CN1011080B - 用于测量纤维材料连续线束特性的设备和方法 - Google Patents

Abstract

本文首次披露的方法和设备是用于测量纤维线束(例如纺织品)棉条在加工机器上被拉过一个喇叭筒时的线密度的。该测量方法是通过在棉条被控制通过时纤维之间以及纤维和喇叭筒壁之间由摩擦力和压缩力所自然产生声音传播或信号来实现的。声音传播信号的强度正比于通过喇叭筒的棉条的密度。这些声音传播是通过一个把声音信号转换为电信号的传声器而检测到的，此电信号用电子仪器进行处理以便指示这种棉条的密度。这种声音信号还可用来控制纺织机和提供诊断数据。

Description

本发明涉及纤维材料连续线束的线密度的测量方法。

单位长度的重量变化，或线密度，有时也称为均匀性，对纤维线束尤其是纺织品来讲，是最重要的特性之一。这是一种基本的特性。它直接决定了其他特性，诸如强度和外观或对这些特性有很大影响。由于大多数线束密度的不均匀性起始于制造加工的早期阶段，并被带入后面的阶段，而通过纺纱的每一阶段又经常被扩大，所以希望在诸如梳理，精梳或并条拉制期间的某个时刻或接近发生问题的时刻就对产品的这种变化加以纠正。本文所使用的纺织品线束可以是由标准纤维生产的棉条、纤维束、粗纱和纱线。

以前所作的许多努力，举例来说，都是采用诸如，电容传感、体积传感、压差气动传感以及脉冲声频信号的衰减和滞后技术来测量线密度。其中一些技术已经获得了商业上的应用，但是就精度和/或稳定性和/或空间利用率以及传感器附件而论，这些都需加以改进。

本发明旨在介绍一种新的用于纺织工业和其他纤维线束生产操作过程中的质量控制的新技术。纺织工厂收取原棉和发出纺织品，一种重要的半成品是棉条，这是一种不完全均匀的直径粗达好几厘米的软“索”。本发明提供一种装置用于连续和自动地在梳理/并条拉制/混合操作期间对棉条进行检验，从而将其进行精纺为纱线。例如，本发明可用于并条机构，此并条机构可以每分钟518.1米的额定速度（每秒8.6米）在并条工位混配棉条。在并条工位以每秒1.2米的速度将8条棉条输入到罗拉，罗拉又以8∶1的比率拉制输 出，还为了生产高速运送排列好的纤维片材而平整棉条。这种材料通过黄铜制的导引器进入到“喇叭筒”去。喇叭筒一般是由黑色金属，例如，铸铁所制成。借助于穿过喇叭筒，重新变成单根的棉条，它又被拉到罗拉下面并汇集到集料箱内。这一操作过程通常用来混合不同材料（棉花和合成纤维），以及为了使最终产品具有强度而改善纤维的准直性。按照正常的生产情况，这种混合操作过程要进行两次或三次才能将棉条纺成纱线。

本发明可以监控棉条拉过喇叭筒时由摩擦而自然产生的声音信号。此处，当棉条以全速行进时，它被压缩成规范的直径3.5毫米（在未拉状态下棉条直径大约为10毫米）。由安装在喇叭筒上的一个转换器或传感器检测出的声音信号的幅度，指示棉条的线密度例如，每码的格令数（grains    per    yard）。由于棉条线密度的变化以致到后来表现为纱线强度或外观的变化，转而又表现为纺织品外观的缺陷，所以如前所述，线密度是头等重要的。

无论是线密度的长期还是短期的变化均会被指示出来。一根输入的棉条的断裂或遗漏事故只是暂时、短期变化的一种情况，它很容易通过在喇叭筒处的声音监控来检测出。采用声音监控器可立即给操作人员以这种情况的警告。纺织机被设置成可由告警信号而立即自动停止工作。这可能是由于诸如材料缠绕在罗拉上，或堵塞在喇叭筒内等原因而引起的。在这种情况下，操作人员应清理并手工连接棉条，然后，重新开机。这种中断使得在输出的棉条不规则，通过后期混纺操作过程的声音监控，监控器将检测出这种不规则对成品的影响。

对产品质量产生不良影响的周期性的短期变化可能是由于各种机器状态，诸如不同心或罗拉损坏而致。与罗拉转动频率相对应的周期 性是一项重要的依据，并且是用于现存机器中众所周知诊断技术的基础，这些现存的机器使用与本发明不同的传感技术，诸如电容传感器、不但用来连续测量而且用来感测棉条线密度和计算谱图。本发明所采用的自然产生的声音感测的方法除了可以联机连续测量线密度的主要用途外，还可以类似的方式用作诊断和产生谱图。谱图显示出在横座标或主要纵座标上的频率或波长，以及在垂直或其他纵向的幅度。

除了用于监控外，所给出的棉条线密度信号可与自动均化装置一起作高速之用。这也最充分地说明采用这种装置可以提供均匀性最好的棉条的生产能力。

本发明通过提供一种棉条均匀性或线密度的连续联机测量方法对纺织工业内加工成本的控制和纺织品质量两者都作了明显改进。而这些都是要通过测量自然产生的声音辐射来达到的，这种辐射是在棉条受力通过狭窄的喇叭筒开口时产生的压应力和摩擦应力波所致。这种波是由于棉条之间的纤维以及纤维与喇叭筒侧壁之间的摩擦所引起的。这种辐射一般地是在1～1，000千赫芝范围内（对于个别机器为40～120千赫芝），并可通过与喇叭筒相联接的一个声音传感器的在棉条通过喇叭筒时来检测。举例来说，大约通过速度为每分钟518.1米。正常状况下声音辐射传播信号的强度是与通过喇叭筒的棉条的线密度成正比的。除了传感器之外，还有一台在线前置放大器、一台可进行信号处理的机内监控器以及一台控制装置。多达8个传感器都可以由机内监控器来提供服务，并且所有机内监控器都馈至一个信号中心分析装置。该传感器是一种小型化高灵敏度的、通常直径为0.64厘米、长度为0.95厘米的传声器，一般它的峰值频率响应在1～1，000千赫芝范围内，但是对于每种特殊机器例 如，对特定的并条机要选择调谐在60至120千赫芝之间的较狭窄的量程，采用可容易地购买到的能与声音耦合的油脂或粘合剂，比如腈基丙烯酸酯粘合剂，可将传感器粘接到喇叭筒上去。为了便于将由棉条通过喇叭筒而引起的声音辐射信号与纺织机产生的噪音污染隔离开来，喇叭筒要进行改装。所作的改装要避免喇叭筒与其支座之间的金属和金属的接触（即信号传输通道）。举例来说，在喇叭筒与其支座之间可插入一个橡皮圈，以及可用尼龙螺钉将喇叭筒联接到支座上去。此外，可以滤去40千赫芝之内的频率，但这也要因机器不同而异。这样有助于减少来自机器的背景噪音干扰。

现将参照下列详细说明和附图，对本方法和设备作更为详细描述。

图1所示为本发明的传感器和喇叭筒总装剖视图，它是固定在两个压辊的啮合处;

图2所示为与图1同样的局部剖视图，在此，喇叭筒用另一种方法即用固定架而不是用螺钉安装在平台上的;

图3所示为传感器和喇叭筒部件装配的透视分解图;

图4所示为在适当位置装有棉条监控器的并条机构示意图;

图5所示为棉条监控系统主要部件图;以及：

图6所示为机内监控器的方块图。

参照图1，所示的是拉伸机10的一部分剖视图，该机有一个固定在后部的压辊12和前部的压辊13之间的辊隙处的喇叭筒11。从喇叭筒侧壁切出圆形部分14，并且在其中压装有一个保持环15。传感器17是一个高灵敏度小型化传声器，直径为0.64厘米，长度为0.95厘米。该传声器可以对特殊的机器的60～120千赫芝的峰值频率作出响应。此种传感器可以从美国新泽西州（NJ） 08540，普林斯顿（Princeton），邮政信箱3135号的物理声学公司（Physical    Acoastic    Corporation）购买，产品型号为NO.S9224（小型化的）高频声音传感器。用通常可买到的油脂或粘合剂，诸如腈基丙烯酸酯粘合剂，将传感器17联接在从喇叭筒底部侧壁剖切出来的部分14上。为了有助于将传感器以机械方法固定在喇叭筒侧壁上，采用了带螺纹的传感器保持套16。保持套16的外螺纹则拧在保持环15的内螺纹上。传感器或转换器17则用电缆19与系统的电子设备相联接。

喇叭筒用二个尼龙螺钉20安装在图1的拉伸机上，尼龙螺钉20将喇叭筒凸缘21压紧在喇叭筒支座22上。棉条汇集器23将棉条24引导到喇叭筒入口处，喇叭筒汇集棉条并压缩它使之通过喇叭筒，然后聚会到出口处，通过图1所示的喇叭筒底部的小喷嘴。重要的是，喇叭筒装于纺织机内要相对于棉条的行进有着固定的机械对准，而这种对准从一台机器到另一台机器能够变动。进一步参照图1，喇叭筒必须至少部分地与纺织机有着声隔离，从而减少机器背景噪音的干扰。在图1中，是用加插在喇叭筒11和喇叭筒支座22之间的以及汇集器23和喇叭筒11之间的橡皮隔振体25来实现的。

图2所示为图1的喇叭筒安装的改型。在图2中，喇叭筒11是安装在喇叭筒支座22上的，方法是喇叭筒保持架26通过保持架螺钉27与喇叭筒支座相连。再如，喇叭筒与纺织机需要进行声音隔离，这要用喇叭筒与喇叭筒支座之间的以及长棉条汇集器与喇叭筒之间的橡皮隔振体25来实现。此外，橡皮隔振体25还安置在喇叭筒保持架和喇叭筒及喇叭筒支座之间。

图3是一个传感器和喇叭筒部件的透视零件分解图。图中所示的 是图1中所用的喇叭筒11。它有凸缘21，可以装上尼龙螺钉和传感器保持环15，并被压装到喇叭的切开部位14上。保持环有内螺纹，可与传感器保持套16的外螺纹相联接，在组装时，保持套16将传感器17机械地与漏斗状的侧壁相挨。在图1中可很清楚地见到传感器保持套16有一个孔径，其一端能容纳传感器17的头部，从而将传感器机械地挨着喇叭筒的侧壁安装，以便增强声音耦合粘合剂18的效果。

参照图4，所示的是纺织机，诸如并条机或拉伸机10的示意图，机器有一个牵引部件29，它位于装有传感器17的喇叭筒11的上部，传感器17则通过电缆19与棉条监控器记录仪30相联接。在喇叭筒的下部则是两个压辊12和13，它们牵引棉条通过喇叭筒并且导引棉条通过通道而进入集料箱31。棉条通道32从图4的右方起始，经过两个罗拉33，然后通过导引部件29，再经过棉条汇集器（未在图4中示出）进入到在棉条运动方向上收敛的漏斗或喇叭筒的大口。棉条被压向下方并变成较小直径，然后通过压辊12和13进到集料箱31。借助传感器17所作联机连续感测的结果被记录下来，正如棉条监控器记录仪所示的那样。

参照图5，所示的是棉条监控系统的主要部件。从喇叭筒11起始，传感器17和电缆19，电缆将由传感器17从声转换到电的信号送到前置放大器34，并被放大和转送到机内监控器35。机内监控器给前置放大器提供电源并接受从那些前置放大器送来的信号。所示的监控器可以控制1～8个通道，以提供进一步的信号放大和带通滤波，还可提供输出电压均方根值（RMS）的信号转换，每一个通道平均为一毫秒。这些通道送入到8通道的多路调制器，具有增益的 反混叠滤波器（anti-aliasing    filter）以及30千赫芝12位的单通道模/数转换器。模/数转换器将信号送入微处理器，在此实施所需要的数学和逻辑运算。机内监控器还有一个24位并行端口，2个串行端口，一个键盘和液晶显示器。

机内监控器采用监视和诊断两种工作方式。当处于监视状态时，机内监控器可连续采集来自8个输入通道的数据，计算棉条支数（通常为每码格令数，在一次操作中的典型数据为58.5格令/码），以及CV%（变化率或均匀性，这是线密度的标准偏差值。通过此值，均匀性可按对于总长度的平均线密度的百分比的测量来表示，均匀性则可用此来测量）。机内监控器还可提供局部的数字输出用于控制。棉条支数和变化率百分比CV%相对于由操作人员选择的限定的给定值连续地进行比较。如果棉条支数或变化率百分比CV%中的某一个被发现超出了所限定的给定值，则机内信号可以启动告警和/或关闭纺织机。机内监控器也可将全部信息送入中心分析器36，以便进行比较和更进一步的分析。

此外，棉条支数信号也可以提供给作为控制系统的调节装置。

当处于诊断状态时，机内监控器暂时专注到单个通道上，以便更广泛地采集数据，和到中心分析器去的通道。

机内监控器也可以接收除了声音数据外信息，该信息是通过24位并行端口从并条机构的调节控制系统的其余部分（未示出）来，到中心分析器去，供处理用的机器操作信息（也即为机器运转状态，操作故障时间方式等等）。

机内监控器有一个可以用于机内互配合的键盘和液晶显示器。操作人员在任何时候都可以提出要求和获取机内监控器的任何通道的棉 条支数和变化率CV%。

中心分析器36是通常可买到的16位个人微型计算机（即为美国纽约IBM公司制造的IBMPCXT型），它装有与机内监控器通讯的端口以及与工厂的主计算机通讯的端口。中心分析器通常包含有一般可得到的快速傅立叶变换（FFT）程序的软件，或者有一个可以得到的快速傅立叶变换处理器板。它还有一个彩色绘图控制装置，一个10兆字节的硬盘，并与通用的外围设备，比如打印机37相联接，这些部件都是很容易得到的，通过本专业技术人员来选择和使用。这些设备显然是很容易的。

中心分析器用来对机内监控器进行数据采集、数据分析和归档处理以及全部报告的生成。它也可在诊断状态进行快速傅立叶分析，用以产生众所周知的诊断谱图。一个中心分析器一般可以操纵一个车间全部机内监控器。

诊断技术和谱图生成技术已与其它传感技术一起发展很快，这些传感技术并不是本发明所披露使用的。举例来说，参考由英国伯克斯顿（Buxton）南街的伯克斯顿出版社出版的文章，其题目为“纺纱缺陷和谱图（Spinning    Faults    and    the    Spectrogram）”，作者是H.Locher，在1959年1-2月号的“人造织物（MAN-MADE    Textiles）”一书中所载的，此文是以在英国（纺织品）质量控制协会的会议上提出的一篇论文为基础的。诊断原理是基于棉条线密度信号的频率或波长谱图。利用该系统实际特性可识别机器的故障模式。

波长的误差可用一个简单的公式来确定，此公式可转而指出最大可能的误差源。谱图通常在0.1赫芝到500赫芝之间变化，而振幅可用一个数或转换成变化率百分比CV%。采用这样的诊断技术进 行质量控制的好处是：除了能大量减少质量不合格的棉条、CV%的监控和生产监制外，还可以早期检测出有故障的机器，并极其准确地指出机器问题之所在。诊断技术基本上是采用与其他传感器技术相同的技术，所不同的是在本发明中应用了一种特殊的自然产生的声音幅射信号。

参照图6，所示的是本发明已经说明的机内监控器35的方块图。方块图中所示的有系统总线38，用于数据、控制信息和地址信息的连接，在总线的一端具有一个扩展接线器。从总数可以多达8个的前置放大器来的模拟信号，被输入模拟多路调制器40，再传送到高通或低通滤波器和放大器41。高通或低通滤波器的频率按所监控机器的实际性能选择，但通常的范围是在1～1000千赫芝之间。对于个别机器可选择把40千赫芝以下和180千赫芝以上的频率滤去的滤波器，在这些频段处的干扰噪音大部分来自环境，尤其是机械的噪音。虽然滤波器适用于所用的拉伸机，但是对不同机器选择不同频率的滤波器被认为是合适的。信号也是均方根值和典型时间常数为1毫秒的时间平均值。然后信号被输入到12位的模/数转换器41，再输入到系统的总线。机内监控器有足够大的存贮器43供它自身功能之用，其中包括单独用来存数据的存储器，32K随机存取存贮器（RAM）44，2K电可擦可编程只读存贮器（EEPROM）46，还包括由24K的EEPROM组成的程序存贮器45。标准的微型控制器47实行机内控制功能，而并行的输入/输出（I/O）48可接纳20条线路。系统总线输出经由采用晶体管-晶体管逻辑电路（TTL）的RS232、RS422端口49，输送到主计算机50和显示器51。

机内监控器还有一个键盘接口52（4×5的矩阵）与键盘53 相联接。为了将来随意扩充的目的，机内监控器具有扩充到2台数/模转换器（DAC）54和55的能力，它们分别与第一路模拟输出56和第二路模拟输出57相联接。

在校准监控器时的一个例子是，用一正常的棉条来获得第一个读数，这一正常棉条是由刚拉经并条机构的八根棉条组成的。然后取走输入棉条其中的一根，余下的7条棉条拉经并条机构就可得到第二个的读数。这大约是12%的变化。用于校准仪器。当然，也可采用其他相类似的技术。

实际上，一般地说，大于5%正常值的变化已足够令大多数操作人员去停止纺织机和排除产生如此变化的故障。通常，希望能将变化控制到1%，但2.7%则是可接受的标准的限度。这些变化很好地落在本发明的技术范围内，本技术是如此令人满意，以致联机监控可与标准的离机质量检测相比或更好。

本发明的核心给出了用于当纺织纤维线束通过纺织机所用的喇叭状装置时，联机感测其线密度变化的一项新技术。将自然产生的声音作为信号来检测和利用，使得这项新技术包含有诊断、控制、告警和其他功能的众多的优越之处。

虽然发现最好将如本发明所用的携带音器或传感器直接耦合到喇叭形装置的标准形喇叭壁上，但其他的声音耦合也是可能的（例如用波导方法等）。

本发明的许多其他的特征和优点都可从详细的说明书中明显地看到，并通过附加的权利要求来包括所有这些特征和优点，这些都落在本发明的精神和范围内。进一步说，由于所属技术领域内的专业人员从本发明披露的内容中会作出众多的改进和变化，所以，不希望将本 发明限制于图示和描述的真实结构和工作情况。举例来说，虽然在实施本发明时利用了一个纺织机中已存在的稍加改动的标准喇叭筒，但也能用其它喇叭状装置，用以当纤维线束通过该装置时将纤维压缩在一起并产生自然发出声音的传播。因此，可能采取的适当的修改和等同的措施都在本发明的范围和精神之内的。

另外，虽然上面提到的特定应用是针对纺织品的，但也可将本发明用于任何连续的纤维材料线束。

Claims (8)

1、一种监控器，用于检测沿着一根运动的纤维状线束长度方向变化的线密度，其特征在于包括：

一个喇叭筒状装置，它有一个通孔，当所述线束以一种被压缩状态通过所述孔时即与所述孔的内表面产生摩擦；

一个高频声电转换器，它与所述喇叭筒状装置有声耦合，用以检测自然产生的发声信号，所述信号是当所述线束以所述被压缩状态通过所述的喇叭筒时，由所述线束纤维间的摩擦和所述线束与所述喇叭筒的内表面之间的摩擦所引起；所述的转换器将所述声音传播信号转变为一种随所述声音传播信号强度变化的、而且正比于所述纤维线密度的电信号；以及

一个电子设备，用于接收所述变化的电信号以及指示所述传播信号强度的变化以及由此指示在沿所述纤维线束的长度上的密度的变化。

2、权利要求1的监控器，其特征在于其中所述转换器是一种小型化的传声器，它具有典型的60～120千赫芝之间的峰值频率响应（根据所监控的机器的特性进行选择）。

3、权利要求2的监控器，其特征在于其中所述的传声器借助于一种机械固定方法被机械地固定得与所述喇叭筒状装置的外壁有紧密的声耦合;

4、权利要求3的监控器，其特征在于其中所述信号转换成均方根（RMS）的电压输出，并在1毫秒的时间内取平均。

5、一种测量沿一根纤维线束长度变化的密度的方法，其特征在于所述方法包括下列步骤：

将所述纤维线束牵引通过一个喇叭筒状漏斗，所述漏斗将所述线束的直径加以压缩;

用一声电转换器测量自然产生的声音传播的强度，而所述声音传播是由于所述被压缩的线束纤维之间的摩擦，以及所述被压缩的线束与所述的漏斗之间的摩擦引起的，以及

以一种适用的方式指示出所测量出的声音强度。

6、权利要求5的方法，其特征在于其中由所述转换器产生的所述电信号一般被滤去的频率低于40千赫芝和高于180千赫芝（根据所监控的机器特定的性能进行选择）。

7、权利要求5的方法，其特征在于其中所述信号被转换为均方根（RMS）的电压输出，并在1毫秒的时间内取平均。

8、一个用于检测沿一根运动着的纤维状线束长度方向变化的线密度的监控器，其特征在于包括：

一个棉条漏斗，它有一个在纤维线束流动方向上收 的通孔;

所述漏斗有一个侧壁;

一个高频小型化传声器，它具有范围为1～1，000千赫芝之间的峰值频率响应（根据所监控的机器的特定性能进行选择）;以及

一种能将所述传声器与所述棉条漏斗进行声耦合的装置。

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