CZ2019486A3

CZ2019486A3 - Kapacitní senzor

Info

Publication number: CZ2019486A3
Application number: CZ2019-486A
Authority: CZ
Inventors: Miroslav Svoboda; Miroslav doc. Ing Svoboda; Zdeněk Braier; Zdeněk Ing. Braier; Petr Ĺ kop; Petr Ing. Škop; Pavel Žďárek
Original assignee: VĂšTS, a.s.; VÚTS, a.s.
Priority date: 2019-07-25
Filing date: 2019-07-25
Publication date: 2021-02-03
Also published as: CZ309249B6; EP3779351B1; EP3779351A3; EP3779351A2

Abstract

Technické řešení se týká způsobu měření příčných geometrických parametrů textilních vlákenných útvarů tvaru plochého pásku kapacitním senzorem, u něhož textilní vlákenný útvar prochází měřicí štěrbinou v deskovém kondenzátoru, přičemž textilní vlákenný útvar prochází měřící štěrbinou prvního deskového kondenzátoru a následně měřící štěrbinou druhého deskového kondenzátoru, přičemž v každém deskovém kondenzátoru je měřena kapacita, která je pomocí RC obvodu převedena na impuls šířky ԏM a porovnána s nastavitelným impulsem šířky ԏK generovaným kompenzačním generátorem, která odpovídá šířce impulsu generovaného deskovým kondenzátorem bez textilního vlákenného útvaru, a za časový rozdíl impulsů šířky Δԏ mezi impulsem RC obvodu a impulsem kompenzačního generátoru je čítačem čítajícím impulzy z pomocného oscilátoru převeden na počet impulsů p a informace o počtu impulsů p1, p2 každého z obou čítačů jsou odeslány do vyhodnocovacího obvodu pro výpočet geometrických parametrů textilního vlákenného útvaru.

Description

Kapacitní senzor

Oblast techniky

Technické řešení se týká způsobu měření příčných geometrických parametrů textilních vlákenných útvarů tvaru plochého pásku kapacitním senzorem, u něhož textilní vlákenný útvar prochází měřicí štěrbinou v deskovém kondenzátoru.

Technické řešení se dále týká kapacitního senzoru pro měření příčných geometrických parametrů textilních vlákenných útvarů tvaru plochého pásku obsahující deskový kondenzátor, v němž je vytvořena měřicí štěrbina pro průchod textilního vlákenného útvaru.

Dosavadní stav techniky

Textilní příze se při výrobě kontrolují tzv. čističi příze, které odstraňují z příze její nekvalitní části. Statické vzorky přízí se kontrolují detailněji laboratorními přístroji, kdy je výstupem měřicí protokol s uvedenými charakteristickými nedostatky a vadami příze.

Aby bylo možné měřit délkovou hmotnost nebo průměr příze a vyhodnocovat vady příze, převádí se délková hmotnost nebo průměr příze na elektrický signál. Pro převod na elektrický signál se používají dva základní principy měření, optický a kapacitní.

Základem optického senzoru je zdroj světla, přijímač světla a difúzér pro rozptýlení světla. Část světla ze zdroje světla je absorbována přízí uvnitř měřicí zóny, čímž dopadá méně světla na přijímač světla, množství světla zachyceného na přijímači je úměrný velikosti průměru příze. Nevýhodou optického senzoru je např. vliv okolního osvětlení na přesnost měření, opotřebování součástek nebo nepříznivý vliv nečistot na přesnost měření. Pomocí optického senzoru je obtížné měřit velmi malé tloušťky plochého textilního vlákna.

Základem kapacitního senzoru je např. dvouelektrodový vzduchový deskový kondenzátor. V prostoru mezi dvěma paralelními kovovými elektrodami se působením střídavého napětí vytváří elektrické pole. Jestliže se v tomto poli pohybuje příze s proměnlivou tloušťkou, mění se tím i kapacita deskového kondenzátoru. Změna kapacity je závislá na množství vláken v přízi, na dielektrické konstantě materiálu, ale také např. na obsahu vlhkosti v přízi, které mají vliv na výsledky měření. Z toho důvodu je nutné provádět měření za standardních, předem definovaných podmínek. Nevýhodou kapacitního senzoru je nemožnost určení příčných geometrických parametrů textilních vlákenných útvarů jako je tloušťka a výška plochého textilního vlákna, kdy výška významně převyšuje tloušťku.

Cílem technického řešení je navrhnout způsob měření příčných geometrických parametrů textilních vlákenných útvarů útvaru plochého pásku, které je schopné měřit malé tloušťky textilního vlákna a textilní vlákna, kde tloušťku výrazně převyšuje výška vlákna.

Cílem technického řešení je navrhnout kapacitní senzor pro měření příčných geometrických parametrů textilních vlákenných útvarů, které odstraní nevýhody současného stavu techniky.

Podstata vynálezu

Cíle technického řešení se dosáhne způsobem měření příčných geometrických parametrů textilních vlákenných útvarů tvaru plochého pásku, jehož podstata spočívá v tom, že textilní vlákenný útvar prochází měřící štěrbinou prvního deskového kondenzátoru a následně měřící štěrbinou druhého deskového kondenzátoru, přičemž v každém deskovém kondenzátoru je měřena kapacita, která je

- 1 CZ 2019 - 486 A3 pomocí RC obvodu převedena na impuls šířky w a porovnána s nastavitelným impulsem šířky O/, generovaným kompenzačním generátorem, která odpovídá šířce impulsu generovaného deskovým kondenzátorem bez textilního vlákenného útvaru, a za časový rozdíl mezi impulsem RC obvodu a impulsem kompenzačního generátoru je čítačem čítajícím impulzy z pomocného oscilátoru převeden na počet impulsů p a informace o počtu impulsů pi, p2 každého z obou čítačů jsou odeslány do vyhodnocovacího obvodu pro výpočet geometrických parametrů textilního vlákenného útvaru.

Cíle technického řešení se dále dosáhne kapacitním senzorem pro měření příčných geometrických parametrů textilních vlákenných útvarů tvaru plochého pásku, jehož podstata spočívá v tom, že za prvním deskovým kondenzátorem je ve směru pohybu textilního vlákenného útvaru uspořádán druhý deskový kondenzátor, jehož měřicí štěrbina navazuje na měřicí štěrbinu prvního kondenzátoru, přičemž kondenzátory mají rozdílnou kapacitu a každému z nich jsou přiřazeny výpočetní obvody, jejichž výstupy jsou přivedeny do společného vyhodnocovacího obvodu.

Ve výhodné variantě provedení je vzdálenost elektrod prvního deskového kondenzátoru jiná než vzdálenost elektrod druhého deskového kondenzátoru. Velikost elektrod deskového kondenzátoru je stejná.

Ve výhodném provedení je kapacitní senzor zapojen tak, že výstup každého deskového kondenzátoru je přes RC obvod přiveden na vstup příslušného rozdílového obvodu, na jehož druhý vstup je připojen výstup příslušného kompenzačního generátoru, přičemž výstup rozdílového obvodu je přiveden do příslušného čítače, na jehož druhý vstup je připojen výstup pomocného oscilátoru, přičemž výstupy čítačů jsou přivedeny na vstup společného vyhodnocovacího obvodu. Uvedeným uspořádáním lze určit výšku plochého textilního vlákna a funkční vztah jeho tloušťky a relativní permitivity.

Pro kalibraci kapacitního senzoru je s výhodou alespoň jedna elektroda každého deskového kondenzátoru uložena posuvně směrem ke druhé z elektrod, a to buď manuálně nebo strojově.

Pro stanovení relativní permitivity textilního vlákenného útvaru obsahuje kapacitní senzor s výhodou třetí kondenzátor, který je uložený otočený o 90 ° vůči podélné ose textilního vlákenného útvaru.

Objasnění výkresů

Technické řešení je zobrazen na přiložených výkresech, kde zobrazuje obr. 1 deskový kondenzátor v bočním a podélném pohledu a na obr. 2 schematické blokové schéma kapacitního senzoru.

Příklady uskutečnění

Kapacitní senzor obsahuje dvojici deskových kondenzátorů, které jsou uloženy za sebou. Každý deskový kondenzátor obsahuje dvě vodivé elektrody oddělené dielektrikem s relativní permitivitou s_r,d. V nejjednodušší variantě je dielektrikum tvořeno vzduchovou mezerou, ve které se pohybuje měřený textilní vlákenný útvar.

Uložením textilního vlákenného útvaru mezi elektrody deskového kondenzátoru se změní kapacita C deskového kondenzátoru vůči původní hodnotě kapacity Co bez vloženého vlákenného útvaru. Velikost změny kapacity zíC je závislá na výšce vlákenného útvaru h, tloušťce vlákenného útvaru t, parametru relativní permitivity s_r,_v vlákenného útvaru a na vzdálenosti di, d? vodivých elektrod kondenzátoru. Jednotlivé parametry deskového kondenzátoru jsou zobrazeny na Obr. 1. Velikost kapacity každého z obou deskových kondenzátorů jsou odeslány přes výpočetní obvody do vyhodnocovacího obvodu pro určení geometrických parametrů textilního vlákenného materiálu.

-2 CZ 2019 - 486 A3

Deskové kondenzátory jsou uloženy za sebou, kdy textilní vlákenný útvar ve formě pásku prochází nejprve dielektrikem v prvním deskovém kondenzátoru a následně dielektrikem v druhém deskovém kondenzátoru. V jedné výhodné variantě provedení mají elektrody prvního a druhého deskového kondenzátoru stejnou velikost, přičemž vzdálenost di elektrod prvního deskového kondenzátoru je jiná než vzdálenost d2 elektrod druhého deskového kondenzátoru. Aby byla relativní měřená změna kapacity co největší, kvůli chybě měření, musí být kapacita deskového kondenzátoru, a tím i jeho rozměry elektrod deskových kondenzátorů co nejmenší, ale tak velká, aby bylo kapacitu možno měřit. Hodnota kapacit je řádově v pikofaradech se změnami řádově v desítkách femtofaradů. Pro kalibraci deskových kondenzátorů je pak alespoň jedna elektroda každého deskového kondenzátoru uložena posuvně vratně směrem k druhé elektrodě, a to buď manuálně, nebo strojově. V alternativní méně výhodné variantě mají elektrody prvního deskového kondenzátoru různou velikost než elektrody druhého deskového kondenzátoru.

Pro měření hodnoty relativní permeability textilního vlákenného útvaru íy_v je v jedné variantě kapacitní senzor opatřen třetím kondenzátorem, jehož elektrody jsou otočeny o 90° vůči podélné ose nepootočeného textilního vlákenného útvaru.

Ve variantě sestavené podle blokového schéma na obr. 1 je výstup každého deskového kondenzátoru přiveden na vstup RC obvodu, jímž je naměřená hodnota kapacity C převedena na impuls šířky tím, který je přímo úměrný naměřené kapacitě C. Pro měření změny kapacity AC obsahuje kapacitní senzor kompenzační generátor, který vytváří impulsy šířky ok odpovídající šířce impulsů generovaných deskovým kondenzátorem bez textilního vlákenného útvaru. Výstupy RC obvodu a kompenzačního generátoru jsou přivedeny na vstup rozdílového obvodu, kde je z impulsů vytvářených deskovým kondenzátorem a kompenzačním generátorem získán časový rozdíl impulsů šířky Δτ>, který lze známým způsobem převést na změnu kapacity AC. V alternativní variantě je deskový kondenzátor zapojen do rezonančního obvodu s indukčností a je měřen rezonanční kmitočet.

Výstup rozdílového obvodu je přiveden na vstup čítače, který čítá počet impulsů T pomocného oscilátoru během časového rozdílu impulsů šířky Δό a převádí tento interval na počet impulsů p.

Pro přesnější výpočet rozměrových parametrů vlákenného materiálu je nutno provést kalibraci každého deskového kondenzátoru a výsledky kalibrace jsou zahrnuty do výpočtu rozměrových parametrů textilního vlákenného útvaru. Pro kalibraci kapacitního senzoru jsou elektrody deskového kondenzátoru přesunuty na vhodnou vzájemnou kalibrační vzdálenost do a kompenzační generátor je nastaven tak, aby časový rozdíl impulsů šířky Au byl nula, čímž je nastaven počet impulsů p také nula. Následně se elektrody deskového kondenzátoru přesunou do měřící vzdálenosti d, změří se počet impulzů po a impuls šířky hk generovaný kompenzačním generátorem se nastaví tak, aby ukazatel impulsů p indikoval opět nulu. Kalibrační vzdálenost do a počet impulzů po se posléze vloží do kalibrace vyhodnocovacích obvodů, kde se vytvoří kalibrační konstanty ki a k2.

Měření geometrických parametrů textilního vlákenného útvaru procházejícího přes první deskový kondenzátor do druhého deskového kondenzátoru probíhá následujícím způsobem.

V prvním deskovém kondenzátoru se naměří kapacita Cm,i mezi jeho elektrodami s uloženým textilním vlákenným útvarem. K prvnímu deskovému kondenzátoru připojený první RC obvod převede naměřenou kapacitu Cm,i prvního deskového kondenzátoru s textilním vlákenným útvarem na impuls šířky w,;. První kompenzační generátor vytváří impuls šířky τ>χ7 odpovídající šířce impulsu generovaného prvním RC obvodem prvního deskového kondenzátoru bez textilního vlákenného útvaru. Rozdíl mezi impulsem šířky hm,i prvního deskového kondenzátoru a impulsem šířky kompenzačního generátoru udává časový rozdíl impulsů šířky /ÍO/. První čítač počítá počet impulzů pi spřaženého pomocného oscilátoru generujícího vysokorychlostní impulsy šířky T za interval odpovídající časovému rozdílu impulsů šířky /ÍO/.

-3CZ 2019 - 486 A3

Ve druhém deskovém kondenzátoru s uloženým textilním vlákenným útvarem se naměří kapacita Cm,2, přičemž vzdálenost d2 elektrod druhého deskového kondenzátoru je jiná než vzdálenost di elektrod prvního deskového kondenzátoru. K druhému deskovému kondenzátoru připojený druhý RC obvod převede naměřenou kapacitu Cm,2 druhého deskového kondenzátoru na impuls šířky ύ,μ.2 a druhým kompenzačním generátorem je vytvořen impuls šířky τ,κ.2 odpovídající šířce impulsu generovaného druhým RC obvodem druhého deskového kondenzátoru bez textilního vlákenného útvaru. Rozdíl mezi impulsem šířky ύ,μ.2 druhého deskového kondenzátoru a impulsem šířky hk,2 kompenzačního generátoru udává časový rozdíl impulsů šířky /Itm. Druhý čítač počítá počet impulzů P2 spřaženého pomocného oscilátoru generujícího vysokorychlostní impulsy šířky T za interval odpovídající časovému rozdílu impulsů šířky Αύ,2.

Informace o vzdálenostechdi, d2elektrod deskovýchkondenzátorů, délce li, Ca šířce si, S2elektrod deskových kondenzátorů, počtu impulzůpi,p2 zachycených čítači a velikosti kalibračních konstant ki, k2 pro každý deskový kondenzátor jsou odeslány do vyhodnocovací jednotky pro výpočet výšky h textilního vlákenného útvaru a součinu a. t, který je úměrný tloušťce textilního vlákenného útvaru. Pro výpočet tloušťky t textilního vlákenného útvaru je nutné znát ještě parametr a, který je závislý na relativní permitivitě s_r,_v textilního vlákenného útvaru.

Při výpočtu tloušťky t textilního vlákenného útvaru, pokud není použit třetí kondenzátor, je třeba znát hodnotu relativní permitivity s_r,_vtextilního vlákenného útvaru.

-4CZ 2019 - 486 A3

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Způsob měření příčných geometrických parametrů textilních vlákenných útvarů tvaru plochého pásku kapacitním senzorem, u něhož textilní vlákenný útvar prochází měřicí štěrbinou v deskovém kondenzátoru, vyznačující se tím, že textilní vlákenný útvar prochází měřící štěrbinou prvního deskového kondenzátoru a následně měřící štěrbinou druhého deskového kondenzátoru, přičemž v každém deskovém kondenzátoru je měřena kapacita, která je pomocí RC obvodu převedena na impuls šířky w a porovnána s nastavitelným impulsem šířky hk generovaným kompenzačním generátorem, která odpovídá šířce impulsu generovaného deskovým kondenzátorem bez textilního vlákenného útvaru, a za časový rozdíl impulsů šířky Au mezi impulsem RC obvodu a impulsem kompenzačního generátoru je čítačem čítajícím impulzy z pomocného oscilátoru převeden na počet impulsů p a informace o počtu impulsů pi, p2 každého z obou čítačů jsou odeslány do vyhodnocovacího obvodu pro výpočet geometrických parametrů textilního vlákenného útvaru.
2. Kapacitní senzor pro měření příčných geometrických parametrů textilních vlákenných útvarů tvaru plochého pásku obsahující deskový kondenzátor, v němž je vytvořena měřicí štěrbina pro průchod textilního vlákenného útvaru, vyznačující se tím, že za prvním deskovým kondenzátorem je ve směru pohybu textilního vlákenného útvaru uspořádán druhý deskový kondenzátor, jehož měřicí štěrbina navazuje na měřicí štěrbinu prvního kondenzátoru, přičemž kondenzátory mají rozdílnou kapacitu a každému z nich jsou přiřazeny výpočetní obvody, jejichž výstupy jsou přivedeny do společného vyhodnocovacího obvodu.
3. Kapacitní kondenzátor podle nároku 2, vyznačující se tím, že první a druhý kondenzátor mají rozdílnou vzdálenost elektrod.
4. Kapacitní senzor podle nároku 2 nebo 3, vyznačující se tím, že výstup každého deskového kondenzátoru je přes RC obvod přiveden na vstup příslušného rozdílového obvodu, na jehož druhý vstup je připojen výstup příslušného kompenzačního generátoru, přičemž výstup rozdílového obvodu je přiveden do příslušného čítače, na jehož druhý vstup je připojen výstup pomocného oscilátoru, přičemž výstupy čítačů jsou přivedeny na vstup společného vyhodnocovacího obvodu.
5. Kapacitní senzor podle kteréhokoli z nároků 2 až 4, vyznačující se tím, že alespoň jedna deska každého deskového kondenzátoru je uložena posuvně vratně ke druhé z desek.
6. Kapacitní senzor podle kteréhokoli z nároků 2 až 5, vyznačující se tím, že obsahuje třetí kondenzátor, který je uložený otočený o 90 ° vůči podélné ose vlákenného materiálu.

1 výkres