CN103162837B - 一种纤维温度的在线测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种纤维温度的在线测量方法，它是由传感器、红外探头、黑板组成。其特点是在与距离红外探头一定位置处放置一块较大的黑板，将传感器置于红外探头与黑板之间，传感器的投光器和感光器处于同一直线上，使红外探头与传感器的投光器和感光器连成的直线垂直，并且位于两者之间，保持红外探头与传感器和黑板的垂直且距离一定。先将红外探头仅对准黑板测量黑板的温度，再将纤维中心置于与红外探头的探测中心和传感器感光中心交界点重合处；红外探头测量的温度为黑板温度和纤维温度的平均温度，再经过特定的算法得出纤维的温度。本发明所述方法能够在纺丝过程中进行纤维温度的测量，具有操作简便、测量精度高、可靠性好、检测范围广。

Description

一种纤维温度的在线测量方法

技术领域

本发明涉及一种纤维温度的在线测量方法，特别设计一种基于红外探头的非接触的纤维温度在线测量方法。

背景技术

温度是表征物体冷热程度的物理量。自然界中几乎所有的物理化学变化过程都与温度紧密相关，很多重要的生产过程只有在一定的温度范围内才能有效地进行。因此温度是工农业生产、科学实验以及日常生活中普遍需要测量和控制的一个重要物理量，对温度进行准确的测量和可靠的控制也是过程控制工程的重要任务之一。

纺丝过程中，纤维温度的控制对所纺成纤维的质量也是非常重要，但由于在纺丝过程中不能接触纤维进行温度测量，尤其是从喷丝板到纤维凝固段间的未凝固纤维，因为接触会导致纺丝过程中纤维从接触点处断开，所以只能采用非接触式的温度测量方法。又因为纤维的直径非常小，普通的非接触式温度测量仪聚焦后的直径都大于所测纤维的直径，在测量时，由于背底的影响，不能对纤维温度进行准确的测量。所以急需要研究一种新型的非接触的纤维温度在线测量方法，来解决现存问题。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种非接触、操作简便、测量精度高的温度测量方法。特别涉及一种基于红外探头的纺丝过程中沿纺程的纤维温度测量

为了解决上述技术问题，本发明采用下述技术方案：

测温用的红外探头正对一黑板，所述黑板与所述红外探头的探测中心线垂直，所述黑板的面积大于所述红外探头在黑板上的探测面积，测量黑板的背底温度，称为环境温度T_环境；将纤维置于所述红外探头和所述黑板之间，所述纤维位于所述红外探头的测量范围内，纤维沿纺程的中心线与红外探头探测视野范围的圆直径重合，测得温度T；按以下公式计算得出所述纤维的温度T_纤维：

式中，

S_纤维为所述红外探头接收范围中纤维处的面积，

S_背底为所述红外探头接收范围中黑板处的面积，

其中，

$B=2\×\arccos \frac{d}{2r},$

$A=2\×\arccos \frac{d}{2R},$

A—红外探头在黑板处的视野范围所对应的圆心角，

R—红外探头在黑板处的接收面积的半径(单位毫米)，

B—红外探头在纤维处的视野范围所对应的圆心角，

r—红外探头在纤维处的接收面积的半径(单位毫米)，

d—纤维的直径(单位毫米)。

如上所述的一种纤维温度的在线测量方法，所述纤维沿纺程的中心线与所述红外探头的探测中心线相交。

如上所述的一种纤维温度的在线测量方法，所述纤维沿纺程的中心线垂直于所述红外探头的探测中心线。

红外探头与所述黑板侧方连接成为一体。

所述纤维的直径采用基于传感器的直径测量方法，使用包括传感头和传感器放大器的激光透过式检测传感器，所述传感头分为发射器和接收器，所述纤维垂直于所述发射器和所述接收器的中心连线并使纤维位于所述发射器发出的光束中，所述传感器放大器的显示屏显示的读数为所述纤维的测量直径；将所述纤维的测量直径按以下公式计算，即得到纤维的直径；

$d=(1063\mathrm{dc}-0.7941)\×\frac{P}{P_{\mathrm{PP}}},$

其中d为纤维的直径(单位毫米)，d_c为纤维的测量直径(单位毫米)，P为纤维的透光度，P_PP是聚丙烯材料的透光度；

所述被测物的透光度大于0且小于1。

所述的公式中的系数和常数按以下步骤计算得出：

步骤一：取聚丙烯纤维1000根，测量每根纤维的直径，获得测量值；

步骤二：再用光学显微镜测得全部聚丙烯纤维的直径，作为标准值；

步骤三：利用Matlab中的最小二乘法线性拟合所述测量值和所述标准值，得到所述系数和所述常数。

所述的被测物的横截面为圆形，所述的传感器为激光传感器发射器中的光源为激光二极管。所述发射器和所述接收器的中心连线、所述纤维的直径中心线和所述红外探头的探测中心线相交于同一点，并互相垂直。

有益效果：

(1)本发明所述的温度测量方法不仅能够测量取样后的纤维温度，还能测量纺丝过程中的纤维温度，实现温度的非接触测量；

(2)本发明所述的温度测量方法特别适合测量各类小直径物体的温度，测量范围广；

(3)本发明所述的方法操作简便、测量精度高。

附图说明

图1是各测量仪器的配置图的俯视图。

图2是红外探头接收范围示意图

图3是红外探头光路图

其中1是传感头接收器  2是红外探头  3是传感头发射器  4是黑板  5是纤维

具体实施方式

下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

实施例1

采用红外测温方法，取聚丙烯纤维一根，置于图1中位置5处，并使纤维垂直于红外探头2视野中心线与传感头接收器1和传感头发射器3中心连线所组成的平面放置，如图1所示，将各仪器布置到相应的位置，纤维距红外探头的距离为20mm，黑板距红外探头的距离为100mm，根据图3所示的红外探头光路图及图2所示的红外探头接收范围示意图，可以得出图2中背底感光区半径R和纤维感光区半径r，R＝4mm，r＝3.6mm；通过传感器放大器的显示屏能直接读出纤维直径的测量值，显示的读数为0.678mm，根据直径计算公式计算，即得到出图2中纤维直径d的值，d＝0.720mm，此时P＝P_PP。黑板处的半圆弧所对应的圆心半角和纤维处的半圆弧所对应的圆心半角可用公式 求出，分别为B＝2.941，A＝2.961。用红外探头2测量温度值为25.7℃，再保持各仪器的相对位置不变，水平移动红外探头2，使红外探头测量视野离开纤维仅对准黑板4，测得的环境温度值为21.3℃，根据上述温度的算法得出纤维的温度值为63.5℃；用红外热成像仪拍摄该段纤维温度照片，通过数据处理后，在红外探头测量点的温度显示值为65.1℃。

实施例2

采用红外测温方法，在聚丙烯纺丝过程中，从喷丝板的出口沿着纺程，在距喷丝板60mm处进行一次测量，如图1所示，将各仪器布置到相应的位置，使纤维丝条置于图1中位置5处，并使纤维丝条垂直于红外探头2视野中心线与传感头接收器1和传感头发射器3中心连线所组成的平面，纤维丝条距红外探头的距离为20mm，黑板距红外探头的距离为100mm，根据图3所示的红外探头光路图及图2所示的红外探头接收范围示意图，可以得出图2中背底感光区半径R和纤维感光区半径r，R＝4mm，r＝3.6mm；通过传感器放大器的显示屏能直接读出纤维直径的测量值，显示的读数为0.613mm；按公式计算，即得到图2中纤维直径d的值，d＝0.651mm，此时P＝P_PP。黑板处的半圆弧所对应的圆心半角和纤维处的半圆弧所对应的圆心半角可用公式 求出，分别为B＝2.961，A＝2.979。用红外探头2测量温度为31.3℃，再保持各仪器的相对位置不变，水平移动红外探头2，使红外探头测量视野离开纤维仅对准黑板4，测得的环境温度为21.3℃，根据上述温度的算法得出纤维的温度为127.6℃；用红外热成像仪拍摄该段纤维温度照片，通过数据处理后，在红外探头测量点的温度显示值为131.3℃。

实施例3

采用红外测温方法，先测量普通聚丙烯纤维的透光率为18.3％，再测出同直径PET纤维的透光率为19.4％，在PET纺丝过程中，从喷丝板的出口沿着纺程，在距喷丝板60mm处进行一次测量，如图1所示，将各仪器布置到相应的位置，使纤维丝条置于图1中位置5处，并使纤维丝条垂直于红外探头2视野中心线与传感头接收器1和传感头发射器3中心连线所组成的平面，纤维丝条距红外探头的距离为20mm，黑板距红外探头的距离为100mm，根据图3所示的红外探头光路图及图2所示的红外探头接收范围示意图，可以得出图2中背底感光区半径R和纤维感光区半径r，R＝4mm，r＝3.6mm；通过传感器放大器的显示屏能直接读出纤维直径的测量值，显示的读数为0.611mm；按公式计算，即得到图2中纤维直径d的值，d＝0.688mm，此时P＝19.4％，P_PP＝18.3％。黑板处的半圆弧所对应的圆心半角和纤维处的半圆弧所对应的圆心半角可用公式 求出，分别为B＝2.950，A＝2.969。用红外探头测量温度为34.1℃，再保持各仪器的相对位置不变，水平移动红外探头，使红外探头测量视野离开纤维仅对准黑板，测得的环境温度为21.3℃，根据上述温度的算法得出纤维的温度为150.0℃；用红外热成像仪拍摄该段纤维温度照片，通过数据处理后，在红外探头测量点的温度显示值为153.1℃。

实施例4

采用红外测温方法，先测量普通聚丙烯纤维的透光率为18.3％，再测出同直径尼龙66纤维的透光率为17.9％，在尼龙66纺丝过程中，从喷丝板的出口沿着纺程，在距喷丝板60mm处进行一次测量，如图1所示，将各仪器布置到相应的位置，使纤维丝条置于图1中位置5处，并使纤维丝条垂直于红外探头2视野中心线与传感头接收器1和传感头发射器3中心连线所组成的平面，纤维丝条距红外探头的距离为20mm，黑板距红外探头的距离为100mm，根据图3所示的红外探头光路图及图2所示的红外探头接收范围示意图，可以得出图2中背底感光区半径R和纤维感光区半径r，R＝4mm，r＝3.6mm；通过传感器放大器的显示屏能直接读出纤维直径的测量值，显示的读数为0.617mm；按公式计算，即得到图2中纤维直径d的值，d＝0.641mm，此时P＝17.9％，P_PP＝18.3％。黑板处的半圆弧所对应的圆心半角和纤维处的半圆弧所对应的圆心半角可用公式 求出，分别为B＝2.960，A＝2.980。用红外探头测量温度为34.1℃，再保持各仪器的相对位置不变，水平移动红外探头，使红外探头测量视野离开纤维仅对准黑板，测得的环境温度为21.3℃，根据上述温度的算法得出纤维的温度为159.5℃；用红外热成像仪拍摄该段纤维温度照片，通过数据处理后，在红外探头测量点的温度显示值为162.4℃。

实施例5

采用红外测温方法，取一根不透光黑色细丝条，置于图1中位置5处，并使细丝条垂直于红外探头2视野中心线与传感头接收器1和传感头发射器3中心连线所组成的平面放置，如图1所示，将各仪器布置到相应的位置，纤维距红外探头的距离为20mm，黑板距红外探头的距离为100mm，根据图3所示的红外探头光路图及图2所示的红外探头接收范围示意图，可以得出图2中背底感光区半径R和纤维感光区半径r，R＝4mm，r＝3.6mm；通过传感器放大器的显示屏能直接读出纤维直径的测量值，显示的读数为0.735mm，因为丝条不透光，传感器放大器的显示屏直接读出的值即为纤维的直径d，d＝0.735mm。黑板处的半圆弧所对应的圆心半角和纤维处的半圆弧所对应的圆心半角可用公式 求出，分别为B＝2.937，A＝2.958。用红外探头2测量温度值为24.2℃，再保持各仪器的相对位置不变，水平移动红外探头2，使红外探头测量视野离开纤维仅对准黑板4，测得的环境温度值为21.3℃，根据上述温度的算法得出纤维的温度值为44.4℃；用红外热成像仪拍摄该段纤维温度照片，通过数据处理后，在红外探头测量点的温度显示值为46.3℃。

Claims (7)

1.一种纤维温度的在线测量方法，采用红外测温方法，其特征是包括：

(1)测温用的红外探头正对一黑板，所述黑板与所述红外探头的探测中心线垂直，所述黑板的面积大于所述红外探头在黑板上的探测面积，测量黑板的背底温度，称为环境温度T_环境；

(2)将纤维置于所述红外探头和所述黑板之间，所述纤维位于所述红外探头的测量范围内，纤维沿纺程的中心线与红外探头探测视野范围的圆直径重合，测得温度T；

(3)按以下公式计算得出所述纤维的温度T_纤维：

式中，

S_纤维为所述红外探头接收范围中纤维处的面积，

S_背底为所述红外探头接收范围中黑板处的面积，

其中，

$B=2\×\arccos \frac{d}{2r},$

$A=2\×\arccos \frac{d}{2R},$

A—红外探头黑板处的视野范围所对应的圆心角，

R—红外探头在黑板处的接收面积的半径，单位毫米，

B—红外探头在纤维处的视野范围所对应的圆心角，

r—红外探头在纤维处的接收面积的半径，单位毫米，

d—纤维的直径，单位毫米。

2.根据权利要求1所述的一种纤维温度的在线测量方法，其特征在于，所述红外探头与所述黑板侧方连接成为一体。

3.根据权利要求1所述的一种纤维温度的在线测量方法，其特征是：所述纤维的直径采用基于传感器的直径测量方法，使用包括传感头和传感器放大器的激光透过式检测传感器，所述传感头分为发射器和接收器，所述纤维垂直于所述发射器和所述接收器的中心连线并使纤维位于所述发射器发出的光束中，所述传感器放大器的显示屏显示的读数为所述纤维的测量直径；将所述纤维的测量直径按以下公式计算，即得到纤维的直径；

$d=(1063d_c-0.7941)\×\frac{P}{P_{\mathrm{PP}}},$

其中d为纤维的直径，单位毫米；d_c为纤维的测量直径，单位毫米；P为纤维的透光率，P_PP是聚丙烯材料的透光率；

所述纤维的透光率大于0且小于1。

4.根据权利要求3所述的一种纤维温度的在线测量方法，其特征在于，所述的公式中的系数和常数按以下步骤计算得出：

步骤一：取聚丙烯纤维1000根，测量每根纤维的直径，获得测量值；

步骤二：再用光学显微镜测得全部聚丙烯纤维的直径，作为标准值；

步骤三：利用Matlab中的最小二乘法线性拟合所述测量值和所述标准值，得到所述系数和所述常数。

5.根据权利要求3所述的一种纤维温度的在线测量方法，其特征在于，所述的纤维的横截面为圆形。

6.根据权利要求3所述的一种纤维温度的在线测量方法，其特征在于，所述的传感器为激光传感器发射器中的光源为激光二极管。

7.根据权利要求3所述的一种纤维温度的在线测量方法，其特征在于，所述发射器和所述接收器的中心连线、所述纤维的直径中心线和所述红外探头的探测中心线相交于同一点，并互相垂直。