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Vorrichtung zur kapazitiven Bestimmung des Verlaufs des Gewichts pro
Längeneinheit von faden- oder bandförmigem Textilmaterial Die Erfindung betrifft
eine Vorrichtung zur kapazitiven Bestimmung des Verlaufes des Gewichtes pro Längeneinheit
von faden- oder bandförmigem Textilmaterial, welches in seiner Längsrichtung an
mindestens zwei hintereinanderliegenden Kondensatorelektroden eines Meßkondensators
vorbeibewegt wird, so daß die zwischen den Kondensatorelektroden sich ausbildenden
elektrischen Feldlinien parallel zur Faserrichtung des Prüfgutes verlaufen, wobei
der variierende Gewichtsverlauf des Prüfgutes eine entsprechende Kapazitätsänderung
des Meßkondensators bewirkt, welche in einer elektrischen Brückenschaltung in ein
dem Gewicht pro Längeneinheit proportionales elektrisches Signal umgeformt wird.
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Es sind bereits Vorrichtungen bekannt, bei denen die kapazitive Messung
des Verlaufes des Gewichtes pro Längeneinheit mit Hilfe eines Hochfrequenz-Meßkondensators
erfolgt, wobei zwei in einem bestimmten Abstand parallel zueinander angeordnete
Kondensatorelektroden verwendet werden und das zu priifende Textilmaterial durch
den Luftraum zwischen den beiden Kondensatorelektroden derart hindurchgeführt wird,
daß es sich im wesentlichen in Richtung der Aequipotentiallinien des elektrischen
Feldes, das sich zwischen den Kondensatorelektroden ausbreitet, bewegt. Das Textilmaterial
bewirkt hierbei, entsprechend seinem Gewicht pro Längeneinheit, eine mehr oder weniger
starke Verdrängung der Luft, welche eine Dielektrizitätskonstante von annähernd
1 aufweist. An Stelle der verdrängten Luft tritt das Textilmaterial selbst, und
zwar mit einer Dielektrizitätskonstante größer als 1, was eine, entsprechende Vergrößerung
der Kapazität des Meßkondensators zur Folge hat. Auf diese Weise läßt sich ein elektrisches
Signal gewinnen, welches bei zweckmäßiger Ausbildung des Meßkondensators und der
zugeordneten elektrischen Schaltung dem Gewicht pro Längeneinheit des sich momentan
zwischen den Kondensatorelektroden befindlichen Textilmaterialsunter der Annahme
idealer Bedingungen - genau proportional sein sollte. Unter der Annahme idealer
Bedingungen können nämlich Plattenkondensatoren, welche zwischen den Platten ein
textiles Prüfgut aufweisen, als Schichtkondensatoren betrachtet werden. Dabei können
die Dielektrika mit verschiedener Dielektrizitätskonstante zu einzelnen in sich
homogenen Schichten zusammengefaßt gedacht werden, welche auch dieselben Flächendimensionen
wie die Kondensatorelektroden aufweisen. In einem absolut homogenen Kondensatorfeld
ist nun die Kapazität eines solchen Schichtkondensators unabhängig davon, wo sich
das Dielektrikum mit der Dielektrizitätskonstanten
größer als 1 zwischen den Kondensatorplatten
befindet, d. h. ob es an einer der Platten anliegt oder ob es sich in der Mitte
des Raumes zwischen den Platten befindet. Es hat sich jedoch gezeigt, daß das sich
zwischen den Kondensatorplatten ausbreitende elektri sche, ursprünglich annähernd
homogene Feld durch das Einführen des Textilmaterials in den Raum zwischen'den beiden
Kondensatorelektroden verzerrt, d. h. inhomogen wird. Wird beispielsweise Textil
material in die Mitte des Raumes zwischen den Kondensatorelektroden eingeführt,
so daß zwischen den Elektroden und dem Textilmaterial beidseitig noch Luft vorhanden
ist, so ergibt sich eine bestimmte Kapazitätsveränderung. Erfolgt nun eine Verschiebung
des Textilmaterials gegen eine Elektrode hin, welche gegenüber Erdpotential Spannung
aufweist, so ergibt sich fälschlicherweise eine weitere Kapazitätsänderung, obwohl
sich das Gewicht des sich zwischen den Elektroden befindlichen Textilmaterials nicht
verändert hat. Liegt das Textilmaterial eng an einer spannungsführenden Elektrode
an, so treten nämlich vermehrt Feldlinien in das Textilmaterial ein, und zwar einerseits
innerhalb der Kondensatorelektroden aus den an das Textilmaterial angrenzenden Teilen
der Kondensatorplatten sowie auch insbesondere im Gebiet des Randfeldes des Plattenkondensators.
Somit bewirken auch bloße Lageänderungen eines zwischen den Elektroden ruhenden
Textilmaterialabschnittes
fälschlicherweise Kapazitätsänderungen.
Solche Lageänderungen lassen sich nun leider bei Messungen von Textilien nie gänzlich
vermeiden.
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Für die Messung des Gewichtes pro Längeneinheit von Endlosgarnen
wirkt sich die erwähnte Feldverzerrung und die dadurch hervorgerufene, dem Gewicht
pro Längeneinheit des Textilmaterials nicht mehr proportionale Kapazitätsänderung
besonders störend aus. Einerseits deshalb, weil die Endlosgarne eine sehr starke
Materialkonzentration aufweisen und anderseits, weil diese in vielen Fällen bändchenförmigen
Querschnitt angenommen haben, wobei sich das Endlosorgan bei der Prüfung im Meßkondensator
stets dreht. Da diese beiden Eigenschaften die unerwünschte Verzerrung des elektrischen
Feldes besonders begünstigen, übertreffen in vielen Fällen die hierdurch hervorgerufenen
unerwünschten Kapazitätsänderungen diejenigen Kapazitätsänderungen, die den wirklichen
Schwankungen des Gewichts pro Längeneinheit tatsächlich entsprechen. Für zuverlässige
Messungen von Endlosgarnen mußten daher bisher die durch Form und Lage derselben
verursachten fehlerhaften Kapazitätsänderungen durch spezielle mechanische Vorrichtungen
eliminiert werden, beispielsweise durch Verdrillung des Textilmaterials im Gebiet
des Meßkondensators mittels rotierender Organe, sowie weiter durch sehr genaue Führungsorgane.
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Aber auch bei Textilmaterial aus Stapelfasern kann unter Umständen
beobachtet werden, daß in bisher üblichen Meßkondensatoren Kapazitätsänderungen
erfolgen, welche nicht durch entsprechende Schwankungen des Gewichtes pro Längeneinheit
im Textilmaterial bedingt sind. Dies zeigt sich besonders bei Karden- und Streckenbändern,
welche einerseits relativ kleine Gewichtsschwankungen pro Längeneinheit aufweisen,
bei welchen anderseits aber innerhalb der relativ großen Materialquerschnitte eine
erhebliche Inhomogenität der Faserverteilung möglich ist. Solche Inhomogenitäten
der Faserverteilung haben starke Verzerrungen des elektrischen Feldes von Plattenkondensatoren
zur Folge, welche sich als Meßfehler sehr stark störend bemerkbar machen.
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Es sind daher auch bereits Vorrichtungen bekanntgeworden, bei welchen
das Prüfgut zwischen - m Laufrichtung derselben - hintereinanderliegenden Kondensatorelektroden
des Meßkondensators hindurchgeführt wird. Hierbei sind z.B. die einander gegenüberliegenden
Elektroden an gleichem Potential, während die aufeinanderfolgenden Elektrodenpaare
an entgegengesetzte Potentiale einer Wechselspannungsquelle angeschlossen sind.
Die Feldlinien, welche sich nun zwischen den Elektroden ausbilden, dringen dabei
im wesentlichen tangential in das Prüfgut ein, was insbesondere für die Prüfung
flächenhafter, geschichteter Materialien von Vorteil ist, weil die Orientierung
des Materials gegenüber den Elektroden stets eine eindeutige ist.
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Wenn es auch durchaus möglich und naheliegend ist, diese Vorrichtung
für die Prüfung von faden- oder bandförmigem Material zu verwenden, so stehen diesem
Vorhaben die weiter oben beschriebenen Schwierigkeiten entgegen. Bandförmiges Prüfgut
zeigt nämlich zwischen solchen einander gegenüberliegenden Elektroden einen sehr
starken Einfluß der jeweiligen Orientierung des Bandquerschnittes gegenüber den
Elektroden, so daß Anderungen dieser Orientierung sehr merklich in das Prüfungsergebuis
eingehen.
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Es wurde daher bei bekannten Vorrichtungen schon versucht, diesen
sehr störenden Einfluß von bandförmigem Materialquerschnitt dadurch zu beseitigen,
daß die in Laufrichtung des Prüfgutes hintereinander angeordneten Elektrodenpaare
um 90 Winkelgrade versetzt sind, so daß das Prüfgut von zwei zueinander senkrecht
stehenden Richtungen geprüft wird. Durch bestimmte Verbindung der Elektroden wird
als Ergebnis die Summe der in jedem Elektrodenpaar erzeugten Kapazitätsänderungen
angegeben. Solche Anordnungen haben jedoch gewisse Nachteile. Werden nämlich die
Elektrodenpaare so nahe hintereinander angeordnet, daß praktisch ein und derselbe
Fadenteil aus den beiden Richtungen gemessen wird, so beeinflussen sich auch die
Randfelder der Kondensatoren derart, daß das Meßergebnis nicht der erwarteten Summe
der Kapazitätsänderungen entspricht.
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Werden dagegen die Elektrodenpaare zur Vermeidung der Beeinflussung
der gegenseitigen Randfelder weiter entfernt angeordnet, so ist die Bedingung nicht
mehr erfüllt, daß ein und derselbe Fadenquerschnitt geprüft wird; die in jedem einzelnen
Kondensator gleichzeitig wirkende Kapazitätsänderung wird dabei nicht durch zueinander
in Beziehung stehende Teile des Prüfgutquerschnittes verursacht. Bei der Dimensionierung
einer solchen Anordnung muß also auch berücksichtigt werden, daß die Elektrodenabmessungen
und -abstände zu den Abmessungen des Prüfgutes in einem bestimmten Verhältnis stehen
sollen, um auswertbare Kapazitätsänderungen zu erhalten.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, bei einer Vorrichtung
der eingangs angegebenen Art, bei der das Prüfgut an hintereinanderliegenden Elektroden
des Meßkondensators vorbeibewegt wird, die Kondensatorelektroden so auszubilden,
daß das Prüfgut in einer Zone des elektrischen Feldes geführt wird, in der das elektrische
Feld mindestens angenähert homogen ist und das Meßergebnis nicht durch Feldverzerrungen
verfälscht werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß jede der hintereinanderliegenden
Kondensatorelektroden des Meßkondensators mit einer Einkerbung oder Bohrung zur
Aufnahme des faden- oder bandförmigen Prüfgutes versehen ist, so daß das Prüfgut
von mindestens drei Seiten einer jeden Elektrode umfaßt wird.
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Dadurch wird erreicht, daß beim Durchlauf des Prüfguts durch die
Kondensatorelektroden auftretende Anderungen der Querschnittsform des Prüfgutes,
z. B. durch Ungenauigkeiten in der Führung oder andere Einflüsse, die eine Verschiebung
des Prüfgutschwerpunktes aus der Normallage verursachen, wie Lageänderungen des
Prüfgutes gegenüber der Feld achs durch unrunden Querschnitt (Bändcheneffekt), keine
Kapazitätsänderung verursachen und das Meßergebnis nicht verfälschen können.
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Die Erfindung ist in der Zeichnung an Hand von Ausführungsbeispielen
veranschaulicht. Es zeigt F i g. 1 a die Vorrichtung mit dem erfindungsgemäßen Elektrodenpaar,
Fig. lb eine abgewandelte Ausführungsform des Elektrodenpaares, F i g. 2 eine Meßanordnung
mit zwei aufeinanderfolgenden Meßfeldern, F i g. 3 a eine Meßanordnung mit kammförmig
ausgebildeten Elektroden, F i g. 3b ein konstruktives Detail der Anordnung nach
Fig. 3a im Schnitt.
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In der Anordnung gemäß F i g. 1 a sind zwei Kondensatoren 1, 2 in
Laufrichtung des Prüfgutes 4 hintereinander angeordnet, zwischen welchen sich ein
elektrisches FeldE ausbreitet, sobald die Kondensatorelektroden an eine Wechselspannung
angelegt werden, welche beispielsweise von der Wechselspannungsquelle 5 geliefert
wird. Das zu prüfende Textilmaterial 4 wird vermittels der Führungsorgane 3, 3'
so innerhalb von Schlitzen bzw. Einkerbungen 1', 2' der Kondensatorelektroden 1,
2 geführt, daß sich das Prüfgut in einem Bereich angenähert konstanter Feldliniendichte
befindet. Die Bewegungsrichtung des Textilmaterials 4 stimmt mit der Richtung der
zwischen den Kondensatorelektroden 1, 2 verlaufenden elektrischen Feldlinien e überein.
Durch die in den Kondensatorelektroden 1, 2 vorgesehenen Schlitze 1', 2' oder Bohrungen
(Fig. lb) wird das Textilmaterial 4 von mindestens drei Seiten umfaßt und somit
in ein solches Gebiet des elektrischen Feldes E verlegt, in welchem die Feidliniendichte,
als konstant anzusehen ist. Falls das Textilmaterial 4 durch Bohrungen der Elektrodenl,
2 hindurchgezogen wird, werden die Bohrungen zweckmäßig nach einer Richtung aufgeschlitzt
(Fig. lb), so daß das Textilmaterial 4, ohne es zu trennen, in das Meßfeld eingelegt
werden kann.
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Durch das Textilmaterial 4 verursachte Veränderungen des elektrischen
Feldes, welche sich in einer scheinbaren Vergrößerung der Kondensatorplatten und
damit der Gesamtkapazität äußern, sind bei einer Anordnung nach F i g. 1 nur durch
Variationen des Substanzquerschnittes des Textilmaterials 4 möglich. Da sich das
Textilmaterial 4 immer über dem ganzen Plattenabstand b verteilt befindet, sind
die Bedingungen, unter welchen die genannte Veränderung des elektrischen Feldes
erfolgt, praktisch immer die gleichen. Dadurch sind die Meßfehler verursachenden
Kapazitätsänderungen der Meßanordnung, welche durch bloße Lage- oder Formänderungen
des Textilmaterials 4 hervorgerufen werden, weitgehend beseitigt.
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Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung besteht darin,
daß das sich an den Randzonen der Kondensatorelektrodenl, 2 ausbildende Streufeld
vom Textilmaterial 4 gar nicht tangiert wird.
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Hierdurch können weder Inhomogenitäten in der Faserverteilung innerhalb
des Substanzquerschnittes, noch ein von der Kreisform abweichender Querschnitt des
Textilmaterials 4 scheinbare, nicht durch wirkliche änderungen des Gewichts pro
Längeneinheit verursachte Kapazitätsänderungen hervorrufen. Die Gesamtkapazität
der Meßanordnung ist daher nur vom Gewicht pro Längeneinheit des Textilmaterials
4, das sich zwischen den Elektroden 1 und 2 befindet, abhängig.
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Die in der Meßanordnung gewonnenen Kapazitätsänderungen werden in
einer elektrischen Schaltung 6, beispielsweise einer Brückenschaltung, in an sich
bekannter Weise in ein dem Gewicht pro Längeneinheit des Textilmaterials 4 proportionales
elektrisches Signal umgeformt. Dieses elektrische Signal wird seinerseits in einem
Gleichrichter 7 a demoduliert, hierauf in einem Verstärker 7 b verstärkt und hernach
weiteren Anzeige- und Regelorganen, beispielsweise einem Anzeigeinstrument 8, zugeführt.
Die Reihenfolge kann auch umgekehrt sein, d. h. zuerst kann die Verstärkung der
Brückenspannung und hierauf Demodulation erfolgen.
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F i g. 2 zeigt eine elektrische Parallelschaltung von zwei in der
Bewegungsrichtung des Textilmaterials 4 hintereinanderliegenden Meßkondensatoren
gemäß F i g. 1. Sie bestehen aus den drei Elektroden 1, 2 und 11, von welchen die
Elektroden 1 und 11 elektrisch parallel geschaltet sind. Die Elektrode 2 ist beiden
Teilen der Meßanordnung gemeinsam. Die Elektroden 1 und 11 sind geerdet, wodurch
erreicht wird, daß die Elektrode 2 gegen äußere störende Einflüsse abgeschirmt wird.
Diese Vermehrung der Meßfelder gestattet, mit größeren durch das Textilmaterial
4 hervorgerufenen totalen Kapazitätsänderungen zu arbeiten als bei einem einfachen
Kondensator, wodurch die Meßgenauigkeit vergrößert wird.
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Eine Anzahl von einander gegenüberstehenden Elektroden gemäß F i
g. 2 können konstruktiv so zusammengefaßt werden, !daß kammartig ineinandergreifende
Elektrodenanordnungen entstehen, wie es F 1 g. 3 a zeigt. Einer ersten Kammelektrode
9 mit vier Platten steht eine zweite Kammelektrode 10 mit fünf Platten gegenüber,
so daß sich insgesamt acht einzelne parallelgeschaltete Meßfelder bilden, in deren
Einkerbungen bzw. Bohrungen das Textilmaterial 4 geführt wird.
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Da Textilmaterialien, insbesondere die synthetischen Endlosgarne,
alle Oberflächen stark angreifen, sobald gleitende Reibung zwischen den Textilmaterialien
und den genannten Oberflächen auftritt, ist es erforderlich, daß die der Führung
des Textilmaterials 4 dienenden Organe, das sind einerseits die Führungsorgane 3,
3' und anderseits die dem Textilmaterial 4 zunächst stehenden Flächen der Schlitze
1', 2', der Elektroden aus sehr widerstandsfähigem Werkstoff, z. B. einem Überzug
aus Hartchrom, hergestellt werden. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, die Elektroden
1, 2, 9, 10, 11 aus gesinterter keramischer Masse, welche an sich sehr hart und
widerstandsfähig ist, herzustellen. Da die wirksamen Kapazitäten zwischen den Elektroden
sehr klein sind, ist es nicht notwendig, die Elektroden aus elektrisch leitendem
Material herzustellen. Es genügt vielmehr, wenn die Elektroden selbst aus einer
an sich isolierenden keramischen Masse mit hoher relativer Dielektrizitätskonstante
bestehen. Zur Erhöhung der Leitfähigkeit können soldhe keramischen Elektroden an
den mechanisch nicht beanspruchten Stellen zudem mit einem Metallüberzug 15 (Fig.3),
beispielsweise aus Silber, versehen werden. In F 1 g. 3 b ist der Metallüberzug
15 in der Draufsicht durch Punktierung, im Schnitt durch eine den Umriß der Elektroden
umgebende Linie angedeutet.