CZ30554U1

CZ30554U1 - Zařízení pro vysokorychlostní monitorování procesu výroby nanovláken elektrostatickým zvlákňováním

Info

Publication number: CZ30554U1
Application number: CZ2017-33363U
Authority: CZ
Inventors: Radim Křenek; František Jakůbek; Michal Kotek; Václav Kopecký
Original assignee: Technická univerzita v Liberci; Elmarco S.R.O.
Priority date: 2017-01-31
Filing date: 2017-01-31
Publication date: 2017-04-03
Also published as: EP3355112A1; CN208071854U

Description

Zařízení pro vysokorychlostní monitorování procesu výroby nanovláken elektrostatickým zvlákňováním

Oblast techniky

Technické řešení se týká zařízení pro vysokorychlostní monitorování procesu výroby nanovláken elektrostatickým zvlákňováním.

Dosavadní stav techniky

Pro pochopení dějů, které probíhají velice rychle na mikroskopické úrovni, se často využívá vysokorychlostní monitorování. Pracovní vzdálenosti (tj. vzdálenosti mezi čočkou objektivu a pozorovaným objektem) při běžně používané optické mikroskopii nebo makrofotografii jsou obvykle do 100 mm. Minimální bezpečná vzdálenost pro monitorování procesu výroby nanovláken elektrostatickým zvlákňováním, které probíhá pod vysokým napětím o hodnotě až 100 kV, je však několikanásobně větší. Například u laboratorního zařízení NS LAB (Ehnarco) je minimální bezpečná vzdálenost od zvlákňovací elektrody 410 mm a u nejmenšího průmyslového zařízení Nanospider™ (Elmarco) 500 mm. Díky tomu nelze standardní optickou mikroskopii ani makrofotografii pro monitorování procesu výroby nanovláken elektrostatickým zvlákňováním použít. V současné době tak neexistuje zařízení ani způsob, který by umožňoval tento proces vysokorychlostně monitorovat, resp. pořizovat jeho vysokorychlostní záznam.

Cílem technického řešení tak je návrh zařízení pro vysokorychlostní monitorování procesu výroby nanovláken elektrostatickým zvlákňováním.

Podstata technického řešení

Cíle technického řešení se dosáhne zařízením pro vysokorychlostní monitorování procesu výroby nanovláken elektrostatickým zvlákňováním, jehož podstata spočívá v tom, že toto zařízení obsahuje zdroj světla, kameru s horizontálním rozlišením alespoň 1920 pixelů a frekvencí snímkování alespoň 80 snímků za sekundu, která je opatřená makroobjektivem s ohniskovou vzdáleností alespoň 150 mm a světelností alespoň f/4. Rozlišovací schopnost kamery s makroobjektivem je alespoň 20 pm/px. Tato kamera je propojená nebo propojitelná s vyhodnocovací jednotkou. Toto uspořádání umožňuje s vysokým rozlišením a s vysokou snímací frekvencí pořizovat vysokorychlostní záznamy procesu výroby nanovláken elektrostatickým zvlákňováním pro jejich následnou vizuální nebo softwarovou analýzu.

Jako zdroj světla se s výhodou použije zdroj světla na bázi LED, jehož výhodou je, že neovlivňuje sledovaný proces vyzařovaným teplem. Vhodný je zejména plošný zdroj světla, jako např. COB LED, což je de facto skupina LED uložených na destičce, jejichž světlo je koncentrováno do úzkého světelného kužele. Intenzita vyzařovaného světla použitého COB LED osvětlení je s výhodou alespoň 50000 Ix ve vzdálenosti alespoň 500 mm.

V případě potřeby, například při použití tzv. stínové metody osvětlení, je pak zdroji světla přiřazeno stínítko z průsvitného materiálu.

Pro větší flexibilitu zařízení pro monitorování zvlákňovacího procesu je kamera a/nebo zdroj světla uložená/uložený na stojanu s možností pohybu v alespoň jedné horizontální a/nebo vertikální ose, a/nebo s možností natočení okolo alespoň jedné takové osy. .

Kamera je s výhodou průmyslová kamera s možností nastavení výšky obrazu, neboť případné snížení výšky obrazu umožňuje dále zvýšit rychlost snímání. Ve výhodné variantě se použije monochromatická kamera, která má vyšší citlivost snímače než srovnatelná barevná kamera.

Pro dosažení většího naměřeného zvětšení je možné mezi kameru a makroobjektiv vložit alespoň jeden vymezovací mezikroužek, který fyzicky zvětší vzdálenost mezi objektivem a snímačem kamery, v důsledku čehož se zvětší měřítko snímaného objektu.

_ i .

CZ 30554 UI

Vysokorychlostní záznam procesu výroby nanovláken elektrostatickým zvlákňováním se pak uldádá a/nebo vyhodnocuje a/nebo upravuje ve vyhodnocovací jednotce. Takovou jednotkou je s výhodou např. PC nebo jiné obdobné zařízení.

Objasnění výkresů

Na obr. 1 je schematicky znázorněná varianta zařízení pro monitorování procesu výroby nanovláken elektrostatickým zvlákňováním podle technického řešení uspořádaného pro monitorování procesu elektrostatického zvlákňování s využitím tzv. stínové metody osvětlení, na obr. 2 je schematicky znázorněná varianta tohoto zařízení uspořádaného pro monitorování procesu elektrostatického zvlákňování s využitím tzv. telecentrické metody osvětlení, a na obr. 3 je schematicky znázorněná varianta tohoto zařízení uspořádaného pro monitorování procesu elektrostatického zvlákňování s využitím tzv. reflexní metody osvětlení.

Příklady uskutečnění technického řešení

Zařízení pro vysokorychlostní monitorování procesu výroby nanovláken elektrostatickým zvlákňováním roztoku nebo taveniny polymeru podle technického řešení znázorněné na obr. 1 až obr. 3 obsahuje zdroj 3 světla a kameru 1 s makroobjektivem 2, která je propojená s vyhodnocovací jednotkou 6. Ve variantě provedení znázorněné na obr. 1 je zdroji 3 světla navíc přiřazené stínítko 4 z průsvitného materiálu.

Kamera 1 je s výhodou průmyslová kamera se snímačem s úhlopříčkou 1/1,2 palců (25,4/30,48 mm) a s horizontálním rozlišením alespoň 1920 px, která je opatřená centrální závěrkou. Rychlost snímání je alespoň 80 snímků za sekundu, přičemž případné snížení výšky obrazu umožňuje zvýšit rychlost snímání na více než 100 snímků za sekundu. Jako nejvhodnější se jeví monochromatická průmyslová kamera, která má vyšší citlivost snímače než srovnatelná barevná (RGB) kamera.

Makroobjektiv 2 má ohniskovou vzdálenost větší než 150 mm a světelnost alespoň f/4. V případě potřeby lze navíc mezi kameru 1 a makroobjektiv 2 vložit alespoň jeden vymezovací mezikroužek, který fyzicky zvětší vzdálenost mezi makroobjektivem 2 a snímačem kamery 1, v důsledku čehož se zvětší měřítko snímaného objektu.

Výsledná rozlišovací schopnost makroobjektivu 2 je pak dána vztahem x = D · 1000 · tg (2-1,22Λ/1000 ý ~ 2,44 A·25400/ ⁼ 25400 λ-D ~Á~' kde x je rozlišovací schopnost makroobjektivu 2 v pm, D je vzdálenost mezi makroobjektivem 2 a snímaným objektem v mm, λ je vlnová délka použitého světla v nm a A je průměr vstupní apertury makroobjektivu 2 v palcích.

Pro sledování průběhu elektrostatického zvlákňování roztoku nebo taveniny polymeru ze zvlákňovací elektrody 51 tvořené strunou (např. dle EP 2173930) je pak potřebná rozlišovací schopnost alespoň 20 pm/px, aby bylo možné identifikovat tvar struktur velikosti od 0,1 mm.

Například v případě, kdy má makroobjektiv 2 průměr vstupní apertury 1,5 až 5 palců (38,1 až 127 mm), vzdálenost makroobjektivu 2 od snímaného objektu je 500 mm a zdroj 3 světla vyzařuje světlo o střední vlnové délce λ = 560 nm, je rozlišovací schopnost makroobjektivu 2 17,9 až 5,4 pm, tedy blízko limitu požadavku na rozlišení objektu.

Z důvodu vysokého napětí uvnitř zvlákňovací komory 5 je minimální bezpečná vzdálenost od zvlákňovací elektrody 51 alespoň 500 mm u průmyslových zařízení Nanospider™ (Elmarco), případně 410 mm u laboratorních zařízení NS LAB (Elmarco). Díky tomu je jedinou efektivní možností zvýšení rozlišovací schopnosti makroobjektivu 2 zvětšení velikosti průměru jeho vstupní apertury. Pro vysokorychlostní monitorování procesu výroby nanovláken elektrostatickým zvlákňováním je rozlišovací schopnost makroobjektivu 2, který má průměr vstupní apertury v rozmezí 1,5 až 5 palců dostatečná. Při dalším zvětšování průměru vstupní apertury již neúměrně rostou náklady a celkové rozměry zařízení.

_ o _

CZ 30554 UI

Například průmyslová kamera se snímačem úhlopříčky 1/1,2 palců (25,4/30,48 mm) je v kombinaci s makroobjektivem 2 s ohniskovou vzdáleností 200 mm schopná na vzdálenost 500 mm monitorovat zorné pole horizontální délky přibližně 20 až 40 mm s rozlišovací schopností 10 až 20 μιη/ρχ.

Poměr mezi horizontální velikostí snímače kamery 1 a horizontální velikostí kamerou 1 nasnímaného objektu udává naměřené zvětšení. Např. pokud je horizontální velikost nasnímaného objektu 26,9 mm a horizontální velikost snímače kamery 1 11,3 mm, je naměřené zvětšení 0,42. V případě, kdy se mezi kameru 1 a makroobjektiv 2 vloží mezikroužek délky 68 mm, změní se horizontální velikost nasnímaného objektu na 20,2 mm, a naměřené zvětšení se zvýší na 0,56, bez zásadního vlivu na kvalitu obrazu.

Pro flexibilní uložení kamery 1, je kamera 1 s makroobjektivem 2 uložená na stojanu 21, který s výhodou umožňuje její pohyb v alespoň jedné horizontální a/nebo vertikální ose, a/nebo okolo alespoň jedné takové osy.

Jako zdroj 3 světla se s výhodou použije zdroj světla na bázi LED, které neovlivňuje monitorovaný proces vyzařovaným teplem. Jako nejvhodnější se jeví např. plošný zdroj 3 světla typu COB LED, což je skupina LED uložených na destičce, jejichž světlo je koncentrováno do úzkého světelného kuželu X a poskytuje rovnoměrné osvětlení. Intenzita vyzařovaného světla použitého COB LED osvětlení je s výhodou alespoň 50000 Ix ve vzdálenosti alespoň 500 mm.

Pro flexibilní uložení tohoto zdroje 3 světla, je tento zdroj 3 uložen na stojanu, který s výhodou umožňuje jeho pohyb v alespoň jedné horizontální a/nebo vertikální ose, a/nebo okolo alespoň jedné takové osy.

Při vysokorychlostním monitorování procesu výroby nanovláken elektrostatickým zvlákňováním snímá kamera 1 prostřednictvím makoobjektivu 2 přes průhlednou stěnu zvlákňovací komory 5 část vnitřního prostoru této komory 5, ve které probíhá elektrostatické zvlákňování - například povrch zvlákňovací elektrody 51 nebo její okolí. Tento prostor je pak z opačné strany zvlákňovací komory 5 přes průhlednou stěnu osvětlován zdrojem 3 světla.

Pro rovnoměrné osvětlení zvlákňovací komory 5, při kterém nebude docházet ke ztrátě či zkreslení informací vlivem změny jasu, je možné použít tři různé metody osvětlení.

První z nich je tzv. stínová metoda osvětlení. V tomto případě je zdroj 3 světla uspořádán na optické ose makroobjektivu 2 kamery 1. Ve stěně zvlákňovací komory 5 nebo mezi zdrojem 3 světla a průhlednou stěnou zvlákňovací komory 5 je uspořádané průsvitné stínítko 4, vyrobené např. z mléčného skla, plastu, minerálu nebo fólie. Tloušťka stínítka 4 je v závislosti na použitém materiálu 3 až 20 mm. Zdroj 3 světlaje umístěn tak, aby byl průměr světelného kuželu X na stínítku 4 v rozmezí 15 až 40 mm.

V jiné variantě (viz např. obr. 1) může být zdroj 3 světla uložený mimo optickou osu makroobjektivu 2 kamery L Přitom je mezi zdrojem 3 světla a stínítkem 4 uloženo zrcadlo 41 nebo optický hranol. Světlo ze zdroje 3 světla se pak zrcadlem 41 nebo hranolem odráží na optickou osu makroobjektivu 2 kamery 1.

Při tomto způsobu osvětlení se stínítko 4 v makroobjektivu 2 kamery 1 zobrazuje jako ideálně bílé pozadí a objekty umístěné před ním (tedy například povrch zvlákňovací elektrody 51, vytvářená nanovlákna, apod.) se zobrazují v tmavých odstínech. Toto metoda osvětlení umožňuje použít velmi krátký expoziční čas, který je vhodný pro snímkování velmi rychlých dějů. Její nevýhodu je, že dochází k rozptylu světla na hranách snímaných objektů, což vyžaduje snímaný obraz softwarově doostřit nebo vhodně vyprahovat.

Druhou variantou je tzv. telecentrická metoda. Uspořádání zařízení pro vysokorychlostní monitorování procesu výroby nanovláken elektrostatickým zvlákňováním podle technického řešení je stejné jako u předchozí metody, s tím rozdílem, že mezi zdrojem 3 telecentrického světla a stěnou zvlákňovací komory 5 není vloženo stínítko 4 (viz např. obr. 2). Telecentrické světlo v tomto případě prochází rovnoměrně zvlákňovací komorou 5 kolem snímaných objektů. Výhodou této metody je velmi ostré zobrazení obrysů objektu (např. rozhraní kapalina-vzduch). Její nevýhodou

- 3 CZ 30554 UI pak může být to, že obraz je snímán z větší hloubky a v pozadí obrazu se tak promítají nechtěné artefakty, např. poletující mikro- až nano- vlákna, čímž se následná analýza obrazu stává obtížnější.

Třetí variantou je pak tzv. reflexní metoda. V tomto případě není zdroj 3 světla uspořádán v optické ose makroobjektivu 2 kamery L Světlo ze zdroje 3 světla pak prochází zvlákňovací komorou 5 pod určitým úhlem, a při kontaktu s roztokem nebo taveninou polymeru na povrchu zvlákňovací elektrody 51 dochází k jeho lomu (viz např. obr. 3). Do makroobjektivu 2 kamery 1 a následně na její snímač pak dopadá pouze část XI tohoto světla. Při této metodě osvětlení je za snímaným objektem s výhodou uloženo matné černé pozadí 42. Nevýhodou této metody je to, že do makroobjektivu 2 kamery 1 dopadá menší množství světla, což vyžaduje použití delších expozičních časů.

Ve všech případech se pak kamerou 1 získaný záznam ukládá do vyhodnocovací jednotky 6, přičemž je možné ho před dalším zpracováním nebo využitím příslušným způsobem upravit (např. doostřit, filtrovat apod.).

Průmyslová využitelnost

Zařízení pro vysokorychlostní monitorování podle technického řešení je využitelné zejména pro monitorování procesu výroby nanovláken elektrostatickým zvlákňováním. Kromě toho je možné ho využít také pro vysokorychlostní monitorování jiných mikroskopických procesů, zejména takových, u kterých není možné umístit měřicí techniku do blízkosti měřeného objektu, např. z důvodu prostředí s vysokým elektrickým či magnetickým polem, s hořlavou či výbušnou látkou, apod.

Claims

NÁROKY NA OCHRANU

1. Zařízení pro monitorování zvlákňovacího procesu pň výrobě nanovláken elektrickým nebo elektrostatickým zvlákňováním, vyznačující se tím, že obsahuje zdroj (3) světla, kameru (1) s horizontálním rozlišením alespoň 1920pixelů a frekvencí snímkování alespoň 80 snímků za sekundu, která je opatřená makroobjektivem (2) s ohniskovou vzdáleností alespoň 150 mm a světelností alespoň f/4, propojenou nebo propojitelnou s vyhodnocovací jednotkou (6), přičemž rozlišovací schopnost kamery (1) s makroobjektivem (2) je alespoň 20 pm/l px.
2. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že zdroj (3) světla je zdroj světla na bázi LED osvětlení.
3. Zařízení podle nároku 2, vyznačující se tím, že LED osvětlení je plošné COB LED osvětlení.
4. Zařízení podle libovolného z předchozích nároků, vyznačující se tím, že zdroji (3) světlaje přiřazeno stínítko (4) z průsvitného materiálu.
5. Zařízení podle libovolného z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že zdroj (3) světla je uložený na stojanu s možností pohybu alespoň v jedné horizontální a/nebo vertikální ose, a/nebo s možností natočení okolo alespoň jedné takové osy.
6. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že kamera (1) je uložená na stojanu (21) s možností pohybu alespoň v jedné horizontální a/nebo vertikální ose, a/nebo s možností natočení okolo alespoň jedné takové osy.
7. Zařízení podle nároku 1 nebo 6, vyznačující se tím, že kamera (1) je monochromatická.

_ Λ _

CZ 30554 UI
8. Zařízení podle libovolného z nároků 1,6,7, vyznačující se tím, že mezi kamerou (1) a makroobjektivem (2) je uložen alespoň jeden vymezovací mezikroužek.
9. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že vyhodnocovací jednotka (6) je PC.