CH702319B1

CH702319B1 - Sensor for measuring tractive force acting on yarn running in knitting machine utilized in industrial application, has probe element for mechanically separating compressive force acting on yarn into two force components

Info

Publication number: CH702319B1
Application number: CH42008A
Authority: CH
Inventors: Urs Dr Meyer
Original assignee: Urs Meyer Texma Org Ag
Priority date: 2008-01-04
Filing date: 2008-01-04
Publication date: 2011-06-15

Abstract

The sensor has a probe element (4) i.e. pivot lever, for recording compressive force (3) acting on a running yarn (1) by deflection and friction of the yarn. The probe element mechanically separates the compressive force into one force component (7) acting on a transducer element (9) and another force component (11) received by a sensor housing (12). A guide (5) of the probe element receives the frictional force generated by the yarn, so that the transducer element is kept away from the frictional force generated by the yarn.

Description

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf einen Sensor gemäss Patentanspruch 1. The invention relates to a sensor according to claim 1.

[0002] Bei vielen Textilmaschinen zum Spinnen oder weiteren Verarbeiten von Garnen ist die Fadenspannung eine entscheidende Prozessgrösse. In der Regel wird sie mit von Hand angelegten Messgeräten von Fall zu Fall beim Einstellen der Prozessparameter ermittelt. Die Anwendung von Fadenspannungssensoren im laufenden Betrieb, fest angeordnet im Fadenlauf, hat sich nur in wenigen Fällen durchgesetzt, beispielsweise beim Friktionstexturieren. In diesem speziellen Fall wird aber lediglich die Schwankung des Fadenzuges Überwacht um Unstabilitäten im Garnlauf durch das Fritionsdrallaggregat festzustellen. In many textile machines for spinning or further processing of yarns, the thread tension is a crucial process variable. As a rule, it is determined on a case-by-case basis with manually set measuring instruments when setting the process parameters. The use of thread tension sensors during operation, fixed in the threadline, has become accepted only in a few cases, for example during friction texturing. In this particular case, however, only the fluctuation of the thread train is monitored to detect instabilities in the yarn run by the Frionsdrallaggregat.

[0003] Der Grund liegt in den hohen Anforderungen, welche der industrielle Einsatz stellt. Einerseits ist eine hohe Empfindlichkeit im Hinblick auf die feinsten verarbeiteten Garne gefordert, andererseits ein grosser Messbereich, der auch für die gröbsten Garne ausreicht, für welche die Maschine ausgelegt ist. Neben günstigen Kosten ist eine hohe Präzision gefordert, weil die Prozessfenster in der Verarbeitung eng sind, und ein momentaner Kraftstoss, beispielsweise von einem mit voller Produktionsgeschwindigkeit durchgezogenen Knoten oder Krängel, darf den Sensor nicht beschädigen. The reason lies in the high demands that the industrial application makes. On the one hand, a high sensitivity with regard to the finest processed yarns is required, on the other hand a large measuring range, which is sufficient even for the coarsest yarns for which the machine is designed. In addition to low cost, high precision is required because the processing windows are narrow in processing, and a momentary impact, such as from a full knot or crimp, must not damage the sensor.

[0004] Das deutsche Patent DE 10 249 278 beschreibt einen Sensor, der aus einer sich durchbiegenden Lamelle besteht, die mit Dehnmessstreifen besetzt ist. Die Durchbiegung dieser Lamelle, welche zum Erreichen eines brauchbaren Nutzsignales erforderlich ist, in Verbindung mit der beträchtlichen bewegten Masse, führt zu einer tiefen Resonanzfrequenz, die im Bereich der stets auftretenden Maschinenschwingungen liegt. Zwar lässt sich diese störende Resonanz durch eine Dämpfungseinrichtung beseitigen, wie Fig. 2 der betreffenden Patentschrift zeigt. Die sich ergebende Frequenzgrenze ist jedoch so tief, dass eine Anwendung auf Maschinen mit geringen Fadengeschwindigkeiten beschränkt ist, also beispielsweise Strickmaschinen. Bei dieser Art Sensor sind die Deformationen der Lamelle bei Überlast so gross, dass ein Abwandern des Nullpunktes durch plastische Deformation der Dehnmessstreifen kaum zu verhindern ist. Dies ist nur bei portablen Geräten zu akzeptieren, wo dieses Prinzip üblich ist, denn in diesem Fall wird der Nullpunkt vor jeder Messung überprüft und justiert. German Patent DE 10 249 278 describes a sensor consisting of a flexing blade which is fitted with strain gauges. The deflection of this blade, which is required to achieve a useful useful signal, in conjunction with the considerable moving mass, leads to a low resonance frequency, which is in the range of machine vibrations always occurring. Although this disturbing resonance can be eliminated by a damping device, as shown in FIG. 2 of the relevant patent. However, the resulting frequency limit is so low that application is limited to machines with low yarn speeds, such as knitting machines. In the case of this type of sensor, the deformations of the lamella in the event of overload are so great that migration of the zero point due to plastic deformation of the strain gauges can hardly be prevented. This is to be accepted only with portable devices, where this principle is usual, because in this case the zero point is checked and adjusted before each measurement.

[0005] Die Patentschrift EP 0 744 602 zeigt einen voll in Elastomer eingebetteten und darin gelagerten Biegebalken, der als Aufnehmerelement offensichtlich mit Dehnmessstreifen besetzt ist. Die grossen beteiligten Massen des umhüllenden Elastomers und die Geometrie des Biegebalkens lassen erkennen, dass diese Ausführung weder bezüglich Empfindlichkeit und Grenzfrequenz noch bezüglich Überlastsicherheit den Anforderungen gewachsen wäre. Für den Fachmann ist erkennbar, dass es sich hier um die Beschreibung einer Idee handelt, die in der Realität wohl kaum ausgeführt und erprobt wurde. The patent EP 0 744 602 shows a fully embedded in elastomer and mounted therein bending beam, which is obviously occupied as a pickup element with strain gauges. The large masses involved of the encapsulating elastomer and the geometry of the bending beam show that this design would be able to cope with the requirements neither in terms of sensitivity and cut-off frequency nor with regard to overload safety. It will be apparent to those skilled in the art that this is a description of an idea that was unlikely to be practiced and tested in reality.

[0006] Im Schweizer Patent CH 692 007 ist ein Sensor beschrieben, der auf der Deformation einer piezoresistiven Membran beruht, auf welche die Fadenkraft über einen Stössel wirkt. Die Empfindlichkeit dieser Halbleiterzellen ist jenen von Dehnmessstreifen deutlich überlegen. Experimentelle Versuche mit dem später beschriebenen piezoresistiven Sensor FSG-15 haben erkennen lassen, dass die piezoresistive Druckmesszelle bezüglich Messbereich und Frequenzverhalten entscheidende Vorteile gegenüber den Dehnmessstreifen bietet. Sensoren der beschriebenen Bauart haben aber keine mechanische Sicherung vor Überlast und fallen deshalb im praktischen Betrieb jederzeit und ohne Vorwarnung aus. In the Swiss patent CH 692 007 a sensor is described, which is based on the deformation of a piezoresistive membrane, on which the thread force acts via a plunger. The sensitivity of these semiconductor cells is clearly superior to that of strain gauges. Experimental tests with the FSG-15 piezoresistive sensor described later have shown that the piezoresistive pressure cell offers decisive advantages over the strain gages in terms of measuring range and frequency behavior. However, sensors of the type described have no mechanical protection against overload and therefore fail in practical operation at any time and without warning.

[0007] Das US Patent US 5 353 003 beschreibt eine ähnliche Lösung, wobei die Übertragung der Kraft auf die piezoresistive Halbleiterzelle in einer der gezeigten Varianten über einen Puffer aus Elastomer erfolgt. Dieser wirkt gleichzeitig als Dichtung. Eine solche Ausführung ist äusserst anspruchsvoll in den mechanischen Toleranzen, weist grosse bewegte Massen auf und ist aufwendig in der Herstellung. Die Sicherung vor Überlast ist auch in diesem Fall nicht gewährleistet. The US Patent US 5,353,003 describes a similar solution, wherein the transmission of force to the piezoresistive semiconductor cell in one of the variants shown is carried out via a buffer made of elastomer. This acts as a seal at the same time. Such a design is extremely demanding in the mechanical tolerances, has large moving masses and is expensive to manufacture. The protection against overload is also not guaranteed in this case.

[0008] Aus US 5 144 841 geht ein piezoresistiver Drucksensor hervor, dessen Halbleiterzelle von einem inkompressiblen Elastomer vollständig umgeben und eingeschlossen ist. Abgesehen von der Schwierigkeit, die thermischen Dehnungen einer solchen Konstruktion zu beherrschen, zeigt die betreffende Patentschrift in keiner Weise, wie eine zu messende Kraft auf das Elastomer zu übertragen wäre. From US 5,144,841 a piezoresistive pressure sensor is apparent, the semiconductor cell is completely surrounded and enclosed by an incompressible elastomer. Apart from the difficulty of controlling the thermal expansions of such a construction, the patent in question in no way shows how a force to be measured would be transferred to the elastomer.

[0009] In US 5 915 281 ist eine piezoresistive Membran aufgeführt, die als Kraftmesselement vorgesehen ist und zur Krafteinleitung mit einem Elastomerpuffer auf der nichtaktiven Membranseite versehen ist. Der Elastomerpuffer ist in seiner Gestaltung so ausgelegt, dass die anliegende Druckkraft möglichst ungeschmälert auf die Membran wirkt, was im Diagramm Fig. 4 der betreffenden Patentschrift ohne weiteres erkennbar ist. Das Problem des Überlastschutzes ist auch hier ungelöst. In US 5,915,281 a piezoresistive membrane is listed, which is provided as a force measuring element and is provided for introducing force with an elastomer buffer on the non-active membrane side. The elastomer buffer is designed in its design so that the applied compressive force acts as undiminished on the membrane, which is readily apparent in the diagram Fig. 4 of the relevant patent. The problem of overload protection is also unsolved here.

[0010] Die Firma Honeywell bietet mit ihrem Sensor Typ FSG-15 einen piezoresistiven Kraftsensor an, dessen Halbleiterzelle über streifenförmig leitfähiges Elastomer kontaktiert ist und deren Krafteinleitung über einen metallischen Stössel erfolgt. Hier ist die Überlastsicherheit gegeben durch den mechanischen Anschlag des Stössels in Verbindung mit dem Nachgeben des unter der Zelle liegenden Leit-Elastomerelementes. Die Hysterese dieses Aufnehmers ist aber infolge der Reibung des Stössels im Aufnehmergehäuse so gross, dass die Signale bei geringen Kräften erratisch sind. Der Stössel ist in der Bohrung verdrehbar, sein Kopf hat die Gestalt eines mechanischen Puffers. Für die Abtastung der Fadenspannung ist der Sensor nicht geeignet, weil er zusätzlich zum Stössel einen separat zu lagernden, vergleichsweise aufwendigen und mit Masse behafteten Taster für den Faden benötigt. Ein weiterer Nachteil dieses Sensors liegt im vergleichsweise komplizierten inneren Aufbau und dem grossen Platzbedarf, was einen kostengerechten Einsatz als Fadenzugsensor verunmöglicht. The company Honeywell offers with its sensor type FSG-15 a piezoresistive force sensor whose semiconductor cell is contacted via strip-shaped conductive elastomer and whose force is applied via a metallic plunger. Here, the overload safety is given by the mechanical stop of the plunger in conjunction with the yielding of the underlying under the cell conductive elastomer element. However, the hysteresis of this transducer is so large due to the friction of the plunger in the transducer housing that the signals are erratic at low forces. The plunger is rotatable in the bore, his head has the shape of a mechanical buffer. The sensor is not suitable for scanning the yarn tension because, in addition to the tappet, it requires a probe which is to be stored separately and comparatively complex and grounded for the yarn. Another disadvantage of this sensor is the relatively complicated internal structure and the large footprint, which makes a cost-effective use as a thread tension sensor impossible.

[0011] Keine der vorgenannten Lösungen wird somit den Anforderungen an einen im Fadenlauf fest angeordneten Fadenzugsensor gerecht, der in seiner Robustheit gegen Überlast, dem benötigten weiten Messbereich, dem technischen Aufwand und den Kosten dem Einsatz auf Textilmaschinen entsprechen würde. Vor allem das Bedürfnis nach hoher statischer und dynamischer Empfindlichkeit bei guter Reproduzierbarkeit des Signals, in Verbindung mit der Fähigkeit, starke Kraftstösse ohne Schaden zu überstehen, bleibt unerfüllt. None of the above solutions is thus the requirements of a fixed threadline thread tension sensor fair, which would correspond in its robustness against overload, the required wide measuring range, the technical complexity and cost of use on textile machinery. Above all, the need for high static and dynamic sensitivity with good reproducibility of the signal, in conjunction with the ability to survive strong bursts without damage remains unfulfilled.

[0012] Der Zweck der Erfindung ist nun, diese Nachteile zu beseitigen. Das dazu eingesetzte Mittel ist ein Sensor gemäss Anspruch 1. Die Kraftübertragung vom Faden auf die Sensorzelle mit nichtlinearer Kennlinie wird in der elektronischen Auswerteschaltung je nach Verwendungszweck des Sensors berücksichtigt oder ausgeglichen. Mit einer solchen Kennlinie, gekennzeichnet durch einen präzis dimensionierten Kraftnebenschluss, ist auch die geforderte Überlastsicherheit realisierbar. <tb>Fig. 1<sep>zeigt die einzelnen Funktionen des Sensors schematisch in ihrem Zusammenhang. <tb>Fig. 2<sep>zeigt den mechanischen Aufbau des Sensors. <tb>Fig. 3<sep>zeigt die Kennlinie des Sensors. <tb>Fig. 4<sep>zeigt schematisch die Funktion der elektrischen Schaltung.The purpose of the invention is now to eliminate these disadvantages. The means used for this purpose is a sensor according to claim 1. The power transmission from the thread to the sensor cell with non-linear characteristic is taken into account or compensated in the electronic evaluation circuit depending on the intended use of the sensor. With such a characteristic, characterized by a precisely dimensioned force shunt, the required overload safety can be realized. <Tb> FIG. 1 <sep> shows the individual functions of the sensor schematically in their context. <Tb> FIG. 2 <sep> shows the mechanical structure of the sensor. <Tb> FIG. 3 <sep> shows the characteristic of the sensor. <Tb> FIG. 4 <sep> schematically shows the function of the electric circuit.

[0013] Fig. 1 zeigt schematisch den entsprechenden Signalfluss. Die Zugkraft auf dem Faden (1), der in bekannter Weise durch ein Fadenführerpaar (1a) ausgelenkt wird, bewirkt eine durch Auslenkung und Reibung bestimmte Druckkraft (3) auf das Tastelement (4). Die Führung (5) des Tastelementes (4) sorgt für die Fortpflanzung einer Komponente der Druckkraft (3) angenähert in der Winkelhalbierenden der Auslenkung des Fadenlaufes. Ein Anteil 7 der Druckkraft (6) gelangt über ein nichtlineares Übertragungselement (8) auf das Wandlerelement (9). Ein Teil (11) der Druckkraft wird vom Übertragungselement (8) mit einem nichtlinear wirkenden Kraftnebenschluss auf das Gehäuse (12) übertragen und damit vom Wandlerelement (9) ferngehalten. Das Wandlerelement (9) setzt auf bekannte Weise die anliegende mechanische Kraft (7) in ein elektrisches Signal (10) um. Die durch das Übertragungselement (8) erzeugte nichtlineare Kennlinie wird in der elektronischen Auswerteschaltung (13) wiederum ausgeglichen. Fig. 1 shows schematically the corresponding signal flow. The tensile force on the thread (1), which is deflected in a known manner by a yarn guide pair (1a), causes a compressive force (3) determined by deflection and friction on the feeler element (4). The guide (5) of the probe element (4) provides for the propagation of a component of the compressive force (3) approximately in the bisector of the deflection of the threadline. A portion 7 of the pressure force (6) passes through a non-linear transmission element (8) on the transducer element (9). A part (11) of the pressure force is transmitted to the housing (12) by the transmission element (8) with a nonlinear force shunt and thus kept away from the transducer element (9). The transducer element (9) converts the applied mechanical force (7) into an electrical signal (10) in a known manner. The non-linear characteristic generated by the transmission element (8) is compensated again in the electronic evaluation circuit (13).

[0014] Fig. 2 zeigt eine bevorzugte Ausführung des Fadenzugsensors. Das Tastelement (2, 4) ist als am Punkt (14) drehbar gelagerter Hebel (15) ausgebildet und übernimmt so die Aufgabe der Führung (5) gemäss Fig. 1. Das Übertragungselement (8) ist in diesem Beispiel einstückig und aus einem Elastomer bestehend. Der nichtlineare Anteil (7) der zu messenden Kraft wird auf das Wandlerelement (9) übertragen. Der im Kraftnebenschluss abgeleitete Anteil (11) der aufgenommenen Druckkraft (6) wird dagegen auf das Gehäuse (12) übertragen. Fig. 2 shows a preferred embodiment of the yarn tension sensor. The probe element (2, 4) is designed as a lever (15) rotatably mounted at the point (14) and thus assumes the role of the guide (5) according to FIG. 1. The transmission element (8) is in this example in one piece and made of an elastomer consisting. The non-linear component (7) of the force to be measured is transmitted to the transducer element (9). The derived in the force shunt share (11) of the absorbed pressure force (6), however, is transferred to the housing (12).

[0015] Fig. 3 zeigt die Kennlinie (16) des Übertragungselementes (8). Vertikal aufgetragen ist dabei der ans Wandlerelement (9) weitergeleitete Kraftanteil (11) in Funktion der aufgenommenen Druckkraft (6), welche der horizontalen Achse des Diagrammes entspricht. Die Kennlinie ist vorzugsweise im Einsatzbereich (17) der Druckkraft logarithmisch, im Überlastbereich (18) flach. Fig. 3 shows the characteristic (16) of the transmission element (8). The force component (11) forwarded to the transducer element (9) is plotted vertically as a function of the recorded pressure force (6), which corresponds to the horizontal axis of the diagram. The characteristic curve is preferably logarithmic in the area of application (17) of the compressive force, and flat in the overload region (18).

[0016] Fig. 4 zeigt schematisch die Funktion der elektronischen Auswerteschaltung (13). Aus dem Signal (10) des Wandlerelementes (9) werden zunächst die Signale (19) «kein Faden» und (20) «Überlast» abgeleitet. Im genutzten Einsatzbereich des Fadenzugsensors wird das Signal (10) durch eine analoge oder digitale Schaltung auf bekannte Weise linearisiert und als analoges oder digitales Ausgangssignal (21) für die Fadenzugkraft abgegeben. Fig. 4 shows schematically the function of the electronic evaluation circuit (13). From the signal (10) of the transducer element (9), the signals (19) «no thread» and (20) «overload» are first derived. In the field of application of the yarn tension sensor used, the signal (10) is linearized in a known manner by an analog or digital circuit and delivered as an analog or digital output signal (21) for the yarn tension.

[0017] Die Führung (5) des Tastelementes (4) kann als lineare Führung ausgeführt sein. Sie wird bevorzugt als Drehpunkt in Form eines Scharniers ausgeführt. Der Drehpunkt ist bevorzugt so angeordnet, dass die vom laufenden Faden ausgeübten Reibungskräfte auf das Tastelement (4) möglichst vollständig aufgenommen werden. Damit wird vermieden, dass diese Reibungskräfte die durch die Fadenzugkraft (1) ausgeübte Druckkraft (3) überlagern. The guide (5) of the probe element (4) can be designed as a linear guide. It is preferably designed as a fulcrum in the form of a hinge. The fulcrum is preferably arranged so that the frictional forces exerted by the running thread on the probe element (4) are absorbed as completely as possible. This avoids that these frictional forces are superimposed by the pressure force (3) exerted by the thread tension force (1).

[0018] Das Übertragungselement (8) kann in geeigneter Weise mit dem Wandlerelement (9) zusammengefasst sein, indem das Wandlerelement (9) selbst eine nichtlineare Kennlinie aufweist. The transmission element (8) can be suitably combined with the transducer element (9) by the transducer element (9) itself has a non-linear characteristic.

[0019] Als Wandlerelement (9) kann eine auf die Dehnung des Materials einer Membran oder eines Biegebalkens ansprechende Schaltung von elektrischen Widerständen eingesetzt werden. Es kann dafür ein auf der Veränderung der Kapazität oder Induktivität beruhender Wandler eingesetzt werden. Es kann dafür ein elastischer Körper eingesetzt werden, dessen Deformation den elektrischen Widerstand beeinflusst. Vorzugsweise wird ein Halbleiterkristall eingesetzt, der auf bekannte Weise nach dem piezoresistiven Prinzip mit einer Membran den auf das Wandlerelement (9) wirkenden Kraftanteil (7) in eine elektrische Spannung (10) umsetzt. As a transducer element (9) responsive to the elongation of the material of a membrane or a bending beam circuit of electrical resistors can be used. It can be used for a based on the change in capacitance or inductance converter. It can be used for an elastic body whose deformation affects the electrical resistance. Preferably, a semiconductor crystal is used, which converts in a known manner according to the piezoresistive principle with a membrane acting on the transducer element (9) force component (7) in an electrical voltage (10).

[0020] Das Übertragungselement (8) besteht bevorzugt aus einem Elastomer mit dämpfenden Eigenschaften. Dies unterdrückt Resonanzstellen in der auf das Wandlerelement (9) wirkenden Kraft, welche durch die Mechanik des Sensors bedingt sind, und erlaubt, die Grenzfrequenz dieses Aufbaus voll auszunützen. The transmission element (8) is preferably made of an elastomer with damping properties. This suppresses resonance points in the force acting on the transducer element (9), which are due to the mechanics of the sensor, and allows to fully exploit the cutoff frequency of this structure.

[0021] Das Übertragungselement (8) ist bevorzugt so gestaltet, dass es sich bei fehlender Fadenzugkraft, entsprechend dem Zustand, dass kein Faden aufliegt, vom Wandlerelement (9) löst und abhebt. Damit wird sichergestellt, dass sich dieser Zustand an Hand des vom Wandlerelement (9) erzeugten Signals (10) einwandfrei von der Funktion bei laufendem Faden unterscheidet. Weiter unterstützt diese Massnahme das Einstellen des Nullpunktes für das Kraftmesselement bei der Fertigung und allfälliger Instandhaltung. The transmission element (8) is preferably designed so that it dissolves in the absence of yarn tension, according to the condition that no thread rests, from the transducer element (9) and lifts. This ensures that this state on the hand of the signal generated by the transducer element (9) (10) perfectly different from the function when the thread is running. Furthermore, this measure supports the setting of the zero point for the force measuring element in the production and any maintenance.

[0022] Die elektronische Auswerteschaltung (13) kann abgesetzt vom Sensor angeordnet sein. Das vom Sensor abgegebene Signal (10) wird als analoge Spannung oder Strom oder in digitaler Form übertragen. Die digitale Übertragung erlaubt es, die Signale einer Vielzahl von Sensoren mit einer gemeinsamen Leitung zu erfassen. The electronic evaluation circuit (13) can be arranged offset from the sensor. The signal (10) emitted by the sensor is transmitted as analog voltage or current or in digital form. The digital transmission makes it possible to detect the signals of a plurality of sensors with a common line.

[0023] Die elektronische Auswerteschaltung (13) wird bevorzugt im Sensorgehäuse untergebracht. Die von ihr abgegebenen Signale (20), (21), (22) werden als analoge Spannungen oder Ströme, bevorzugt aber in digitaler Form abgegeben. The electronic evaluation circuit (13) is preferably housed in the sensor housing. The signals emitted by it (20), (21), (22) are delivered as analog voltages or currents, but preferably in digital form.

Claims

1. sensor for converting the force acting on a running thread tensile force into an electrical signal, characterized in that a by the thread by deflection and friction caused compressive force (3) is mechanically divided into a force component (7) on a transducer element (9) acts, and a share of force (11), which is absorbed by the sensor housing.

2. Sensor according to claim 1, characterized in that the pressure force (3) is received by a probe element, wherein the frictional forces generated by the running thread are received by a guide of the probe element and thus kept away from the transducer element (9).

3. Sensor according to claim 2, characterized in that the recording of the pressure force (3) by a rotatably mounted lever (7) formed sensing element takes place.

4. Sensor according to claim 2 or 3, characterized in that the division of the force components (7, 11) takes place according to a non-linear function, corresponding to the low yarn tension a higher proportion of the compressive force at high yarn tension a smaller proportion of the compressive force on the transducer element (9) is transmitted.

5. Sensor according to claim 4, characterized in that the non-linear function is approximately logarithmic.

6. Sensor according to claim 4, characterized in that for transmitting the scanned by the yarn pressure force (3) on the transducer element (9) at least partially constructed as an elastomer transmission element (8) is used.