BESCHREIBUNG
Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäss Oberbegriff des Patentanspruches 1. Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens sowie eine Anwendung desselben.
Viele Arten von Fäden, wie z. B. Garne, metallische Drähte, Litzen, Glasfasern usw., werden nach der Erzeugung oder im Laufe der Verarbeitung auf- oder umgespult, wobei es oftmals wünschenswert ist, die Länge des Fadens möglichst genau zu ermitteln.
Insbesondere bei zahlreichen Prozessen der Textilindustrie wird Garn von einem Garnträger abgezogen, um entweder in nahezu unveränderter Form auf einen anderen Garnträger wieder aufgewickelt zu werden (Spulerei) oder um weiterverarbeitet zu werden (z. B.
Zettlerei). Das Abziehen vom Garnträger bzw. Wiederaufspulen des Garnes erfolgt dabei entweder mit konstanter Geschwindigkeit (z. B.
mittels Klemmwalzenpaar) oder mit periodisch oder näherungsweise periodisch wechselnder Geschwindigkeit (z. B. mittels Nutentrommel). In vielen Fällen würde eine genaue Kenntnis der abgezogenen bzw. der wiederaufgespulten Garnlänge oder der mittleren Abzugsgeschwindigkeit eine Verbesserung der Wirtschaftlichkeit dieser tex tilen Prozesse erlauben. Das erstere trifft in besonders hohem Masse dort zu, wo in einem folgenden Prozess eine Vielzahl von Garnen gleichzeitig und in gleicher Art verarbeitet werden. Vor allem in der Zettlerei führen unterschiedliche Längen der verwendeten Kreuzspulen zu teilweise erheblichen Abfällen und/oder machen das Umspulen der Garnreste notwendig.
Betriebswirtschaftliche Untersuchungen haben gezeigt, dass wesentliche Kostensenkungen in der Webereivorbereitung möglich sind, wenn die Kreuzspulenlängen relativ und absolut mit einer Genauigkeit von 0.3 CV% oder besser vorausbestimmt werden können ( Wirtschaftliche Webereivorbereitung durch automatische Fadenlängenmessung beim Spulvorgang , St. Mayer, Diss. ETH, Zürich 1980).
Nach dem Stand der Technik werden in der textilen Produktion ausschliesslich mechanisch arbeitende Längenmessverfahren eingesetzt. Diese beruhen entweder auf dem Prinzip des Friktionsrades und erreichen dann in der Regel die gewünschte Genauigkeit, führen aber zu einer mechanischen Beanspruchung des Garnes und sind nur für niedere Spulgeschwindigkeiten geeignet, oder sie beruhen wie in der Kreuzspulerei auf der Umdrehungszählung mindestens einer mechanischen Antriebswelle und allenfalls der Messung weiterer mechanischer Hilfsgrössen (DE-AS 1 774 229; CH-PS 588 067) und erreichen dann wegen des unvermeidlichen Schlupfes zwischen Antrieb und Garn nicht die erforderliche Genauigkeit und sind gefährdet durch vereinzelte Ausreisser in den Messergebnissen.
Eine neuere Methode benutzt die periodischen Schwankungen der Fadenzugkraft beim Abzug von Spinnkopsen (CH-PS 635 299) und erzielt so eine hohe Genauigkeit, erfordert jedoch eine organisatorische Abstimmung von Spulerei und Spinnerei.
Ein bekanntes berührungsloses Geschwindigkeitsmessverfahren beruht auf dem optischen Dopplereffekt, welcher bei der Lichtstreuung an bewegten Teilchen oder Körpern auftritt ( Laser-Doppler Anemometrie, LDA ; vgl. etwa L. Drain, The Laser Doppler Technique , Chichester 1980), und wird hauptsächlich für das Studium der Gas- und Flüssigkeitsdynamik eingesetzt. Die Anwendung des LDA-Verfahrens für die Geschwindigkeits- und Längenmessung am laufenden Garn ist bekannt (G. C. Dubbeldam, J. Textile Institute , 65 [1974], S. 483 ff.), und es wurde zumindest vermutet, dass es auf diese Weise grundsätzlich möglich ist, die erforderliche Genauigkeit von 0.3 CV% zu erreichen (M. Braun, Ursachen unterschiedlicher Lauflängen beim Spulen, Zettlen und Schlichten unter besonderer Berücksichtigung der dadurch entstehenden Fertigungsverluste , Diss. Stuttgart 1978).
Die hohen Kosten, die geringe Lebensdauer und die Empfindlichkeit der notwendigen Gas-Laser-Lichtquelle verunmöglichen jedoch den Einsatz dieses Verfahrens in der textilen Produktion.
Ein dem LDA-Verfahren verwandtes Geschwindigkeitsmessverfahren, welches mit nicht kohärentem Licht arbeitet, ist schon seit längerer Zeit bekannt (M. Gaster, J. of Fluid Mechanics , 20 [1964], S. 183 ff.), hat sich aber in den Anwendungsbereichen des LDA-Verfahrens nicht durchgesetzt. Ebenso ist eine Variante dieses LDA-ähnlichen Verfahrens bekannt, welche eine verbesserte Signalqualität liefert durch die Verwendung eines doppelten Strahlenganges und zweier Fotodetektoren (CH-PS 564 777).
Zur Auswertung der von den LDA- und LDA-ähnlichen Messverfahren gelieferten elektrischen Signale sind neben analog auch digital arbeitende Verfahren bekannt, welche die Periodendauer des Signales während des Überschreitens eines Mindestamplitudenwertes bestimmen (CH-PS 521 590). Ebenso sind Varianten dieser Verfahren bekannt (CH-PS 601 804). Digital arbeitende elektronische Auswertschaltungen zur Durchführung dieser Verfahren werden im folgenden Zählschaltungen genannt.
Bei der Auswertung der Signale stellt sich das Problem, dass die einzelnen Messwerte stark schwanken; nimmt man z. B. auf einer handelsüblichen Kreuzspulmaschine im freien Fadenlauf mit einer LDA-ähnlichen Optik und der vorbekannten Zählschaltung den zeitlichen Verlauf der Geschwindigkeitsmesswerte auf, so erhält man ein Resultat wie in Fig. 1 dargestellt. Den deutlich erkennbaren, periodischen, vom Fadenantrieb herrührenden Geschwindigkeitsschwankungen ist eine starke zufällige, hauptsächlich von longitudinalen, in weniger starkem Masse auch von transversalen mechanischen Schwingungen des Garnes verursachte Streuung der Messwerte überlagert, welche deren Auswertung praktisch verunmöglicht.
Die durch die Eigendynamik des bewegten Garnes hervorgerufenen Geschwindigkeitsschwankungen können klein gehalten werden, indem man die Messstrecke möglichst nahe an ein die Garnschwingungen dämpfendes Element im Fadenlauf bringt. Bei einer Kreuzspulmaschine kann hierzu die zur Erzeugung einer konstanten Fadenspannung vorgesehene Fadenbremse dienen. Mit der vorbekannten Zählschaltung erhält man sodann ein Resultat wie in Fig. 2 dargestellt. Auch für die Auswertung dieser Messwerte wird eine schnel le und damit teure Auswertschaltung benötigt, will man die erfor derliche Genauigkeit erreichen.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu zeigen, bei welchem der Faden nicht mechanisch beansprucht wird, mit dem die genannte Genauigkeit erreichbar ist und welches durch eine relativ langsame und damit kostengünstige Auswertelektronik auswertbar ist.
Dies wird durch ein Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 erreicht.
Ferner wird eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 8 gezeigt sowie eine Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 16.
Bei einer bevorzugten Ausführungsart des Verfahrens zur Ermittlung der Länge eines textilen Garnes wird ein Abschnitt des Garnes in der Nähe eines die Garnschwingungen dämpfenden Elementes von einer Lichtquelle beleuchtet und eine Abbildung des Abschnitts wird mittels eines einen Raster aufweisenden optischen Korrelatorsystems mit mindestens einem fotoelektrischen Detektor in ein elektrisches Gegentaktsignal gewandelt, welches eine der Garngeschwindigkeit proportionale Frequenz enthält. Nach der Trennung von Gleichtaktanteilen und Störsignalen wird die Periodendauer des Signals jeweils einmal während eines Abtastintervalls konstanter Zeitdauer gemessen, sofern das Signal einen Mindestamplitudenwert überschreitet, und aus den einzelnen, durch Reziprokwertbildung ermittelten Längenmesswerten wird durch Summation und Verknüpfung mit einer Eichkonstanten die Länge bestimmt.
Damit wird ein Verfahren gezeigt, welches mit nicht kohärentem Licht arbeitet, für Dauerbetrieb geeignet ist und bei dem die Optik kompakt und wirtschaftlich ausgestaltet sein kann.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
Fig. 1 die zeitliche Abfolge von Geschwindigkeitsmesswerten im freien Fadenlauf, ermittelt mit einer vorbekannten Zählschaltung;
Fig. 2 die zeitliche Abfolge von Geschwindigkeitsmesswerten in der Nähe eines die Garnschwingungen dämpfenden Elementes mit einer vorbekannten Zählschaltung;
Fig. 3 die zeitliche Abfolge von Geschwindigkeitsmesswerten in der Nähe eines die Garnschwingungen dämpfenden Elementes, ermittelt mit der erfindungsgemässen Vorrichtung;
Fig. 4 eine schematische Darstellung der erfindungsgemässen Vorrichtung zur Ermittlung der Länge eines textilen Garnes;
Fig. 5 eine andere Ausführung der Vorrichtung;
Fig. 6 das Blockschaltbild einer Ausführungsart der Zählschaltung;
Fig. 7 das Blockschaltbild einer weiteren Ausführungsart der Zählschaltung;
;
Fig. 8 das Blockschaltbild einer weiteren Ausführungsart der Zählschaltung;
Fig. 9 eine Skizze der geometrischen Zusammenhänge bei der Beleuchtungs- und Abbildungsoptik;
Fig. 10 eine Skizze einer Anwendung des Längenmessverfahrens auf einer Kreuzspulmaschine;
Fig. 11 eine Skizze einer Anwendung des Längenmessverfahrens für die Regelung eines Klemmwalzenpaares;
Fig. 12 ein Detailschaltbild einer fotoelektrischen Detektorschaltung;
Fig. 13 ein Detailschaltbild eines Nulldurchgangsschalters und
Amplitudendiskriminators;
Fig. 14 ein Detailschaltbild einer Periodendauermessschaltung.
Bei einer Ausführungsart des Verfahrens und der Vorrichtung wird die Geschwindigkeit eines textilen Garnes auf optischem Weg mittels eines Korrelatorsystems ermittelt. Solche Messeinrichtungen sind grundsätzlich bekannt, z. B. aus der CH-PS 558 942.
Für die Geschwindigkeitsmessung textilen Garnes zeigt Fig. 9 die
Skizze eines Ausführungsbeispieles des optischen Teiles der Erfin dung. Die Lichtstreuung erfolgt am effizientesten an den aus der vom Garn 6 und der Achse des Abbildungssystems 8 aufgespannten
Ebene senkrecht hervorstehenden Einzelfasern 33 des textilen
Garnes, da deren Bild 34 am Raster 9 die stärkste Lichtmodulation hervorruft. Legt man die Achse des Beleuchtungssystems 5 auch in diese Ebene, so wird das Licht der Quelle 4 maximal von diesen Ein zelfasern in Richtung der Abbildungsoptik 8 gestreut. Deshalb liefert eine derartige Anordnung der optischen Achsen die grösstmögliche Signalamplitude.
Zu vermeiden ist die direkte Einstrahlung von der Beleuchtungsoptik in die Abbildungsoptik, da im Gegensatz zur verwendeten Dunkelfeldbeleuchtung eine Hellfeldbeleuch tung starkes Schrotrauschen im fotoelektrischen Detektor erzeugt und ein wesentlich schlechteres Signal-/Rausch-Verhältnis aufweist.
Für glatte Fäden, wie z. B. metallische Drähte, können andere bekannte berührungslose Messverfahren verwendet werden, z. B. induktive Geschwindigkeitsmessverfahren.
Nimmt man auf einer handelsüblichen Kreuzspulmaschine im freien Fadenlauf mit einer LDA-ähnlichen Optik und einer bekannten Zählschaltung den zeitlichen Verlauf der Geschwindigkeitsmesswerte auf, so erhält man, wie bereits erwähnt, ein Resultat wie in Fig. 1 dargestellt. Den deutlich erkennbaren, periodischen, vom Fadenantrieb herrührenden Geschwindigkeitsschwankungen ist eine starke zufällige, hauptsächlich von longitudinalen, in weniger starkem Masse auch von transversalen mechanischen Schwingungen des Garnes verursachte Streuung der Messwerte überlagert, welche deren Auswertung praktisch verunmöglicht.
Die durch die Eigendynamik des bewegten Garnes hervorgerufenen Geschwindigkeitsschwankungen können klein gehalten werden, indem man die Messstrecke möglichst nahe an ein die Garnschwingungen dämpfendes Element im Fadenlauf bringt. Bei einer Kreuzspulmaschine kann hierzu die zur Erzeugung einer konstanten Fadenspannung vorgesehene Fadenbremse dienen. Mit der vorbekannten Zählschaltung erhält man sodann ein Resultat wie in Fig. 2 dargestellt.
Eine den Zeichnungen entsprechende Darstellung auf dem Schirm eines Oszilloskops ergibt sich, in dem man das Register der Zählschaltung, in welchem die Periodendauermesswerte digital abgespeichert werden, über einen dividierenden Digital-Analog-Wandler einem Oszilloskop zuführt.
Die gespulte Länge ergibt sich bekanntlich aus der Integration des Geschwindigkeits-Zeit-Verlaufes, L = I v(t) dt. Hierzu können analoge Signaltechniken dienen, welche im wesentlichen auf der Aufladung eines Kondensators beruhen, jedoch den Nachteil einer schlechten Langzeitgenauigkeit aufweisen. Eine bessere Genauigkeit erzielt man, wenn die ohnehin in digitaler Form anfallenden Messwerte auch digital ausgewertet werden. Die direkte Methode, die Integration durch eine Summation der Gestalt L = #v(tj) Atj anzunähern, ist jedoch sehr aufwendig. Sie erfordert die zusätzliche Bestimmung der Zeitintervalle Atj und bei den heute in der Praxis vorkommenden Spulgeschwindigkeiten eine sehr schnelle Elektronik zur Durchführung der einzelnen Multiplikationen bzw. Divisionen.
Zur Lösung dieser Probleme wird bei der Ausführungsart der vorliegenden Erfindung jeweils während eines Abtastintervalles von konstanter Dauer eine Geschwindigkeitsmessung durchgeführt. Um sicherzustellen, dass in einem Abtastintervall auch tatsächlich eine Messung stattfindet, wählt man dessen Dauer so gross, dass im Durchschnitt eine grössere Zahl von Messungen in dieser Zeit gemacht werden könnten, unterbricht jedoch die Funktion der Zählerelektronik jeweils nach einer durchgeführten Messung für die restliche Dauer des Abtastintervalles. Das Messresultat gestaltet sich sodann wie in Fig. 3 dargestellt.
Dies weist die folgenden Vorteile auf:
Auch bei den höchsten, praktisch verwendeten Spulgeschwindigkeiten genügt eine einfache Signalelektronik, da die Messrate konstant und vergleichsweise niedrig bleibt; insbesondere lässt sich die pro Messwert erforderliche Division softwaremässig durchführen.
Jeder durch Reziprokwertbildung gefundene Geschwindigkeitsmesswert ist wegen des festen Abtastintervalles At direkt proportional zu der in dieser Zeit gespulten Länge Al = v/#t. Die gesamte gespulte Länge ergibt sich deshalb einfach aus der Summe der einzelnen Geschwindigkeitsmesswerte, multipliziert mit einer geeigneten Eichkonstanten, die sämtliche Systemparameter enthält.
Die hohe Genauigkeit ergibt sich dadurch, dass im Falle periodisch oder näherungsweise periodisch wechselnder Garngeschwindigkeiten die Messwerte durch ihre Addition über eine Vielzahl von Garngeschwindigkeitsperioden gemittelt werden, während man im Falle konstanter Garngeschwindigkeit ohnehin durch die Mittelung einer genügenden grossen Zahl von Messwerten prinzipiell eine beliebig hohe Genauigkeit erzielen kann. Die Praxis zeigt, dass man für die Messung von Garnlängen, welche in der Grössenordnung von hundert Metern und darüber liegen, immer noch eine ausreichende Zahl von Messwerten erhält, um die angestrebte hohe Genauigkeit zu erzielen.
In Fig. 4 ist eine erfindungsgemässe Vorrichtung schematisch gezeigt. Darin ist ein mit konstanter, periodischer oder näherungsweise periodischer Geschwindigkeit in eine Richtung bewegtes Garn 6 dargestellt. Die mechanischen Schwingungen des Garnes werden von der Fadenbremse 7 gedämpft. Die Messstrecke 6' wird von einer aus einer Stromquelle 1 gespiesenen Lichtquelle 4 vermittels eines Kondensators 5 beleuchtet. Eine Abbildungslinse 8 erzeugt ein Bild des bewegten Fadens auf einem optischen Raster 9, wobei der durch das Raster hindurchtretende Lichtfluss moduliert wird. Ein fotoelektrischer Detektor 10 wandelt diesen zeitlich schwankenden Lichtfluss in Strom- bzw. Spannungsschwankungen um. Ein charakteristischer Verlauf ist in (a) eingezeichnet.
Nach einem Verstärker 11 trennt ein Bandfilter 12 den niederfrequenten Gleichtaktanteil und Störsignale ab, womit sich der in (b) gezeigte Signalverlauf ergibt. Die Frequenz eines derartigen Schwingungspaketes ist der Geschwindigkeit des bewegten Garnes direkt proportional.
Dieses Signal wird nun einerseits von einem Nulldurchgangsschalter 13 in ein Rechtecksignal mit zeitgleichen Nulldurchgängen umgewandelt, andererseits stellt ein Amplitudendiskriminator 14 fest, ob das Signal einen gewissen Mindestamplitudenwert sowohl in positiver als auch in negativer Richtung erreicht, und startet gegebenenfalls eine Messung. Während einer festen Anzahl Signalperioden zählt sodann eine Periodendauermesseinrichtung 21 die hochfrequenten Impulse eines Zeitbasisgenerators 18 und erzeugt einen digitalen Messwert. Falls die Signalamplitude während der Messung den Mindestamplitudenwert entweder in positiver oder in negativer Richtung unterschreitet, so unterbricht der Amplitudendiskriminator 14 den Messvorgang und startet eine neue Messung erst wieder, wenn die Signalamplitude den Mindestamplitudenwert erneut in beiden Richtungen überschreitet.
Nach der Durchführung einer Periodendauermessung wird ein bistabiles Kippglied 20 zurückgesetzt und blockiert die Periodendauermesseinrichtung 21 so lange, bis ein Abtastintervallgenerator 19 einen neuen Puls erzeugt, der das Kippglied setzt und die Periodendauermesseinrichtung 21 wieder freigibt. Auf diese Weise wird erreicht, dass während eines Abtastintervalles genau eine Messung erfolgt, solange nur die Signalamplitude genügend gross ist.
Ein so ermittelter digitaler Periodendauermesswert wird sodann einem Reziprokwertbildner 22 zugeführt, der daraus einen digitalen Frequenzmesswert erzeugt. Eine Summationsschaltung 23 errechnet die Summe der letzten n Messwerte, welche in einer Multiplikationsschaltung 28 mit der Eichkonstanten multipliziert wird, womit sich in oben beschriebener Weise ein Längenmesswert ergibt. Die weitere Summationsschaltung 31 addiert die einzelnen, derartig ermittelten
Längenmesswerte auf, speichert sie und leitet sie der Anzeige 32 zu.
Es versteht sich, dass die Schaltungen 22, 23, 28 und 31 vorteilhaft mit einem Mikroprozessor implementiert werden können.
Eine Verbesserung der Signalqualität kann durch eine vorbe kannte Modifikation der Optik erzielt werden. Ein Korrelatorsy stem, bei dem ein Teil des am bewegten Garn modulierten Lichtes ohne weiteres auf einen zweiten fotoelektrischen Detektor fällt und nachfolgend die beiden elektrischen Signale derartig voneinander subtrahiert werden, dass sich die Gleichtaktsignale möglichst gegen seitig aufheben, vermindert den Aufwand in der nachfolgenden Fil terstufe 12 stark und steigert die Genauigkeit des Messverfahrens.
Weitere Vorteile ergeben sich bei einer weiteren Ausführungsart des Verfahrens: Wegen der Kleinheit der lichtstreuenden Fläche bei textilen Garnen ist eine intensive Beleuchtung der Messstrecke not wendig, will man vermeiden, dass ein schlechtes Signal-/Rausch
Verhältnis die Messgenauigkeit stark herabsetzt. Nachteilig ist dabei die geringe Lebensdauer und der hohe Stromverbrauch der Licht quelle. Mit dem neuen Messverfahren kann nun die Lichtquelle in sehr effizienter Weise gepulst betrieben werden, indem die Beleuch tung mit dem Beginn eines Abtastintervalles einsetzt und sofort nach
Beendigung einer Messung erlischt. Könnten z.
B. im Mittel während eines Abtastintervalles 10 Messungen gemacht werden, so wird ent weder nur ein 1/10 der elektrischen Energie bei stark gesteigerter Le bensdauer der Lichtquelle verbraucht oder aber bei einer gleichen
Lebensdauer wird eine bis maximal 10fach höhere Leuchtintensität der Beleuchtung erreicht.
In Fig. 5 ist ein entsprechendes Ausführungsbeispiel der Vor richtung dargestellt, welches sich die Eigenschaften der beschriebe nen Zählschaltung vorteilhaft zunutze macht. Die Lichtquelle 4 wird über einen elektronischen Schalter 3 aus der Stromquelle 1 gepulst gespiesen. Als Steuersignal wird der Ausgang des bistabilen Kipp gliedes 20 verwendet, welcher jeweils mit Beginn eines Messinterval les in den HIGH-Zustand übergeht und sich nach durchgeführter
Messung bis zum Beginn des nächsten Messintervalles im LOW
Zustand befindet. Ein Pegelwandler und Verstärker 2 besorgt die notwendige Anpassung.
Garne mit unterschiedlichem Titer, Farben und Qualitäten besit zen unterschiedliche Streuquerschnitte für das beleuchtende Licht.
Im weiteren bewirken die Verschmutzung der Optik und die Alte rung vor allem der Lichtquelle unterschiedliche Signalamplituden.
Das in Fig. 6 dargestellte Ausführungsbeispiel der Erfindung trägt dem Rechnung, indem ein Signalgleichrichter 15 über Reglerschaltungen 16, 17 die Verstärkung des Signalverstärkers 11' und, falls notwendig, überdies den Mindestamplitudenwert des Amplitudendiskriminators 14' regelt.
Die Dauer des Abtastintervalles und die Einstellung des Bandfilters lassen sich bei gegebenem Geschwindigkeitsverlauf des Garnes auf eine möglichst hohe Messgenauigkeit hin optimieren. Dem trägt das in Fig. 7 dargestellte Ausführungsbeispiel der Erfindung Rechnung. Die Summe der letzten n Frequenzmesswerte, welche bei festem n der mittleren Garngeschwindigkeit proportional ist, wird jeweils in einem Register 24 zwischengespeichert und in einem Digital-Analog-Wandler 25 in einen analogen Wert übersetzt.
Reglerschaltungen 26, 27 übernehmen sodann die Regelung des elektrisch steuerbaren Bandfilters 12' und des Abtastintervallgenerators 19'.
Die Garnstücke, welche zu einem gültigen Messwert führen können, sind längs des Garnes genähert Poisson-verteilt. Deshalb sind bei nur mässigen Geschwindigkeitsschwankungen des Garnes auch die guten Signalstücke zeitlich ungefähr derartig verteilt, und es besteht immer eine gewisse Wahrscheinlichkeit dafür, dass während eines Messintervalles kein Messwert ermittelt werden kann.
Das in Fig. 8 dargestellte Ausführungsbeispiel der Erfindung gestattet es, bei hohen Ansprüchen an die Genauigkeit eine rechnerische Korrektur an der gemessenen Garnlänge durchzuführen, welche diese Tatsache berücksichtigt. Eine Hilfsschaltung 29 ermittelt jeweils während einer festen Referenzzeit die Zahl der abgelaufenen Messintervalle N sowie die Zahl der durchgeführten Periodendauermessungen n. Ist N > n, so errechnet eine Korrekturschaltung 30 aus der Summe der n Frequenzmesswerte, welche der gemessenen Garnlänge proportional ist, eine Korrekturlänge, welche in der Summationsschaltung 31 zur gemessenen Länge hinzugezählt wird.
Fig. 9 zeigt die Skizze eines Ausführungsbeispieles des optischen Teiles der Erfindung. Die Lichtstreuung erfolgt am effizientesten an den aus der vom Garn 6 und der Achse des Abbildungssystems 8 aufgespannten Ebene senkrecht hervorstehenden Einzelfasern 33 des textilen Garnes, da deren Bild 34 am Raster 6 die stärkste Lichtmodulation hervorruft. Legt man die Achse des Beleuchtungssystems 5 auch in diese Ebene, so wird das Licht der Quelle 4 maximal von diesen Einzelfasern in Richtung der Abbildungsoptik 8 gestreut.
Deshalb liefert eine derartige Anordnung der optischen Achsen die grösstmögliche Signalamplitude. Zu vermeiden ist die direkte Einstrahlung von der Beleuchtungsoptik in die Abbildungsoptik, da im Gegensatz zur verwendeten Dunkelfeldbeleuchtung eine Hellfeldbeleuchtung starkes Schrotrauschen im fotoelektrischen Detektor erzeugt und ein wesentlich schlechteres Signal-/Rausch-Verhältnis aufweist.
Fig. 10 zeigt beispielhaft eine Anwendung des Längenmessverfahrens auf einer Kreuzspulmaschine. Hierbei wird das Garn 6 von einem Spinnkops 35 auf die von der Nutentrommel 42 angetriebene Kreuzspule 43 umgespult. Der Fadenführung dienen Ösen 36, 41 und die Fadenbremse 7. Ein Tastkopf mit eingebautem Messer 37 und ein Steuergerät 38 dienen der elektronischen Garnreinigung.
Die Längenmesseinrichtung besteht aus einem Tastkopf 39, welcher die Optik und den Vorverstärker enthält, sowie einer Zähl- und Anzeigeeinheit 40, welche alle übrigen Schaltungen enthält. Vom Garnreiniger oder auch von einem mechanischen Fadentaster sowie von der Antriebsmechanik der Kreuzspule erhält die Längenmesseinrichtung die Information, dass tatsächlich ein Garn gespult wird, wodurch in den Umspulpausen Fehlmessungen vermieden werden.
Nach dem Erreichen der Sollänge auf der Kreuzspule wird mit dem Messer des Garnreinigers der Spulvorgang unterbrochen.
Fig. 11 zeigt eine Anwendung des Längenmessverfahrens zur Regelung der Liefergeschwindigkeit eines Klemmwalzenpaares 44, welches über eine Antriebswelle 45 starr mit einem Antriebsmotor 46 verbunden ist. Tastkopf 39 sowie Zähl- und Anzeigeschaltung 40 dienen hier als Messorgan für die Liefergeschwindigkeit. Eine weitere Schaltung 47 gibt den Sollwert der Liefergeschwindigkeit vor. Die Regler- und Verstärkerschaltung 48 schliesslich dient der Regelung des Antriebsmotors 46.
Der wesentliche Vorteil dieser Anwendung gegenüber einer Regelung mit einem mechanischen Messorgan (z. B. an der Antriebswelle) liegt darin, dass auch der Schlupf zwischen Garn und Antriebswalze mit im Regelkreis erfasst wird.
Fig. 12 zeigt ein Detailschaltbild der fotoelektrischen Detektorschaltung. Mit 10 ist dabei das eigentliche Fotoelement, eine grossflächige PIN-Diode (8 mm Durchmesser), bezeichnet. 11a bezeichnet den Fotostromverstärker (gemäss The Design of Extremely Low Noise Camera-Tube Preamplifiers , E. Nordholt et al., IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement , vol. IM-32, Nr. 2, Juni 1983). Mit 11b ist ein Gegenkopplungsnetzwerk bezeichnet. Mit 10a und 11c sind eine zweite Fotodiode und ein zweiter Verstärker schematisch dargestellt, welche bei einer Ausführungsart gemäss Anspruch 4 zur Unterdrückung von Gegentaktanteilen vorgesehen werden können, wobei der Abschwächer lid zur Justierung dient. 11e bezeichnet einen Differenzverstärker (Modell AM 502 der Firma Tektronik Inc., Beaverton, Oregon, USA). Mit 12 ist ein Bandpassfilter, Modell AP 220-S, der A.
P. Circuit Corp., New York, USA, bezeichnet. Fig. 13 zeigt einen aus handelsüblichen integrierten Schaltungen aufgebauten Nulldurchgangsschalter und Amplitudendiskriminator.
Fig. 14 zeigt die Periodendauermesseinrichtung 21, das bistabile Kippglied 20 und die Schnittstelle zum Reziprokwertbildner 22. Die Schaltungen 22, 23, 28 und 31 (Fig. 4) werden von einem Mikroprozessorsystem (z. B. Commodore CBM 8032) gebildet. Zu diesem Zweck kann das Mikroprozessorsystem mit einfachen Standardrou tinen zur Bildung des Reziprokwertes, zur Summation und Multiplikation mit einer Konstanten programmiert werden. Für die Schaltung 32 werden die Bildschirm-Steuerung und der Bildschirm des CBM 8032 verwendet.
DESCRIPTION
The invention relates to a method according to the preamble of claim 1. Furthermore, the invention relates to an apparatus for performing the method and an application of the same.
Many types of threads, such as B. yarns, metallic wires, strands, glass fibers, etc., are wound up or rewound after production or in the course of processing, and it is often desirable to determine the length of the thread as precisely as possible.
In particular in numerous processes in the textile industry, yarn is drawn off from a yarn carrier in order to either be rewound in an almost unchanged form on another yarn carrier (winding) or to be further processed (e.g.
Warehousing). The yarn is pulled off or the yarn is rewound either at a constant speed (e.g.
with a pair of pinch rollers) or with a periodically or approximately periodically changing speed (e.g. with a grooved drum). In many cases, a precise knowledge of the length of yarn that was drawn off or rewound, or the average take-off speed, would allow an improvement in the economy of these textile processes. The former is particularly true where a large number of yarns are processed simultaneously and in the same way in a subsequent process. Especially in warping, different lengths of the packages used lead to considerable waste in some cases and / or make it necessary to rewind the yarn residues.
Business studies have shown that significant cost reductions in weaving preparation are possible if the package lengths can be predicted relatively and absolutely with an accuracy of 0.3 CV% or better (economic weaving preparation through automatic thread length measurement during the winding process, St. Mayer, Diss.ETH, Zurich 1980).
According to the state of the art, only mechanical length measuring methods are used in textile production. These are either based on the principle of the friction wheel and then usually achieve the desired accuracy, but lead to mechanical stress on the yarn and are only suitable for low winding speeds, or they are based on the counting of the revolution of at least one mechanical drive shaft and, if necessary, as in cross winding the measurement of further mechanical auxiliary quantities (DE-AS 1 774 229; CH-PS 588 067) and then do not achieve the required accuracy due to the inevitable slippage between drive and yarn and are endangered by isolated outliers in the measurement results.
A newer method uses the periodic fluctuations of the thread tension when taking off spinning bobbins (CH-PS 635 299) and thus achieves a high level of accuracy, but requires an organizational coordination of winding and spinning.
A known non-contact speed measurement method is based on the optical Doppler effect, which occurs in light scattering on moving particles or bodies (laser Doppler anemometry, LDA; see e.g. L. Drain, The Laser Doppler Technique, Chichester 1980), and is mainly used for studying of gas and liquid dynamics. The use of the LDA method for the speed and length measurement on the running yarn is known (GC Dubbeldam, J. Textile Institute, 65 [1974], p. 483 ff.), And it was at least suspected that it is basically in this way it is possible to achieve the required accuracy of 0.3 CV% (M. Braun, causes of different run lengths during winding, slip and finishing with special consideration of the resulting manufacturing losses, Diss. Stuttgart 1978).
However, the high costs, the short lifespan and the sensitivity of the necessary gas laser light source make it impossible to use this method in textile production.
A speed measurement method related to the LDA method, which works with non-coherent light, has been known for a long time (M. Gaster, J. of Fluid Mechanics, 20 [1964], p. 183 ff.), But has been used in the fields of application of the LDA procedure not enforced. A variant of this LDA-like method is also known, which provides improved signal quality through the use of a double beam path and two photo detectors (CH-PS 564 777).
In order to evaluate the electrical signals supplied by the LDA and LDA-like measurement methods, in addition to analog methods, digital methods are known which determine the period of the signal when a minimum amplitude value is exceeded (CH-PS 521 590). Variants of these methods are also known (CH-PS 601 804). Digitally operating electronic evaluation circuits for carrying out these methods are referred to below as counter circuits.
When evaluating the signals, the problem arises that the individual measured values fluctuate greatly; you take z. B. on a commercial cross-winder in free thread running with an LDA-like optics and the known counting circuit on the time course of the speed measured values, you get a result as shown in Fig. 1. The clearly recognizable, periodic speed fluctuations resulting from the thread drive is overlaid by a strong random scatter of the measured values, mainly caused by longitudinal, to a lesser extent also by transverse mechanical vibrations of the yarn, which practically makes their evaluation impossible.
The speed fluctuations caused by the inherent dynamics of the moving yarn can be kept small by bringing the measuring section as close as possible to an element in the yarn path that dampens the yarn vibrations. In the case of a package winding machine, the thread brake provided for generating a constant thread tension can be used for this purpose. A result as shown in FIG. 2 is then obtained with the known counter circuit. A fast and therefore expensive evaluation circuit is also required for the evaluation of these measured values if the required accuracy is to be achieved.
The invention is therefore based on the object of showing a method of the type mentioned at the outset in which the thread is not mechanically stressed, with which the stated accuracy can be achieved and which can be evaluated by a relatively slow and therefore inexpensive evaluation electronics.
This is achieved by a method with the characterizing features of claim 1.
Furthermore, an apparatus for performing the method with the characterizing features of claim 8 and an application of the method according to claim 16 are shown.
In a preferred embodiment of the method for determining the length of a textile yarn, a section of the yarn in the vicinity of an element which dampens the yarn vibrations is illuminated by a light source and an image of the section is integrated into an optical correlator system with at least one photoelectric detector electrical push-pull signal converted, which contains a frequency proportional to the yarn speed. After the separation of common-mode components and interference signals, the period of the signal is measured once during a sampling interval of constant duration, provided that the signal exceeds a minimum amplitude value, and the length is determined from the individual length measurement values determined by the formation of reciprocal values by summation and linkage with a calibration constant.
This shows a method which works with non-coherent light, is suitable for continuous operation and in which the optics can be compact and economical.
Exemplary embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to the drawings. Show:
1 shows the chronological sequence of speed measured values in the free thread run, determined with a previously known counter circuit;
2 shows the chronological sequence of speed measurement values in the vicinity of an element damping the yarn vibrations with a previously known counting circuit;
3 shows the chronological sequence of speed measured values in the vicinity of an element damping the yarn vibrations, determined with the device according to the invention;
4 shows a schematic illustration of the device according to the invention for determining the length of a textile yarn;
5 shows another embodiment of the device;
6 shows the block diagram of an embodiment of the counting circuit;
7 shows the block diagram of a further embodiment of the counting circuit;
;
8 shows the block diagram of a further embodiment of the counting circuit;
9 shows a sketch of the geometric relationships in the illumination and imaging optics;
10 shows a sketch of an application of the length measuring method on a cheese winder;
11 shows a sketch of an application of the length measuring method for the control of a pair of pinch rollers;
12 is a detailed circuit diagram of a photoelectric detector circuit;
13 is a detailed circuit diagram of a zero-cross switch and
Amplitude discriminator;
14 is a detailed circuit diagram of a period measurement circuit.
In one embodiment of the method and the device, the speed of a textile yarn is determined optically by means of a correlator system. Such measuring devices are generally known, for. B. from CH-PS 558 942.
9 shows the speed measurement of textile yarns
Sketch of an embodiment of the optical part of the inven tion. The light scattering takes place most efficiently on those spanned by the yarn 6 and the axis of the imaging system 8
Single fibers 33 of the textile projecting perpendicularly
Yarns, since their image 34 on grid 9 produces the strongest light modulation. If you put the axis of the lighting system 5 in this plane, the light from the source 4 is scattered by these single fibers in the direction of the imaging optics 8. Therefore, such an arrangement of the optical axes provides the greatest possible signal amplitude.
Direct irradiation from the illumination optics into the imaging optics should be avoided, since in contrast to the dark field illumination used, bright field illumination generates strong shot noise in the photoelectric detector and has a significantly poorer signal-to-noise ratio.
For smooth threads, such as B. metallic wires, other known non-contact measurement methods can be used, e.g. B. inductive speed measurement.
If the time course of the speed measured values is recorded on a commercially available cross-winder in free thread travel with an LDA-like optics and a known counting circuit, as already mentioned, a result is obtained as shown in FIG. 1. The clearly recognizable, periodic speed fluctuations resulting from the thread drive is overlaid by a strong random scatter of the measured values, mainly caused by longitudinal, to a lesser extent also by transverse mechanical vibrations of the yarn, which practically makes their evaluation impossible.
The speed fluctuations caused by the inherent dynamics of the moving yarn can be kept small by bringing the measuring section as close as possible to an element in the yarn path that dampens the yarn vibrations. In the case of a package winding machine, the thread brake provided for generating a constant thread tension can be used for this purpose. A result as shown in FIG. 2 is then obtained with the known counter circuit.
A representation corresponding to the drawings on the screen of an oscilloscope is obtained by feeding the register of the counter circuit, in which the period duration measurement values are stored digitally, to an oscilloscope via a dividing digital-to-analog converter.
As is known, the coiled length results from the integration of the speed-time curve, L = I v (t) dt. For this purpose, analog signal techniques can be used, which are essentially based on the charging of a capacitor, but have the disadvantage of poor long-term accuracy. Better accuracy can be achieved if the measured values, which are already available in digital form, are also evaluated digitally. However, the direct method of approximating the integration by summing the form L = #v (tj) Atj is very complex. It requires the additional determination of the time intervals Atj and, given the winding speeds currently used in practice, very fast electronics for carrying out the individual multiplications or divisions.
To solve these problems, in the embodiment of the present invention, a speed measurement is carried out during a sampling interval of constant duration. In order to ensure that a measurement actually takes place in a sampling interval, the duration is so long that on average a larger number of measurements could be taken during this time, but the function of the counter electronics is interrupted for the remaining duration after each measurement the sampling interval. The measurement result is then as shown in FIG. 3.
This has the following advantages:
Even at the highest, practically used winding speeds, simple signal electronics are sufficient, since the measuring rate remains constant and comparatively low; in particular, the division required for each measured value can be carried out by software.
Because of the fixed sampling interval At, each speed measurement value found by forming the reciprocal value is directly proportional to the length Al = v / # t spooled during this time. The total spooled length is therefore simply the sum of the individual speed measurements, multiplied by a suitable calibration constant that contains all the system parameters.
The high accuracy results from the fact that, in the case of periodically or approximately periodically changing yarn speeds, the measurement values are averaged over a large number of yarn speed periods, whereas in the case of constant yarn speed, in principle an arbitrarily high accuracy is obtained anyway by averaging a sufficient large number of measurement values can achieve. Practice shows that for the measurement of yarn lengths that are of the order of a hundred meters and above, a sufficient number of measured values is still obtained in order to achieve the desired high accuracy.
A device according to the invention is shown schematically in FIG. It shows a yarn 6 moving in one direction at a constant, periodic or approximately periodic speed. The mechanical vibrations of the yarn are damped by the thread brake 7. The measuring section 6 'is illuminated by a light source 4 fed from a current source 1 by means of a capacitor 5. An imaging lens 8 forms an image of the moving thread on an optical raster 9, the light flux passing through the raster being modulated. A photoelectric detector 10 converts this temporally fluctuating light flow into current or voltage fluctuations. A characteristic course is shown in (a).
After an amplifier 11, a bandpass filter 12 separates the low-frequency common-mode component and interference signals, which results in the signal curve shown in (b). The frequency of such a vibration package is directly proportional to the speed of the yarn being moved.
This signal is now converted on the one hand by a zero crossing switch 13 into a square-wave signal with simultaneous zero crossings, on the other hand an amplitude discriminator 14 determines whether the signal reaches a certain minimum amplitude value in both the positive and negative directions and starts a measurement if necessary. During a fixed number of signal periods, a period duration measuring device 21 then counts the high-frequency pulses of a time base generator 18 and generates a digital measured value. If the signal amplitude falls below the minimum amplitude value in either the positive or negative direction during the measurement, the amplitude discriminator 14 interrupts the measurement process and only starts a new measurement when the signal amplitude again exceeds the minimum amplitude value in both directions.
After a period duration measurement has been carried out, a bistable flip-flop 20 is reset and blocks the period duration measuring device 21 until a sampling interval generator 19 generates a new pulse which sets the flip-flop and releases the period duration measuring device 21 again. In this way it is achieved that exactly one measurement is carried out during a sampling interval, as long as the signal amplitude is sufficiently large.
A digital period duration measurement value determined in this way is then fed to a reciprocal value generator 22, which generates a digital frequency measurement value therefrom. A summation circuit 23 calculates the sum of the last n measured values, which is multiplied in a multiplication circuit 28 by the calibration constant, which results in a length measurement value in the manner described above. The further summation circuit 31 adds the individual ones determined in this way
Measured length values, stores them and forwards them to the display 32.
It goes without saying that the circuits 22, 23, 28 and 31 can advantageously be implemented with a microprocessor.
An improvement in the signal quality can be achieved by a known modification of the optics. A Korrelatorsy stem, in which a part of the light modulated on the moving yarn easily falls on a second photoelectric detector and subsequently the two electrical signals are subtracted from one another in such a way that the common-mode signals cancel each other out as much as possible, reduces the effort in the subsequent filter stage 12 strong and increases the accuracy of the measurement process.
Further advantages result from a further embodiment of the method: Because of the smallness of the light-scattering surface in textile yarns, intensive illumination of the measuring section is necessary if one wants to avoid bad signal / noise
Ratio greatly reduces the measuring accuracy. The disadvantage is the short life and high power consumption of the light source. With the new measuring method, the light source can now be operated in a very efficient manner in pulsed fashion, in that the lighting starts at the beginning of a sampling interval and immediately after
A measurement ends. Could e.g.
B. 10 measurements are taken on average during a sampling interval, then either only 1/10 of the electrical energy is consumed at a greatly increased lifetime of the light source or at the same ent
Lifespan is up to a maximum of 10 times higher luminous intensity of the lighting.
In Fig. 5, a corresponding embodiment of the on device is shown, which takes advantage of the properties of the described NEN circuit. The light source 4 is pulsed from the current source 1 via an electronic switch 3. The output of the bistable flip-flop 20 is used as the control signal, which changes to the HIGH state at the start of a measurement interval and after which has been carried out
Measurement until the beginning of the next measurement interval in the LOW
Condition. A level converter and amplifier 2 provides the necessary adjustment.
Yarns with different titers, colors and qualities have different scatter cross sections for the illuminating light.
Furthermore, the contamination of the optics and the aging, especially of the light source, cause different signal amplitudes.
The exemplary embodiment of the invention shown in FIG. 6 takes this into account in that a signal rectifier 15 regulates the amplification of the signal amplifier 11 'via regulator circuits 16, 17 and, if necessary, moreover the minimum amplitude value of the amplitude discriminator 14'.
The duration of the sampling interval and the setting of the belt filter can be optimized for the highest possible measurement accuracy given the speed of the yarn. The embodiment of the invention shown in FIG. 7 takes this into account. The sum of the last n frequency measurement values, which is proportional to the mean yarn speed at a fixed n, is temporarily stored in a register 24 and translated into an analog value in a digital-to-analog converter 25.
Controller circuits 26, 27 then take over the regulation of the electrically controllable bandpass filter 12 'and the sampling interval generator 19'.
The pieces of yarn, which can lead to a valid measured value, are approximately Poisson-distributed along the yarn. Therefore, with only moderate fluctuations in the speed of the yarn, the good signal pieces are also distributed approximately in time, and there is always a certain probability that no measured value can be determined during a measuring interval.
The embodiment of the invention shown in FIG. 8 makes it possible to carry out a computational correction on the measured yarn length, which takes this fact into account, when high demands are placed on the accuracy. An auxiliary circuit 29 determines the number of expired measurement intervals N and the number of period duration measurements n carried out during a fixed reference time. If N> n, a correction circuit 30 calculates a correction length from the sum of the n frequency measurement values, which is proportional to the measured yarn length, which is added to the measured length in the summation circuit 31.
Fig. 9 shows the sketch of an embodiment of the optical part of the invention. The light scattering takes place most efficiently on the individual fibers 33 of the textile yarn protruding perpendicularly from the plane spanned by the yarn 6 and the axis of the imaging system 8, since their image 34 on the grid 6 causes the strongest light modulation. If the axis of the illumination system 5 is also placed in this plane, the light from the source 4 is scattered at most by these individual fibers in the direction of the imaging optics 8.
Therefore, such an arrangement of the optical axes provides the greatest possible signal amplitude. Avoid direct irradiation from the illumination optics into the imaging optics, because in contrast to the dark field illumination used, bright field illumination generates strong shot noise in the photoelectric detector and has a much poorer signal-to-noise ratio.
10 shows an example of an application of the length measuring method on a cheese winder. Here, the yarn 6 is rewound from a spinning head 35 onto the cheese 43 driven by the grooved drum 42. The thread guide is used for eyelets 36, 41 and the thread brake 7. A probe with built-in knife 37 and a control device 38 are used for electronic yarn cleaning.
The length measuring device consists of a probe 39, which contains the optics and the preamplifier, and a counting and display unit 40, which contains all the other circuits. The length measuring device receives the information from the yarn cleaner or also from a mechanical thread sensor as well as from the drive mechanism of the package, that a yarn is actually being wound, whereby incorrect measurements are avoided during the rewinding pauses.
After reaching the desired length on the package, the winding process is interrupted with the knife of the thread cleaner.
11 shows an application of the length measuring method for regulating the delivery speed of a pair of pinch rollers 44 which is rigidly connected to a drive motor 46 via a drive shaft 45. Probe 39 and counting and display circuit 40 serve here as a measuring element for the delivery speed. Another circuit 47 specifies the target value of the delivery speed. Finally, the regulator and amplifier circuit 48 serves to regulate the drive motor 46.
The main advantage of this application compared to control with a mechanical measuring element (e.g. on the drive shaft) is that the slip between the yarn and the drive roller is also recorded in the control loop.
12 shows a detailed circuit diagram of the photoelectric detector circuit. The actual photo element, a large-area PIN diode (8 mm diameter), is designated by 10. 11a denotes the photocurrent amplifier (according to The Design of Extremely Low Noise Camera-Tube Preamplifiers, E. Nordholt et al., IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, vol. IM-32, No. 2, June 1983). 11b denotes a negative feedback network. 10a and 11c schematically show a second photodiode and a second amplifier, which can be provided in an embodiment according to claim 4 for suppressing push-pull components, the attenuator lid being used for adjustment. 11e denotes a differential amplifier (model AM 502 from Tektronik Inc., Beaverton, Oregon, USA). At 12 is a band pass filter, model AP 220-S, the A.
P. Circuit Corp., New York, USA. 13 shows a zero-cross switch and amplitude discriminator constructed from commercially available integrated circuits.
14 shows the period duration measuring device 21, the bistable flip-flop 20 and the interface to the reciprocal value generator 22. The circuits 22, 23, 28 and 31 (FIG. 4) are formed by a microprocessor system (eg Commodore CBM 8032). For this purpose, the microprocessor system can be programmed with simple standard routines for the formation of the reciprocal value, for summation and multiplication by a constant. The circuit control and the screen of the CBM 8032 are used for the circuit 32.