthaft gesehen eine sehr vorteilhafte Lösung darstellt. In vielen Anwendungsfällen genügt jedoch die Genauigkeit der Anzeige des Gewichts pro Längen einheit aller bekannten - auf kapazitiver Messung beruhenden - Verfahren noch nicht.
In den bekannten Verfahren und den entsprechenden Vorrichtungen, welche einen Hochfrequenz-Messkondensator benützen, werden im Prinzip zwei in einem bestimmten Abstand parallel zueinander angeordnete Kondensatorelektroden verwendet. Das zu prüfende Textilmaterial wird dabei durch den Luit- raum zwischen den beiden Kondensatorelektroden derart hindurchgeführt, dass es sich im wesentlichen in Richtung der Äquipotentiallinien des elektrischen Feldes, das sich zwischen den Kondensatorelektroden ausbreitet, bewegt. Das Textilmaterial bewirkt hierbei, entsprechend seinem Gewicht pro Längeneinheit, eine mehr oder weniger starke Verdrängung der Luft, welche eine Dielektrizitätskonstante von annähernd 1 aufweist.
An Stelle der verdrängten Luft tritt das Textilmaterial selbst, und zwar mit einer Dielektrizitätskonstante grösser als 1, was eine entsprechende Vergrösserung der Kapazität des Messkondensators zur Folge hat. Auf diese Weise lässt sich ein elektrisches Signal gewinnen, welches bei zweckmässiger Ausbildung des Messkondensators und der zugeordneten elektrischen Schaltung dem Gewicht pro Längeneinheit des sich momentan zwischen den Kondensatorelektroden befindlichen Textilmaterials - unter der Annahme idealer BedinguNngen-genau proprotional sein sollte.
Unter der Annahme idealer Bedingungen können nämlich Plattenkondensatoren, welche zwischen den Platten ein textiles Prüfgut aufweisen, als Schichtkondensatoren betrachtet werden. Dabei können die Dielektrika mit verschiedener Dielektrizitätskonstante zu einzelnen in sich homogenen Schichten zusammengefasst werden, welche auch dieselben Flächendimensionen wie die Kondensatorelektroden aufweisen. In einem absolut homogenen Kondensatorfeld ist nun die Kapazität eines solchen Schichtkondensators unabhängig davon, wo sich das Dielektrikum mit der Dielektrizitätskonstanten grösser als 1 zwischen den Kondensatorplatten befindet, d. h. ob es an einer der Platten anliegt oder ob es sich in der Mitte des Raumes zwischen den Platten befindet.
Die praktische Verwendung solcher bekannten Messkondensatoren, bei welchen das Textilmaterial in Richtung der Äquipotentiaiffächen durch den Luftraum des Messkondensators bewegt wird, zeigt jedoch, dass die Anzeige dem Gewicht pro Längeneinheit des Textilmaterials nicht in dem Masse proportional ist, wie dies wünschbar und unter der Annahme idealer Bedingungen zu erwarten wäre. Solche Messkondensatoren weisen nämlich die Eigenschaft auf, dass das sich zwischen den Kondensatorplatten ausbreitende elektrische, ursprünglich annähernd homogene Feld durch das Einführen des Textilmaterials in den Raum zwischen den beiden Kondensatorelektroden verzerrt, d. h. unhomogen wird.
Wird beispielsweise Textilmaterial in die Mitte des Raumes zwischen den Kondensatorelektroden eingeführt, so dass zwischen den Elektroden und dem Textilmaterial beidseitig noch Luft vorhanden ist, so ergibt sich eine bestimmte Kapazitätsveränderung. Erfolgt nun eine Verschiebung des Textilmaterials gegen eine Elektrode hin, welche gegenüber Erdpotential Spannung aufweist, so ergibt sich fälschlicherweise eine weitere Kapazitäts änderung, obwohl sich das Gewicht des sich zwischen den Elektroden befindlichen Textilmaterials nicht ver ändert hat.
Liegt das Textilmaterial eng an einer spannungsführenden Elektrode an, so treten nämlich vermehrt Feldlinien in das Textilmaterial ein, und zwar einerseits innerhalb der Kondensatorelektroden aus den an das Textilmaterial angrenzenden Teilen der Kondensatorplatten sowie auch insbesondere im Ge Gebiete des Randfeldes des Plattenkondensators. Somit bewirken auch blosse Lageänderungen eines zwischen den Elektroden ruhenden Textilmaterialabschnittes fälschlicherweise Kapazitätsänderungen. Solche Lage änderungen lassen sich nun leider bei Messungen von Textilien nie gänzlich vermeiden.
Für die Messung des Gewichts pro Längeneinheit von Endlosgarnen wirkt sich die erwähnte Feldverzerrung und die dadurch hervorgerufene, dem Gewicht pro Längeneinheit des Textilmaterials nicht mehr proportionale Kapazitätsänderung besonders störend aus. Einerseits deshalb, weil die Endlosgarne eine sehr starke Materialkonzentration aufweisen und anderseits, weil diese in vielen Fällen bändchenförmigen Querschnitt angenommen haben, wobei sich das Endlosgarn bei der Prüfung im Messkondensator stets dreht. Da diese beiden Eigenschaften die unerwünschte Verzerrung des elektrischen Feldes besonders begünsrigen, übertreffen in vielen Fällen die hierdurch hervorgerufenen unerwünschten Kapazitätsänderungen diejenigen Kapazitätsänderungen, die den wirklichen Schwankungen des Gewichts pro Längeneinheit tatsächlich entsprechen.
Für zuverlässige Messungen von Endlosgarnen mussten daher bisher die durch Form und Lage derselben verursachten fehlerhaften Kapazitätsänderungen durch spezielle mechanische Vorrichtungen eliminiert werden, beispielsweise durch Verdrillung des Textilmaterials im Gebiete des Messkondensators mittels rotierender Organe sowie weiter durch sehr genaue Führungsorgane.
Aber auch bei Textilmaterial aus Stapelfasern kann unter Umständen beobachtet werden, dass in bisher üblichen Messkondensatoren Kapazitätsänderungen erfolgen, welche nicht durch entsprechende Schwankungen des Gewichts pro Längeneinheit im Textilmaterial bedingt sind. Dies zeigt sich besonders bei Karden- und Streckenbändern, welche einerseits relativ kleine Gewichtsschwankungen pro Längeneinheit aufweisen, bei welchen anderseits aber innerhalb der relativ grossen Materialquerschnitte eine erhleb- liche Inhomogenität der Faserverteilung möglich ist. Solche Inhomogenitäten der Faserverteilung haben starke Verzerrungen des elektrischen Feldes von Plattenkondensatoren zur Folge, welche sich als Messfehler sehr stark störend bemerkbar machen.
Die vorliegende Erfindung überwindet diese Nachteile und betrifft ein Verfahren für die kapazitive Bestimmung des Verlaufes des Gewichtes pro Längeneinheit von Textilmaterial und ist dadurch gekennzeichnet, dass das zu prüfende Textilmaterial vermittels Führungsvorrichtungen derart durch einen hierfür vorgesehenen Bereich eines Messfeldes eines elektrischen Messkondensators geführt wird, dass die mit der Fortbewegungsrichtung des Textilmaterials zusammenfaliende Längskomponente des elektrischen Feldes des Messkondensators im wesentlichen grösser ist als die Querkomponente.
Die Erfindung bezieht sich auch auf eine Vorrichtung zur Durchführung des genannten Verfahrens und ist gekennzeichnet durch Führungsvorrichtungen, mit welchen das zu prüfende Textilmaterial derart durch das Messfeld eines elektrischen Messkondensators geführt wird, dass dessen in die Fortbewegungs- richtung des Textilmaterials fallende Längskomponente im wesentlichen grösser ist als die Querkomponente.
Anhand von Figuren werden das erfindungsgemässe Verfahren und zu seiner Durchführung geeignete Vorrichtungen erläutert. Dabei zeigen schematisch:
Fig. la ein Elektrodenpaar mit dem zu prüfenden Textilmaterial,
Fig. lb eine andere Ausführungsform des Elektrodenpaars gemäss Fig. la,
Fig. 2 eine Messanordnung mit zwei aufeinanderfolgenden Messfeldern,
Fig. 3 eine andere mögliche Messanordnung mit zwei aufeinanderfolgenden Messfeldern,
Fig. 4-eine erweiterte Messanordnung mit vier aufeinanderfolgenden kompensierten Messfeldern,
Fig. 5 eine Messanordnung mit zwei aufeinanderfolgenden Messfeldern und einer Abschirmung,
Fig. 6 eine Messanordnung mit kammförmig ausgebildeten Elektroden,
Fig. 6a ein konstruktives Detail der Anordnung nach Fig. 6 im Schnitt,
Fig. 7 eine Messanordnung mit mehreren parallel geschalteten Messfeldern verschiedener Elektrodenabstände.
In der Anordnung gemäss Fig. 1 la stehen sich zwei Kondensatorelektroden 1, 2 gegenüber, zwischen welchen sich ein elektrisches Feld E ausbreitet, sobald die Kondensatorelektroden an eine Wechselspannung angelegt werden, welche beispielsweise von der Wechselspannungsquelle 5 geliefert wird. Das zu prüfende Textilmaterial 4 wird vermittels der Führungsorgane 3, 3' so über die Kondensatorelektroden 1, 2 geitlhrt, dass es sich in einem Bereiche möglichst konstanter Feldliniendichte befindet. Die Bewegungsrichtung des Textilmaterials 4 ist dabei absichtlich so gewählt, dass sie mit der Richtung der sich zwischen den Kondensatorelektroden 1, 2 verlaufenden elektrischen Feldlinien e möglichst übereinstimmt.
Durch die in den Kondensatorelektroden 1, 2 vorgesehenen Schlitze 1', 2' wird das Textilmaterial 4 zudem in ein solches Gebiet des elektrischen Feldes E verlegt, in welchem die Feldliniendichte als konstant anzusehen ist. Es wäre auch denkbar, in den Kondensatorelektroden 1 und 2 je eine durchgehende Bohrung vorzusehen und das Textilmaterial 4 durch diese Bohrungen hindurchzuziehen. Solche Bohrungen haben aber den Nachteil, dass das Textilmaterial 4 für die Zwecke der Messung in dieselben eingefädelt werden muss, was beim Einlegen in die Einkerbungen 1', 2' nicht nötig ist.
Dieser Nachteil kann aber dadurch umgangen werden, dass die Bohrung nach einer Richtung aufgeschlitzt wird (Fig. lb), so dass das Textilmaterial 4, ohne es zu trennen, in das Messfeld eingelegt werden kann.
Da das Textilmaterial 4 in der Richtung der elektrischen Feldlinien e verläuft, sind nach dem eingangs Erwähnten die Messeigenschaften des auf diese Weise gebildeten Schichtkondensators bedeutend vorteilhafter als diejenigen eines üblichen Plattenkondensators mit transversalem Durchgang des Prüfgutes in Richtung der Äquipotentialflächen.
Durch das Textilmaterial 4 verursachte Veränderungen des elektrischen Feldes, welche sich in einer scheinbaren Vergrösserung der Kondensatorplatten und damit der Gesamtkapazität äussern, sind bei einer Anordnung nach Fig. 1 nur durch Variationen des Substanzquerschnitts des Textilmaterials 4 möglich.
Da sich das Textilmaterial 4 immer über dem ganzen Plattenabstand b verteilt befindet, sind die Bedingungen, unter welchen die genannte Veränderung des elektrischen Feldes erfolgt, praktisch immer die gleichen. Dadurch sind die Messfehler verursachenden Kapazitätsänderungen der Messanordnung, welche durch blosse Lage- oder Formänderungen des Textilmaterials 4 hervorgerufen werden, weitgehend beseitigt.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemässen Anordnung besteht darin, dass das sich an den Randzonen der Kondensatorelektroden 1, 2 ausbildende Streufeld vom Textilmaterial 4 gar nicht tangiert wird.
Hierdurch können weder Inhomogenitäten in der Faserverteilung innerhalb des Substanzquerschnitts, noch ein von der Kreisform abweichender Querschnitt des Textilmaterials 4 scheinbare, nicht durch wirkliche Änderungen des Gewichts pro Längeneinheit verursachte Kapazitätsänderungen hervorrufen. Die Gesamtkapazität der Messanordnung ist daher nur vom Gewicht pro Längeneinheit des Textilmaterials 4, das sich zwischen den Elektroden 1 und 2 befindet, ab hängig.
Die in der Messanordnung gewonnenen Kapazitätsänderungen werden in einer elektrischen Schaltung 6, beispielsweise einer Brückenschaltung, in an sich bekannter Weise in ein dem Gewicht pro Längen einheit des Textilmaterials 4 proportionales elektrisches Signal umgeformt. Dieses elektrische Signal wird seinerseits in einem Gleichrichter 7a demoduliert, hierauf in einem Verstärker 7b verstärkt und hernach weiteren Anzeige- und Regelorganen, beispielsweise einem Anzeigeinstrument 8, zugeführt. Die Reihenfolge kann auch umgekehrt sein, d. h. zuerst kann die Verstärkung der Brückenspannung und hierauf Demodulation erfolgen.
Fig. 2 zeigt eine elektrische Parallelschaltung von zwei in der Bewegungsrichtung des Textilmaterials 4 hintereinanderliegenden Messkondensatoren gemäss Fig. 1. Sie bestehen aus den drei Elektroden 1, 2 und 11, von welchen die Elektroden 1 und 11 elektrisch parallel geschaltete sind. Die Elektrode 2 ist beiden Teilen der Messanordnung gemeinsam. Die Elektroden 1 und 11 sind geerdet, wodurch erreicht wird, dass die Elektrode 2 gegen äussere störende Einflüsse abgeschirmt wird. Diese Vermehrung der Messfelder gestattet, mit grösseren durch das Textilmaterial 4 hervorgerufenen totalen Kapazitätsänderungen zu arbeiten als bei einem einfachen Kondensator, wodurch die Messgenauigkeit vergrössert wird.
In Fig. 3 ist eine Messanordnung dargestellt, bei welcher das Textilmaterial 4 durch drei auf einer Grundplatte 16 montierte, versetzt angeordnete Elektroden 1, 2 und 11 geführt wird. Die Richtung der elektrischen Feldlinien ist in diesem Falle gegenüber der Richtung des Textilmaterials 4 zwar etwas geneigt.
Solange aber der von den beiden genannten Richtun gen - der des Textilmaterials 4 und der der Feld linien-eingeschlossene Winkel sehr spitz ist, herrschen im wesentlichen noch die gleichen Bedingungen hinsichtlich der Beeinflussung des elektrischen Feldes durch das Textilmaterial 4 wie bei den Messanordnungen gemäss den Fig. 1 und 2. Eine Anordnung gemäss Fig. 3 wird mit Vorteil für die Messung voluminöser Bänder und Vorgarne gewählt. Die Querschnittsform der Elektroden 1, 2, 11 kann sowohl zylindrisch als auch beliebig prismatisch sein.
Fig. 4 zeigt eine Erweiterung der in Fig. 3 gezeigten Anordnung, wobei die Zahl der wirksamen Messfelder auf vier erhöht wurde. Ausserdem stehen den Kondensatorelektroden 1, 11, 21 und 2, 12 je eine weitere Kondensatorelektrode 13, 23, 33 gegenüber.
Dadurch wird erreicht, dass ausser den Nutzfeldern zwischen den Kondensatorelektroden 1-2-11-1221, welche vom Textilmaterial 4 durchlaufen werden, sich noch eine gleiche Anzahl weiterer gleichartiger elektrischer Felder zwischen den Kondensatorelektroden 13 - 2 - 23 - 12 - 33 ausbildet. Bei geeigneter Schaltungsanordnung dienen diese zweiten vom Textilmaterial 4 unbeeinflussten Kondensatorfelder dazu, alle störenden, in der Umgebung der Kondensatorelektroden wirksamen Einflüsse (Temperatur, Feuchtigkeit usw.) so weit zu kompensieren, dass praktisch nur die effektiven Schwankungen des Gewichts pro Längeneinheit im Textilmaterial 4 äquivalente Kapazitätsänderungen hervorrufen.
Die beispielsweise als Messbrücke ausgebildete elektrische Schaltung 6 ist für diese Anordnung so getroffen, dass das Nutzfeld in dem einen Zweig und das Kompensationsfeld in einem anderen Zweig der Brückenschaltung liegt, so dass alle gleichzeitig und mit gleicher Intensität auf die beiden elektrischen Felder wirkenden Einflüsse, welche unerwünschte Kapa zitätsänderungen vernrsachen, kein elektrisches Signal am Ausgang der Messbrücke hervorrufen.
Eine Messanordnung mit abgeschirmten Elektroden zeigt Fig. 5. Die Abschirmung ist als geerdete Platte 14 schematisch angedeutet und bezweckt, störende Einflüsse - beispielsweise durch Berührung auf die wirksame Elektrode 2 auszuschalten. Die Form der geerdeten Platte 14 ist je nach der Anordnung der Elektroden 1, 2, 11 und eventueller Führungsorgane 3, 3' von Fall zu Fall verschieden.
Eine Anzahl von einander gegenüberstehenden Elektroden gemäss Fig. 2 können konstruktiv so zusammengefasst werden, dass kammartig ineinandergreifende Elektrodenanordnungen entstehen, wie es Fig. 6 zeigt. Einer ersten Kammelektrode 9 mit vier Platten steht eine zweite Kammelektrode 10 mit fünf Platten gegenüber, so dass sich insgesamt acht einzelne parallel geschaltete Messfelder bilden, über welche das Textilmaterial 4 hinwegbewegt wird. Solche Kammelektroden sind konstruktiv sehr einfach zu bauen; insbesondere können sie aus solchen Materialien hergestellt werden, die für die Verwendung mit Textilmaterial 4 weitere wesentliche Eigenschaften aufweisen.
Bekanntlich greifen Textilmaterialien, insbesondere die synthetischen Endlosgarne, alle Oberflächen stark an, sobald gleitende Reibung zwischen den Textilmaterialien und den genannten Oberflächen auftritt.
Es ist deshalb erforderlich, dass die der Führung des Textilmaterials 4 dienenden Organe, das sind einerseits die Führungsorgane 3, 3' und anderseits die dem Textilmaterial 4 zunächst stehenden Flächen der Schlitze 1', 2', aus sehr widerstandsfähigem Werkstoff hergestellt werden. Da die Elektroden 1, 2, 11, 12, 21 resp. die Kammelektroden 9, 10 der erfindungsgemässen Vorrichtungen gleichzeitig als Führungsorgane ausgebildet sein können und infolgedessen der Reibung mit dem sich in Längsrichtung bewegenden Textilmaterial 4 unterworfen sind, können sie beispielsweise aus Metall, welches mindestens an den Berüh rungsstellen mit einem sehr harten Überzug, beispielsweise Hartchrom, versehen ist, hergestellt werden.
Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, die genannten Elektroden aus gesinterter keramischer Masse, welche an sich sehr hart und widerstandsfähig ist, herzustellen. Da die wirksamen Kapazitäten zwischen den Elektroden sehr klein sind, ist es nicht notwendig, die Elektroden aus elektrisch leitendem Material herzustellen. Es genügt vielmehr, wenn die Elektroden selbst aus einer an sich isolierenden keramischen Masse mit hoher relativer Dielektrizitätskonstante e bestehen. Zur Erhöhung der Leitfähigkeit können solche keramischen Elektroden an den mechanisch nicht beanspruchten Stellen zudem mit einem Metallüberzug 15 (Fig. 6a), beispielsweise aus Silber, versehen werden. In Fig. 6a ist der Metallüberzug 15 in der Draufsicht durch Punktierung, im Schnitt durch eine den Umriss der Elektroden umgebende Linie angedeutet.
Für die praktische Durchführung von Messaufgaben, bei welchen das Gewicht pro Längeneinheit von Textilmaterial 4 mit Hilfe von Hochfrequenzkondensatoren in eine elektrische Grösse umgeformt wird, ist es wichtig, dass das Verhältnis zwischen der totalen Elektrodenfläche der Kondensatoren und dem vom Textilmaterial 4 eingenommenen Querschnitt, der sogenannte Füllfaktor, nicht zu gross, jedoch auch nicht zu klein gewählt wird. Bei zu grossem Füllfaktor ist die Proportionalität zwischen dem Gewicht pro Längen einheit des Textilmaterials 4 und der resultierenden elektrischen Grösse nicht mehr gewährleistet.
Sollen nun mit Hilfe eines Hochfrequenzkondensators sehr grosse Bereiche des Gewichts pro Längeneinheit von Textilmaterial 4 beliebiger Art gemessen werden, so erfordert dies, dass Messanordnungen mit verschiedenen Elektrodenabständen verwendet werden. Es besteht beispielsweise die Möglichkeit, für bestimmte Bereiche des Gewichts pro Längeneinheit verschiedene Messanordnungen vorzusehen, die untereinander auswechselbar sind. Dies führt aber zu erheblichen konstruktiven Schwierigkeiten.
Eine andere Möglichkeit für die Unterbringung verschiedener Messbereiche besteht darin, dass in einer Messanordnung gemäss der Fig. 5 mehrere Messstrekken mit verschiedenen Elektrodenabständen auf einer gemeinsamen Grundplatte 16 befestigt werden. Fig. 7 zeigt eine solche beispielsweise Anordnung mit insgesamt vier Messbereichen. Ein erster Messbereich entsteht zwischen den Kondensatorelektroden 1 und 2, ein zweiter zwischen den Kondensatorelektroden 2 und 11, ein dritter zwischen den Kondensatorelektroden 11 und 12 und ein vierter endlich zwischen den Kondensatorelektroden 12 und 21.
Ein und dasselbe Textilmaterial 4 wird nun bei einer solchen Anordnung der Kondensatorelektroden im ersten Messbereich die kleinste, im zweiten Messbereich eine etwas grössere, im dritten eine noch grössere und im vierten Messbereich die grösste Kapazitätsänderung hervorrufen. Hierdurch lassen sich also mehrere, für verschiedene Bereiche des Gewichts pro Längeneinheit des Textilmaterials bestimmte Messanordnungen in einer einzigen zusammenfassen.
Die Wechselspannungsquelle 5 und die elektrische Schaltung 6 können, wie dies in den Fig. 2, 5 und 7 gezeigt ist, einseitig geerdet sein. Die Kondensatorelektroden 1, 2, 11, 12 und 21 können aber auch erdsymmetrisch mit der Wechselspannungsquelle 5 verbunden sein. Für jede Anordnung von Kondensatorelektroden 1, 2 lassen sich so die günstigsten Ausbreitungsbedingungen für die elektrischen Feldlinien 6 verwirklichen.