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Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung elektrischer
Eigenschaften leitfähiger
Garne.
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Stand der Technik
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Aus
dem Stand der Technik ist eine Vielzahl elektrisch leitfähiger Garne
bekannt. So werden z. B. zur Ableitung elektrostatischer Aufladung
seit langem Metalldrähte
oder Drahtgeflechte bzw. metallisierte Garne direkt in Gewebe eingearbeitet.
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Die
EP 250 260 A1 beschreibt
ein Garn, bei dem ein textiler Faden von einem parallel geführten Draht
umwunden vorliegt. In dieser Anordnung sorgt der zentrale textile
Faden für
Reißfestigkeit,
während der
parallel laufende dünne
Draht die elektrische Leitfähigkeit
des Garns bewirkt. Auch von den Schriften
US 4 776 160 ,
US 5 881 547 und
US 5 927 060 werden Garne beschrieben,
bei denen elektrisch leitfähige
Fäden um
zentral angeordnete textile Fäden
gewunden werden.
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Ferner
sind so genannte Stapelgarne bekannt, zu deren Herstellung kurze
textile Fasern zusammen mit kurzen und sehr feinen Metallfasern
zu einem Garn gesponnen werden. Je nach Metallgehalt besitzen diese
Stapelgarne gute bis sehr gute elektrische Leitfähigkeit.
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Daneben
sind Garne bekannt, bei denen zentral geführte Metalldrähte einfach
oder doppelt textil umwunden vorliegen. Derartige Garne weisen zwar
eine gute elektrische Leitfähigkeit
auf, sind aber verhältnismäßig steif
und deshalb für
textile Anwendungen unbrauchbar.
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Schließlich sind
aus der
EP 1 537 264
B1 elektrisch leitfähige
Garne bekannt, die aus einem elastischen Kernfaden, einen, um den
Kernfaden gewundenen elektrisch leitfähigen Faden und einen, um den
Kernfaden gewundenen Umwindefaden bestehen.
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Für alle genannten
Arten elektrisch leitfähiger
Garne, aber insbesondere für
die aus der
EP 1 537
264 B1 bekannten elastischen Garne mit hervorragenden textilen
Eigenschaften ist ein Einsatz als Sensoren denkbar. Die einer solchen
Verwendung zu Grunde liegende Idee besteht darin, dass eine Änderungen äußerer Parameter
wie Feuchtigkeitsgehalt der umgebenden Atmosphäre, Zugbeanspruchung, Druck
oder Temperatur eine Änderung
der elektrischen Eigenschaften des jeweiligen Garns zur Folge hat.
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Vorraussetzung
für den
Einsatz der elektrisch leitfähigen
Garne als Sensoren mit befriedigender Sensitivität ist aber ein Detektionsverfahren,
mit dessen Hilfe die auf eine Änderung äußerer Parameter
zurückzuführenden Änderungen
der elektrischen Eigenschaften der Garne detektiert werden können.
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Darstellung der Erfindung
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Hier
setzt die Erfindung an. Der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet
ist, liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Detektion elektrischer
Eigenschaften leitfähiger
Garne bereitzustellen, durch das Änderungen der elektrischen
Eigenschaften der Garne mit genügender
zeitlicher Auflösung
und ausreichender Sensitivität
bestimmt werden können.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das
Verfahren gemäß Anspruch
1 und die Vorrichtung gemäß Anspruch
14 gelöst.
Weitere vorteilhafte Details, Aspekte und Ausgestaltungen der vorliegenden
Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der
Beschreibung, den Beispielen und den Abbildungen.
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Die
vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zur Messung elektrischer
Eigenschaften leitfähiger
Garne zur Verfügung.
Das Verfahren umfasst die Schritte Bereitstellen eines elektrischen
Stromkreises, wobei ein elektrisch leitfähiges Garn Bestandteil des
elektrischen Stromkreises ist, Senden eines elektrischen Signals
in das leitfähige
Garn, Empfang eines Antwortsignals auf das gesendete elektrische Signal
nach Durchlaufen des Garns, Wiederholen der Schritte "Senden eines elektrischen
Signals" und "Empfang eines Antwortsignals" bis eine erste im Wesentlichen
konstante Phasendifferenz zwischen gesendetem Signal und Antwortsignal
detektiert wird, Änderung
zumindest eines äußeren Parameters, dem
das elektrisch leitfähige
Garn ausgesetzt ist, Wiederholen der Schritte "Senden eines elektrischen Signals" und "Empfang eines Antwortsignals" bis eine zweite,
im Wesentlichen konstante Phasendifferenz zwischen gesendetem Signal
und Antwortsignal detektiert wird.
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Vereinfacht
ausgedrückt
wird ein elektrisches Signal in ein Garn geschickt und nach Durchlaufen
des Garns das elektrische Signal als "Antwortsignal" detektiert. Zwischen dem Senden des
elektrischen Signals und dem Empfang des Antwortsignals vergeht
ein bestimmter Zeitraum. Dieser Zeitraum entspricht der Laufzeit
des Signals durch das Garn und den restlichen Stromkreis und hängt von
den äußeren Parametern
ab, denen das Garn ausgesetzt ist. Die Bestimmung der Laufzeit erfolgt über eine
Bestimmung der Phasendifferenz zwischen dem gesendeten Signal und
dem Antwortsignal.
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Die äußeren Parameter
bzw. eine Änderung dieser
Parameter stellen die eigentlichen Größen dar, die durch das erfindungsgemäße Verfahren
bestimmt werden sollen. Nach der Änderung der äußeren Parameter
vergeht ein zweiter, veränderter
Zeitraum zwischen dem Senden des elektrischen Signals und dem Empfang
des Antwortsignals, wodurch sich eine veränderte Phasendifferenz zwischen
dem gesendeten Signal und dem Antwortsignal einstellt.
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Wird
also ein bestimmtes Garn mit einer bestimmten Länge in den Stromkreis eingebracht,
so wird bei einem bestimmten, festen Satz äußerer Parameter, eine ganz
bestimmte, für
diesen Zustand charakteristische Phasendifferenz gemessen. Aus der
Phasendifferenz und der Wiederholrate, mit der ein Signal in den Stromkreis
geschickt wird, kann die Laufzeit des Signals durch den Stromkreis
mit Garn berechnet werden. Aus dieser bei konstanten Bedingungen
konstanten Laufzeit kann unter Berücksichtigung der internen Verzögerung durch
Bildung des reziproken Wertes eine für einen bestimmten Satz äußerer Parameter
charakteristische Frequenz berechnet werden, welche der Frequenz
entspricht, mit der das Signal in den Stromkreis geschickt wird.
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Das
Grundprinzip des erfindungsgemäßen Verfahrens
besteht somit darin, eine Änderung äußerer Parameter,
die eine Änderung
der elektrischen Eigenschaften eines leitfähigen Garns bewirkt, als eine Änderung
der Laufzeit zu bestimmen, mit der ein elektrisches Signal durch
den Stromkreis mit dem Garn gesendet wird.
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Als
Beispiele für „elektrische
Eigenschaften" des
Garns sind Leitfähigkeit,
Induktivität,
Kapazität und
Dielektrizität
zu nennen.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung wird das Senden eines elektrischen Signals
durch den Empfang des Antwortsignals auf das vorherige elektrische
Signal getriggert.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
erfolgt das Senden eines elektrischen Signals gleichzeitig mit dem
Empfang des Antwortsignals auf das vorherige elektrische Signal.
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Bevorzugt
handelt es sich bei den gesendeten elektrischen Signalen um amplitudenmodulierte elektrische
Signale.
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Die
Modulationsfrequenz wird bevorzugt über eine Regelschleife mittels
eines Voltage-Controlled-Oscillators kontinuierlich so geregelt,
dass zwischen dem ausgesandten und dem Antwortsignal eine feste
Phasendifferenz herrscht.
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Besonders
bevorzugt erfolgt die Detektion der Phasendifferenz mittels eines
Phasenkomparators, wobei der Phasenkomparator vergleicht, ob die gemessene
Phase größer oder
kleiner als eine, vorzugsweise vorgebbare, Soll-Phasendifferenz
ist.
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Gemäß einer
besonders bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren zur Messung elektrischer
Eigenschaften leitfähiger
Garne daher die Schritte Senden eines amplitudenmodulierten elektrischen
Signals in das leitfähige
Garn, Empfang eines Antwortsignals auf das gesendete Signal nach
Durchlaufen des Garns, wobei die Modulationsfrequenz über eine
Regelschleife mittels eines Voltage-Controlled-Oscillators kontinuierlich
so geregelt wird, dass zwischen dem ausgesandten und dem Antwortsignal
eine feste Phasendifferenz herrscht, und Detektion der Phasendifferenz
mittels eines Phasenkomparators, wobei der Phasenkomparator vergleicht,
ob die gemessene Phase größer oder
kleiner als eine, vorzugsweise vorgebbare, Soll-Phasendifferenz
ist.
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Der
Phasenkomparator vergleicht lediglich, ob die aktuell vorliegende
Phasendifferenz zu groß oder
zu klein ist. Der Phasenkomparator gibt ein entsprechendes Signal
aus, womit über
die Regelschleife die Modulationsfrequenz des amplitudenmodulierten
Signals erhöht
oder verringert wird.
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Der
Phasenkomparator weist eine hohe Phasenauflösung in einem Intervall um
die gewünschte Phase
bzw. um eine Soll-Phasendifferenz herum auf. Die Phasenlagen außerhalb
dieses Intervalls müssen
nicht mit hoher Genauigkeit detektiert werden. Das Intervall braucht
sich nur über
einen kleinen Bereich um die gewünschte
Phase herum erstrecken. Vorzugsweise können für einen für verschiedene Applikationen
einsetzbaren Phasenkomparator die Intervallgrenzen variabel eingestellt
werden. Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen
wird einerseits die Messgenauigkeit verglichen zu herkömmlichen
Phasenmessverfahren deutlich erhöht
und andererseits der Schaltungsaufwand erheblich reduziert.
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Ganz
allgemein vergleicht der Phasenkomparator, ob die gemessene Phase
größer oder
kleiner als eine Soll-Phasendifferenz ist. Hierbei ist die Soll-Phasendifferenz
vorzugsweise vorgebbar. Letztendlich wird hierdurch sichergestellt,
dass die Soll-Phasendifferenz
auf die jeweilige Anwendung der jeweiligen Messung der elektrischen
Eigenschaften des Garns flexibel einstellbar ist. Entsprechende Eingabevorkehrungen
sind zur Variation der Soll-Phasendifferenz bei der Schaltung vorgesehen.
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Vorzugsweise
gibt der Phasenkomparator sein Messergebnis in Form einer digitalen
Information aus. Dabei ist in die digitale Information kodiert ob die
aktuell detektierte Phasendifferenz größer oder kleiner als die Soll-Phasendifferenz
ist. Wie groß die jeweilige
Abweichung von der Soll-Phasendifferenz tatsächlich ist, spielt hierbei
zunächst
keine Rolle.
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Aufgrund
der Ausgabe des Phasenkomparators "aktuell detektierte Phasendifferenz
ist kleiner oder größer als
die Soll-Phasendifferenz" kann
die Regelschleife als eine Zweipunktregelung realisiert werden.
Dabei wird die Modulationsfrequenz kontinuierlich verändert. Der
Betrag der Veränderungsrate ist
konstant. Das Vorzeichen kann je nach Ausgabe des Phasenkomparators
negativ oder positiv sein. Mit anderen Worten wird die Modulationsfrequenz entweder
kontinuierlich vergrößert oder
verkleinert. Nach jeder Messwertausgabe des Phasenkomparators ist
eine Regelung möglich
und grundsätzlich
vorgesehen.
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Vorzugsweise
wird die Modulationsfrequenz mit konstanter Rate vergrößert oder
verkleinert, wobei die Rate je nach Messaufgabe einstellbar sein kann.
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Falls
die zeitliche Abfolge der Stellsignale der Zweipunktregelung kürzer als
die Einstellzeit des die Modulationsfrequenz bereitstellenden Modulationsfrequenzgenerators
ist, kann die durch die größere Einstellzeit
bedingte Trägheit
des Modulationsfrequenzgenerators zur Regelung ausgenützt werden. Hierbei
wird die aktuell eingestellte Modulationsfrequenz in einem kleinen
Frequenzbereich um den einzustellenden Sollwert der Modulationsfrequenz schwanken,
insbesondere dann, wenn der Detektionszyklus des Phasenkomparators
hierauf angepasst bzw. hierzu abgestimmt wird.
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Aufgrund
der Ausgabe des Phasenkomparators wird die Steuerspannung am Modulationsfrequenzgenerator
entweder erhöht
oder verringert, die Steuerspannung bleibt also nicht konstant.
Selbst wenn aufgrund der Zweipunktregelung die Modulationsfrequenz
um den Sollwert schwankt und letztendlich nicht exakt allein mit
Hilfe des Phasenkomparators einstellbar ist, kann dennoch der Sollwert
entsprechend eingestellt werden, und zwar nach Mittelung der Schwankung
der von dem Modulationsfrequenzgenerator bereitgestellten Modulationsfrequenzen über eine
vorgebbare Messzeit. Hierdurch wird in besonders vorteilhafter Weise
die Empfindlichkeit der Regelung in der Nähe des Sollwerts der Phasendifferenz
gegenüber
einer kontinuierlichen Phasenmessung drastisch erhöht.
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Zu
Beginn des Messvorgangs wird die Modulationsfrequenz ausgehend von
einem vorgebbaren Anfangswert so lange variiert, bis der Phasenkomparator
das Erreichen einer gewünschten,
gegebenenfalls ebenfalls vorgebbaren, Phasendifferenz detektiert.
Der vorgebbare Anfangswert könnte
beispielsweise auf eine Modulationsfrequenz festgelegt werden, die
kleiner als die erwartete Modulationsfrequenz ist, die der gewünschten
Phasendifferenz bzw. Soll-Phasendifferenz
entspricht. In diesem Fall wäre die
Anfangsmodulationsfrequenz zu erhöhen, und zwar bis der Phasenkomparator
das Erreichen der gewünschten
Phasendifferenz detektiert. Hierbei kann es erforderlich sein, dass
der vorgebbare Anfangswert ungefähr
auf den Wert eingestellt wird, der den erwarteten bzw. zu messenden
elektrischen Eigenschaften des Garns entspricht.
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Als
Modulationssignal dient ganz allgemein ein periodisches Signal,
also beispielsweise ein sinusförmiges
Signal. In ganz besonders bevorzugter Weise dient als Modulationssignal
ein Pulsfolgesignal. Hierbei könnte
die jeweilige Pulsdauer der jeweiligen Dauer zwischen zwei aufeinanderfolgende
Pulse entsprechen oder das Pulsfolgesignal könnte sich aus kurzen Pulsen
zusammensetzen. Im letzteren Fall ist die Pulsdauer kürzer als
die Dauer zwischen zwei aufeinanderfolgenden Pulsen.
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Durch
ein Pulsfolgesignal können
in besonders vorteilhafter Weise sehr schnelle Signalanstiegszeiten
erzielt werden, wodurch die Genauigkeit der Phasendetektion im interessierenden
Bereich weiter erhöht
wird. Es sind damit Bandbreiten erreichbar, die bei den aus dem
Stand der Technik bekannten Phasenmessverfahren wegen den diesen Verfahren
inhärenten
Mehrdeutigkeiten nicht erreichbar sind.
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Eventuelle
Amplitudenschwankungen der Pulse können in Fällen, in denen die Amplitudenschwankung
nicht durch Variation der Messgröße bewirkt
werden kann, mit einem Diskriminator, in bevorzugter Weise mit einem
Delayed Symmetry Discriminator, elektronisch kompensiert werden,
wodurch Detektionsartefakte minimiert werden können.
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Im
Konkreten erfolgt die Regelung der Modulationsfrequenz mit Hilfe
der Regelschleife derart, dass die Phasendifferenz zwischen einem
empfangenen Puls und einem der nächsten
auszusendenden Pulse konstant geregelt wird.
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Die
Laufzeit t des elektrischen Signals durch den Schwingkreis mit Garn
errechnet sich dann als ganzzahliges Vielfaches der Periodendauer
dt des ausgesandten Signals gemäß der Formel t = n·dt
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Die
ganze Zahl n kann dabei Werte zwischen 1 und großen Zahlen annehmen, d. h.
die Phasendifferenz ist immer größer als
360 Grad. Hierbei ist noch ein fester, durch eine Kalibrierung zu
bestimmender Offset zu berücksichtigen,
der der Einfachheit halber in der obigen Formel nicht berücksichtigt
ist. Falls die ganze Zahl n den Wert 1 annimmt, gibt es keine Mehrdeutigkeit
der Messung. In diesem Fall wird die Phasendifferenz zwischen einem
empfangenen Puls und dem nächsten
auszusendenden Puls konstant geregelt. Falls die ganze Zahl n größer als
1 ist, könnten
im Fall schneller Messzeiten Mehrdeutigkeiten durch relativ ungenaue
Vormessungen ausgeräumt werden.
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Grundsätzlich wird
die Phasendifferenz von der Schaltung vorgegeben.
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Durch
die Messung der Modulationsfrequenz, aus der sich die Periodendauer
ergibt, werden die Änderungen
der elektrischen Eigenschaften des Garns mitverfolgt. Es handelt
sich hierbei um eine direkte Frequenzmessung, wobei mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
eine sehr schnelle Mittelung über
extrem viele Impulslaufzeitmessungen durchgeführt werden kann. Die Zeit für eine Einzelmessung muss
in vorteilhafter Weise nicht länger
als die Signallaufzeit durch den Schwingkreis sein. Somit sind die
Messzeiten zur Erreichung einer hohen Messgenauigkeit um Größenordnungen
kürzer
als bei reinem Impulslaufzeitmessverfahren mit nachträglicher Mittelung über Einzelmessungen.
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Die
vorliegende Erfindung umfasst auch eine Vorrichtung zur Messung
elektrischer Eigenschaften leitfähiger
Garne. Die Vorrichtung besteht aus einem elektrischen Stromkreis,
wobei zumindest ein elektrisch leitfähiges Garn Bestandteil des
elektrischen Stromkreises ist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist vorzugsweise
zur Durchführung
der oben beschriebenen Verfahren vorgesehen.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform wird
das elektrisch leitfähige
Garn als eine Induktivität
des Stromkreises verwendet. Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
wird das elektrisch leitfähige
Garn als eine Kapazität
des Stromkreises verwendet.
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Bevorzugt
ist auch eine Ausführungsform gemäß der ein
Detektor Bestandteil des Stromkreises ist, der das Antwortsignal
nach Durchlaufen des Garns detektiert, wobei es sich bei dem Detektor
um ein Oszilloskop, einen Spektrumanalysator, einen Frequenzmesser
oder ein anderes geeignetes elektrisches Messgerät handelt.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
handelt es sich bei dem Stromkreis um einen elektrischen Schwingkreis.
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Wie
bereits erwähnt
umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung
zumindest ein elektrisch leitfähiges
Garn. Grundsätzlich
können
die Änderungen
der elektrischen Eigenschaften beliebiger elektrisch leitfähiger Garne
mitverfolgt werden. In besonders vorteilhafter Weise kann die erfindungsgemäße Vorrichtung
eingesetzt werden, wenn ein elektrisch leitfähiges Garn verwendet wird,
das aus zumindest einem elastischen Kernfaden, zumindest einen,
um den Kernfaden gewundenen elektrisch leitfähigen Faden und zumindest einen,
um den Kernfaden gewundenen Umwindefaden aufgebaut ist.
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Der
Kernfaden kann in einer für
die jeweilige Applikation geeigneten Form eingesetzt werden. Beispielhaft
seien einige Varianten genannt: Monofil, Multifil, segmentierte
Typen und texturierte Typen. Falls erforderlich, können auch
mehrere Fäden
parallel oder verzwirnt im Kern eingesetzt werden. Es können gleichartige
oder unterschiedliche Fäden
nebeneinander verwendet werden.
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Besonders
bevorzugt besteht der Kernfaden des Garns aus einem gummielastischen
Material. Insbesondere bevorzugt besteht der gummielastische Kernfaden
aus Naturgummi, Synthesegummi, Polyester-Elastan, Polyether-Elastan,
modifiziertem Polyester und/oder nachvernetztem Thermoplast. Ganz
besonders bevorzugt besteht der gummielastische Kernfaden aus Polyester-Polyurethan-Elastomer und/oder
Polyether-Polyurethan-Elastomer.
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Der
elastische Kern des Verbundgarns wird mit zumindest einer elektrisch
leitfähigen
Umwindung ausgestattet. Der elastische Kern kann mehrfach mit leitfähigen Fäden umwunden
sein. Diese leitfähigen Umwicklungen
können
auch in verschiedenen Wickelrichtungen aufgebracht sein und gegebenenfalls durch
Zwischenschichten voneinander getrennt sein.
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Als
leitfähige
Fäden eignen
sich besonders metallische Drähte,
Drahtzwirne oder – geflechte,
leitend beschichtete Synthesefasern, Stapelgarne mit Metallanteil,
Garne aus leitfähigen
Polymeren und leitfähig
gefüllte
Synthesefasern. Die leitfähigen
Fäden können einfach
oder mehrfach, sortenrein oder gemischt eingesetzt werden. Als leitfähige Fäden verwendete
monofile Metalldrähte
weisen einen Durchmesser zwischen 0,01 und 0,1 mm, bevorzugt zwischen
0,02 und 0,06 mm, besonders bevorzugt zwischen 0,03 und 0,05 mm
auf.
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Obwohl
sich prinzipiell zahlreiche Metalle und Legierungen, die zusätzlich beschichtet,
eloxiert oder gebeizt sein können,
als leitfähige
Fäden eignen,
so sind aufgrund technischer und ökonomischer Faktoren metallisch
beschichtete Synthesefasern, Kupferdrähte, silberbeschichtete Kupferdrähte, monofile
silberbeschichtete Fasern, metallische Multifilamentgarne, silberbeschichtete
Multifilamentgarne und Edelstahlfasern besonders bevorzugt. Die
Verwendung beschichteter bzw. lackierter Drahttypen verbessert die
Korrosionsbeständigkeit
und Waschbarkeit der erfindungsgemäßen Garne. Solche Garne sind
nicht nur gut waschbar, sie widerstehen vielmehr sogar einer chemischen
Reinigung.
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Bevorzugt
ist der elektrisch leitfähige
Faden pro Meter Garn mindestens 1000-mal, besonders bevorzugt mindestens
2000-mal, insbesondere bevorzugt mindestens 3000-mal um den elastischen
Kernfaden gewickelt.
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Zusätzlich zur
elektrisch leitfähigen
Umwindung umfasst das Garn eine weitere Umwindung. Eine derartige
Umwindung kann verschiedene Funktionen übernehmen. Beispielhaft seien
genannt: Elektrische Isolierung (nach außen, nach innen oder zwischen
mehreren leitfähigen
Schichten), mechanischer Abriebschutz, Verbesserung der Verarbeitbarkeit
des Garns auf schnell laufenden Maschinen, Farbe, Glanz, Optik,
Griff, Haptik, Überdehnschutz, Reißfestigkeit,
Ausgleich der inneren Torsionsspannung des Garns nach Umwindung
in einer Richtung. Es soll darauf hingewiesen werden, dass dieser
weitere Umwindefaden in der Regel nicht elektrisch leitfähig sein
wird. Von der vorliegenden Erfindung sind aber auch Umwindefäden umfasst,
die eine elektrische Leitfähigkeit
beliebiger Stärke
aufweisen.
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Gemäß weiteren
bevorzugten Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung ist der Umwindefaden pro Meter Garn mindestens
1000-mal, besonders bevorzugt mindestens 2000-mal, insbesondere bevorzugt
mindestens 3000-mal um den elastischen Kernfaden gewickelt.
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Zur
Vermeidung von Torsionsspannungen, die in dem Garn auftreten könnten, sind
der elektrisch leitfähige
Faden und der Umwindefaden gegensinnig um den elastischen Kernfaden
gewickelt.
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Für zahlreiche
Applikationen eignet sich ein Garnaufbau mit innen liegendem elastischen
Kern, innerer Umwindung mit leitfähigem Faden und in Gegenrichtung
dazu ausgeführter
textiler äußerer Umwindung.
Die äußere Umwindung
ist so beschaffen, dass sie im Fall einer starken Dehnung vor der
innen liegenden leitfähigen
Umwindung vollständig
gespannt wird. So bremst die äußere Umwindung
eine Dehnung ab, bevor die leitfähige
Umwindung Schaden nimmt.
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Abhängig von
der Applikation können
sich für die
beschriebene weitere Umwindung alle möglichen Fäden eignen. Stellvertretend
für die
möglichen
Materialien seien beispielhaft genannt: Nylon, Polyester, Viskose,
Polyamid, Leinen, Wolle, Seide, Baumwolle, Polypropylen, Kevlar
in den verschiedenen Ausführungsformen,
Mischgarne aller Art sowie metallisierte Garne wie z. B. silberbeschichtetes
Nylon.
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Aufgrund
der durch das erfindungsgemäße Verfahren
nunmehr möglichen
Detektion von Änderungen
der elektrischen Eigenschaften leitfähiger Garne erscheint der Einsatz
der Garne in einer Vielzahl von Applikationen möglich. Zu nennen sind die Verwendung
als Sensormaterial, insbesondere als Feuchtesensor, als Dehnungssensor,
als Drucksensor (z. B. in der Sicherheitstechnik oder beim Tauchen)
oder als Temperatursensor (z. B. als Betteinlage für Neugeborene).
Die Schrittfrequenz einer Person kann über aus einem leitfähigen Garn
gefertigte Einlegesohlen bestimmt werden. Aufgrund der Druckempfindlichkeit
sind elektrische Klavier- bzw. Perkussionstastaturen denkbar. Ebenfalls über die Druckabhängigkeit
kann die Belegung von Autositzen bestimmt werden. Zusammen mit der
bereits bekannten Verwendung elektrisch leitfähiger Garne als Sitzheizung
ergibt sich hier ein besonders effektives Einsatzgebiet. Bei einer
Verwendung als Betteinlage erhält
man einen empfindlichen Ortsensor, durch den beispielsweise das
Wundliegen von Patienten (Dekubitus) verhindert werden kann.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die
Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang
mit den Zeichnungen näher
erläutert
werden. Es wird ausdrücklich
darauf hingewiesen, dass die Erfindung nicht auf die angegebenen
Beispiele beschränkt
sein soll.
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Die 1 zeigt
eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Messung der elektrischen Eigenschaften eines leitfähigen Garns.
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Die 2a zeigt
das nach Durchlaufen des Garns erhaltene Antwortsignal und 2b die
Fourier-transformierte dieses Antwortsignals.
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Wege zur Ausführung der
Erfindung
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Nachfolgend
soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden,
es wird aber ausdrücklich
darauf hingewiesen, dass die Erfindung nicht auf die angegebenen
Beispiele beschränkt
sein soll.
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Beispiel 1:
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Im
Folgenden wird eine konkrete Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Messung elektrischer Eigenschaften leitfähiger Garne beschrieben. Hierbei
wird das Modulationsfrequenzsignal mit einem VCO (Voltage-Controlled-Oscillator) erzeugt.
Das vom VCO erzeugte Modulationsfrequenzsignal wird von einem dem
VCO nachgeordneten Verstärker
verstärkt.
Mit dem so verstärkten
Modulationsfrequenzsignal wird die Spannungsquelle amplitudenmoduliert.
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Mit
dem Phasenkomparator ist die relative Phasenlage zwischen dem Modulationsfrequenzsignal
und dem Detektorausgangssignal ermittelbar. Das Ausgangssignal des
Phasenkomparators wird der Regelschleife zugeführt, mit der ein Korrektursignal
für den
Modulationsfrequenzgenerator erzeugt wird. Durch die Messung der
Modulationsfrequenz können
die Änderungen
der elektrischen Eigenschaften des Garns mitverfolgt werden.
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Wie
in 1 schematisch dargestellt sendet die Vorrichtung
zur Messung der elektrischen Eigenschaften eines leitfähigen Garns
durch den Sender 1 ein amplitudenmoduliertes elektrisches
Signal 2 aus. Das nach Durchlaufen des Garns 3 erhaltene
Antwortsignal 4 detektiert der Detektor 5. Die
Modulationsfrequenz wird über
eine Regelschleife 6 kontinuierlich so geregelt wird, dass
zwischen dem ausgesandten Signal 2 und dem Antwortsignal 4 eine
feste Phasendifferenz herrscht.
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Die
Detektion der Phasendifferenz erfolgt mit einem Phasenkomparator 7,
der vergleicht, ob die gemessene Phase größer oder kleiner als eine Soll-Phasendifferenz ist.
Im Konkreten wird mit dem Phasenkomparator 7 die relative
Phasenlage zwischen dem vom Verstärker 13 verstärkten Modulationsfrequenzsignal 8 und
dem Detektorausgangssignal 9 ermittelt. Der Phasenkomparator 7 gibt
ein digitale Information 10 aus, die einer positiven oder
einer negativen Spannung entspricht. Dieses digitale Ausgangssignal 10 des
Phasenkomparators 7 wird der Regelschleife 6 zugeführt. Die
Regelschleife 6 ist als Zweipunktregelung realisiert, die
ein Korrektursignal 11 für den Modulationsfrequenzgenerator 12 erzeugt. Als
Modulationssignal dient ein periodisches Signal, das ein Pulsfolgesignal
ist und sich aus kurzen Pulsen zusammensetzt.
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Das
Modulationsfrequenzsignal 8 wird mit einem VCO 12 (Voltage-Controlled-Oscillator) erzeugt bzw.
bereitgestellt, das von dem Verstärker 13 verstärkt wird.
Mit dem verstärkten
Modulationsfrequenzsignal 8 wird die Spannungsquelle 1 amplitudenmoduliert.
Durch die Messung der Modulationsfrequenz mit Hilfe des Frequenzmessers 14 werden die Änderungen
der elektrischen Eigenschaften des elektrisch leitfähigen Garns
mitverfolgt.
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Zwischen
dem Detektor 5 und dem Phasenkomparator 7 kann
ein Diskriminator 16 angeordnet sein.
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Beispiel 2:
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Zur
Messung der Atemfrequenz eines Menschen wird ein elektrisch leitfähiges Garn
mehrfach um den Oberkörper
einer Versuchsperson gewickelt. Durch die Atmung der Versuchsperson
dehnt sich der Brustkorb leicht aus, was bei dem um den Oberkörper gewickelten
Garn eine Zugbeanspruchung hervorruft. Bei dem sich ändernden äußeren Parameter handelt
es sich also um die Zugbeanspruchung des Garns, die ein Maß für die Atemfrequenz
der Versuchsperson darstellt.
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Das
verwendete elektrisch leitfähige
Kombinationsgarn besteht aus einem elastischen Kernfaden aus Lycra
163C (Hersteller: Du pont De Nemours International S. A. Fibres
Department, Du Pont Straße
1, D-61352, Bad Homburg; Produktbezeichnung: LYCRA Elastane Yarn;
Dtex/Typ: 1880 Dtex T. 136C) mit einer Stärke von 1880 dtex. Um den Kernfaden gewickelt
liegt ein 0,04 mm starker, hartversilberter Kupferdraht (Hersteller:
Elektro-Feindraht AG in CH-8182 Escholzmatt; Produktbezeichnung:
Textile Wire silver/copper mit Lacktyp TW-C) vor. Außen um den
mit Kupferdraht umwickelten Kernfaden liegt ein weiterer textiler
Faden vor, nämlich
ein Multifilament-Polyamidgarn aus PA66 mit 78 dtex und 34 Einzelfilamenten
(Hersteller: Radicifil S. p. A./Synfil GmbH, IT-24126 Bergamo; Bezeichnung RN01235_78/34/1S;
Bruchdehnung: 28%). Zur Vermeidung innerer Torsionsspannungen ist
das PA66 Garn ist gegenläufig
zum Draht um den Kern gewickelt. Das äußere PA66 Garn ist 3200-mal
pro Meter Garn um den Kern gewunden; der innere Draht ist 3600-mal
pro Meter Garn um den Kern gewunden. Der innen liegende Draht ist
annähernd
vollständig von
dem außen
liegenden PA66 Garn bedeckt, so dass das Garn über textile Optik und Haptik
verfügt. Das
Garn verfügt über eine
ausgezeichnete elektrische Leitfähigkeit.
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Die 2a zeigt
das nach Durchlaufen des Garns detektierte Antwortsignal in Abhängigkeit
von der Zeit. Aufgetragen ist die Frequenz, also das Reziproke der
Laufzeit des Signals durch den Schwingkreis mit Garn, gegen die
Messzeit. Eine Veränderung
der Frequenz bedeutet nichts anderes als dass sich die Laufzeit
des Signals durch das Garn aufgrund von den veränderten äußeren Parametern, die auf das
Garn wirken, verändert.
Beim Ein- und Ausamten der Versuchsperson wird das Garn unterschiedlich
stark gedehnt, wodurch es zu der periodischen Zu- bzw. Abnahme der
Frequenz kommt.
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Die
in 2b dargestellte Fourier-transformierte des Antwortsignals
zeigt wie von der Theorie verlangt den Peak der Trägerfrequenz,
der auf 0 Hz normiert ist, und zwei symmetrisch um den Nullpunkt angeordnete
Peaks bei den modulierten Frequenzen. Wie aus 2b zu
ersehen liegen die Peaks ungefähr
bei 1 Hz. Dies bedeutet, dass die Versuchsperson rund 60 mal pro
Minute ein- und ausgeatmet hat.
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Das
Beispiel zeigt, dass die Atemfrequenz eines Menschen bereits durch
ein 3 mal um den Oberkörper
gewickeltes Garn problemlos und eindeutig gemessen werden kann.
Da das verwendete Garn hervorragende textile Eigenschaften aufweist, eröffnet sich
die Möglichkeit,
Lebensfunktionen des Menschen wie Atemfrequenz oder Herzschlag,
mit Hilfe eines von der Person getragenen T-Shirts zu detektieren.
Die Einsatzmöglichkeiten
erscheinen unbegrenzt.