CH702318B1

CH702318B1 - Device for measuring tension on textile-or technical yarn, has multiple power transmission bodies switched one behind other, probe movably stored on device, and piezo-resistive pressure sensor filled with liquid

Info

Publication number: CH702318B1
Application number: CH3182008A
Authority: CH
Inventors: Urs Dr Meyer
Original assignee: Urs Meyer Texma Org Ag
Priority date: 2008-03-03
Filing date: 2008-03-03
Publication date: 2011-06-15

Abstract

The device has multiple power transmission bodies (11) switched one behind the other. A probe (9) is movably stored on the device. A piezo-resistive pressure sensor (13) e.g. absolute pressure sensor and relative pressure sensor, is filled with liquid (15). The probe is attached with lamella (10) that is formed as a flexible spring. The transmission bodies are made of an elastomer and attached at the probe. The transmission bodies are fastened to a diaphragm (12) of the pressure sensor with conical cross section in a direction of force to be transmitted.

Description

[0001] Das Erfassen der Fadenzugkraft zur Steuerung und Überwachung von garnverarbeitenden Maschinen erfolgt mit Fadenkraftsensoren, die ausnahmslos auf dem Auslenken des Fadens aus einer ursprünglich gestreckten Lage beruhen. Zur Auslenkung wird ein fadenführendes Organ eingesetzt, das durch den Faden mit einer Rückstellkraft beaufschlagt wird. Diese Rückstellkraft wird durch ein Sensorelement in ein elektrisches Signal umgewandelt. Die auf das Sensorelement wirkende Kraft ist, ein genügend steifes Sensorelement vorausgesetzt, im Wesentlichen proportional zur anliegenden Fadenzugkraft. Das fadenführende Organ besteht aus einem den Faden berührenden Tastkopf, einer dazugehörigen mechanischen Führung, die auf einer Drehung oder Linearbewegung beruhen kann, und die mit dem eigentlichen Sensorelement in Verbindung stehende Kraftübertragung. Detecting the yarn tension for controlling and monitoring of yarn processing machines is done with thread force sensors, which are based exclusively on the deflection of the thread from an originally stretched position. For deflection, a thread-guiding member is used, which is acted upon by the thread with a restoring force. This restoring force is converted by a sensor element into an electrical signal. The force acting on the sensor element is, assuming a sufficiently rigid sensor element, substantially proportional to the applied yarn tension. The thread-guiding member consists of a probe contacting the thread, an associated mechanical guide, which may be based on a rotation or linear movement, and the power transmission associated with the actual sensor element.

[0002] Weil jede Auslenkung des Fadens aus seinem ausgestreckten Pfad eine zusätzliche Beanspruchung des Fadens durch Reibungskräfte und die Gefahr von Beschädigung durch Scheuern an den fadenführenden Elementen mit sich bringt, muss der auslenkende Winkel über dem Tastkopf möglichst gestreckt sein. Deshalb steht nur ein geringer Teil des Fadenzuges als wirksame Kraft am Tastkopf für die Übertragung auf das Sensorelement zur Verfügung. Umso höher sind die Anforderungen an die Empfindlichkeit des Sensorelementes. Wohl lässt sich diese Empfindlichkeit durch eine entsprechende mechanische Übersetzung mit einem Hebel oder Biegebalken erhöhen, jedoch auf Kosten der dynamischen Eigenschaften des Sensors. Because any deflection of the thread from its extended path brings an additional stress on the thread by frictional forces and the risk of damage by rubbing on the thread-guiding elements, the deflecting angle must be stretched over the probe as possible. Therefore, only a small portion of the threadline is available as an effective force on the probe for transmission to the sensor element. The higher the requirements for the sensitivity of the sensor element. Although this sensitivity can be increased by a corresponding mechanical translation with a lever or bending beam, but at the expense of the dynamic properties of the sensor.

[0003] Die dynamischen Eigenschaften eines Fadenzugaufnehmers zeigen sich an seiner Fähigkeit, kurzzeitige Kraftspitzen naturgetreu mit einem elektrischen Ausgangssignal abzubilden. Dies entspricht signaltechnisch einer grossen Bandbreite, im Falle von textilen Garnen bis zu Grenzfrequenzen im Bereich einiger kHz. Dies ist einerseits bedingt durch die hohe Produktionsgeschwindigkeit der Maschinen, die bis zu 200 m/s reicht, und andererseits die Fortpflanzungsgeschwindigkeit von Zugkraftimpulsen in Garnen, die im Bereich von 1000 bis 10 000 m/s liegen. The dynamic properties of a Fadenzugaufnehmers show up in its ability to accurately reproduce short-term force peaks with an electrical output signal. In terms of signaling, this corresponds to a large bandwidth, in the case of textile yarns up to cut-off frequencies in the range of a few kHz. On the one hand, this is due to the high production speed of the machines, which is up to 200 m / s, and on the other hand, the propagation speed of traction pulses in yarns ranging from 1000 to 10,000 m / s.

[0004] Die bekannten Konstruktionen von Fadenzugsensoren mit den oben angegebenen Komponenten zeigen nun ausgeprägte Resonanzschwingungen, welche auf das Zusammenwirken der elastischen Befestigung bzw. Führung des Tastkopfes in Verbindung mit seiner bewegten Masse zurückzuführen sind. Ein zur Aufnahme rascher Zugkraftimpulse geeigneter Sensor muss deshalb nicht nur eine hohe Eigenfrequenz aufweisen, sondern auch ein aperiodisches Verhalten, das heisst eine den schwingenden Komponenten angepasste Dämpfung. Diese darf jedoch nicht die Empfindlichkeit des Sensors selbst beeinträchtigen. Keine der bekannten Ausführungen, wie sie in der Folge aufgezeigt werden, erfüllt diese Bedingung. The known constructions of yarn tension sensors with the components specified above now show pronounced resonant vibrations, which are due to the interaction of the elastic attachment or guidance of the probe in conjunction with its moving mass. Therefore, a sensor suitable for receiving rapid traction pulses need not only have a high natural frequency, but also an aperiodic behavior, that is, a damping adapted to the oscillating components. However, this must not affect the sensitivity of the sensor itself. None of the known embodiments, as shown in the following, fulfills this condition.

[0005] Der von der Firma Oerlikon Heberlein Temco angebotene Sensor Typ ZKS, dokumentiert unter (http://www.temco.de/uploads/media/ZKS50.pdf), setzt als mechanische Führung des Tastkopfes eine federnde Lamelle ein, die parallel zum Faden verläuft und am einen Ende den Fadenführer trägt, am gegenüberliegenden Ende fest mit dem Gehäuse verbunden ist. Der Sensor funktioniert nach dem Prinzip der Federwaage. Das Übertragungselement ist ein Dauermagnet, der auf der Gegenseite des Fadenführers an der federnden Lamelle angebracht ist. Die Position dieses Dauermagneten wird über das von ihm erzeugte Magnetfeld berührungslos von einem am Gehäuse fest angebrachten Hallelement erfasst. Dieser Sensor ist in seiner Bandbreite beschränkt durch die vergleichsweise geringe Federkonstante der Lamelle und die bedeutende Masse des Dauermagneten. Eine Dämpfung der Eigenresonanz ist nicht vorgesehen. Zur Messung dynamischer Effekte im Fadenzug ist der Sensor nicht geeignet. The offered by the company Oerlikon Heberlein Temco sensor type ZKS, documented at (http://www.temco.de/uploads/media/ZKS50.pdf), uses as a mechanical guidance of the probe a resilient blade, the parallel runs to the thread and at one end carries the thread guide, is firmly connected at the opposite end to the housing. The sensor works on the principle of spring balance. The transmission element is a permanent magnet, which is mounted on the opposite side of the yarn guide on the resilient blade. The position of this permanent magnet is detected by the contactlessly generated by him magnetic field of a fixedly mounted on the housing Hall element. This sensor is limited in its bandwidth by the comparatively low spring constant of the lamella and the significant mass of the permanent magnet. An attenuation of the self-resonance is not provided. The sensor is not suitable for measuring dynamic effects in the threadline.

[0006] Bei einer Reihe von weiteren bekannten Konstruktionen nach dem gleichen Prinzip des Biegebalkens als Federwaage sind auf der biegsamen Lamelle Dehnmessstreifen angebracht, welche die mechanische Deformation direkt in ein elektrisches Signal umwandeln. Ein Beispiel dazu ist der von der Firma Oerlikon Heberlein Temco angebotene Sensor Typ 8408, dokumentiert unter (http://www. heberlein.com/index.php?id = 283&L=0). Hier ist die federnde Lamelle aus keramischem Material ausgeführt und die Dehnmessstreifen sitzen in Dickfilmtechnik unmittelbar darauf. <tb>Fig. 1<sep>zeigt den Fadenlauf und das Funktionsprinzip eines konventionellen Fadenspannungssensors. <tb>Fig. 2<sep>zeigt den Fadenlauf und den Aufbau der erfindungsgemässen Vorrichtung. <tb>Fig. 3<sep>zeigt den Aufbau der erfindungsgemässen Vorrichtung im Schnitt quer zum Fadenlauf. <tb>Fig. 4<sep>zeigt im Vergleich das bei einem Zugspannungsstoss erzeugte Signal eines konventionellen Sensors und der erfindungsgemässen Vorrichtung.In a number of other known constructions according to the same principle of the bending beam as a spring balance strain gauges are mounted on the flexible blade, which convert the mechanical deformation directly into an electrical signal. An example of this is the type 8408 sensor offered by Oerlikon Heberlein Temco, documented at (http://www.heberlein.com/index.php?id=283&L=0). Here, the resilient lamella made of ceramic material and the strain gauges sit in thick film technology immediately thereafter. <Tb> FIG. 1 <sep> shows the yarn path and the functional principle of a conventional yarn tension sensor. <Tb> FIG. 2 <sep> shows the threadline and the structure of the inventive device. <Tb> FIG. 3 <sep> shows the structure of the device according to the invention in a section across the yarn path. <Tb> FIG. FIG. 4 shows, in comparison, the signal of a conventional sensor and the device according to the invention generated during a tensile stress surge.

[0007] Fig. 1 zeigt als Beispiel eine solche Ausführung. Der Faden 1 läuft über die beiden mit dem Gehäuse des Fadenzugaufnehmers fest verbundenen Fadenführer 2 und 4 und wird dazwischen mit dem Tastkopf 3 ausgelenkt. Dieser sitzt am beweglichen Ende einer federnden Lamelle 5, die am gegenüberliegenden Ende 6 fest mit dem Gehäuse verbunden ist. Unter Einwirkung der Fadenzugkraft federt der Tastkopf in Richtung der Bewegung 7 ein. Die sich dadurch auf der Oberfläche der Lamelle 5 einstellende Dehnung wird mit einem Dehnmessstreifen 8 auf bekannte Art in ein elektrisches Signal umgewandelt. Dieser Sensor ist in seiner Bandbreite beschränkt durch die vergleichsweise geringe Federkonstante der Lamelle, die sich aus der Deformation ergibt, welche zum Erzeugen eines Signals über Dehnmessstreifen benötigt wird. Die Eigenfrequenz liegt bei typisch 700 Hz. Die Resonanzschwingung ist sehr ausgeprägt, weil keine Dämpfung vorgesehen ist. Zur Messung dynamischer Effekte im Fadenzug ist diese Art von Sensor nicht geeignet. Fig. 1 shows an example of such an embodiment. The thread 1 passes over the two fixed to the housing of the yarn feeder thread guide 2 and 4 and is deflected therebetween with the probe 3. This sits at the movable end of a resilient blade 5, which is connected at the opposite end 6 fixed to the housing. Under the influence of the thread tension of the probe springs in the direction of movement 7 a. The resulting thereby on the surface of the blade 5 adjusting strain is converted with a strain gauge 8 in a known manner into an electrical signal. This sensor is limited in its bandwidth by the comparatively low spring constant of the lamella, which results from the deformation which is required to generate a signal via strain gauges. The natural frequency is typically 700 Hz. The resonance oscillation is very pronounced because no damping is provided. This type of sensor is not suitable for measuring dynamic effects in the threadline.

[0008] Das Deutsche Patent DE10 249 278 beansprucht eine Konstruktion mit einem quer zum Fadenlauf stehenden Stift als Tastkopf, der einseitig an einer als Torsionsbalken ausgebildeten Lamelle angebracht ist. Auf dieser Lamelle sind Dehnmessstreifen angebracht, welche die mechanische Deformation der Lamelle in ein elektrisches Signal umsetzen. Hier sind die gleichen Eigenschaften zu erwarten wie beim vorgenannten Konzept. Die in der Patentschrift erwähnte Dämpfung liegt mechanisch im Kraftnebenschluss zur auf den Tastkopf wirkenden Fadenkraft und beeinträchtigt unmittelbar die Genauigkeit der ganzen Kraftübertragung. Eine präzise Funktion des Sensors ist hier vom Funktionsprinzip her nicht gegeben. The German patent DE10 249 278 claims a construction with a pin standing transversely to the yarn path as a probe, which is mounted on one side on a designed as a torsion bar lamella. On this lamella strain gauges are attached, which convert the mechanical deformation of the lamella into an electrical signal. Here, the same properties are expected as in the aforementioned concept. The mentioned in the patent attenuation is mechanically in the force shunt to the force acting on the probe thread and directly affects the accuracy of the entire power transmission. A precise function of the sensor is not given here by the functional principle.

[0009] Das Deutsche Patent DE10 333 202 beschreibt eine Anordnung, bei der als Tastkopf ein quer zum Fadenlauf stehender Stift eingesetzt ist, der einseitig an einer als Biegebalken ausgebildeten Lamelle angebracht ist. Auf der zur Führung und Kraftübertragung eingesetzten Lamelle sind Dehnmessstreifen angebracht, welche die mechanische Deformation der Lamelle in ein elektrisches Signal umsetzen. Es handelt sich hier um eine andere Gestaltung der Führung für den Tastkopf als bei den vorher genannten Ausführungen, prinzipiell aber ebenfalls um eine mechanische Umsetzung der Bewegung des Tastkopfes in die Dehnung eines federnden Elementes. Bei der erforderlichen Empfindlichkeit liegt die Resonanzfrequenz wiederum bei einigen 100 Hz, eine Dämpfung fehlt, und fehlt auch hier die Fähigkeit zur Messung dynamischer Vorgänge. The German patent DE10 333 202 describes an arrangement in which a transversely to the yarn path standing pin is used as a probe, which is mounted on one side to a trained as a bending bar slat. On the lamella used for guidance and power transmission strain gauges are mounted, which convert the mechanical deformation of the lamella in an electrical signal. This is a different design of the guide for the probe than in the aforementioned embodiments, but in principle also to a mechanical implementation of the movement of the probe in the elongation of a resilient element. At the required sensitivity, the resonant frequency is again at some 100 Hz, attenuation is absent, and here, too, lacks the ability to measure dynamic events.

[0010] Im Schweizer Patent CH 692 007 ist ein völlig anderer mechanischer Aufbau aufgezeigt. Der Tastkopf ist als Röhrchen ausgebildet, das Übertragungselement als Stössel ausgeführt, die Führung erfolgt durch zwei Membrane als Linearführung. Das eigentliche Sensorelement ist als Membrane ausgebildet, aber nicht weiter beschrieben. Eine derartige Anordnung mit federnden Membranen als Führung eines massebehafteten Stössels führt wiederum zu einer vergleichsweise tiefen Resonanzfrequenz. Insbesondere fehlt aber jedes Mittel der Dämpfung, was auch dieses Konzept zur Messung dynamischer Vorgänge unbrauchbar macht. In Swiss Patent CH 692 007 a completely different mechanical design is shown. The probe is designed as a tube, the transmission element designed as a ram, the guide is made by two membranes as a linear guide. The actual sensor element is designed as a membrane, but not further described. Such an arrangement with resilient membranes as a guide of a massed plunger in turn leads to a relatively low resonant frequency. In particular, however, any means of damping is missing, which makes this concept unusable for measuring dynamic processes.

[0011] Das Deutsche Patent DE19 510 599 zeigt eine mit einer Membran bestückte Druckmessdose, welche mit einem unmittelbar auf der Membran aufliegenden Tastkopf ausgerüstet ist. Das zur Umwandlung in ein elektrisches Signal benützte Prinzip wird als kapazitiv oder piezoelektrisch beschrieben. Bei geringer Masse des Tastkopfes und geeigneter Ausführung der Membran sind hier die höchsten Eigenfrequenzen aller vorgenannten Konzepte zu erwarten. Die ausschliessliche Führung des Tastkopfes durch die unmittelbar als Sensorelement wirkende Membran berücksichtigt aber nicht die erheblichen Reibungskräfte, welche vom laufenden Faden auf den Tastkopf ausgeübt werden. Diese zusätzliche Kraftkomponente in Richtung des Fadenlaufes muss zwingend von der Kraftkomponente getrennt werden, die aus der Fadenzugkraft als Resultierende der Umlenkung entsteht. Abgesehen von der mangelnden Genauigkeit der Messung ist auch hier das Fehlen einer Dämpfung massgebend für die mangelnde Eignung des Konzeptes. The German patent DE19 510 599 shows a fitted with a membrane pressure cell, which is equipped with a resting directly on the membrane probe. The principle used for conversion into an electrical signal is described as capacitive or piezoelectric. With low mass of the probe and suitable design of the membrane, the highest natural frequencies of all the above concepts are to be expected here. However, the exclusive guidance of the probe head by the membrane acting directly as a sensor element does not take into account the considerable frictional forces which are exerted on the probe by the running thread. This additional force component in the direction of the yarn path must be necessarily separated from the force component that arises from the yarn tension as the result of the deflection. Apart from the lack of accuracy of the measurement here too, the lack of damping is crucial for the lack of suitability of the concept.

[0012] Die erfindungsgemässe Vorrichtung vermeidet diese Einschränkungen, welche sich auf die nutzbare Bandbreite des aufgenommenen Signals beziehen, indem die bewegten Massen gering sind, die Steifigkeit der Anordnung hoch ist und die Dämpfung im Zug der Kraftübertragung ohne Einbusse an Genauigkeit wirkt. Fig. 2 zeigt diese Vorrichtung im Schnitt entlang des Fadenlaufes, Fig. 3 quer dazu im Schnitt auf der Höhe, wo der Faden über das Tastelement läuft. Der Faden 1 läuft über die festen Fadenführer 2 und 4 und wird dazwischen durch den Tastkopf 9 ausgelenkt. Der Tastkopf ist als torsionssteifes Rohr ausgebildet und wird durch die als federndes Gelenk 18 wirkende Lamelle 10 am Gehäuse 17 gehalten. Die Lamelle 10 wirkt gleichzeitig als ebene Auflage für den Kraftübertragungskörper 11, der als Dämpfungselement ausgebildet und auf ihr befestigt ist. Dieser Kraftübertragungskörper 11 liegt mit minimaler Vorspannung auf der Membrane 12 der Druckmessdose 13 auf. Diese ist mit einem fluiden Übertragungsmedium 15, vorzugsweise Silikonöl, gefüllt und enthält das eigentliche Wandlerelement, eine piezoresistive Messkapsel 14, welche auf bekannte Art den in der Druckmessdose von der Membran erzeugten Druck in ein elektrisches Signal umwandelt. Das Signal wird mit leitenden Stiften 16 über Glasdurchführungen aus dem Innenraum der Druckmessdose nach aussen geleitet. Die mit dieser Vorrichtung erzielte Empfindlichkeit ist hoch, indem die piezoresistive Messkapsel 14 ein gegenüber konventionellen Dehnmessstreifen um eine Grössenordnung stärkeres Signal erzeugt. Durch den Aufbau der Messkapsel aus einem Silizium-Einkristall hat diese weitgehend ideale mechanische Eigenschaften, im Wesentlichen eine ausgezeichnete Linearität und eine vernachlässigbare Hysterese. Durch die fluide Kraftübertragung von der Membran 12 auf die piezoresistive Messkapsel 14 wird die Bewegung der Membran 12 verkürzt, diese also steifer. Versuche haben ergeben, dass die Eigenfrequenz der Membran höher liegt als 50 kHz. In Verbindung mit der Elastizität eines aus Elastomer bestehenden Kraftübertragungskörpers 11 und der Masse des Tastkopfes 9 ergibt sich für die gesamte Anordnung eine Eigenfrequenz von 7 kHz, wobei das Signal nahezu aperiodisch gedämpft verläuft. The inventive device avoids these limitations, which relate to the usable bandwidth of the recorded signal by the moving masses are low, the rigidity of the arrangement is high and the damping in the train of the power transmission without loss of accuracy acts. Fig. 2 shows this device in section along the yarn path, Fig. 3 transversely thereto in section at the height where the thread runs over the probe element. The thread 1 passes over the fixed yarn guides 2 and 4 and is deflected therebetween by the probe 9. The probe is designed as a torsionally rigid tube and is held by the acting as a resilient joint blade 16 10 on the housing 17. The lamella 10 simultaneously acts as a flat support for the power transmission body 11, which is designed as a damping element and fixed on it. This power transmission body 11 is located with minimal bias on the diaphragm 12 of the pressure cell 13. This is filled with a fluid transmission medium 15, preferably silicone oil, and contains the actual transducer element, a piezoresistive measuring capsule 14 which converts the pressure generated in the pressure cell of the membrane into an electrical signal in a known manner. The signal is conducted with conductive pins 16 through glass feedthroughs from the interior of the pressure cell to the outside. The sensitivity achieved with this device is high in that the piezoresistive measuring capsule 14 generates a signal that is stronger by one order of magnitude than conventional strain gauges. By constructing the measuring capsule from a silicon monocrystal, this has largely ideal mechanical properties, essentially excellent linearity and negligible hysteresis. Due to the fluid power transmission from the membrane 12 to the piezoresistive measuring capsule 14, the movement of the membrane 12 is shortened, so this stiffer. Experiments have shown that the natural frequency of the membrane is higher than 50 kHz. In conjunction with the elasticity of an existing elastomeric transmission body 11 and the mass of the probe 9 results in a natural frequency of 7 kHz for the entire arrangement, wherein the signal is almost aperiodically attenuated.

[0013] Fig. 4 zeigt vergleichsweise die Impulsantwort im Zeitbereich eines konventionellen Sensors und einer erfindungsgemässen Vorrichtung. Aufgetragen ist die Amplitude 18 über der Zeitachse 19 nach einem zum Zeitpunkt null auftretenden Kraftimpuls. Das zum konventionellen Aufnehmer gehörende Signal 20 schwingt mit einer seiner Resonanzfrequenz entsprechenden Sinusschwingung über eine Vielzahl von Schwingungen aus. Die entsprechende Frequenz liegt je nach Typ und Aufbau des Sensors zwischen 50 und 700 Hz. Das vom erfindungsgemässen Sensor abgegebene Signal 21 entspricht dem Verlauf der Fadenspannung und lässt keine Resonanz des Sensors selbst mehr erkennen. Die Impulsform ist gegeben durch die Elastizität der fadenführenden Komponenten im Fadenlauf und durch den Impulserzeuger selbst. Fig. 4 shows comparatively the impulse response in the time domain of a conventional sensor and a device according to the invention. The amplitude 18 is plotted against the time axis 19 after a force pulse occurring at time zero. The conventional pickup signal 20 oscillates at a resonant frequency corresponding to a sine wave over a plurality of vibrations. Depending on the type and construction of the sensor, the corresponding frequency is between 50 and 700 Hz. The signal 21 emitted by the sensor according to the invention corresponds to the course of the thread tension and does not allow any more resonance of the sensor to be detected. The pulse shape is given by the elasticity of the thread-guiding components in the yarn path and by the pulse generator itself.

Claims

1. A device for measuring the tension on a textile or technical yarn, consisting of a course of this yarn deflecting, movably mounted probe head (9), one or more serially connected power transmission bodies (11) and a liquid (15) filled, piezoresistive pressure cell (13).

2. Device according to claim 1, characterized in that the probe head (9) is fixed with a strip spring formed as a bending spring (10).

3. Device according to claim 1 or 2, characterized in that at least one of the power transmission body (11) consists of an elastomer.

4. Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that one of the power transmission body (11) is fixed to the movably mounted probe.

5. Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that one of the force transmission body (11) on a membrane (12) of the pressure cell (13) is attached.

6. Device according to one of claims 1 to 5, characterized in that at least one of the force transmission body (11) in the direction of the force to be transmitted has an at least partially conical cross section.

7. Device according to one of claims 1 to 6, characterized in that the piezoresistive pressure measuring cell (13) is designed as Absolutdruckaufnehmer.

8. Device according to one of claims 1 to 6, characterized in that the piezoresistive pressure measuring cell (13) is designed as a relative pressure transducer.