CH415109A

CH415109A - Verfahren und Vorrichtung zum Messen der Temperatur von in Längsrichtung bewegten fadenartigen Gebilden

Info

Publication number: CH415109A
Application number: CH1359564A
Authority: CH
Inventors: Burckhardt Christoph Dipl-Phys
Original assignee: Heberlein & Co Ag
Priority date: 1964-10-20
Filing date: 1964-10-20
Publication date: 1966-06-15
Also published as: DE1573202A1

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Messen der Temperatur von in Längsrichtung bewegten fadenartigen Gebilden
Bei verschiedenen Prozessen in der Textilindustrie und insbesondere bei der Verarbeitung von Fäden aus synthetischem Material ist es wichtig, die genaue Temperatur eines bewegten Fadens zu kennen.

Schon bei dem Schmelzsp-. nnverfahren möchte man den Temperaturverlauf der Fäden am Ausgang der Spinndüsen messen können; ferner will man bei den Streckmaschinen, bei denen der Faden vor dem Strecken zunächst aufgeheizt wird, die Temperatur des Fadens überwachen können, und sohliesslich bei dem Kräu selverfahren n nach der Faischzwirnmethode, bei wei- cher der Faden aufgeheizt wird, während er mibte's eines Dral : lgebers hochgedreht wird, möchte man die Temperatur des Fadens bei laufender Maschine überwachen können. Verschiedene Methoden zur Tempe raLurmessung mithilfe von feinen Sonden, die den Fadens berühren, sind bekannt.

In den meisten Fällen ist jedoch die Berührung des Fadens durch ein frem de, Element ein Nachteil, indem der Faden beschädigt oder der Lauf eines bestimmten Vorganges gestört wird. Gegenüber diesen Berührungsverfahren ist ein strahlungspyrometrisches berührungsloses Tempera tunnessverfahren wesentlich vorteilhafter.

Es ist bekamt, die Temperatur von Objekten durch Messung der Intensität der von ihnen ausgesendeten Infrarot-Strahlung zu messen. Im Bereich der Temperaturen zwischen 500 und 3000 C, wie sie für Texilft'den insbesondere sollche aus synthetischem Matenal in Betracht kommen, findet praktisch keine Emission von Strahlung im sichtbaren Bereich statt, so dass man auf eine Messung im infraroten Strah lungsbereichvorzugsweise im sogenannten mittleren Wellenlängenbereich - angewiesen ist.

Praktisch zeigt es sich, dass alle Textilmaterialien, Kunststoffe, Lacke und ähnliche organische Produkte, in Wellenlängenbereich zwischen 5 und 8 W starke Emission aufweisen, was für eine Temperaturmessung für den genannten Temperaturbereich sehr günstig ist. Es sind zweierlei Arten bekannt, die Temperatur von ausgedehnten Objekten zu messen: entweder hierbei wird ein Gerät mit einer fokussierenden Optik verwendet, bei welcher das Objekt auf dem Detektor für den gewünschten Wellenlängenbereich optisch abgebildet wird, oder es wird, speziell bei grösseren flächenhaften Objekten, ein nicht-fokussiereies Gerät verwendet, bei welchem ein Strahlungsdetektor in der Nähe der emittierten Fläche so angeordnet ist, dass er die zu messende Fläche unter einem verhältnismässig grossen Raumwinkel vor sich hat.

Für die Messung der Fadentemperatur in der Höhe von 2000 C auf einer Textilmaschine, bei welcher der Faden ausser einer raschen Bewegung in Längsrichtung transversale Schwingungen um eine Gleichgewichtslage ausführen kann, mit Amplituden, die das mehr als Zehnfache seines Eigendurchmessers betragen, kann keine der bekannten Methoden erfolgreich angewendet werden. Bei einem fokussierenden Instrument bestehen grosse Schwierigkeiten, den bewegten Faden auf einem Detektor abzubilden; andererseits ist bei dem nicht-fokussierenden Gerät die von dem Detektor aufgefangene Strahlungsintensität im Falle eines Fadens zu schwach.

Die Erfindung bezweckt die Nachteile der bekannten Methoden zu vermeiden und betrifft dementsprechend ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen der Temperatur von in Längsrichtung bewegten fadenartigen Gebilden auf strahlungspyrometrischem Wege. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass das fadenartige Gebilde durch einen auf der Innenseite reflektierenden, einen Strah lungsempfänger enthaltenden Hohlkörper geführt wird, wobei der Hohlkörper das fadenartige Gebilde so umschliesst, dass der Strahlungsempfänger einen wesentlichen Teil der vom letzteren auf der eingeschlossenen Länge emittierten und innerhalb des Hohlkörpers reflektierten Wärmestrahlung aufnimmt.

Das fadenartige Gebilde kann durch einen Hohlkörper mit einer Einführvorrichtung geführt werden, wobei es mit Hilfe der letzteren gegenüber dem Strahlungsempfänger in eine die volle strahlungsreflektierende Wirkung gewährleistende Stellung gebracht wird. Es kann z. B. ein mit einem aufklappbaren Teil versehener Hohlkörper verwendet werden, welcher um das sich kontinuierlich in seiner Längsrichtung bewegende fadenartige Gebilde herum angeordnet wird, ohne dasselbe in seiner Bewegung zu stören.

Die Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens ist erfindungsgemäss dadurch gekennzeichnet, dass die aus einem auf der Innenseite reflektierenden Hohlkörper besteht, welcher Eine und Austrittsöffnungen für das fadenartige Gebilde und im Innern einen Strahlungsempfänger aufweist.

Das erfindungsgemässe Verfahren ist nachstehend anhand der Zeichnung, die Ausführungsbeispiele der erfindungsgemässen Vorrichtung darstellt, beispielsweise näher erläutert:
Fig. 1 zeigt dar erste Ausführungsbeispiel im Schnitt parallel zur Fadenachse.

Fig. 2 zeigt das zweite Ausführungsbeispiel im vertikalen Mittellängsschnitt.

Fig. 3 zeigt einen Schnitt nach der Linie III-III in Fig. 2.

Fig. 4 zeigt in der gleichen Darstellung wie Fig. 2 das dritte Ausführungsbeispiel.

Fig. 5 zeigt einen Schnitt nach der Linie V-V in Fig. 4.

Die Vorrichtung gemäss Fig. 1 weist einen Hohlkörper auf, dessen Hohlraum kugelförmig und dessen Innenfläche 1 reflektierend ausgebildet ist. Der Hohlkörper ist mit zwei einander diametral gegenüberliegenden Öffnungen 2 bzw. 3 versehen. Mittig zwischen diesen ist an der Innenfläche 1 ein Strahlungsempfänger 4 angeordnet, der von einer strahlungsabsorbierenden Fläche 5 umgeben ist.

Zum Betrieb wird ein Textilfaden 6 durch die Eintrittsöffnung 2 in die Hohlkugel eingeführt und verlässt dieselbe durch die Austrittsöffnung 3. Die öffnungen 2 und 3 haben einen Durchmesser, der dem Faden 6 eine freie Schwingung mit der Amplitude 7 erlaubt.

Zur Abschätzung der Empfindlichkeit der Vorrichtung wird zunächst davon ausgegangen, dass der Hohlkörper keinerlei Fokussierung der Strahlung vom Faden auf den Detektor erzeugt, indem sein Hohlraum die Form einer difuse reflektierenden Kugel mit dem Radius r aufweist. Es wird eine statistische Bilanz der vom Faden emittierten Strahlung Io durchgeführt; eine solche statistiche Betrachtung hat natürlich nur Bedeutung zur Berechnung von Grössenordnungen.

I sei die totale Strahlung des Fadens innerhalb des Hohlkörpers nach Berücksichtigung der Reflektion, wie zie auf dem Strahlungsempfänger auffällt. Es kann nachgewiesen werden, dass für diese totale Strahlung folgende statistische Beziehung gilt:
Fd + Fp Fl.

1=1
V+Fp' aF Hierin bezeichnen: F(1 = die Fläche des Strahlungsempfängers die strahlungsabsorbierende Fläche Fr = die reflektierende Innenfläche des Hohlkör pers a = den Emissionskoeffizient der Fläche F,..

Diese Formel liefert das Mittel zur Berechnung der opttimalen Grösse der zu verwendenden Hohlkugel. Es gilt die Beziehung: F. > Fd,Fp.

Ferner gilt für F,. angenähert die Beziehung:
Fr = 4 ist r2.

Die vom Faden emittierte Intensität 1 ist andererseits proportional zur Länge des innerhalb des Hohlkörpers befindlichen Fadens, also proportional zu r. Aus diesem Zusammenhang kann ein optimaler Radius r0 der reflektierenden Innenfläche 1 des Hohlkörpers gefunden werden.

Fp+F rD 1/
47ra
Diese überschlagsmässige Rechnung gibt für jeden praktischen Fall ungefähr die optimalen Dimensionen des Hohlkörpers.

Für die Konstruktion der Vorrichtung ist allerdings die Eigenemission der reflektierenden Fläche 1 nicht zu vernachlässigen. Da es sich um eine Kugelfläche handelt, bei welcher in erster Annäherung die verschiedenen anderen Flächen vernachlässigt werden können, verhält sich die Oberfläche wie ein schwarzer Körper mit der Temperatur des Reflektors. In erster Annäherung kann z. B. im Falle derVerwendungeines thermischen Strahlungsempfängers gesagt werden, dass die vom Strahlungsempfänger aufgenommene Strahlungsleistung, aufgebracht im wesentlichen aus der Summe der Strahlung des Fadens und der viel grösseren Eigen strahlung der reflektierenden Fläche Fr im Gleichgewicht steht mit der vom Strahlungsempfänger selbst ausgesendeten Strahlung.

Es zeigt sich, dass der zur Messung ausschlaggebende Temperaturunterschied zwischen thermischem Strahlungsempfänger und Reflektor mit einer höheren Potenz einerseits von der Fadentemperatur, aber andererseits auch von der Reflektortemperatur abhängt. Die Temperatur der Reflektorfläche muss deshalb konstant gehalten werden, was dadurch erreicht werden kann, dass der Hohlkörper aus einem gut wärmeleitenden Metall hergestellt und zudem mit einer Temperatur sttabiiisierung versehen wird. Diese kann aus einem im Hohlkörper befindlichen Temperatur z. B. einem Bimetall, welcher mit einem Stellorgan, z. B. einem Kontakt einer Heizvorrichtung, z. B. einer elektrischnell Heizwicklung verbunden ist, bestehen.

Eine Verbesserung des Verhältnisses der Strahlungsintensität vom Faden zur Eigenstrahlung des Reflektors kann erzielt werden, indem eine gewisse Fokussierung der Strahlung vom Faden auf den Detektor vorgenommen wird. Eine scharfe Abbildung des Fadens auf die gesamte Detektorfläche muss vermieden werden, um eine gleichbleibende Empfindlichkeit des Gerätes zu gewährleisten, auch wenn sich der Faden innerhalb seines Bereiches seitlich bewegt.

Praktisch kann eine solche teilweise Fokussierung dadurch erreicht werden, dass dem Hohlkörperhohlraum die Form eines länglichen Rotationsellipsoids gegeben wird, bei welchem der Faden ungefähr in der Nähe des einen Brennpunktes und der Strahlungsempfänger im anderen Brennpunkt angeordnet sind. Eine solche Anordnung ist in den beiden weiteren Ausführungsbeispielen vorgesehen.

Beim Ausführungsbeispiel gemäss den Fig. 2 und 3 ist ein Hohlkörper 11 vorgesehen, dessen Hohlraum 10 die Form eines iänglichen Rotationseilipsoids hat. Der Hohlkörper besteht aus Kupfer und ist auf der Innenseite 8 zur Verbesserung der Strahlungsreflektion im Infraroten vergoldet. Der Hohlkörper
11 ist mit zwei einander diametral gegenüberliegenden Durchbrechungen 12 bzw. 13 versehen, deren gemeinsame Achse 9 mindestens angenähert durch den einen Brennpunkt des Ellipsoides geht. Der Faden
16 gelangt durch die Eintrittsöffnung 12 in den Hohlraum 10 und verlässt diesen wieder durch die Austrittsöffnung 13. Zur Verhinderung der thermischen Beeinflussung des Strahlungsempfängers durch die vom Faden mitgerissene Luftströmung dient eine Wand 18 aus strahlungsdurchlässigem Material z.

B. Calciumfluoridwelche den Teil des Hohlraums 10 in dem sich der Faden befindet, vom anderen Teil trennt, in welchem ein thermischer Detektor 14 mit seiner elektrischen Zuführungsleitung
15, die auch als Halterung dient, angeordnet ist.

Der Detektor 14 befindet sich mindestens angenähert im anderen Brennpunkt des Ellipsoids und kann entweder in einem Vakuum oder auch in einem Schutzgas angeordnet sein. Die Eintrittsöffnung 12 und die Austrittsöffnung 13 sind beide mit einer Strahlungsblende 19 resp. 20 versehen, welche den Eintritt von äusseren Strahlungen durch die öffnun- gen 12 und 13 auf ein Minimum reduziert. Der Hohl körper 11 ist durch eine in der Achse 9 liegende
Querebene in zwei Teile 25 und 26 unterteilt, welche durch ein Scharnier 22 schwenkbar verbunden sind, dessen Achse 21 in der durch die Achse 9 gehenden
Querebene liegt.

Hierdurch kann der Hohlkörper 11 aufgeklappt werden, dam.it das Temperaturmessgerät an einer laufenden Textilmaschine um den in Längs richtung laufenden Faden 16 geschlungen werden kann, ohne diesen in seiner Bewegung zu stören.

Das Ausführungsbeispiel gemäss den Fig. 4 und 5 unterscheidet sich von demjenigen gemäss den Fig. 2 und 3 lediglich dadurch, dass der Hohlkörper 11 statt in der Querrichtung durch eine Längsmittelebene 17 in zwei Teile getrennte ist, die nach erfolgter Montage fest miteinander verbunden worden sind, wobei der Faden 16 durch einen Schlitz 23 in seine normale Stellung eingeführt wird. Die Trennwand 24 hat die Form eines dem Schlitz 23 entsprechend geschlitzten Hohlzylinders, welcher den in Richtung der Längsachse desselben verlaufenden Faden 16 mit genügendem Abstand umgibt, so dass sich dieser frei bewegen kann. In gleicher Weise sind auch die Strahlungsblenden 19 und 20 mit einem Schlitz versehen, damit der Faden 16 eingeführt werden kann.

Als Strahlungsdetektor kann bei allen Ausführungsformen ein photoelektrischer oder ein thermischer Strahlungsdetektor verwendet werden. Der thermische Strahlungsempfänger kann ein Element sein, das unter dem Einfluss der Infrarotstrahiung eine Temperaturerhöhung erfährt, die mit elektrischen Mitteln, z. B. einem temperaturabhängigen Widerstand, bzw. Thermoelement, festgestellt wird. Die Zusatzorgane wie Verstärker und Anzeige-Instrument sind hier weder beschrieben noch dargestellt, da Esie in der üblichen Weise verwendet werden. Eine Erhöhung der Empfindlichkeit der Vorrichtung kann ferner dadurch erreicht werden, dass der Strahlungsempfänger eine selektive Empfindlichkeit für die Strahlung in einem beschränkten Bereich von z. B.

5 bis 8 p aufweist. Im Falle eines thermischen Empfängers wird dies dadurch erreicht, dass der Empfänger zunächst reflektierend ausgebildet ist, z. B. durch eine Goldschicht, und dass die reflektierende Oberfläche dann mit einem selektiv absorbierenden Überzug (z. B. aus Nylon) versehen wird.

Claims

PATENTANSPRUCH 1 Verfahren zum Messen der Temperatur von in Längsrichtung bewegten fadenartigen Gebilden auf strahlungspyrometrischem Wege, dadurch gekennzeichnet, dass das fadenartige Gebilde durch einen auf der Innenseite reflektierenden, einen Strahlungsempfänger enthaltenden Hohlkörper geführt wird, wobei der Hohlkörper das fadenartige Gebilde so um schliesst,, dass der Strahlungsempfänger einen wesentlichen Teil der vom letzteren auf der eingeschlossenen Länge emittierten und innerhalb des Hohlkörpers reflektierten Wärmestrahlung aufnimmt.

UNTERANSPRÜCHE 1. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass das fadenartige Gebilde durch einen mit einer Einführeinrichtung versehenen Hohlkörper geführt und ntit Hilfe dieser Einführeinrichtung gegenüber dem Strahlungsempfänger in eine die volle strahlungsreflektierende Wirkung gewährleistende Stellung gebracht wird.

2. Verfahren nach Unteranspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein mit einem aufklappbaren Teil versehener Hohlkörper verwendet wird, welcher um das sich kontinuierlich in seiner Längsrichtung bewegende fadenartige Gebilde herum angeordnet wird, ohne dasselbe in seiner Bewegung zu stören.

PATENTANSPRUCH II Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass sie aus einem auf der Innenseite reflektierenden Hohlkörper besteht, welcher Eine und Austrittsöffnungen für das fadenartige Gebilde und im Innern einen Strahlungsempfänger aufweist.

UNTERANSPRÜCHE 3. Vorrichtung nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum des Hohlkörpers kugelförmig ausgebildet ist.

4. Vorrichtung nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum des Hohlkörpers als Rotationsellipsoid ausgebildet ist, wobei die Durchlaufstrecke für das fadenartige Gebilde mindestens angenähert durch den einen Brennpunkt verläuft, während der Strahlungsempfänger mindestens angenähert im zweiten Brennpunkt angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlkörper aus Kupfer besteht und dessen reflektierende Innenfläche vergoldet ist.

6. Vorrichtung nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlkörper eine Einführeinrichtung für das fadenartige Gebilde aufweist.

7. Vorrichtung nach Unteranspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Einführeinrichtung aufklappbar ausgebildet list.

8. Vorrichtung nach Unteranspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Einführeinrichtung durch einen Schlitz des Hohlkörpers gebildet ist.

9. Vorrichtung nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass die Eine und Austrittsöffnungen für das fadenartige Gebilde mit je einer Strahlungsblende zwecks Verminderung der von aussen eintretenden Strahlung versehen sind.

10. Vorrichtung nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlungsempfänger ein photoelektrischer Empfänger ist.

11. Vorrichtung nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlungsempfänger ein thermischer Empfänger ist.

12. Vorrichtung nach den Unteransprüchen 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlungsempfänger eine selektive Empfindlichkeit in einem beschränkten Wellenlängenbereich aufweist.

13. Vorrichtung nach Unteranspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass im Innern des Hohlkörpers zwischen der Fadendurchlaufstrecke und dem Strahlungsempfänger eine wärmestrahlungsd urchlässige Trennwand angeordnet ist.

14. Vorrichtung nach Unteranspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Wand aus Calziumfluorid besteht.

15. Vorrichtung nach den Unteransprüchen 8 und 13, dadurch gekennzeichnet, dass diie Trennwand die Form eines Hohlzylinders hat, welche das in der Richtung der Längsachse derselben verlaufende fadenförmige Gebilde umgibt.

16. Vorrichtung nach den Unteransprüchen 11 und 13, dadurch gekennzeichnet, dass der thermische Empfänger im Vakuum angeordnet ist.

17. Vorrichtung nach den Unteransprüchen 11 und 13, dadurch gekennzeichnet, dass der thermische Empfänger in einem Schutzgas angeordnet ist.

18. Vorrichtung nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlkörper aus einem gut wärmeleitenden Metall besteht und mit einer Tempe raturstabllisierung versehen ist.