CN1129794C - 一种用以探测气流中所载实体的特性的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用以探测气流中所载实体的特性的装置。为了实现期望的效果，提供了一个气流调节装置、一个探测区、一个实体供给装置和一个分析装置，以获得气流控制，将纤维个体化和使传感装置更优化地配合以提供改进的状态和减小成圈并使数据速率最大，所述实体供给装置可以控制上述实体的供给以增加所述探测区中符合要求物理状态的实体的比例。

Description

一种用以探测气流中所载实体的特性的装置
本发明涉及对流体流所输送的棉结、杂质和纤维等单个实体的测量和处理进行改进的方法和装置，本发明着重于单个纤维测量方法和装置，特别是在实体分离器中以及在实体分离器和实体传感器之间提供通用化和改进的流体流量匹配，并进一步提供校正成圈纤维的方法和装置；也就是说为纤维的解圈提供流体动力上的和电子上的手段。
这一申请是90年3月14日提交申请号07/493,961题为“纤维或其他试样中对单个实体进行高速多变量测量的光-电方法和装置”的部分继续申请，上述申请在本申请中作为参考。
纺织工业中有一种熟知的称为AFIS(先进的纤维信息系统)的纤维测试仪，它是由美国田纳西州Knaxville的Zellweger Uster公司所生产。这种仪器目前正在全球范围内用作为纺织生产质量控制的工具来优化生产机械。另外，把此仪器用作优化纺织原料的采购和拔款依据的价值也在不断增大。对这两方面的应用，主要性能因素有：数据结果的相关性、再演性、测量速度、使用方便性以及成本。测量结果并不一定要求具有绝对意义，但是从一开始曾以使AFIS具有基本的和绝对的意义为目标。追求此目标的重要原因之一是为了加深纤维到纱线加工过程的理解。
使用AFIS仪的进一步经验确认，它必将成为提供棉结和杂质实体分布的参考方法。重要的是只要进行某些改进，AFIS能成为纤维长度、直径、细度或成熟度分布的绝对参考。光电传感器中所需的主要改进是关于以成圈状提供的纤维(即纤维本身呈折返状)。这些成圈纤维能如现在所做的那样，根据其波形特性从数据结果中予以排除，但是如果成圈纤维采用流体动力的方法来防止或解圈，或如果采用电子技术来对成圈纤维波形进行校正的话，AFIS方法将更为基本、更加绝对和快速。我们已发现流体动力学和电子方法都能达到这种“解圈”的结果。
藉气动方法从纤维分离器输送到传感器的某些纤维(如美国专利4,512,060、4,631,781以及4,686,744所述)呈现出成圈状或钩状，这是由于针辊、梳棉盖板和其他实体分离加工元件的本质所造成的。另外，输送和加速气流的雷诺数有时在紊流区是加大了，而这样的高速气流却有利于测试速度和伸张纤维(以消除折皱)，故一般地说存在相当的纤维成圈现象。
本发明的目的之一是使流体流同AFIS仪中的喷咀相匹配，使呈所要求的定向实体(如纤维)数量达最大化。例如流体流应该这样来选择，使以平直(无圈)的状态向传感器提供的纤维数量达到最大。如果一根纤维以成圈状(呈折皱状)输给一传感器，则将使各种纤维参数，例如纤维长度的测量增加难度。
但是尽管AFIS型传感器的气流处于最佳状态，仍有相当数量的纤维以成圈状进入传感器，因此继瑞典Gothenburg的TryggveEeg-Olofsson于1969年1月发表的题为“为了改进棉花纺织物加工特性对棉花在承受空气动力作用下的性能的基本研究”的论文之后，开展了对AFIS喷咀的形状特性改进的研究。该论文见诸于美国弗吉尼亚州(Charlottesville，“纺织工艺研究所”的“Roger Milliken纺织图书馆”(参见VA22902(TX 262，E26，1969))。但是对改进喷咀形状特性所作的努力并未取得成功。最后发现上述论文的观点对AFIS喷咀并不适用，原因不详。事实上后来发现AFIS喷咀应采用与上述论文完全相反的观点来设计，才能获得改进。人们悟到，AFIS喷咀与上述论文所探讨的喷咀不同，对不同的用途必须采用不同的结构和运行在不同的环境中。
即使采用本发明的经过改进的喷嘴以及与之相匹配的气流和空气条件，仍存在若干成圈的纤维。因此开发了用电子方法的纤维“解圈”，具体描述详见下文。
因此本发明的一个目的是提供气流控制的装置使纤维分离器和传感器中的气流能更普遍地和优化地匹配以改进条件和减少成圈纤维，并提高数据率。另一目的是提供纤维解圈用的加速喷咀装置。最后一个目的是提供一电子的方法通过分析成圈纤维产生的传感器信号波形来实现“电子解圈”。
本发明提供一种用以探测在气流中所载实体特性的仪器。在较佳的实施例中有一像旋风分离器那样的气流调节装置接收实体和气流，并把实体用具有预定要求特性的第二气流(例如预定的气流量、预定的湿度、预定的离子含量等)输出。实体被第二气流输送到一个实体供给器，该供给器将实体以要求的物理状态呈现在探测区。原来输送给供给器的实体中有的具有所需的物理状态，但也有的具有不合需要的物理状态。实体供给器对实体进行处理，使送至探测区时具有所需物理状态的实体比例有所增加。传感器对探测区中的实体进行探测，并产生一传感信号经诸如计算机分析后产生代表所探测实体特性的输出。
在上述的较佳实施例的仪器中采用一喷咀作为实体供给器。这种喷咀可以，也可以不与上述的气流调节装置结合使用。喷咀是用来把提供给它的成圈的纤维进行解圈，具体地说，喷咀的尺寸和形状应保证把接收到的100％处于成圈状态的实体中的一半或以上进行解圈。建议喷咀具有一加速的锥形通道，其长度大于3英寸，锥度在约3°以下。最好，喷咀的锥形通道长度为6英寸，并产生一100米/秒等级的喷咀出口速度。根据本发明的另一个观点，分析装置包括接收和分析传感器信号，以及根据传感器信号确定成圈实体的至少一种特性的装置。在此实施例中，推荐的传感器是一束通过设有第一和第二光检测器的探测区的光源，用来感测探测区内的实体所遮挡的光，光检测器最好并排放置，中间隔开一距离，而且对探测区内的气流而言，第二光检测器是设置在第一光检测器的下游，第一和第二光检测器分别产生第一和第二传感器信号、而且每一传感器信号包括一个对应于在探测区中所探测到的实体特性的波形。
分析器(计算机)在第一和第二传感器信号中依次区分出对应于探测实体的第一和第二波形的前沿和后沿。然后计算机把至少第一波形的一部分(例如一个片段)同第二波形相比较，并根据此比较产生一个补偿波形，它对沿着所测实体长度上测得的速度变化进行补偿。
按照较佳实施例的另一观点，计算机对符合于波形之一的数据进行分类而产生一分类的波形，它是一组以其幅值为次序的数值。然后计算机对分类波形求导数并找出分类波形导数中的主要峰值。根据波形导数中主要峰值的位置，计算机能确定对应于成圈、无圈和多重圈检测实体的分类波形持续时间。以这种方式，计算机能区分出对应于探测区中所探测的单根纤维的分类波形片段，它也能区分对应于两根纤维，例如成圈纤维的另一种波形片段。计算机还能进一步确定在探测区中对应于3根纤维、4根纤维等的波形片段。这些情况出现在双圈(3根纤维)和三重双圈(4根纤维)等的场合。
对本发明可参照推荐实施例的具体说明并结合以下附圈来充分了解，其中：
图1是代表本发明的一个实施例中用以分离和探测纤维的装置的略图；
图2A和2B依次为一气流匹配的旋风分离器的顶视图和侧视图，它可以设置在本发明的纤维分离器和纤维传感器之间；
图3是本发明所推荐使用喷咀的正视图，它用来提供需探测的纤维，并用来解圈其中至少一部分纤维；
图4是图3所示喷咀的背视图；
图5是图3中的5-5剖面图；
图6和图7分别表示在图5中从6-6和7-7方向观看时，透光窗口的前视图和背视图；
图8是图3所示喷咀的8-8视图
图9是由光检测器所产生的两个电压信号，VE1和VE2，以时间为横座标的图形表示；
图10表示VE1的片段时间对座标所作的曲线以及每一VE1片段对整个VE2信号相应的相互关联，其滞后时间在横座标中表示；
图11是每一VE1片段对VE2的相互关联中峰值滞后时间的图表，其中片段的时间定位用横座标表示，而峰值的时间滞后用纵座标表示；
图12表示由每一VE1片段所代表的速度(纵座标)对片段的时间定位(横座标)所作的图表；
图13表示原来的VE1信号同加速度校正后VE1信号的比较图；
图14A表示一假想的检测器信号VE1(顶部的图形)同代表按信号幅值分类的VE1试样分类波形(中间的图形)的比较；并进一步同代表分类的VE1一次导数的导数波形(底图的图形)的比较；
图14B表示产生图14A波形的成圈纤维的图形；
图15A和15B表示说明本发明中所用程序的一个实施例的流程图；
图16A是表示本发明中以平直状态用手投入一喷咀的50根纤维测量长度的频率分布图；
图16B是表示本发明中以100％成圈状态用手投入一喷咀的50根纤维测量长度的类似频率分布图；
图17A和17B与图16A和16B相类似，是表示落入AFIS1喷咀的平直纤维和100％成圈纤维的频率分布图；
图18A和18B与图16A和16B相类似，是对于AFISO喷咀的同类图表；
图19A和19B与图16A和16B相类似，是对于15度喷咀的同类图表。
流体流量和条件的匹配
下面结合附图描述若干较佳实施例，在所有附图中，相同数字号代表各视图中的同一或对应部件。图1表示一实体分离器10直接与一光电传感器20相连接。在此情况下，来自实体分离器10的气流12(QI)与流入传感器20的气流22(QS)是相同的。但在一般情况下，最好是它们的体积流量并不相同。另外，在通常在分离器10内与传感器20内的流体条件最好也不同。所谓流体条件是指描述流体的全部有关参数，例如湿度、温度、速度、压力、速度波动、压力波动、气体成分、自由电荷浓度、静电荷、放射性粒子浓度和其他类似参数(见美国专利4,631,781；经处理的气体在环境控制点E1-E5引入分离器10，并在E6引入传感器20)。
图2A和2B依次表示一改进的旋风分离器30的概略顶视图和侧视图，它能使实体分离器10和光电传感器20和20′之间的流体流量及条件达到总体匹配(传感器20′基本上与图1所示的传感器20相同)。装置30被称为一流体流量/条件匹配旋风分离器。图中表示实施例备有几个气流和条件匹配设施，但设施中的任何一个能同其他设施一起使用或不与其他设施一起而单独使用。同样图中仅表示一个输入流12(QI)，但能使用若干个。流体流量和条件匹配旋风分离器30的运行最好通过首先考虑由气流12把纤维、棉结或杂质等典型实体31输送到装置30中去的轨迹32来充分理解。离心力使实体31径向地向外朝旋风分离器的壁34移动，而流体流和重力则使它向下移动。最后实体31被图2B中所示的两股传感器气流26和28从实体出口36和38送出流体/条件匹配旋风分离器。
实体是向旋风分离器壁34和实体出口36和38移动，而输入流体流12(QI)可能移向流体出口40或实体出口36、38，甚至流向多孔壁段35，这取决于每股流的大小和方向。首先考虑多孔壁35以一实心壁来代替，并用传统控制流体流量的方法，例如图2A和2B中出口36和38所示的空气阀，把实体出口气流26和28(QS1和QS2)减少到零。于是气流42(QO)＝气流12(QI)，如同一简单的旋风分离器一样。实体31移到旋风分离器的底部，它可能被旋风分离器内正常的旋流带动而旋转，也可能静止下来。
其次考虑把实体出口气流26和28增大，但仍保持比气流12或42小得多。具有代表性的设计值为气流12(QI)＝10英尺3/分、气流42(QO)＝8英尺3/分、气流26(QS1)+气流28(QS2)＝2英尺3/分。在此情况下，实体31的气流动力分离几乎与实体输出流42无关。旋风分离器空气动力的截止粒度的典型设计值为15μm的粒子，它们将移向壁34，而空气动力的粒度若小于15μm则将移向流体出口40。这里所感兴趣的实体31-纤维、棉结、杂质-其空气动力尺寸均大于15μm。
由于气流26(QS1)+气流28(QS2)＜＜气流12(QI)，就是说这些气流能按需要来调节以独立地与分离器10和一个或几个传感器20所需的流量相匹配。
现在再考虑具有多孔壁35的情况，常用的多孔金属壁应十分平滑，开孔大小约50μm，开孔面积的百分比约为20％。在某些特殊情况下要求采用编织金属或塑料网。在其他情况下也能采用厚壁的多孔金属板，其孔的轴线比法线约倾斜30°，以利于在外壁和底部附近维持流体的“旋转”。在所有情况下，环境上经过控制的气体50(E7)进入空间52并通过多孔壁35进行分配。此向内的气流50至少取代一部分入口气流12。它所导致的第一个结果是使在流体中的实体31向下移动该流体越来越具有从E7引入的气流50(QE)的特性和条件。第二个结果是气流50加入到气流26和28中，这意味着传感器20对高流量和不同条件的运行要求几乎能与实体分离器10的要求毫无关系地进行匹配。
流量和条件匹配旋风分离器30的另一特点是它能作为一停留或储存室使用。也就是说实体31能在装置30内部的一个较好的环境中停留更长的时间而不象图1所示那样从分离器10直接输送到传感器20。这种停留作用能使实体31在强烈分离过程中所积累的静电进行释放。在另一些情况下可使纤维在有利的环境中得到松驰，有利于后面的测试或加工。纤维31在旋风分离器30内的停留是藉助出口36和38的流量控制使气流26和28停止来实现的。
综上所述可作出结论，流量/条件匹配旋风分离器的主要功能为：
1.对体积流量的匹配-气流12与分离器10相匹配，气流26和28与传感器20和20′相匹配，使性能实现优化；
2.对流体条件的匹配-气流12的条件与分离器10相匹配，而气流26和28的条件与传感器20和20′相匹配；
3.通过把流量26和28减到零实现实体31在装置30中的停留和松驰；
以上三种中的任何一个或全部功能都可以利用。
改进的喷咀
再来观察一下图1，传感器20包括一喷咀21用以为实体31提供适合光电探测的姿态，具体说明见共同未决申请07/493,961；提交日期为90年3月14日的有关申请。在传感器2中有一平行光束的光源23把光束29投向喷咀21中的开口33，使它照射到探测区116内纤维31。有两个熄灭传感器25a和25b用来探测被实体31所遮挡的光，并产生相应的信号VE1和VE2。还设有一集光和检测系统27用以检测被实体31在大约40°的前向散射角内所散射的光，并产生一散射信号VS。
参阅图3和图4，喷咀21的功能之一是使诸如纤维的实体31解圈。图3表示喷咀21的正视图而图4表示其背视图。图3所示的正视图面对着图1所示的光束9。喷咀21包括一入口段60，它同中间段62相连接，而中间段62又与出口段64相连接。入口段60包括一圆柱形入口孔66引导到一锥形通道68，它继续贯通入口段60和中间段62而延伸到一透光孔70，透光孔70包括一入口71、出口72和其间的一个锥形通道。有一个略带锥度的通道74从透光孔70延伸，经喷咀21的中间段62和出口段64而通到一圆柱形的出口孔76。喷咀的入口孔和出口孔可连接内径为
Figure C9312148100151
英寸的管子，使管子内径平滑地过渡到锥形段的内径。
图5表示喷咀21在图3中沿截面线5-5的详细剖面图。从此视图可以看到喷咀21的三段构成一具有长度A为8.775英寸的连续的喷咀21。在图5的说明中，为了清楚起见省略了三段的标号60、62和64，因为不言而喻，喷咀并不需要在上分成单独的段。
图5清楚地表明，入口孔66的长度B为0.25英寸，锥形通道68从该处延伸，并包括依次为78、80、82、84的首尾相接4个锥形段。段78从孔66的末端向里延伸1.500英寸的距离C。段80从段78向喷咀内部延伸一距离D约等于2.215英寸。段82从80末端延伸一距离E，约为0.750英寸，段84从段8 2延伸一距离F，约为1.535英寸，直到喷咀最小的截面86为止，其最小直径为0.110英寸。因此锥形段C、D、E、F的总长为6,000英寸。
锥形段78的半角或每边的斜度为5°，锥形段80的锥度为3°，锥形段82为1.18°，而锥形段84为1.12°，在此实施例中喷咀21的外径J为0.750英寸，入口孔66的直径K为0.625英寸，而锥形段68的最大直径L为0.500英寸，段84的最小直径为0.1102英寸。图5中透光口70两端的距离为0.125英寸。
锥形通道74分成两段：段88的长度G为0.300英寸不带锥度(即平直段)，其直径为0.216英寸，段90的长度H为1.850英寸，其锥度为3°。锥形段90从直径0.216英寸处起锥度，到段74在出口孔76终止处，其直径为0.305英寸。出口孔76的长度I为0.250英寸，直径K为0.625英寸。
再从图5中可见，喷咀21入口的锥形段68较长而且其锥度的变化比AFIS仪中所用的传统喷咀更为缓慢。一个早期的AFIS喷咀(称为AFISO)具有一2.891英寸长的锥形入口或加速段，锥度为3°，末端在出口孔处的直径为0.188英寸。后来的AFIS喷咀(称为AFIS1)比本发明略早，其前面锥形段的长度为2.800英寸。其入口锥度为5°，长1.050英寸，第二段锥度为3°，长0.750英寸；第三段锥度为1.6°，长为0.500英寸；以及最后一段锥度为0.8°，长0.500英寸。其末端在出口孔处的直径为0.191英寸。一个按照上述论文制作的实验用喷咀(称为15°喷咀)具有一长度为0.799英寸，锥度为15°，在圆形开口处的末端直径为0.110英寸。(必须注意该论文并不真正涉及AFIS型喷咀，因此该实验用喷咀仅代表发明人企图把论文内容适应于AFIS型喷咀)。该论文提出解圈特性的改进通过对传统AFIS喷咀的改进使锥度增大以增加每单位长度的加速度来实现，并坚信这样能提高喷咀的解圈特性。他们的目的是为了向气流纺纱提供不成圈的纤维，而并不是为了测量。为了增大锥度，锥形段的长度必须缩短。然而后来发现恰恰相反。人们发现为了在AFIS型环境中提高喷咀的解圈特性，喷咀的长度必须增加而总的锥度则应减小。图5中所描述的喷咀，目前申请人认为是最佳的喷咀，它产生的解圈特性如下面的表1所示，表中还列举出喷咀21(表中的QT3A-1)与传统的AFIS喷咀(表中的AFIS0和AFIS1)以及按照论文内容制作的在表中称为15°的喷咀作了对比。AFIS0和AFIS1喷咀是制成两件的喷咀，而QT3A-1和15°喷咀则是制成单件的喷咀。单件喷咀具有机械刚度好和容易对中的优点。
表1表示当向喷咀21提供的纤维在100％成圈和100％平直的情况下各种喷咀的解圈特性。当然，这两种情况并不代表AFIS装置正常的工作情况，因为纤维是以自然状态向喷咀提供的，其中包括多种情况，例如成圈的、部分成圈的和平直的。但是上表中所示的实验数据充分表明了本发明的喷咀21所获得的在解圈特性方面令人注目的提高。
表1中第一栏标有“喷咀标记”，用以表示进行试验的四种喷咀，每一行的数据就是对第一栏中每种喷咀所取得的信息。第二栏表示50根纤维中每一根的“落入条件”，条件只有两种，平直的或成圈的。第3栏表示通过传感器的气流流量(英尺3/分)。第4栏表示气体从喷咀加速段排出的气体速度，以米/秒计，第4栏中的速度采用计算值而不是测量值。
                                                  表1
                                        手投入1.5英寸×1.5旦的涤纶纤维
    1     2     3     4      5     6     7      8     9       10
喷咀标记 投入条件    传感器流量Q(英尺3/分) 气体速度Vg(计算值)   纤维入口速度(Vb)米/秒) 纤维出口速度(Vf)米/秒   平均纤维速度(Vf)米/秒     平均分布长度(mm)   标准化的平均分布长度(mm) 成圈纤维平均长度————————平直纤维平均长度
 QT3A-1   平直成圈     1.3  100米/秒     6162     7068     67     41.235.6     38.133.0 86％
 AFIS1   平直成圈     3.9  100米/秒     4352     7265     58     38.925.7     38.125.2 66％
 AFIS0   平直成圈     3.9  100米/秒     3641     6758     47     41.124.4     38.122.6 59％
  15度   平直成圈     1.3  100米/秒     1313     4745     24     35.825.4     38.127.0 70％
表1中的第5和第6栏表示50根纤维从喷咀加速部分离开时的平均速度，第5栏表示纤维进入测试区时纤维前端的速度，而第6栏则表示它离开测试区时纤维尾端的速度。第7栏表示每一喷咀中50根平直纤维的平均速度。纤维的平均速度是对50根平直纤维中每根纤维的平均速度进行测量，然后把50个测量数据进行平均而求得。每根纤维的平均速度是通过纤维经过传感器所需时间的测量，再把纤维的长度(38.1mm)除以所测的时间而确定的。第8栏表示50根纤维的平均测量长度。第9栏表示50根纤维的标准化平均测量长度。第9栏的数据是把第8栏的数据乘以一校正因数而取得的，它是把38.1除以平直纤维的平均测量长度而得，例如“QT3A-1”喷咀的校正系数为38.1/41.1，同样，“AFIS1”喷咀的校正系数相应为38.1/38.9。最后，第10栏表示成圈纤维的平均长度与平直落入纤维平均长度之比。例如对QT3A-1，成圈落入纤维的平均长度为35.6，而平直落入纤维的平均长度为41.1，于是第10栏中的比值为35.6/41.1＝86％。
从表1中可注意到所有喷咀在出口处都运行在100米/秒的气体速度，如第4栏所示。此速度不一定对所有喷咀都是理想的运行速度，但它接近于优化点，并对于比较目的而言可提供一无偏的条件。关于第8栏的标题“分布的平均长度”，必须注意到平直落入纤维的平均长度在不同的喷咀中测量时会有不同的测量长度。这种变化是由喷咀和喷咀之间当纤维离开喷咀时在纤维的速度上和纤维的受力上的差别所造成，一般可通过标定来校正。但是这种标定并不影响最后一栏中表示平直纤维平均测量长度对100％成圈纤维平均测量长度的比值。如果所有平直落入纤维平直地通过喷咀和所有100％成圈纤维100％以成圈状通过喷咀，则这一栏的比值将为50％，也就是说100％成圈纤维的长度为平直纤维的50％。因此可见QT3A-1的解圈效果(86％-50％＝36％)可认为几乎是其他喷咀的两倍(66％-50％＝16％；59％-50％＝9％；70-50％＝20％)。而且如果所有喷咀的条件为理想化的话，本发明的喷咀甚至还能达到更大的解圈优势。
表1中所示的数据还用图表在图16-19中表示。喷咀21(QT3A-1)解圈的优越性是显然可见的。图16A表示平直投入喷咀入口的50根纤维长度的平均和分布。每根测量的纤维是否平直可通过在数字示波器上观察电气波形来证明。这些测量长度具有一分布的原因是由于在测量系统中的噪声或不定因素而引起的。因此，如果一根100％成圈投入纤维的测量长度在此种分布范围(平均值±2倍标准偏差)以内，我们将把它定为平直的。对于现在的目的而言，如果一根纤维的测量长度在以平直状态落入喷咀的N根纤维的平均测量长度的两个标准偏差之内，则该纤维被认为已解圈。此处N最好取50，但可根据纤维的类形、长度和运行条件而改变。图16A和16B分别表示当使用喷咀21(QT3A-1)吋，平直落入纤维和100％成圈落入纤维的测量长度。平直落入纤维的平均长度为41.2mm，其标准偏差为3.2，因此一解圈纤维具有一测量长度在34.8mm和47.6mm之间，而在图16B中用括弧200所表示的大部分纤维为已解圈的纤维。
图17A和17B分别表示使用AFIS1喷咀时，平直落入纤维和100％成圈落入纤维的测量长度。如括弧202所示，很少100％成圈落入纤维得到解圈，因为平直落入纤维的平均测量长度为38.9和标准偏差为2.0，而很少测量值在34.9和42.9之间。同样，从图18A和18B可见，AFIS0喷咀也产生很少的解圈纤维，如括弧204所示；再从图19A和19B可见，15°喷咀能比AFIS0或AFIS1喷咀产生较多的解圈纤维，如括弧206，但其数量仍比喷咀21所产生的数量要少得多。另外，通过图16A和16B同图19A和19B形象的比较可证明喷咀21所产生的测量长度分布对成圈纤维和平直纤维都是相同的，而15°喷咀则不然。这一事实进一步说明喷咀21能实现优越的解圈。
虽然喷咀21代表用以解圈在1.3英尺3/分的优化气流中运载的长度为1.5英寸和1.5旦涤纶纤维的最佳已知喷咀，但必须指出，喷咀21的长度、锥度和锥度的几何学以及最佳流率将随特定的用途和条件而改变。但是根据我们的经验数据，喷咀长度大于3英寸，锥度小于3°的喷咀与传统的AFIS喷咀相比，具有改进的解圈特性。
图6、7、8是在图5中的截面线6-6和7-7以及图3中的截面线8-8上的剖面图。图7表示透光孔70的背视图，图6表示透光孔70的前视图，图8表示喷咀21出口段64的端视图。
虽然喷咀21对解圈特性起着很大的改进作用，但在数据采集方面的进一步改进还可用电子方法来使纤维31解圈来达到。在本发明中，计算机114最好是带数字信息处理电路(DSP)，以电子方法对成圈纤维所产生的波形进行解圈，然后按下述方法确定纤维的特性，例如纤维长度。
再来看一下图1，当实体(纤维31)在熄灭检测器25A和25B前面经过时，相应产生图1中的VE1和VE2信息。VE1和VE2的波形在图9中依次用波形100和102表示。图9中波形100和102的纵座标代表电压，横座标代表时间，因为传感器25A和25B是探测遮光的，所以可知VE1和VE2实际上是对传感器25A和25B所接收光量的减少的测量。
对于图9，波形102在时间上滞后于100，除此之外几乎与波形完全相同。考虑到图1中传感器25A和25B的位置，这个时间滞后是意料中的事。纤维或实体的存在由计算机114在波形100的104点上测出，而对波形102是在106点上测出。104和106是两个波形上对应的两点。这两点可通过使波形100和102参考一阈电压来确定(这是AFIS装置惯用的)或采用其他技术，例如监测两个波表的斜率并根据波形斜率超过一预定数值来选择104点和106点。同样，波形100和102的末端是在108点上和110点上检测出。波形末端的检测可通过观察波形降低到一阈电压以下的时刻或其他适当的方法，例如观察波形斜率来实现。
一旦波形检测以后，推荐以下述两步的方法来确定成圈加速纤维31的正确长度。第一，计算机114对纤维31的加速度进行补偿并产生一匀速(无加速度)的补偿波形。第二，计算机对补偿波形进行解圈(deloop)来确定展开纤维31的实际长度。这种处理最好通过数字信号处理来完成，并采用与计算机114的控制处理器相分开的DSP芯片。
对纤维加速度的补偿可采用以下方法来实现。首先把波形100分成N个相等的时间段。这里N是时间段的总数，而每一段中具有相同数目的采样或数据点(见图9)。在较佳的实施例中，波形VE1和VE2由一模/数转换器112进行取样，并输入计算机114作为试样。由于取样是以均匀的时间间隔进行的，采样数与波形的持续时间成正比，因此时间可认为相当于采样数。在较佳的实施例中，采用一与IBM兼容的PC计算机进行编程来实现所述的解圈方法。但也能使用其他计算硬件，而且也可采用手工的方法。
其次，确定波形100(VE1)和102(VE2)每一时间段的延迟时间。如果此延迟时间被分成传感器25A和25B之间边到边的有效间隔(最好大约1mm)，于是便可得到每一段的速度VEL(n)，这里n是段号。纤维31行进较慢的时间段表示比纤维31行进较快的时间段具有更小的实际纤维段。加速度的校正包括：根据较慢时间段的速度同最快时间段的速度相比较，在较慢时间段内通过减少数据点或试样数来安排每一时间段的时间。换一句话说，在某一慢的时间段内的试样数将用慢的时间段的速度对最快时间段的速度的比例来减少。经过这样减少之后，每一段的时间将与速度等于最快时间段(最后一段)速度的时间段中实际纤维段长度成正比。校正后的纤维时间TFC将与在其全部长度上以最高速度行进的纤维实际长度成正比。
获得经过加速度补偿的纤维波形后，解圈，在一个实施例中可通过确定一无圈片段的平均直径并把加速度补偿波形的总面积除以无圈片段的平均直径来完成。所得的结果是一展开的、经过补偿的纤维时间TFCU，它与以最快(最后)时间段的速度行进的展开纤维的长度成正比。把展开、经过补偿的纤维时间TFCU乘以最快(最后)时间段的速度便能确定长度。
上述方法的一种形式可参阅图9-14来充分了解。先从表示来自传感器25A和25B的熄灭波形开始。VE2滞后于VE1的时间是与传感器25A和25B之间的有效间隔(约1mm)成正比。而与纤维31的速度成反比。波形100(VE1)被分成N段，每段宽度为TW。
图10表示VE1每一段的波形以及它同波形VE2相应的相互关系曲线。注意在相互关系中，峰点如何在第一段从VE1与VE2之间的时间延迟TB移到第N段(最后一段)的TE，这里TB是波形100和102在纤维31前端的时间延迟，TE是在纤维31尾端的时间延迟。由于当纤维31进入图1的探测区116时，按照设计其行进速度要比离开探测区时慢，所以TB＞TE。如果把每段的峰点滞后时间TDPK(n)对每段相对于纤维时间TR(n)的位置作成曲线，于是便可获得表示纤维如何从进入探测区到离开探测区的加速过程(见图11)。
每一段的速度可通过将传感器25A和25B之间的有效间隔除以该段的延迟时间而求得。将每段的速度对每段相对于纤维时间的位置画成曲线，便可获得如图12所示整个纤维的速度轮廓。速度校正可通过用因数TDPK(N)/TDPK(n)来减少每段(n)的数据点来获得。此处TDPK(N)是最快段(最后段)的时间延迟。TDPK(n)是最后段N以前第n段的时间延迟。[TDPK(N)/TDPK(n)＝VEL(n)/VEL(N)，此处VEL(n)是第n纤维段的速度，VEL(N)是最后和最快的第N段的速度]。这里重申每一段中数据点的数目是时间的一个计量，因而可看作相当于时间。移动过的数据点应在段中均匀地间隔开。结果所得的阵列是对以与N段速度相等的一个恒速度行进的VE1纤维波形的描述，如图13所示。
还需说明此方法的两个限制情况。如果段数等于2，此方法几乎与确定两个原来波形上升前沿之间的延迟(TB)和下降后沿之间的延迟(TE)的方法相同。在此情况下，除了获得TB和TE的具体数值外，任何有关速度轮廓的附加信息都是未知数。当段数增加时，在相互关系中产生峰点的波形上的区别特点的点数便减少。因此内部几段的相互关系中的峰点便将消弱而难以辨认。这将产生一在第一段(TB)和最后一段(TE)之间具有明显噪声的速度轮廓曲线。这里所述的方法包括对速度轮廓中噪声的CV(用测量值的百分比表示的标准偏差)的观察来确定段数的优化值。当由于噪声而使CV超出预定的限度，建议为25％，时则必须采用前面的确定速度轮廓的算法。
图14A表示由图14B所示的双重或三重成圈的纤维121所产生的经过加速度补偿的波形120(VE1)。纤维的解圈可用几种方法来完成，推荐的方法首先从对VE1试样的加速度补偿的纤维波形120进行分类开始；它如图14A所示是通过增加数值为产生一分类波形122来实现的。通过取分类结果对分类指数的简单两点导数，便能确定纤维121的展开直径。在图14A中，波形124是分类波形122的导数，它具有3个峰点126、128和130，分别表示分类波形122的A、B、C三段的起始。峰点是通过确定波形124中的最大值、设定一等于最大值的一个分数(建议为0.6)的阈值、以及确定波形124超过阈值的段数来找出的。波形122的A段的垂直高度代表一展开纤维的直径。如图14A所示，此直径用VAVG(A段)来表示。此展开纤维的直径是通过取波形122在导数曲线124第一峰点(126)与第二峰点(128)之间的试样值的平均来确定的。于是纤维121在展开条件下经加速补偿的纤维时间(TFCU)只需将波形下的面积除以展开段的直径[VA VG(A段)]便可确定。然后纤维长度可把前面确定的纤维121最快(最后)段的速度乘以此校正的纤维时间TFCU而确定。另外，在导数曲线124的第一峰点之后的峰点数目是纤维中成圈数目的一个标志。成圈的完整性是通过对成圈段平均值的评价，看它们是否近似于展开段直径的两倍或三倍来确定为双重成圈或三重成圈等来鉴定的。
确定展开纤维的TFCU的另一种方法是在导数的第一和第二峰点之间的时间(试样数)上加上第二和第三峰点(B段)之间的两倍时间，加上第三和第四峰点(C段)之间的三倍时间，依次类推。然后纤维长度可用这个TFCU值按上述方法来确定。
图15A和15B表示上述程序的部分流程图，其中补充了如何确定段数(N)的细节。
从138步开始。首先找出两个波形VE1和VE2的均匀时间间隔采样点数据用以代表一纤维，并储存在两个不同阵列VE1和VE2中。一般地说，如果一个波形的外形比(长度/直径)大于3～10左右，而在此情况下即如果波形时间(TF)除以其平均幅值大于1.6微秒/伏，则被识别为一纤维。这种识别纤维的方法在系列号07/962,898题为“带有自动喂入的测试单独纺织试样多种特性的装置和方法”的共同未决申请中有更详细的说明。其次在140步，设置变数n＝2，然后在142步将VE1的阵列分成n个相等的段。在144步中，完成每一VE1段与整个VE2阵列的相互关联。在146步中找出VE1每一段的相互关联中的峰点位置并存入一新的阵列。这一阵列是逐段的延迟函数TDPK(n)。在148步中，变量n与2相比，如果n＞2，程序进入150步；如果n≤2就转到154步。由于执行第一遍时n＝2故程序转入154。在154步中“新”阵列移到一“老”阵列作为暂时储存。在156步中将n加倍而程序又从142步开始。如果在148步中n＞2，于是新阵列中延迟函数TDPK(n)的导数在150步中确定，同时导数的标准偏差和变动系数(CV＝100×标准偏差/平均值)也在150步中确定。此CV值是用来判定146步中所得到的延迟函数的性质的。在152步中把CV值与一预定的极限X相比较，在较佳实施例中，X为25％。如果CV≤X，程序便进入154步。“新”阵列作为“老”阵列储存，而程序重复156步并回到142步；如果CV＞X，则程序进入158步。在这里，将前面确定的产生导数的CV＜X的延迟函数的结果(“老”阵列)检索出来。在160步如前所述，VE1每一段中的试样数以该段速度对VE1最快段速度的比例来减少。
还有一些附加的说明将有助于更好地了解上述计算机程序的这部分。程序的目的是做纤维的加速度补偿以产生一等价的纤维波形，假定纤维以一与最快段相等的恒速度行进。它从将波形仅分成两段开始。这两段将产生一优良的相互关联，因为每段有许多与VE2中相应的特点很好地关联的特点。然而对VE1波形做加速度补偿的能力将受到一定限制，因为只有两个数据点可用以确定加速度或速度轮廓。因此需要尽可能多地增加所用的段数。当段数增加时，每段中所存在的特征数将减少，因此在相互关联中表征在VE1和VE2之间延迟的峰点将降低。确定最大可用段数的方法视延迟函数中的噪声而定。这可通过取延迟函数的导数并计算此导数的CV来实现。当CV超过要求的限度X时，则程序已超过了可用的段数。于是程序回复到前面的确定并应用它的结果。所用的X值可根据用途而改变。棉花在沿其长度上具有许多区别的特点，而未卷曲涤纶或粘胶纤维则很少有区别的特点。因此对棉纤维可采用比涤纶或锦纶更短的时间段。另外用户的需要也会影响X值。较小的X值对纤维长度的测定更为精确，但是完成必需的补偿也需要更长的时间。
图15B所示的剩余部分的流程图紧接着前面所述的方法。如162步所示，VE1的每一段可与VE2相互关联而求出峰点相关延时TDPK(n)，并如164步所示，每段中的试样数由一TDPK(N)/TDPK(n)比值的系数来减少。结果产生一如图14A所示的加速度补偿波形。在166步中补偿波形按每一试样的电压幅值进行分类而产生一如图14A中间的图形所示的分类补偿波形。如168所示，通过取分类补偿波形的导数而得到一导数波形，并找出导数波形124的主要峰点位置，并反过来与分类补偿波形关联。如172步所示，波形122的各段是根据导数波形124中发生的峰点126、128和130的位置来定位的。为了确认各段是对应于单根纤维段、双纤维段、或三根纤维段等起见，把A段的大小除以B、C等段的大小，所得的商对于B段必须在2的+/-0.5以内，对C段必须在3的+/-0.5以内，依次类推。如果纤维不能满足此准则，程序便进入174，放弃数据并以新的数据重新开始执行程序。
如果单根、双根和三根纤维等的准则已满足，程序便进入176，用前面所述的两种方法之一来确定纤维长度。然后如178步所示，程序回到起始点用新的数据重新起动。
从以上说明可见本发明提供一种有效的装置和方法用以；“解圈”单独纤维的测量。虽然较佳实施例已举例作了说明，但必须了解本发明能进行多种改装、修改和取代而不偏离本发明的范围。在物理解圈的情况下，纤维受到作用而在物理上去除成圈状态，而电子解圈则是通过一成圈纤维数据处理、从对加速度和纤维成圈状态经过适当补偿的数据中准确地确定纤维的特性。

Claims (19)

1.一种用以探测气流中所载实体的特性的装置，其特征在于由以下部分组成：
气流调节装置用以接收气流中的实体并把实体输出到一具有预定特性的第二气流中；
一个探测区；
实体供给装置用以从第二气流中接收实体、把符合要求物理状态的第一部分实体提供到所述的探测区，并提供处于不合要求物理状态的第二部分实体；所述的实体供给装置对所述实体进行处理使探测区中具有所需物理状态的实体所占比例与所述气流调节装置中第二气流中实体相比有所增加；
传感装置用以探测在所述探测区中的实体并生一对应于探测实体特性的传感器信号；
分析装置用以接收和分析所述传感器信号并产生表征所探测实体特性的输出。
2，根据权利要求1的装置，其特征在于所述气流调节装置包括：
用以接收实体和气流并从至少一部分气流中分离实体的分离装置；
用以输出至少一部分基本上不含实体的气流的第一输出；以及
用以输出其中载有实体的第二气流的第二输出。
3.权利要求2的装置，其特征在于所述的气流调节装置包括：一个经过处理的输入，用以把一预定流量、经过处理的气体输入所述的分离器，使经过处理的气体构成一所需比例的第二气流。
4.权利要求1的装置，其特征在于所述的气流调节装置包括：
一个旋风分离室；
在所述旋风分离室内所设置的第一输入，其结构能在分离室内形成一盘旋气流，使实体与气流分离；
一个用以输出至少一部分基本上不含实体的气流的第一输出；
一个用以输出载有实体的第二气流的第二输出。
5.根据权利要求1的装置，特征在于所述实体供给装置包括：
一个用以接收具有长度和宽度的细长实体的喷咀，其中至少有一部分实体处于成圈状态，即沿其本身的长度折回的实体，所述喷咀用于加速所述空气流和所述实体以及把实体提供到所述探测区，所述喷咀的尺寸和结构能对所接收的处于100％成圈状态实体中的约一半或一半以上进行物理解圈。
6.根据权利要求1的装置，特征在于所述实体供给装置包括：
一个用以接收具有长度和宽度的细长实体的喷咀，其中至少有一部分实体处于成圈状态，即沿其本身的长度折回的实体，所述喷咀用于加速所述空气流和所述实体以及把实体提供到所述探测区，该喷咀的尺寸和形状使之能作用于以成圈状态喂入的上述实体并产生物理解圈效果；所述喷咀具有一锥度为约3°或3°以下、长度为约3英寸或3英寸以上的锥形加速通道。
7.根据权利要求6的装置，其特征在于喷咀包括：
限定所述的锥形加速通道的一入口和出口，并由一大约6英寸的距离隔开；
所述通道从所述入口至所述出口有一小于3°的向里的锥度。
8.权利要求6的装置，其特征在于所述通道的结构能以大约1.3英尺3/分的气流优化地实现解圈，并在喷咀出口产生一速度约为100米/秒的气流。
9.根据权利要求1的装置，特征在于所述实体是具有长度和宽度的细长实体，其中所述处于不合要求物理状态第二部分实体以成圈状态呈现，所述处于符合要求物理状态的第一部分实体以不成圈的状态呈现在所述探测区中。
10.根据权利要求9的装置，其特征在于所述分析装置确定成圈实体的宽度。
11.权利要求9的装置，其特征在于所述分析装置确定成圈实体的长度。
12.权利要求9的装置，其特征在于所述分析装置还包括用以区分对应于成圈实体的传感器信号和对应于不成圈实体的传感器信号的装置。
13.权利要求1的装置，其特征在于所述传感器装置包括：
一个通过所述探测区而照射的光源和第一和第二光检测器，用以探测在所述探测区内被所述实体遮挡的光，所述第一和第二光检测器并排安装和互相隔开，所述第二光检测器对所述探测区内气流而言位于第一光检测器的下游，所述第一和第二光检测器分别用以产生第一和第二传感器信号，各包括对应于所述探测区中所感测实体特性的波形；以及
其中所述分析装置还包括一种装置，它从所述对应于所感测实体的第一和第二传感器信号中分别区分出第一和第二波形的前沿和后沿，并至少把一部分第一波形同第二波形相比较而产生一补偿波形来补偿实体在探测时沿其长度的速度变化，并根据所述补偿波形来确定实体的长度。
14.权利要求1的装置，其特征在于所述传感装置包括：
一个通过所述探测区而照射的光源和第一和第二光检测器，用以探测在所述探测区内被所述实体遮挡的光；所述第一和第二光检测器并排安装和互相隔开，所述第二检测器对所述探测区内气流而言位于第一光检测器的下游；所述第一和第二光检测器依次用以产生第一和第二传感器信号，各包括对应于所述探测区中所述感测实体特性的波形；且
其中所述分析装置还包括一种装置，它从对应于一单个实体的第一和第二传感器信号中依次区分出第一和第二波形；
用以把第一波形分成N个相等段的装置；
用以把N段中每一段同第二波形相关联而产生N个关联结果的装置；
根据所述N个关联结果，产生经过补偿的第一波形来补偿实体在探测时沿其长度的速度变化的装置；和
用以根据补偿波形来确定感测实体的长度的装置。
15.权利要求1的装置，其特征在于所述分析装置还包括：
用以分析补偿波形的装置，以确定相当于感测实体不成圈部分和波形成圈部分的波形持续时间；
用以对所述补偿波形进行分类的装置，以产生一组以大小为顺序的分类波形，并产生一对应于分类波形瞬时斜率的导数波形，确定导数波形中主要峰点位置，以及根据主要峰点位置确定相当于成圈、不成圈和多重成圈实体段的分类波形持续时间。
16.权利要求1的装置，其特征在于所述分析装置，还包括一种装置用来分析传感器信号，从而识别对应于代表成圈、不成圈、和多重成圈的感测实体段波形，并根据识别的片段来确定成圈、不成圈和多重成圈的感测实体段长度。
17.根据权利要求1的装置，特征在于：
所述传感装置包括一通过所述探测区而照射的光源和第一和第二光检测器用以探测在所述探测区内所述探测实体；所述第一和第二光检测器被定位以在第一和第二探测区进行检测；第一和第二检测区并排安装和互相隔开，所述第二光检测器对所述探测区内的气流而言位于第一光检测器的下游；所述第一和第二光检测依次用以产生第一和第二传感器信号，各包括对应于所述探测区中所述感测实体特性的波形。
所述分析装置还包括一种装置，它从所述对应于所感测实体的第一和第二传感器信号中依次区分出第一和第二波形的前沿和后沿，并至少把一部分第一波形同第二波形相比较，并产生一补偿波形来补偿实体在探测时实体速度的变化。
18.权利要求17的装置，其特征在于所述分析装置还包括一种装置用以把第一波形分成N个相等的段；用以把所述N段中每一段同第二波形相关联而产生N个关联结果；根据所述N个关联结果产生经过补偿的第一波形来补偿实体在探测是的实体速度变化。
19.根据权利要求1的装置，其特征在于所述分析装置包括一个具有数字信号处理功能的计算机。
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