CN113340949A - 一种基于物质介电性质检测浆纱上浆率的方法 - Google Patents

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CN113340949A CN202110570520.6A CN202110570520A CN113340949A CN 113340949 A CN113340949 A CN 113340949A CN 202110570520 A CN202110570520 A CN 202110570520A CN 113340949 A CN113340949 A CN 113340949A
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Abstract

本申请提供一种基于物质介电性质检测浆纱上浆率的方法，属于利用电容测试或分析材料技术领域。根据干浆纱中浆料与无浆纱线的两相介质串并联关系，建立关于浆纱等效介电常数与浆料介电常数、未上浆纱线介电常数、浆纱上浆率的模型；建立浆纱电容量变化率与上浆率的函数关系，得到上浆率与电容量变化率的函数模型；测定并输入浆料密度、浆料介电常数、未上浆纱线介电常数、密度、浆纱电容量等参数，计算出浆纱样品的上浆率。将本申请应用于浆纱上浆率检测，其相对偏差小于5％，浆纱上浆率检测结果的变异系数小于2%。本发明的检测浆纱上浆率具有检测结果准确、成本低、快速方便、可重复性好的优点，为纺织行业实时在线测量浆纱上浆率奠定基础。

Description

一种基于物质介电性质检测浆纱上浆率的方法
技术领域
本申请涉及一种基于物质介电性质检测浆纱上浆率的方法，属于利用电容测试或分析材料技术领域。
背景技术
经纱上浆是为了织造时减少织机断头率、提高可织性。据统计，37.59％的断经和16.39％的织机停车是由于浆纱质量缺陷造成。浆纱上浆率是否合适，直接影响到织造效果：当上浆率过少，浆纱发生“轻浆”现象，在织造时，轻者则影响织机效率，严重时经纱起毛起球，无法织造，甚至报废。对“轻浆”轴的复浆处理，技术难度大，成功率也不高；上浆率过高，则浆纱脆硬，与织机部件摩擦后容易落浆，对织造同样不利。如何准确快速简便地检测上浆率，是当前浆纱企业迫切需要解决的问题。
现有浆纱检测技术中，主要有退浆法、近红外光谱法、人工智能模型预测法、定量液位法、浆纱含水量测量法几种。
(1)退浆法：基于上浆率定义，对浆纱进行退浆后烘干称量。作为实验室经典的测量上浆率的方法，退浆法测量结果常用于其他方法的参照组，但也仍存在诸多不足：首先，退浆时除了浆料，纱线毛羽也随退浆液损耗，导致测试结果存在偏差；且由于不同浆料黏着剂需要不同退浆方法，因此测定条件还没有统一的标准；其次，实验过程耗时较长，退浆和测试过程都比较缓慢，不能实时得到上浆率数值，因此也就无法实现实时调整上浆工艺；再次，退浆过程中会使用各种酸碱试剂，对人体有害、不够环保。
(2)近红外光谱法：针对浆料和纤维分子中的特定基团所产生的特征峰，进行定性定量测定上浆率，故该方法仅限于特定的浆料和经纱品种，如PVA浆料、50/50的涤棉混纺纱，品种适应性很差，不利于推广；浆纱以片纱状态进行检测，纱线细度、排列密度(即覆盖系数)等均会影响光谱扫描结果，使模型预测的准确性降低。
(3)人工智能模型预测法：该技术较新，尚处在实验室研究阶段，但发展很快。这种方法是基于黑箱理论，计算机自主学习上浆工艺历史数据，通过各种人工智能模型预测出上浆率。不足之处是目前的研究模型受参数的影响较大，如训练样本的数量、质量不同，学习算法改变、设置的网络结构等不恰当，都会影响模型的性能。而对于大规模的数据，人工智能的学习速度慢，样本泛化能力达不到预期的要求，抗干扰性能较差。
(4)定量液位法：该方法在工厂中应用较多，其原理是：在上浆机运行过程中，纱线从浆槽中带走一定量浆液实现上浆，单位浆纱长度内所消耗浆液的干浆量，与该长度经纱上浆的干浆量基本一致，经纱上浆的干浆量与经纱干重的比值就是上浆率。干浆量可通过检测浆槽中浆液消耗所产生的液位差得到，但当浆液液面下降被传感器检测到时，存在阀门响应时间和阀门漏浆因素，这些因素导致测量数据的不精确性。同时该测试过程还存在时滞，需要经过一段时间的上浆才能检测计算出一次上浆率，而无法实现上浆率的实时测量。
(5)浆纱含水量测量法：该方法为间接测量上浆率，利用上浆率与浆液浓度、浆纱出浆槽时含水量之间的关系，间接检测出上浆率。测量浆纱含水量通常使用微波检测法，该方法能实时测量上浆率，但微波检测系统受温度影响较大，而上浆机高温高湿的环境会影响系统精准度；微波的非热作用也会对人体造成不良反应，因此需要提高设备的密闭性；且微波检测系统的设备价格昂贵，前期投资大。
发明内容
有鉴于此，本申请提供一种新的检测浆纱上浆率的方法，该方法利用浆纱中浆料和纤维的介电性质不同，基于两相混合介质的等效介电常数模型理论，在浆纱通过平行板电介质电容器时就能直接准确测量出上浆率。该检测方法克服了退浆法检测精度低、检测过程复杂；近红外光谱法品种适用性差；人工智能模型预测法抗干扰性差；定量液位法检测滞后性；浆纱含水量测量法成本高的缺点。测试过程无需退浆，无接触试样，具有检测结果准确、检测过程便捷迅速、检测成本低的优点。
具体地，本申请是通过以下方案实现的：
一种基于物质介电性质检测浆纱上浆率的方法，包括如下步骤：
(1)根据干燥浆纱中浆料与无浆纱线的两相介质串并联关系，建立关于浆纱等效介电常数εeff与浆料介电常数εs、未上浆纱线介电常数εf、浆纱上浆率S的模型。
εeff＝f(εs，εf，S)
(2)根据平行板电介质电容器电容量测量的原理，将极板间的圆柱体浆纱等效成长方体，然后建立浆纱电容量变化率ΔC/C与上浆率S的函数关系，将函数取反，即可得上浆率S与电容量变化率ΔC/C的函数模型。
Figure BDA0003082434650000031
其中：
Figure BDA0003082434650000032
式中：C为浆纱烘干后测得的电容量(F)，C0为未放浆纱时电容器恒定电容量(F)，A为平行板电介质电容器电极面积(cm2)，a为平行板电介质电容器电极宽度(cm)，b为把浆纱等效成面积为A长方体时的厚度(cm)，D为电极板间距(cm)，ε0为真空介电常数8.854×10-14，εeff为浆纱等效介电常数，Tt为原纱细度(tex)，ρf为纤维原料密度(g/cm3)，ρs为浆料密度(g/cm3)。
(3)用国家标准方法测定浆纱样品所包含的浆料密度ρs(g/cm3)、密度ρf(g/cm3)。
(4)用国家标准方法测定浆纱样品所包含的浆料介电常数εs、未上浆纱线(纤维)介电常数εf。
(5)在上浆机烘房出口处用平行板电介质电容器测量出烘干后的浆纱电容量C(F)，将浆纱电容量C(F)减去未放浆纱时电容器恒定电容量C0(F)，得到电容量变化率ΔC/C＝(C-C0)/C。
(6)将步骤(3)、(4)、(5)中实测得的数据输入步骤(2)中的函数模型，计算出浆纱样品的上浆率。
进一步的，作为优选：
步骤(1)中，浆纱等效介电常数εeff与浆料介电常数εs、未上浆纱线介电常数εf的函数，可应用Maxwell-Garnett模型，因该模型适用于填料为球形，且体积分数小，符合被覆渗透于浆纱上的浆料的特征。Maxwell-Garnett模型：
Figure BDA0003082434650000041
Figure BDA0003082434650000042
式中：f为浆料占浆纱的体积分数，S为浆纱上浆率、ρs为浆料密度(g/cm3)、ρf为纤维原料密度ρf(g/cm3)。
步骤(3)中，浆料密度ρs、纤维密度ρf可查表获得。
步骤(4)中，浆料介电常数εs、未上浆纱线(纤维)介电常数εf通过GB/T 5597-1999《固体电介质微波复介电常数的测试方法》、GB/T 11297.11-2015《热释电材料介电常数的测试方法》，或者查表获得。
步骤(5)中，采用高精密LCR仪测出平行板电介质电容器的电容量C。精密LCR仪输出电平域小于1V，测试频率范围为1kHz～100kHz，测试档位范围为10k～100kΩ，采样频率大于500ms。推荐频率为100kHz，频率最大允许误差为±0.05％，推荐测试档位100kΩ，采样频率500ms，输出电平600mV。
步骤(5)中，平行板电介质电容器的极板应光滑，极板间距适中，防止浆纱落浆接触到极板影响精度。电容器测量位置放在上浆机烘箱出口处，因水分会影响电容量准确度，从平行板电介质电容器通过的浆纱含水率应保持在0％。
本发明是利用浆纱中浆料与纤维介电常数不同的特性，浆纱中浆料体积分数不同，导致两相混合而成的浆纱等效介电常数不同的原理。先根据干燥浆纱中浆料与无浆纱线的串并联关系建立浆纱等效介电常数εeff与浆料介电常数εs、未上浆纱线介电常数εf、浆纱上浆率S的函数模型，然后在上浆机烘房出口处用平行板电介质电容器分别测量出无浆纱和有浆纱时的电容量C、C0，得到电容量变化率ΔC/C。根据平行板电介质电容器电容量测量的原理，得出浆纱上浆率S与电容量变化率ΔC/C的函数模型。
因此，本发明具有如下有益效果：
(1)测试过程快速简便。该方法只需要提前在测量系统中输入纤维原料密度ρf(g/cm3)、介电常数εf，浆料密度ρs(g/cm3)、浆料介电常数εs，及电容器相关参数，然后用平行板电介质电容器在上浆机烘房出口处测量出烘干后的浆纱电容量C，经过检测软件系统计算就能直接显示出上浆率。
(2)适用范围广。本发明利用浆纱中浆料与纤维介电常数不同的特性，由平行板电介质电容器测出浆纱等效介电常数εeff，用高精密LCR仪读取平行板电介质电容器的电容值，适用原料广泛，不论何种浆料、何种上浆纱线，只要提前在检测软件系统中输入相关参数，就能根据函数模型测出上浆率。
(3)测量精度高。采用高精密LCR仪测出平行板电介质电容器的电容量C精度达0.05，浆纱上浆率检测的相对偏差小于5％。检测精度高，结果准确，误差小，可重复性好。
(4)能实现实时监测。本发明由高精密LCR仪读取平行板电介质电容器的电容值，LCR仪的采样频率决定上浆率的测试频率，高精度LCR仪采样频率可达500ms，而一般上浆速度在100m/min左右，相当于1m浆纱采样1个点，采样频率已满足企业生产中实时测量的要求，上浆机能在上浆的同时在线测量出上浆率，从而为纺织行业在线监测和控制上浆率带来可能。
(5)智能化。本发明搭建的上浆率检测系统，只需提前输入相关参数，用平行板电介质电容器在上浆机烘房出口处测量出烘干后的浆纱电容量C，通过检测软件系统运算后就能直接显示出上浆率。更换上浆品种时，只需在系统中更改参数，全程自动测量，操作简便，无需人为干预。
附图说明
图1为不同原纱细度的浆纱上浆率S与电容量变化率ΔC/C的校正曲线图；
图2是本申请中的上浆率检测系统结构示意图；
图3是本申请中平行板电介质电容器测试示意图；
图4为本申请的浆纱体积等效图；
图5为不同原纱细度的浆纱由含水率引起的电容变化图。
图中标号：1.原纱筒；1a.未上浆纱线；1b.浆纱；1c.已烘干浆纱；1d.等体积长方体浆纱；2.浆槽；3.单纱上浆机；4.烘箱；5.平行板电介质电容器；51.极板；6.上浆率检测系统；61.LCR测试插孔。
具体实施方式
(一)首先构建浆纱上浆率S与电容变化率ΔC/C的函数模型。
(1)应用Maxwell-Garnett模型建立浆纱等效介电常数εeff与浆料介电常数εs、未上浆纱线介电常数εf的函数。
Figure BDA0003082434650000061
式中：f为浆料占浆纱的体积分数。
(2)根据平行板电介质电容器电容量测量的原理，将圆柱体的浆纱1b等效成长方体(见图3和图4)，建立浆纱电容变化率ΔC/C与浆纱等效介电常数εeff的关系，由
Figure BDA0003082434650000071
转化为：
Figure BDA0003082434650000072
式中：C为浆纱烘干后测得的电容量(F)，C0为未放浆纱时电容器恒定电容量(F)，ΔC＝C-C0，A为平行板电介质电容器电极面积(cm2)，a为平行板电介质电容器的电极51宽度(cm)，b为把浆纱等效成面积为A长方体时的厚度(cm)，D为电极板间距(cm)，ε0为真空介电常数8.854×10-14，εeff为浆纱等效介电常数，Tt为原纱细度(tex)，ρf为纤维原料密度(g/cm3)，ρs为浆料密度(g/cm3)。
(3)根据上述公式与Maxwell-Garnett模型联立，建立浆料占浆纱的体积分数f与浆纱电容变化率ΔC/C的函数模型：
Figure BDA0003082434650000073
(4)上式为非线性方程，可利用牛顿迭代法解出体积分数f。步骤如下：
1.设f为x，可以得到：
Figure BDA0003082434650000074
2.选定初始近似值，x0＝0，计算F0＝F(x0)，F’0＝F’(x0)。
3.迭代。按公式
Figure BDA0003082434650000075
迭代一次，得新的近似值x1，计算f1＝f(x1)，f’＝f’(x1)。
4.控制。如果x1满足|x1-x0|<0.01，则终止迭代，以x1作为所示根；否则转步骤3。
(5)根据上述方法得到体积分数f，再根据浆料占浆纱的体积分数f与上浆率S的关系，得到上浆率S的数学模型：
Figure BDA0003082434650000076
式中：S为浆纱上浆率，ρs为浆料密度(g/cm3)，ρf为纤维原料密度(g/cm3)，f为浆料占浆纱的体积分数。
(6)然后将此模型导入图2的上浆率检测软件系统6中。
(二)安装检测硬件设备。
(1)将平行板电介质电容器5安装在烘箱4出口处，使纱线能如图3所示，平行穿过电容器两极板51间，两极板间距D调整到规定距离，防止纱线接触到极板51或纱线剧烈摆动导致系统误差。平行板电介质电容器5的结构参数见表2。
(2)平行板电介质电容器5的两块极板连上导线，将导线分别插入上浆率检测系统6上的LCR测试插孔61。
(3)从平行板电介质电容器5通过的浆纱1b含水率应保持在0％，防止浆纱1b上有水分导致误差。由浆纱含水率引起的电容变化见图5。
(三)准备原料。
(1)将浆料(主要成分为淀粉)配制成10％浓度的浆液，倒入浆槽2。
(2)将棉纱作为未上浆纱线1a样品，放置到原纱筒1位置，按规定在单纱上浆机3上穿好纱线。
(四)输入参数。
(1)淀粉浆料密度ρs、棉纤维密度ρf可查表获得。
(2)淀粉浆料介电常数εs、棉纤维介电常数εf通过GB/T 5597-1999《固体电介质微波复介电常数的测试方法》、GB/T 11297.11-2015《热释电材料介电常数的测试方法》，或者查表获得。
(3)将以上参数输入到上浆率检测软件系统6中，见表1和表2，上浆率检测软件系统6根据模型生成图1所示浆纱上浆率S与电容量变化率ΔC/C的校正曲线。
(五)开机测量。
打开单纱上浆机3开关，开始上浆。待上浆状况稳定后，开始启动上浆率检测软件系统6，上浆率检测软件系统6根据平行板电介质电容器5中测得的电容量C自动匹配校正曲线上的上浆率S值，屏幕中显示上浆率S值。
(六)数据对比。
将上浆得的浆纱用退浆法测定上浆率。本实施例得到的部分电容值与结果见表3，上浆率测定结果及偏差见表4。
表1：上浆原料参数
参数项目 参数数值 参数项目 参数数值
棉纱细度T<sub>t</sub>(tex) 20 采样率(ms) 250
棉纤维密度ρ<sub>f</sub>(g/cm<sup>3</sup>) 0.3 淀粉浆料密度ρ<sub>s</sub>(g/cm<sup>3</sup>) 1.6
棉纤维介电常数ε<sub>f</sub> 1.3 淀粉浆料介电常数ε<sub>s</sub> 3.5
表2：平行板电介质电容器结构参数
电容器结构参数 参数值 电容器结构参数 参数值
电极宽度a(cm) 10 等效长方体浆纱厚度b(cm) 6.67×10<sup>-4</sup>
电极面积A(cm<sup>2</sup>) 0.8 极板间距D(cm) 0.4
表3：放入浆纱前后电容器测得的部分电容值和结果
Figure BDA0003082434650000091
Figure BDA0003082434650000101
表4：上浆率测定结果及偏差
本实施例(％) 传统方法(％) 偏差
8.17 8.31 1.6％
对本申请检测方法进行可重复性检验：采用申请检测方法，在正常和正确操作情况下，由同一操作人员、在同一实验室内、使用同一仪器，对同一样品进行多个单次测试，每次测试时长2min，结果如表5所示。
表5：重复性测试数据
序号 测得上浆率(％)
1 8.23
2 7.93
3 8.26
4 8.07
5 7.97
通过变异系数来反映本发明检测方法的可重复性，SPSS18.0计算得浆纱上浆率检测结果的变异系数为1.89％，说明本申请检测浆纱上浆率准确度高且可重复性好。
本申请的浆纱上浆率检测的相对偏差小于5％，浆纱上浆率检测结果的变异系数小于2％。本申请的检测浆纱上浆率具有检测结果准确、成本低、快速方便、可重复性好的优点，为实时在线测量浆纱上浆率奠定基础。

Claims (9)

1.一种基于物质介电性质检测浆纱上浆率的方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)根据干浆纱中浆料与无浆纱线的两相介质串并联关系，建立关于浆纱等效介电常数εeff与浆料介电常数εs、未上浆纱线介电常数εf、浆纱上浆率S的模型：
εeff＝f(εs，εf，S)；
(2)根据平行板电介质电容器电容量测量的原理，先将极板间的圆柱体浆纱等效成长方体，然后建立浆纱电容量变化率ΔC/C与上浆率S的函数关系，将函数取反，即可得上浆率S与电容量变化率ΔC/C的函数模型：
Figure FDA0003082434640000011
其中：
Figure FDA0003082434640000012
式中：C为浆纱烘干后测得的电容量，C0为未放浆纱时电容器恒定电容量，A为平行板电介质电容器电极面积，a为平行板电介质电容器电极宽度，b为把浆纱等效成面积为A长方体时的厚度，D为电极板间距，ε0为真空介电常数8.854×10-14，εeff为浆纱等效介电常数，Tt为原纱细度，ρf为纤维原料密度，ρs为浆料密度，f为浆料占浆纱的体积分数；
(3)测定浆纱样品所包含的浆料密度ρs、密度ρf；
(4)测定浆纱样品所包含的浆料介电常数εs、未上浆纱线介电常数εf；
(5)用平行板电介质电容器测量出烘干后的浆纱电容量C，将浆纱电容量C减去未放浆纱时电容器恒定电容量C0，得到电容量变化率ΔC/C＝(C-C0)/C；
(6)将步骤(3)、(4)、(5)中实测得的数据输入步骤(2)中的函数模型，上浆率S满足：
Figure FDA0003082434640000021
即可计算出浆纱样品的上浆率S。
2.根据权利要求1所述的一种基于物质介电性质检测浆纱上浆率的方法，其特征在于：步骤(1)中，浆纱等效介电常数εeff与浆料介电常数εs、未上浆纱线介电常数εf的函数，满足以下关系式：
Figure FDA0003082434640000022
Figure FDA0003082434640000023
式中：f为浆料占浆纱的体积分数，S为浆纱上浆率、ρs为浆料密度(g/cm3)、ρf为纤维原料密度ρf。
3.根据权利要求1所述的一种基于物质介电性质检测浆纱上浆率的方法，其特征在于，体积分数f得出过程如下：
1)设f为x，可以得到：
Figure FDA0003082434640000024
2)选定初始近似值，x0＝0，计算F0＝F(x0)，F’0＝F’(x0)；
3)迭代：按公式
Figure FDA0003082434640000025
迭代一次，得新的近似值x1，计算f1＝f(x1)，f’＝f’(x1)；
4)控制：如果x1满足|x1-x0|<0.01，则终止迭代，以x1作为所示根；否则转步骤3)。
4.根据权利要求1所述的一种基于物质介电性质检测浆纱上浆率的方法，其特征在于：步骤(5)中，采用高精密LCR仪测出平行板电介质电容器的电容量C，精密LCR仪输出电平域小于1V，测试频率范围为1kHz～100kHz，频率最大允许误差为±0.05％，测试档位范围为10k～100k，采样频率大于500ms。
5.根据权利要求4所述的一种基于物质介电性质检测浆纱上浆率的方法，其特征在于：测试频率为100kHz，输出电平600mV，档位100kΩ，采样频率500ms。
6.根据权利要求1所述的一种基于物质介电性质检测浆纱上浆率的方法，其特征在于：步骤(5)中，电容器测量位置放在上浆机烘箱出口处。
7.根据权利要求1所述的一种基于物质介电性质检测浆纱上浆率的方法，其特征在于：步骤(5)中，从平行板电介质电容器通过的浆纱含水率应保持在0％。
8.根据权利要求1所述的一种基于物质介电性质检测浆纱上浆率的方法，其特征在于，上浆原料参数如表所示：
参数项目 参数数值 参数项目 参数数值 棉纱细度T<sub>t</sub>(tex) 20 采样率(ms) 250 棉纤维密度ρ<sub>f</sub>(g/cm<sup>3</sup>) 0.3 淀粉浆料密度ρ<sub>s</sub>(g/cm<sup>3</sup>) 1.6 棉纤维介电常数ε<sub>f</sub> 1.3 淀粉浆料介电常数ε<sub>s</sub> 3.5
。
9.根据权利要求1所述的一种基于物质介电性质检测浆纱上浆率的方法，其特征在于，平行板电介质电容器的结构参数如表所示：
电容器结构参数 参数值 电容器结构参数 参数值 电极宽度a(cm) 10 等效长方体浆纱厚度b(cm) 6.67×10<sup>-4</sup> 电极面积A(cm<sup>2</sup>) 0.8 极板间距D(cm) 0.4
。
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