Appareil d'examen d'une matière en filament
L'invention a pour objet un appareil d'examen d'une matière en filament, par exemple pour mesurer le diamètre de cette matière et en détecter la présence ou l'absence de brins continus défilant à travers l'appareil.
Les matières en filament dont il est question dans le présent exposé comprennent toutes les matières généralement opaques au rayonnement particulier utilisé et ayant une section transversale pratiquement circulaire. Ainsi, ce terme englobe les filaments, les fibres, les fils, les cordons, les câbles, les fils de métal, les tringles et toutes matières similaires.
Comme l'industrie textile concerne particulièrement les fils ou mèches de filaments individuels, on se réfèrera notamment par commodité aux fils sans que ce terme présente aucun caractère limitatif.
Depuis longtemps, l'industrie textile a éprouvé le besoin d'un dispositif qui puisse détecter la présence ou l'absence d'un fil qui alimente, par exemple, un métier ou une machine à tricoter. Il faut ainsi assurer l'alimentation d'un grand nombre de fils et, si l'un d'eux se rompt, l'article tissé ou tricoté présente un défaut qui doit être ensuite répare.
On a aussi besoin d'un dispositif qui contrôle et enregistre de façon continue le diamètre des fils. Les fils sont classés d'après leurs titres en tex représentant le poids en grammes d'une longueur de 1000 mètres. Un fil fin habituel peut comprendre 13 filaments et présenter un titre de 2,7 tex, tandis qu'un fil habituel pour les articles d'habillement comprend approximativement 25 filaments avec un titre de 7,8 tex. Un fil pour les draperies ou des tapis peut se composer de 300 filaments avec un titre de l'ordre de 144 tex. Il est évident que, si la densité de la matière reste constante et si elle présente une section transversale circulaire de forme générale régulière, le titre peut être déterminé par la mesure du diamètre du fil.
Un des problèmes posés par la mesure de la matière sans contact physique avec elle résulte du fait que la matière est soumise à une vibration continuelle sous tension à de grandes vitesses. Ce problème sera examiné ciedessous.
L'appareil selon l'invention est caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif optique destiné à former dans un faisceau de rayonnement une image d'ombre d'un brin de matière en filament à examiner et une image d'ombre d'un élément de référence, les deux images d'ombre étant pratiquement parallèles et écartées l'une de l'autre, un dispositif détecteur avec cellule photo conductrice répondant aux variations du rayonnement incident pour fournir un signal électrique de sortie proportionnel au rayonnement incident et un dispositif pour projeter alternativement à des intervalles de temps réguliers chaque image d'ombre sur la cellule de façon que le signal électrique de sortie corresponde au rapport des diamètres resc pectifs de la dite matière en filament et du dit élément de référence.
Le dessin annexé représente, à titre d'exemple, une forme d'éxécution de l'appareil objet de Finven tion.
La fig. 1 est une vue schématique représentant les éléments de base et le circuit électrique;
la fig. 2 est une vue isométrique montrant les éléments méohaniques de base de l'appareil;
la fig. 3 est une coupe, en partie schématique, de la forme d'exécution selon les principes exposés aux fig. 1 et 2;
la fig. 4 est une vue isométrique montrant une variante de la cellule de détection;
la fig. 5 est une coupe détaillée d'une variante de l'élément de référence et de son dispositif pour le supporter; et
les fig. 6a, 6b, 6c et 6d montrent les positions relatives des images d'ombre correspondantes sur le détecteur ainsi que la forme d'onde du signal de sortie dans différentes conditions.
L'appareil d'examen comprend trois éléments fondamentaux: (I) un dispositif formant l'image optique 1; (II) Un dispositif réflecteur oscillant 10; et (III) un dispositif détecteur 20. Le dispositif formant l'image, indiqué de façon générale en 1, comprend une source de rayonnement 2 qui, dans le cas d'un rayonnement infrarouge, est un petit appareil de chauffe, une lentille de collimation 3 et une lentille de focalisation 4. Un filament 5 défile entre la lentille de collimation et la lentille de focalisation en créant une image d'ombre dont la largeur est directement proportionnelle au diamètre du filament.
Un élément de référence 6, qui peut être un fil métallique, un ruban ou un élément analogue, est placé de façon semblable dans le faisceau de rayonnement parallèlement au filament 5, à une certaine distance de lui, en créant ainsi une image d'ombre de lui-même écartée de l'image d'ombre du filament et parallèle à elle. L'élément de référence 6 peut être placé en un endroit quelconque le long du faisceau, mais il est de préférence soit entre les lentilles 3 et 4, soit entre la lentille de focalisation 4 et un miroir 11.
On obtient certains avantages, en plaçant l'élément de référence dans cette dernière position, comme on l'expliquera ci-après. Un avantage d'utiliser un faisceau parallèle est encore qu'un mouvement et des vibrations parallèles à l'axe du faisceau ne modifient pas la largeur ou la position de l'image d'ombre.
Le dispositif réflecteur oscillant 10 comprend un moyen formant une surface réfléchissante, en l'occurrence le miroir argenté 11, qui est monté sur un fil métallique de torsion 17 suspendu rigidement entre deux organes fixes (non représentés). Un mécanisme d'entraînement oscillatoire est associé en fonctionne ment : au miroir 11, ce mécanisme d'entraînement comprenant d'une part un noyau magnétique 14, ayant une forme générale en C et entouré par un bobinage 15 et d'autre part une armature mobile comprenant des aimants permanents opposés 13 ainsi qu'une barre d'armature 12 solidaire du miroir.
Le bobinage 15 est alimenté en courant alternatif par un transformateur 16, ce qui entraîne l'ensemble de l'armature mobile et du miroir à toute fréquence désirée de préférence entre des fréquenoes d'environ 10 et 60Hz.
Le dispositif détecteur 20 comprend une cellule photosensible 21 ayant une surface sensibilisée 21a placée sur une trajectoire d'interception du rayonne -ment réfléchi provenant du miroir 1. Dans le cas d'un rayonnement infrarouge, la cellule 21 peut être une cellule au sulfure de plomb. Les détecteurs au sulfure de plomb sont bien connus dans l'industrie et on peut les obtenir en. diverses dimensions avec différents degrés de sensibilité, ce qui donne au constructeur un grand degré de souplesse. Une cellule au sulfure de plomb est de la classe des cellules photoconductrices, c'est-à-dire qu'elle conduit le courant en fonction de la quantité de rayonnement reçue. Inversement, on peut la considérer comme une résistance variable, dont la valeur de résistance est inversement proportionnelle à la quantité de rayonnement reçue.
La cellule détectrice au sulfure de plomb est en combinaison avec un circuit ponté classique comprenant une résistance fixe 22, une résistance variable 23 et une source à tension constante 24. Le signale de sortie en courant alternatif du circuit ponté est transmis à un amplificateur classique 25 et le signal alternatif amplifié est à son tour transmis à un démodulateur 26 répondant à la phase et ayant une sortie de courant continu à transmettre à un dispositif enregistreur et avertisseur. On peut aussi brancher le démodulateur sur le circuit d'entraînement du miroir pour assurer sa synchronisation.
La sortie en courant continu du démodulateur répondant à la phase a été représentée comme étant transmise à un appareil de mesure 27, à un appareil enregistreur 28 et à un dispositif avertisseur visuel ou audible 29.
On exposera maintenant le fonctionnement du dispositif détecteur. Comme on le voit en particulier à la fig. 2, les images d'ombre parallèles espacées du filament et du fil métallique de référence sont réfléchies par le miroir sur la cellule 21 au sulfure de plomb. La cellule est réglée à une position telle que, quand le miroir est dans sa position neutre entre ses oscillations, considérée comme étant la position zéro, les images d'ombre tombent de part et d'autre de la surface sensibilisée 21a de la cellule de sorte qu'une partie de chaque ombre se trouve sur la cellule en ce point. Quand le miroir oscille, chaque image d'ombre est projetée alternativement et périodiquement sur la surface sensibilisée de la cellule.
Si un voltage constant est appliqué aux bornes de la cellule, il est clair que le courant à travers la cellule est fonction de la surface couverte par les images d'ombre à tout moment du cycle. Si une image d'ombre est plus large que l'autre, il en résulte un courant continu variable qui peut être utilisé comme un signal de courant alternatif par polarisation convenable avec amplification.
Comme la cellule 21 est dans un circuit ponté, une variation de la conductance (ou de la résistance) de la cellule provoquera une sortie de courant alternatif à travers le pont si celui-ci a été initialement équilibré par le réglage de la résistance variable 23.
Pour faciliter la compréhension de l'appareil on se référera aux fig. 6a, 6b, 6c et 6d qui représentent schématiquement la correspondance entre les positions relatives des ombres sur la cellule et le signal de sortie de la cellule. A la fig. 6a, l'ombre de l'élément de référence est représentée en A et l'ombre du filament en B dans diverses positions pendant le cycle d'oscillation. En position 3 par exemple, une partie de chacune des deux régions A et B se trouve sur la cellule 21a, de sorte que la surface couverte reste sensi blement constante à tous moments si les largeurs de
A et de B sont égales. La contrepartie électronique est représentée aux fig. 6b, 6c, et 6d dont les configurations d'onde pourraient être obtenues par mesure de la tension totale à travers l'appareil.
Si les largeurs des parties A et B sont approximativement égales, on obtient une forme d'onde correspondant à la fig. 6b, les crêtes d'onde adjacentes étant égales. Si le filament à mesurer devient de dimension plus petite, l'ombre appliquée sur la cellule est plus petite, ce qui produit une diminution de la tension et abaisse le débit en modifiant la forme d'onde résultante (fig. 6c).
De façon analogue si le filament devient plus gros, l'ombre devient plus grande et il y a augmentation de la tension comme indiqué à la fig. 6d, la variante de la forme d'ombre résultante étant de phase inverse.
En fait, le détecteur capte la variation de la différence entre les largeurs des images d'ombre respectives qui est directement proportionnelle à la diffé- rence entre les diamètres correspondants des éléments projetant les ombres. Dans le cas du filament où il n'y a pas de fil à contrôler quand on utilise une référence, le signal de sortie sera maximal. S'il n'y a pas l'élément de référence, le signal de sortie sera nul et cette valeur peut être prise comme une indication d'une rupture du brin en défilement.
Ayant ainsi exposé les éléments généraux de l'appareil, on indiquera que ces éléments sont incorporés dans la forme d'exécution préférée, représentée à la fig. 3, qui comprend un moyen 30 pour former une image d'ombre optique, un moyen réfléchissant oscillatoire 31 et un moyen détecteur 32.
L'ensemble est établi sur un bâti 33 présentant une base 34, une plaque frontale 35 avec ouverture 36 destinée à recevoir le dispositif de formation de l'image optique et un boîtier 37 destiné à renfermer les éléments du circuit ponté autres que la cellule au sulfure de plomb. Une enveloppe 38 peut être prévue autour du bâti pour renfermer en combinaison avec la plaque d'extrémité amovible 39, le moyen réfléchissant oscillatoire 31 et le moyen détecteur 32 afin de protéger leurs éléments contre l'atteinte d'un rayonnement diffus ainsi que de la poussière, de l'humidité etc...
Le dispositif formant l'image d'ombre comprend un tambour 40 de forme générale cylindrique qui est destiné à être monté dans l'ouverture du bâti (et du couvercle) par une vis de serrage 41. A une extrémité de ce tambour est placée une source de rayonnement, constituée par un petit élément 43 de résistance électrique supporté par une pièce isolante 44. L'élément de résitance, par suite de sa configuration en cône inversé, émet ainsi un rayonnement, surtout dans le domaine de l'infrarouge, dans une direction unique vers l'extrémité opposée du tambour.
Une lentille de collimation 45 est supportée dans une bague 46 sur la trajectoire du rayonnement émis par le dispositif de chauffe 43 de façon à former un faisceau de rayonnement parallèle. Comme on l'a expliqué cimdessus, cela permet le déplacement du filament parallèlement au faisceau sans distorsion de son image. Une fente 47 dans le tambour permet de faire défiler un brin de filament dans le faisceau parallèle afin de produire une image d'ombre. Une seconde lentille 48 pour focaliser le faisceau et l'ombre sur le dispositif réfléchissant oscillatoire 31 est montée dans une bague 49 et est en alignement avec le dispositif de chauffe et avec la lentille de collimation. A l'intérieur du tambour 40 est supporté l'élément de référence 50 suspendu entre les extrémités d'un support 51.
Le support est de préférence une barre cylindrique avec partie intermédiaire évidée pour présenter deux faces plates opposées entre lesquelles est suspendu l'élément de référence. La barre cylindrique présente une partie terminale prolongée à l'extérieur du tambour pour permettre le réglage de la position de l'élément de référence. Dans l'exposé précédent en référence aux schémas des fig. 1 et 2, l'élément de référence était placé entre la lentille de collimation et la lentille de focalisation. Cependant on a trouvé qu'il est avatageux de placer l'élément de référence, comme représenté à la fig. 3, à l'intérieur du tambour de l'autre côté de la lentille de focalisation pour le protéger contre la poussière et l'humidité et aussi pour faciliter le nettoyage de la fente 47 pendant l'entretien régulier.
L'élément de référence peut être soit un fil métallique, soit un ruban plat mince 71, comme représenté à la fig. 5. Dans ce dernier cas, on peut régler la largeur de l'image d'ombre produite par rotation du ruban dans le faisceau de la position 71 à la position 71 a. Evidemment quand on fait tourner le ruban, celui-ci présente une composante plus ou moins grande normalement à l'axe du faisceau. Ainsi, comme représenté à la fig. 5, on peut obtenir la variation de la largeur d'ombre de W1 à W2. Après réglage, une vis de blocage (non représentée) peut servier à fixer l'élément de référence en position.
Le dispositif réfléchissant oscillatoire 31 comprend un élément réfléchissant qui peut être un miroir argenté 52 monté sur une barre d'armature 53 ayant une forme générale en S. La barre d'armature 53 est supportée par un fil métallique de torsion 54 suspendu entre deux disques fixes 55 pour un mouvement d'oscillation autour de son axe. A une extrémité de la barre d'armature sont montés deux aimants permanents 56, 56 à pôles opposés. Ils peuvent être montés avec leurs pôles nord ou sud en regard, la disposition en opposition établissant une réponse rapide aux inversions du champ. Un contrepoids 57 est attaché à l'autre extrémité de la barre d'armature pour équilibrer le poids des aimants permanents.
L'extrémité de la barre d'armature portant les aimants permanents est placée dans l'entrefer 58 du noyau magnétique 59 qui est de préférence feuilleté.
Le bobinage 60 est relié à une source de courant alternatif qui fait inverser le champ à travers l'entrefer d'une manière périodique régulière en faisant osciller le miroir à la même fréquence. La fréquence à laquelle le miroir est entraîné est une question de choix, mais on peut adopter une fréquence de 10 à 60 Hz; il ne doit pas être entraîné à la fréquence propre du fil métallique de torsion. Un dispositif de réglage, en l'occurence une vis de réglage 61, permet de régler avec précision la position de la barre d'armature et de l'ensemble à miroir.
Le moyen détecteur, comprenant la cellule au sulfure de plomb et le circuit ponté, est monté dans la base du bâti. La cellule 62 au sulfure de plomb est de préférence montée sur une pièce 63 qu'on peut faire coulisser par rapport à la base 34, sa position pouvant être réglée par la vis 64. Le circuit ponté 65, représenté schématiquement à la fig. 3, est enfermé à l'intérieur du boîtier formé par le bâti et est relié à la cellule par des conducteurs électriques (non représentés).
On exposera maintenant le réglage de l'appareil d'examen qui comprend plusieurs points de réglage pour diminuer l'erreur. Initialement, la matière en filament défile dans le faisceau en étant supportée de façon à réduire sa vibration et la cellule de détection est placée par la vis de réglage 64 de façon que, quand le miroir est à son point zéro, l'image d'ombre du filament tombe juste sur le bord de la surface sensibilisée de la cellule au sulfure de plomb. La largeur de l'image d'ombre de référence est alors réglée par rotation du ruban dans le faisceau de façon que cette largeur soit approximativement identique à l'image d'ombre du filament. On alimente alors le bobinage 60 pour déporter respectivement les images d'ombre du filament et de l'élément de référence alternativement sur la cellule et en dehors.
On peut alors régler le circuit ponté à zéro en établissant le débit du circuit comme fonction de la variation à partir d'un rapport prédéterminé des largeurs d'ombre. En d'autres termes, si le diamètre du filament varie, le rapport des largeurs des images d'ombre change en provoquant une sortie de courant alternatif du circuit ponté directement proportionnelle à cette variation. Si la relation de phase est connue, il est possible de déterminer si le diamètre du filament est plus grand ou plus petit que celui du fil de référence.
Une variante de la cellule de détection peut être utilisée pour augmenter la facilité du réglage de l'ap
pareil; comme représenté à la fig. 4, la cellule de détection 65 est munie de cachets opaques 66, 66 pour masquer les angles de la surface sensibilisée de la cellule afin de réserver une surface photosensible de forme généralement triangulaire. Par cette disposition, on peut obtenir plus de contrôle sur la largeur couverte par les ombres car la surface couverte par une ombre mobile sera directement proportionelle à la distance vers l'intérieur à partir de chaque angle de la base du triangle.
L'appareil décrit présente de nombreux avantages par rapport aux appareils et dispositifs connus, ces
avantages pouvant être résumés comme suit:
I. Souplesse. On peut l'adapter à de nombreuses
applications diverses, particulièrement dans le con
trôle simultané de grands nombres de filaments et de fils. Comme il se prête à une miniaturisation, il peut s'appliquer aisément à beaucoup de fils en défilement, avec utilisation d'un élément de contrôle pour chaque fil individuel, tous ces éléments étant reliés au même dispositif avertisseur et/ou au même dispositif d'enregistrement et/ou au même dispositif d'enclenchement de l'alimentation pour interrompre l'alimentation des fils dans l'éventualité d'une rupture ou d'un sérieux défaut.
II. Précision. L'ensemble est extrêmement précis et capable de mesurer avec précision le diamètre de l'ordre de 0,01 millimètre d'une matière en filament défilant à des vitesses linéaires aussi élevées que 3000 mètres par minute. Un nouveau principe de fonctionnement abaisse à un minimum absolu les erreurs dues à la variation de la température, aux conditions de lumière diffuse, au vieillissement des éléments électroniques et à la vibration du filament.
III. Simplicité. Sans sacrifier à la précision inhérente, on peut fabriquer l'appareil et l'entretenir avec une faible dépense. N'ayant qu'une seule partie mobile et n'ayant qu'un circuit électrique élémentaire qu'un mécanicien ordinaire pourrait réparer si nécessaire, l'ensemble est de construction robuste pour une durée de service longue et sans défaillance.