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Die Erfindung betrifft einen photoelektrischen Wächter zur Wahrnehmung
eines in einem räumlich langgestreckten, abgegrenzten, von außen her durchleuchtbaren
Meßbereich eindringenden oder sich befindenden kleinen, insbesondere fadenförmigen
Körpers.
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Es ist ein Telephotometer mit einem photoempfindlichen Empfänger
bekannt, dessen räumlicher Beobachtungsbereich durch eine ihm vorgeschaltete Lichtfalle
in Querrichtung derart eingeengt ist, daß er mit seinem Querschnitt mit dem des
Meßbereichs des Telephotometers übereinstimmt. Das Telephotometer dient zur Bestimmung
der Lichtstärke einer entfernt liegenden Lichtquelle oder der Transmission der Atmosphäre
zwischen einer entfernt liegenden, dauernd beobachteten Lichtquelle bekannter Lichtintensität,
beispielsweise der Sonne oder des Monds, und dem Photoempfänger. An der dem Beobachtungsbereich
des photo empfindlichen Empfängers gegenüberliegenden Seite befindet sich die zu
beobachtende Lichtquelle. Der Meßbereich ist auch von außen her quer durchleuchtbar.
Das bekannte Telephotometer ist nicht in der Lage, sich in seinem Meßbereich befindende
kleine, insbesondere fadenförmige Körper zu beobachten, da das an ihnen gestreute
oder reflektierte Licht im Verhältnis zu dem von der Lichtquelle oder dem Hintergrund
ausgehenden Licht zu schwach wäre, um mit den bekannten photoempfindlichen Empfängern
wahrgenommen bzw. von dem Hintergrundlicht unterschieden werden zu können.
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Das Problem der Wahrnehmung eines sich an beliebiger Stelle eines
räumlich langgestreckten, abgegrenzten Meßbereichs befindenden oder in diesen eindringenden
kleinen Körpers besteht bei der Feststellung von Fadenbrücken, insbesondere Kettfadenbrüchen
an Webstühlen, um diesen bei Auftreten solcher Brüche gegebenenfalls automatisch
abschalten zu können, wenn nicht nur eine Signalvorrichtung betätigt werden soll.
Kettfadenbrüche sind besonders schnell festzustellen, da sich das abgerissene Kettfadenende
gern mit den benachbarten Kettfäden verstrickt, so daß es zu weiterem Kettfadenbruch
kommen kann. Zur Feststellung von Kettfadenbrüchen gibt es mechanische und optische,
jeweils einem einzigen oder wenigen Kettfäden zugeordnete Fadenwächter. Bedenkt
man, daß auf einem Webstuhl von etwa 5,5 m Breite über 12000 Kettfäden geführt werden,
dann wird klar, daß diese Art der Fadenbruchermittlung sehr aufwendig ist.
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Es hat nicht an Versuchen gefehlt, Wächter zu schaffen, mit denen
eine Schar parallel zueinander geführter Fäden bzw. ein unmittelbar neben der Fadenschar
gedachter Beobachtungs- und Meßbereich photoelektrisch beobachtbar ist. In den Meßbereich
eintretende kleine Teilchen, z. B. Fäden oder an ihnen vorhandene Flusen sollen
festgestellt werden. Bei einem bekannten Wächter ist eine Lichtquelle vorgesehen,
deren parallele Strahlen in der Ebene der Fäden und quer zu deren Längsrichtung
verlaufen und ein Schattenbild der in Abhängigkeit von der Fadenspannung durchgebogenne
Fäden auf einen photoempfindlichen Empfänger werfen, desssen Photostrom sich bei
Änderung der Gesamtschattenwirkung ändert und so zur Wahrnehmung von Veränderungen
im Verlauf der Fäden herangezogen werden kann. Auch bei einem bekannten lichtelektronischen
Flusenwächter, wie er an Schärmaschinen verwendet wird, durchdringt ein eng gebündelter
Lichtstrahl
die genau in einer Ebene geführte Fadenschar derart, daß für ihn sämtliche Fäden
hintereinander in einer Ebene liegen, also gleichsam wie ein einzelner Faden erscheinen.
Der Lichtstrahl wird von einem photo empfindlichen Empfänger aufgenommen. Tritt
aus der Fadenbündelebene ein Faden heraus oder weist ein Faden eine Fluse oder einen
Knoten auf, so führt dies zu einer Vergrößerung des vom photoempfindlichen Empfänger
festgestellten Schattenbildes der Fadenschar und damit zu einer Änderung des Photostroms.
Bei diesen Vorrichtungen ist es erforderlich, daß die Fadenschar genau in einer
Ebene geführt wird, was hohen mechanischen Aufwand erfordert und für die Führungselemente
das Problem des Verschleißes mit sich bringt. Diese Geräte arbeiten nach dem Prinzip
der Lichtschranke, in dem der von einer Lichtquelle ausgehende Lichtstrahl stets
von einem Photoempfänger wahrgenommen wird, sich die wahrgenommene Lichtmenge aber
durch Abschatten eines Teils des Lichtstrahls durch in ihn eindringende Körper verkleinert,
mit der Folge einer Photostromänderung.
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Mit diesem Meßprinzip lassen sich aber einzelne kleine Körper, die
sich an beliebiger Stelle eines räumlich langgestreckten Beobachtungsbereichs befinden,
nicht wahrnehmen, weil sie wegen der Streuung des sie treffenden Lichts, insbesondere
in Richtung des auftreffenden Lichts keine Abschattung zu erzeugen imstande sind.
Das Meßprinzip der Lichtschranke eignet sich daher für die Wahrnehmung einzelner
kleiner Teilchen, die sich an beliebiger Stelle eines räumlichen Beobachtungsbereichs
befinden, nicht.
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Es ist bekannt, daß kleine Teilchen, die sich in einem eng begrenzten
Beobachtungs- und Meßbereich befinden und die nach Art eines Dunkelfelds beleuchtet
werden, durch Empfang des an ihnen gestreuten Lichts mit Hilfe eines photoempfindlichen
Empfängers wahrzunehmen sind. Dies bei einem photoelektrischen Aerosolteilchen-Analysengerät
angewendete Meßprinzip läßt sich jedoch dann nicht unmittelbar anwenden, wenn der
Beobachtungsbereich im Verhältnis zur Größe der Teilchen sehr groß und langgestreckt
ist, so daß seine Längserstreckung um mehrere Größenordnungen größer als das zu
beobachtende Teilchen ist.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe ist die Schaffung eines
photoelektrischen Wächters, mit dem kleine, insbesondere fadenförmige Körper wahrnehmbar
sind, die in einen räumlich langgestreckten abgegrenzten Bereich eindringen, ohne
daß es aufwendiger Maßnahmen zur Festlegung des Meßbereichs oder für die Führung
der fadenförmigen Körper bedarf.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein photoelektrischer Wächter mit
einem photoempfindlichen Empfänger verwendet, dessen räumlicher Beobachtungsbereich
durch eine ihm vorgeschaltete erste Lichtfalle, gegebenenfalls unter Zuhilfenahme
eines Abbildungsobjektivs in Querrichtung derart eingeengt ist, daß er mit seinem
Querschnitt mit dem des Meßbereichs übereinstimmt und der erfindungsgemäß an der
dem photoempfindlichen Empfänger gegenüberliegenden Seite durch eine zweite Lichtfalle,
deren optische Achse mit der der ersten Lichtfalle zusammenfällt, abgegrenzt ist.
Auf diese Weise schaut der photoempfindliche Empfänger sozusagen immer ins Dunkle.
Erst dann, wenn in den von außen her durchleuchtbaren
Meßbereich
ein kleiner Körper eingedrungen ist, an dem Licht gestreut wird, nimmt der photoempfindliche
Empfänger Licht war, was zu einer Anderung seines Photostroms führt. Aus dieser
Änderung läßt sich darauf schließen, daß ein kleiner Körper in den Meßbereich eingetreten
war. Der Meßbereich kann von außen her durch Tages- oder Raumlicht oder durch Lampen,
beispielsweise langgestreckte Leuchtstofflampen, durchleuchtet werden.
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Im Meßbereich scheinen die Körper eine Lichtquelle zu sein.
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Weist der photoelektrische Wächter ein Abbildungsobjektiv auf, dann
ist dies zweckmäßigerweise derart ausgelegt, daß seine Bildebene mit der durch die
Stirnfläche der zweiten Lichtfalle gegebenen Ebene zusammenfällt und daß seine Abbildungsebene
auf der photoempfindlichen Fläche des Empfängers liegt. Dies hat den Vorteil, daß
ganz gleich, wo sich das zu beobachtende Teilchen im Meßbereich befindet, im Mittel
die größtmögliche, am Teilchen gestreute Lichtmenge auf den photoempfindlichen Empfänger
gelangt. Dadurch ist das Verhältnis von Nutzsignal zu Störsignal so günstig wie
möglich eingestellt und damit die Empfindlichkeit des Wächters erhöht. Der Meßbereich
kann leicht konisch oder zylindrisch sein.
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Die Erfindung ist im folgenden an Hand von Zeichnungen an einem Ausführungsbeispiel
näher erläutert. Es stellt dar F i g. 1 eine schematische Längsansicht im Schnitt
des erfindungsgemäßen Wächters zur Feststellung von Kettfadenbrüchen, F i g. 2 eine
Draufsicht im Schnitt durch den Wächter nach F ig. 1, F i g. 3 das Abbildungsobjektiv
des Wächters nach den Fig. 1 und 2; F i g. 4 und 5 zeigen schematisch Zuordnungen
einer Lichtquelle zum Meßbereich des Wächters.
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Der Wächter 29 umfaßt ein in einem lichtdichten Gehäuse untergebrachten
photoempfindlichen Empfänger 31, dessen Beobachtungsbereich 44 mittels einer ersten
Lichtfalle 30 in Querrichtung derart eingeengt ist, daß er mit seinem Querschnitt
mit dem des Meßbereichs 45 übereinstimmt, wobei der Meßbereich der Teil des Beobachtungsbereichs
ist, in dem kleine Körper wahrgenommen werden, weil dieser von außen her durch eine
Lichtquelle durchleuchtbar ist. Als Lichtquelle ist hier eine parallel zum räumlich
langgestreckten Meßbereich und mit Abstand von ihm angeordnete Leuchtstofflampe
58 vorgesehen. Die Grenze des Beobachtungsbereichs 44 und des Meßbereichs 45 in
Querrichtung ist durch die Linien 46a und 46b in den Fig. 1 und 2 angedeutet.
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Die erste Lichtfalle besteht im wesentlichen aus einem länglichen
Gehäuse 36, das dem photoempfindlichen Empfänger 31 derart zugeordnet ist, daß sein
Beobachtungsbereich im angegebenen Sinne in Querrichtung eingeengt ist. Es weist
etwa mittig ein Beobachtungsobjektiv 40 aus den Linsen 59 und 60 auf, dem in Beobachtungsrichtung
vorgeschaltet eine Reihe von konzentrischen, teilweise unterschiedlichem Abstand
voneinander aufweisenden Blenden 43 und 42 und in Beobachtungsrichtung nachgeschaltet
Blenden 37, 38 und 39 sind, welche unmittelbar vor der lichtempfindlichen Fläche
des photoempfindlichen Empfängers 31 liegen. Sämtliche Innenwände und Blenden der
Lichtfalle sind stark lichtabsorbie-
rend, beispielsweise durch Anstreichen mit schwarzem
matten Photolack ausgebildet. An der dem photoempfindlichen Empfänger 31 gegenüberliegenden
Seite des Beobachtungsbereichs 44 ist eine zweite Lichtfalle 47 vorgesehen, deren
optische Achse mit der der ersten Lichtfalle 30 zusammenfällt, damit der photoempfindliche
Empfänger ins Dunkle oder Schwarze schaut. Auch die Lichtfalle 47 besteht aus einem
länglichen Gehäuse 50, das quer zu seiner optischen Achse ausgerichtete Blenden
54, 55, 56 und 57 aufweist. Das Innere der Lichtfalle ist ebenso wie ihre Stirnfläche
53 und die Rückwand 52 stark lichtabsorbierend ausgebildet. Jegliches schräg in
die Lichtfallen eintretende Licht wird an den Wänden und Blenden absorbiert und
durch die Blenden durch Ausblendung daran gehindert, entweder die lichtempfindliche
Fläche des Empfängers 31 oder die Rückwand 52 der zweiten Lichtfalle 47 zu treffen.
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Der hier dargestellte erfindungsgemäße Wächter dient zur Feststellung
von Kettfadenbrüchen, in dem die Enden der gebrochenen Kettfäden in den Meßbereich
45 des Empfängers 31 eintreten. Die Fadenschar der Kettfäden 25 eines Webstuhls,
die über eine Kettfadenführung 22 mit einem oberen Umlenk- und Führungsstab 26 und
einem unteren Umlenk- und Führungsstab 27 parallel zueinander in einer Ebene geführt
werden, verläuft außerhalb des Meßbereichs 45. Die Fäden 25 laufen etwa normal zur
Zeichnungsebene tangential auf den Stab 26 auf und in gleicher Weise horizontal
vom unteren Stab 27 ab. In der Praxis pflegen die Fäden25 in dieser horizontalen
Ebene, in der sie vom Stab 27 tangential ablaufen, zu reißen. Tritt ein Riß auf,
bewegt sich der senkrecht verlaufende Teil des abgerissenen Fadens 25 im wesentlichen
senkrecht zur Zeichenebene in Richtung des Pfeils28 vom unteren Stab weg, so daß
das Fadenende in den Meßbereich 45 von außen her eintritt. Weil die Fäden außerhalb
des eigentlichen Meßbereichs geführt sind, kommt es auf eine genaue Führung in einer
Ebene nicht an. Das Fadenende springt schnell in den Meßbereich 45. Das schnelle
Eintreten des Körpers in den Meßbereich ist jedoch keine Voraussetzung für die Funktionsfähigkeit
des erfindungsgemäßen Wächters. Das am in den Meßbereich 45 eingetretende Fadenende
gestreute Licht wird vom photoempfindlichen Empfänger 31 wahrgenommen und mittels
des Abbildungsobjektivs 40 zur lichtempfindlichen Fläche des Empfängers gebrochen.
Die dadurch im Empfänger 31, der vorzugsweise durch einen Sekundärelektronenvervielfacher
gebildet ist, hervorgerufene Änderung des Photostroms wird in einer nachgeschalteten
Steuerstufe 33 festgestellt und zur Erzeugung eines Signals verwendet, mit dem entweder
ein Horn 35 betätigt oder/ und der Motor 24 des Webstuhls über seinen Schaltersatz
23 abgeschaltet wird.
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Das Beobachtungsobjektiv 40 (s. F i g. 2) ist eine Doppellinse, bestehend
aus der plankonkaven Linse 59 und der bikonvexen Linse 60. Die in Fig. 2 angegebenen
Krümmungsradien Rl, R2 und R3 betragen 52 mm, 52 mm und oo. Die Brennweite des Objektivs
beträgt 125 + 2 mm und der Durchmesser etwa 33 mm. Der Wächter hat zusammen mit
den koaxial angeordneten Blenden einen Meßbereich von 25 mm Durchmesser. Die Länge
des Meßbereichs kann über 5 m betragen.
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Wie F i g. 4 zu entnehmen ist, kann hinter der Leuchtstofflampe 58
ein Reflektor 58' zur Bündelung
des Lichts in den Meßbereich 45
angeordnet sein, dessen Querschnitt ellipsenförmig oder parabolisch ist. F i g.
5 zeigt als Alternative zum Reflektor58' eine zylindrische Glasstange58", um das
von der Leuchtstofflampe 58 ausgehende Licht in den Meßbereich 45 zu bündeln. Die
Beleuchtungslampe kann sich entweder auf derselben Seite der Kettfadenschar wie
der Wächter oder auf der anderen Seite befinden.
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Mit dem beschriebenen Wächter ist es möglich, das Vorhandensein eines
0,05 mm starken Fadens 25 an beliebiger Stelle längs des Meßbereichs 45 festzustellen.
Die Entfernung zwischen den Stirnflächen 41 bzw. 53 der Lichtfallen 30 bzw. 47 kann
beispielsweise über 5 m betragen. Die Blende 37 der ersten Lichtfalle liegt in der
Brennebene des Abbildungsobjektivs 40. Ihre Größe ist auf dem Durchmesser des Meßbereichs
abgestimmt. Die Länge der Lichtfallen 30 und 47 ist im Verhältnis zum Durchmesser
des Meßbereichs 45 groß. Auch ihr Durchmesser ist ausreichend groß gewählt, um die
außerordentliche Empfindlichkeit des Wächters sicherzustellen. Im allgemeinden ist
es vorteilhaft, daß auch die Außenseiten der Lichtfallen matt schwarz sind.
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Ist der Wächter so angeordnet, daß sein Meßbereich unmittelbar neben
der Kettfadenschar verläuft, so lassen sich auch Unregelmäßigkeiten der Bewegung
eines beliebigen Kettfadens feststellen, wenn dieser dabei in den Meßbereich eindringt.
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Patentansprüche: 1. Photoelektrischer Wächter zur Wahrnehmung eines
in einem räumlich langgestreckten, abgegrenzten, von außen her durchleuchtbaren
Meßbereich eindringenden oder sich befindenden kleinen, insbesondere fadenförmigen
Körpers, mit einem photoempfindlichen Empfänger, dessen räumlicher Beobachtungsbereich
durch eine ihm vorgeschaltete erste Lichtfalle, gegebenenfalls unter Zuhilfenahme
eines Abbildungsobjektivs in Querrichtung derart eingeengt ist, daß er mit seinem
Querschnitt mit dem des Meßbereichs übereinstimmt, dadurch gekennzeichnet, daß der
Beobachtungsbereich (44) an der dem photo empfindlichen Empfänger (31) gegenüberliegenden
Seite durch eine zweite Lichtfalle (47), deren optische Achse mit der der ersten
Lichtfalle (30) zusammenfällt, abgegrenzt ist.