Messanordnung zur Messung von Massenungleichmässigkeiten pro Längeneinheit von
Fadenmaterialien
Die Erfindung betrifft eine Messanordnung zur Messung von Massenungleichmässigkeiten pro Längeneinheit von Fadenmaterialien durch Beeinflussung der Kapazität eines als Messkopf dienenden kapazitiven Elements eines ersten, abstimmbaren Oszillators, wobei der Ausgang des ersten Oszillators sowie der Ausgang eines zweiten Oszillators, dessen Frequenz stabil ist und von derjenigen des ersten Oszillators abweicht, über eine Mischstufe an einem Eingang eines FM-Diskriminators angeschlossen sind.
Bei Messungen, welche auf einer Änderung des Dielektrikums beruhen, gibt es verschiedene Lösungen, bzw. Schaltungen zur Verringerung des Umgebungseinflusses. Dabei sind die Dielektrikumänderungen, beispielsweise beim Messen von Ungleichmässigkeiten bei Fäden aus technischen Gründen schwer zu ermitteln, weil die Kapazität des vom Faden gebildeten Dielektrikums sehr klein ist, und zwar liegt sie in der Grössenordnung von etwa 10-3 pF. Die Kapazität des zum Messen der hier auftretenden Ungleichmässigkeiten dienenden Messkondensators ist aus messtechnischen Gründen begrenzt, weil er zur Messung von Fäden verschiedener Dicke ausgelegt sein muss. Diese Bedingung kann mit einem Messkondensator mit nur einem Messspalt nicht erfüllt werden und deshalb werden Messkondensatorgruppen mit mehreren Messspalten unterschiedlicher Breite verwendet, deren Gesamtkapazität etwa 20 pF beträgt.
Die in einem Messkondensator als Dielektrikum eingebrachte Fadenlänge kann aus theoretischen Erwägungen, d. h. wegen des Auflösungsfaktors nicht mehr als 1 cm betragen.
Die Fadendicke wird von der Breite des Messspaltes begrenzt und der Ausfüllungsfaktor des Messspaltes ist aus Linearitätsgründen möglichst klein zu halten.
Daraus folgt, dass die in den Messkondensator eingebrachte, durch die Änderung der Fadenqualität verursachte Kapazitätsänderung sich in der bereits erwähnten Grössenordnung von 10-3 pF bewegen muss, was messtechnisch eine überaus hohe Anforderung ist.
Bei Messungen nach obigem Verfahren wird in der mit einem Oszillator arbeitenden Messanordnung die stabile Frequenz mittels aus RC- oder LC-Gliedern bestehenden Vierpolen erzeugt, wobei ein C-Glied eine Messelektrode ist. Im abgeglichenen Zustand stimmt die Zeitkonstante der beiden Vierpole miteinander überein.
Das in die Messelektrode eingebrachte Dielektrikum ändert die Zeitkonstante des einen Vierpols, die beispielsweise mit einem Phasendiskriminator gemessen werden kann. Wenn nach den genannten messtechnischen Erwägungen ausgebildete Messkondensatoren venvendet werden, ist die durch das eingebrachte Dielektrikum verursachte Änderung der Zeitkonstante derart gering, dass sie durch den Phasendiskriminator nicht verarbeitet werden kann. Deshalb ist mit dieser Messanordnung ein lineares, zuverlässiges Messen nicht möglich.
Ein ähnliches Problem taucht auch bei herkömmlichen Messanordnungen auf, in welchen die Impulse eines Oszillators mit fester Frequenz zwei Schwingungskreise zugeführt werden, und das kapazitive Glied des einen Schwingungskreises von der Messelektrode gebildet wird. In diesem Falle kann der Einfluss des eingebrachten Dielektrikums auf den Schwingungskreis nicht mit bekannten Phasendetektoren ermittelt werden. Der Grund hierfür liegt in den folgenden Problemen:
Die Stabilität des Oszillators muss eine Grösse von mindestens 10-3 haben, da zur Vergrösserung der Impulse der Q-Wert der Schwingungskreise hoch gewählt werden muss.
Der Q-Wert der Schwingungskreise hängt von der verwendeten Frequenz, von der gewählten Kapazität des Messkondensators, sowie schliesslich von der Tatsache ab, dass der Impuls aus den Schwingungskreisen zur Verarbeitung abgeleitet werden muss. Die Kopplung kann aber nicht beliebig lose sein, weil sie von der Eingangsimpedanz des Diskriminators und der Grösse des zur Betätigung erforderlichen Impulses begrenzt wird. Der Q-Wert kann nur bis zu einer gewissen Grenze erhöht werden. Diese Faktoren führen gemeinsam dazu, dass die überaus geringe Kapazitätsänderung keinen verarbeitbaren Impuls ergibt.
In einem von einem Oszillator gespeisten Messkreis in Brückenschaltung entsteht das Problem nicht so sehr wegen der geringen Kapazitätsänderung, sondern wegen der infolge unterschiedlicher Qualität des Fadenmaterials erforderlichen hohen Messfrequenz von z. B. 25 MHZ. Bei solchen Frequenzen ist es schwierig die zur vollständigen Brückenabgleichung erforderlichen selektiven Verstärker mit entsprechender Linearität und Stabilität herzustellen.
Eine bekannte Messeinrichtung arbeitet in der Weise, dass von zwei mit ungleicher Frequenz arbeitenden Oszillatoren der eine ein Signal konstanter Frequenz liefert, während die Frequenz des anderen sich wegen der Kapazitätsänderung des im Schwingungskreis des anderen Oszillators befindlichen Messkondensators ändert. Mit den Frequenzen der beiden Oszillatoren wird eine Differenzfrequenz erzeugt, welche eine mit der Ungleichmässigkeit des Fadens proportionale Anzeige von O bis 10 KHz liefert. Von dieser Anzeige wird mittels eines Diskriminators ein Gleichspannungssigual gebildet und dann seine Amplitudenänderung ausgewertet. Die Auswertung erfolgt dadurch, dass mit der so erhaltenen elektrischen Grösse ein fortlaufendes Diagramm gebildet wird, welches ein elektrisches Bild vom Faden gibt.
Die Nachteile dieser letzteren Einrichtung sind die folgenden:
Trotz des symmetrischen Aufbaus der beiden verwendeten Oszillatoren entsteht wegen der Betriebsfrequenz zwischen ihnen eine sich mit der Zeit ändernde Frequenzabweichung, die das Messresultat verfälscht.
Die Frequenzabweichung führt hauptsächlich dann zu einem nennenswerten Fehler, wenn zur Vorbereitung des Messens keine genügende Anwärmzeit zur Verfügung steht, d. h. wenn sich das thermische Gleichgewicht der Messeinrichtung noch nicht eingestellt hat.
Besonders starke Störungen treten aber auf, wenn sich die Temperatur an der Messstelle ändert, bzw. wenn das Messen in einer von Zugluft durchströmten Zone erfolgt. Bekannte Ausführungen derartiger Messanordnungen sind somit nur unter besonders günstigen klimatischen Verhältnissen zuverlässig.
Ein weiterer Nachteil herkömmlicher Messanordnungen liegt darin, dass die vom Gesichtspunkt der Frequenzstabilität empfindlichen Oszillatoren besonders zu- verlässig sein müssen und somit kostspielige Bestandteile benötigen. Die verlangte hohe Stabilität führt somit zu einem entsprechend hohen Preis.
Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass etwaige Reparaturen wegen der Empfindlichkeit der Bestandteile sehr umständlich sind.
Die letztgenannte, beispielsweise tragbar ausgeführte Messanordnung ist somit für Messungen im Betrieb, z. B. an einer Spinnmaschine, nicht geeignet. Diese Messanordnung eignet sich somit praktisch nur für Laboratoriumszwecke.
Zweck der Erfindung ist somit die Schaffung einer Messanordnung, welche die Nachteile bestehender Ausführungen nicht aufweist.
Die erfindungsgemässe Messanordnung der eingangs genannten Art ist dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangssignal des FM-Diskriminators durch einen ersten Umschaltkreis abwechselnd an eine Anzeigevorrichtung und an einen Widerstand eines aus dem Widerstand und aus einem Kondensator gebildeten RC Gliedes gelegt wird, dass der gemeinsame Anschluss des Widerstandes und des Kondensators über ein kapazitives Element mit steuerbarer Kapazität mit dem Steuereingang des abstimmbaren Oszillators verbunden ist, dass durch einen zweiten Umschaltkreis abwechselnd je einer von zwei Messkondensatoren gleicher Kapazität, von denen einer den Messkopf bildet, an den Steuereingang des abstimmbaren Oszillators gelegt wird, und dass der erste und der zweite Umschaltkreis durch ein Steuerorgan derart gesteuert werden,
dass abwechselnd einmal der als Messkopf dienende erste Messkondensator am Steuereingang des abstimmbaren Oszillators und das Ausgangssignal des FM-Demodulators an der Anzeigevorrichtung und einmal der zweite Messkondensator am Steuereingang des abstimmbaren Oszillators und das Ausgangssignal des FM-Demodulators am Widerstand des RC-Gliedes liegt.
Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Messanordnung anhand der Zeichnung erläutert. Es stellen dar:
Fig. 1 ein Prinzipschaltschema der Messanordnung, und
Fig. 2 ein detailliertes Schaltschema der Messanordnung nach Fig. 1.
In Fig. 1 ist ein abstimmbarer Oszillator 1 mit einem als Messkopf dienenden Kondensator 8, sowie ferner ein Oszillator 2 mit stabiler Frequenz dargestellt. Die Ausgänge der Oszillatoren 1 und 2 sind an Eingänge einer Mischstufe 3 angeschlossen, deren Ausgang mit dem Eingang eines FM-Diskriminators 4 verbunden ist. Der Ausgang des FM-Diskriminators 4 ist an einem Eingang 6a eines ersten Stromkreises angeschlossen, wobei ein weiterer Eingang 6b dieses Stromkreises mit einer Anzeigevorrichtung 5 verbunden ist. Ein Ausgang 6c dieses Stromkreises ist an einem Widerstand 7a angeschlossen, welcher zusammen mit einem Kondensator 7d ein RC Glied bildet. Der gemeinsame Anschluss des Kondensators 7b und des Widerstandes 7c ist z. B. über eine Kapazitätsdiode 7 an einem Eingang 6d eines zweiten Stromkreises sowie am Eingang des Oszillators 1 angeschlossen.
Die Ausgänge 6e und 6f des zweiten Stromkreises sind an je einem Messkondensator 8 und 9 gleicher Kapazität oder einer Kondensatorgruppe angeschlossen, wobei die anderen Klemmen der Messkondensatoren 8, 9 oder der Kondensatorgruppen geerdet sind. Die beiden Stromkreise sind an einem gemeinsamen Steuerorgan 10, z. B. am Ausgang eines Generators für Rechteckimpulse angeschlossen.
In Fig. 2 ist der Eingang 1a des Oszillators 1 erstens mit der einen Seite einer Drosselspule 21, deren andere Seite geerdet ist, sowie mit den Dioden 22 und 23 gleicher Richtung und schliesslich mit einer Kapazitätsdiode 17 verbunden. Die andere Seite der Dioden 22 und 23 sind an den Messkondensatoren 8 und 9 angeschlossen, wobei der erste Messkondensator 8 ferner über eine Reihenschaltung von einer Drosselspule 24 und einem Kondensator 25 mit dem zweiten Messkondensator 9 verbunden ist. Der gemeinsame Anschluss der Drosselspule 24 und des Kondensators 25 ist über eine mit den Dioden 22 und 23 gleichgerichtete Diode 27 mit der nicht geerdeten Seite eines Kondensators 31 und ferner mit einem ersten Ausgang eines Generators 19 für Rechteckimpulse verbunden.
Der Messkondensator 9 ist über den gemeinsamen Anschluss eines Kondensators 28 und der Drosselspule 29, sowie über eine mit den Dioden 22 und 23 gleichgerichtete Diode 26 mit dem geerdeten Kondensator 30 und mit einem zweiten Ausgang des Generators 19 verbunden. Die zweite Seite der Kapazitätsdiode 17 ist an einem Kondensator 33 angeschlossen und über einen Widerstand 32 mit dem Kollektor eines Transistors 34 verbunden, dessen Emitter geerdet ist, wobei der Kondensator 33 und der Widerstand 32 ein RC-Glied eines Regelkreises bildet. Die Basis des Transistors 34 ist am Ausgang des Generators 19 angeschlossen. Der Kollektor ist einerseits über einen Widerstand 36 mit dem FM-Diskriminator 4 verbunden, welcher über einen Widerstand 37 mit dem Kollektor eines zweiten Transistors 35, dessen Emitter geerdet ist, sowie mit dem Eingang der Anzeigevorrichtung 5 angeschlossen ist.
Die Basis des Transistors 35 ist an einem weiteren Ausgang des Generators 19 angeschlossen.
Nachfolgend wird die Wirkungsweise der Messanordnung erläutert.
Die Messkondensatoren 8, 9 sind im LC-Schwingkreis des Oszillators 1 in den Kreisen der Dioden 22 bzw. 23 angeordnet. Der Oszillator 2 schwingt mit einer Frequenz, welche mit derjenigen des Oszillators 1 zusammen eine Misch- bzw. Trägerfrequenz von z. B.
450 kHz bildet. Diese Trägerfrequenz wird in der Mischstufe 3 erzeugt und im FM-Diskriminator 4 gleichgerichtet. Das so entstandene Signal wird zunächst dem Transistor 34 zugeführt und dann zur Kapazitätsdiode
17 zurückgeleitet. Vom FM-Diskriminator 4 gelangt das
Signal ferner durch einen zweiten Transistor 35 zur An zeigevorrichtung 5. Die Dioden 22, 23, 26 und 27 sowie die Transistoren 34 und 35 werden vom Generator 19 gesteuert und zwar derart, dass die Dioden 23 und 26 sperren, wenn die Dioden 22 und 27 leiten. In diesem
Fall sperrt ferner der Transistor 34, während der Tran sistor 35 leitet, wodurch der Messkondensator 9 mit dem Kreis des Oszillators 1 verbunden und das Aus gangssignal des FM-Diskriminators 4 der Kapazitäts diode 17 zugeleitet wird.
Dadurch entsteht eine auto matische Frequenzsteuerung, welche die Mischfrequenz sowie die vom FM-Diskriminator 4 bestimmte Nenn frequenz innerhalb der festgelegten Bandbreite hält.
Während der folgenden Periode des Generators 19 sind die Dioden 22 und 27 sowie der Transistor 35 ge sperrt während die Dioden 23 und 26 sowie der Tran sistor 34 leiten, wobei der Messkondensator 8 im Kreis des Oszillators 1 eingeschaltet ist. Das am Messkonden sator 8 liegende Signal erscheint am Ausgang 16b und gelangt somit zur Anzeigevorrichtung 5.
Die Frequenz des Generators 19 ist derart gewählt, dass die Schaltfrequenz die Übertragung der durch den
Faden geleiteten Information bezüglich der Ungleich mässigkeiten des Fadens nicht beeinträchtigen. Da die vom Faden bewirkte Frequenzänderung zwischen 0,2 bis 20 Hz liegt, beträgt die Schaltfrequenz des Genera tors zweckmässig einige Hundert Hz. Mit dieser mit periodischen Prüfungen arbeitenden Schaltungsanord nung mit automatisch stabilisierter Frequenz wird eine sehr hohe Stabilität erreicht, da nur eine zeitliche Asym metrie der beiden Messkondensatoren 8 und 9 einen Fehler verursachen kann, was aber vernachlässigbar ist.
Die Messanordnung ist auch unter extremen Bedingungen stabil und das am Ausgang 16b auftretende Signal gibt mittels eines Tiefpasses von den dielektrischen Schwankungen ein elektrisches Bild, welches durch Verwendung eines Registriergerätes oder eines Integrators analysierbar ist. Die Kapazitäten der Messkondensatoren 9, 8 sind gleich und wegen ihrer Symmetrie werden ihre Werte infolge Temperaturänderungen gleich stark beeinflusst. Diese Änderungen oder Verstimmungen werden von der automatischen Frequenzsteuerung in jeder Periode kompensiert und deshalb tritt am Ausgang 16b, sofern sich kein Faden im Messkondensator 8 befindet und somit der Messkondensator 8 keine Information erhält, kein verwertbares Signal auf. Am Ausgang 16b wird in diesem Falle immer der Nullpegel angezeigt.
Aus der obigen Beschreibung geht hervor, dass nur mittels des Messkondensators 8, und zwar durch Einführung eines Fadens eine Information erhältlich ist, weil beim Messkondensator 9 nur eine automatische Frequenzsteuerung bzw. Rückregelung stattfindet. Die Messkondensatoren 8 und 9 bestehen aus je einer Messkondensatorengruppe, deren einzelne Glieder zum Messen von Fäden verschiedener Durchmesser dienen. Bei der beschriebenen Ausführungsform besteht jede Messkondensatorgruppe aus zwei Kondensatoren von je etwa 20 pF. Da das Messen immer nur in einem, d. h. in irgendeinem Messspalt stattfindet, wird auch bei Ände- rung der Reihenfolge des Prüfens der in den Messkondensatorgruppen eingebrachten Fäden am Ausgang eine Information mit richtigen Vorzeichen erhalten.
Bei der beschriebenen Ausführung dient der Messkondensator 8 als Messkopf. Es ist aber gemäss einer weiteren Ausführung möglich, den Messkondensator 9 als Messkopf zu verwenden.
Im Frequenzsteuerkreis findet eine automatische Abstimmung der Kapazität mittels der Kapazitätsdiode 17 statt, deren Kapazität bei diesem Vorgang abnimmt.
Während einer Halbperiode, in welcher eine Prüfung stattfindet, ist der Messkondensator 8 eingeschaltet, der bezüglich der Nullstellung der Steuervorrichtung einen Kapazitätsmangel aufweist. In diesem Fall tritt am Ausgang 16a ein Signal von entgegengesetzter Polarität auf, welches zum, dem Messkondensator 9 zugeleiteten Signal proportional ist. Das im Rückregelungskreis befindliche RC-Glied 32, 33 dient während der Prüfperiode als Zeitkonstante für die Fehlersignalinformation der Frequenzsteuerung und überträgt den dynamischen Frequenzbereich.
Die beschriebene Messanordnung besitzt gegenüber herkömmlichen Ausführungen mehrere Vorteile.
Erstens konnte unter allen vorkommenden Betriebsverhältnissen, einschliesslich Temperaturschwankungen und Zuglufteinflüssen eine hohe Stabilität erreicht werden. Ferner können bei dieser Messanordnung auch die Oszillatoren in den Messkopf eingebaut werden. Zwischen dem Messkopf und der Messanordnung besteht deshalb nur eine Niederfrequenzverbindung, welche keine Messfehler verursacht. Die Messanordnung ist der art ausgebildet, dass der Messkopf unabhängig vom Betriebszustand unmittelbar an der Spinnmaschine angebracht werden kann.
Die bei der beschriebenen Ausführung erreichte ho he Stabilität ermöglicht die Verwendung von Transisto ren, welche gegenüber Elektronenröhren eine sehr kurze Anwärmzeit haben. Die neuartige Messanordnung ist somit praktisch sofort betriebsbereit.