DE2816628A1

DE2816628A1 - Verfahren und vorrichtung zur fortlaufenden messung der optischen mitfuehrung synthetischer fasern oder eines synthetischen films

Info

Publication number: DE2816628A1
Application number: DE19782816628
Authority: DE
Inventors: Peter Henry Harris
Original assignee: Imperial Chemical Industries Ltd
Current assignee: Imperial Chemical Industries Ltd
Priority date: 1977-04-15
Filing date: 1978-04-17
Publication date: 1978-10-19
Also published as: JPS541076A; JPS6027940B2; FR2387445A1; FR2387445B1; GB1600376A

Description

PATENTANWALT · 2>·

DR. RICHARD KiCEISSL München, den 1 ?· ^ΡΠΐ 1978

Widenmayersir. 45

D-8000 MÜNCHEN 22 24445

Tel. 089/295125

Imperial Chemical Industries Limited, London / Großbritannien

Verfahren und Vorrichtung zur fortlaufenden Messung der optischen Mitführung synthetischer Fasern oder eines

synthetischen Films

Die Erfinduna bezieht sich auf ein Verfahren zur fortlaufenden Messung der optischen Mitführung synthetischer Fasern in einem laufenden Fadenstrana oder eines laufenden svnthetischen Films, vorzugsweise zur Überwachuna eines oder mehrerer ProzeRparameter. Ferner betrifft die Erfinduna eine Vorrichtung zur Ausführuna dieses Verfahrens. Beispielsweise kann beim Schmelzspinnen eines synthetischen Garns aus Polyesterfasern ein nach dem neuen Verfahren gewonnenes Signal, das von der optischen Mitführung und daher der Doppelbrechung der aufgewickelten Fasern abhängt, verwendet v/erden.

Verfahren zur Überwachung von Doppelbrechur.asänderunaen sind bekannt, z.B. aus der japanischen Ausleaeschri^t 72.15895 (Unitika), aber die bekannten Methoden sind mehr oder weniger kompliziert und von mechanischen Stellvorrichtuncren abhängicr und deshalb nicht imstande zur Prüfuna der verhältnismäßig kurzen Garnlänaer, die nach dem verhältnis™? p.ia einfachen ortischen Verfahren der vorlieaenden Erfindung möalich ist.

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Das erfindungsgemäße Verfahren besteht darin, daß man ständig veränderliches polarisiertes Licht durch die Fasern oder dem Film leitet, den Polarisationszustand des von den fasern oder dem Film Gebrochenen Lichtes überwacht und etwaiae in diesem Zustand eintretende Knderunaen mißt.

In einer bevorzugten Vorrichtung zur Ausführuna des erfindungsaemäßen Verfahrens läßt man zwei kohärente, in orthogonalen Ebenen polarisierte monochromatische Lichtstrahlen, die collinear sind, mit etwas verschiedenen Licht-

frecuenzen auf ein Garn in Form eines Einzelfaserbandes unter einem rechten Winkel zu diesem fallen. Das durch Brechung an den Fasern um einen bestimmten Winkel abgelenkte Licht durchläuft dann ein dichroitisches Filter, zJ3. ein Polaroid^ilter (TM) , dessen Polarisationsebene um 45° von den Polarisationsebenen der beiden Lichtstrahlen abweicht, und trifft anschließend auf einen Fotodetektor. Das von den Fotodetektor abgegebene elektrische Signal ist somit eine Schwebunasfrequenz, die der Differenz zwischen den beiden Lichtfrequenzen entspricht. Eine entsprechende Schwebungsfreauenz wird aus dem ungebrochenen Licht abgeleitet und die ffiasendifferenz zwischen den beiden Schwebungssignalen ist oLeidhider optischen Basendifferenz zwischen den beiden planpolarisierten Lichtstrahlen beim Durchgang durch das Faserband, d.h. der Mitführung. Diese Phasendifferenz mit der Schwebungsfreauenz kann mit einem elektronischen Phasenmesser gemessen werden, von dem eine Analoqspannung abgeleitet werden kann, die zur Betäticrung eines Funktionsschreibers oder zur Frzeugung eines Pückkopplungssianals für Reaelzwecke dienen kann.

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Wenn die Mitführung größer als eine Wellenlänge ist, wird nur der eine Wellenlänge überschreitende Bruchteil derselben aufgezeichnet.

Eine zur Ausführung der Erfindung geeignete Vorrichtung ist in Fig. 1 dargestellt. Ein vertikalpolarisierter monochromatischer Lichtstrahl von einem stetigen He-Ne-Laser 1 wird mittels Durchgang durch ein passend orientiertes Viertelwellenplättchen 2 genau kreisförmig polarisiert gemacht. Dieser kreisförmig polarisierte Strahl aeht dann durch eine rotierende Polaroidscheibe (TM) 3 (Umdrehungszahl z.B. 1.000 U/min) und ergibt einen planpclarisierten Lichtstrahl mit konstanter Amplitude und stetia umlaufender Polarisationsebene.(Das Viertelwellenplättchen und das rotierende Polaroidfilter können durch ein rotierendes Halbwellenplättchen ersetzt werden. Dadurch wird die Frequenz des Polaroidfilters verdoppelt.) Der Lichtstrahl geht dann durch ein zweites Viertelwellenplättchen 4, das so orientiert ist, daß seine optische Achse einen Winkel von 45° mit einem Fadenstrang 5 bildet, auf den der Lichtstrahl dann fällt. Die Scheibe 3 und das Plättchen 4 bilden einen ständig die Polarisations±>ene wechselnden de Senarmont-Kompensator, der eine stetige, linear sich ändernde Mitführung hervorruft.

Der resultierende Lichtstrahl entspricht zwei planpolarisierten Strahlen, deren Polarisationsebenen rechtwinklig zueinander verlaufen, wobei die Kreisfreauenz des einen polarisierten Strahls um einen Betraa erhöht ist, der der Winkelgeschwindigkeit der Polaroidscheibe entspricht, während die Kreisfrequenz der anderen Komponente um den

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.ς.

gleichen Betraa verringert ist. Die resultierende Schwebuncrsfrequenz zwischen den beiden Lichtstrahlen ist somit das doppelte der Winkelgeschwindigkeit der Polaroidscheibe (33,33 Kz bei 1.000 U/min).

Das abgelenkte Licht wird so aesammelt, daß der unvermeidbare Bruchteil des Hauptstrahls, der ungebrochen durch die Fasern geht, nicht erfaßt wird.

Das für Meßzwecke verwertbare abgelenkte Licht soll möalichst nur eine einzige Faser durchlaufer haben; deshalb ist ein gutes einlagiges Faserband die ideale Garncrestalt, wie Fig. 2 zeigt. Unter gewissen Umständen können nutzbare Ergebnisses von Garnen erhalten werden, die nicht zu Bändern creformt sind, sowie von natürlich vorkommenden Bändern, die an Führuncsflächen auftreten, aber das z.B. in einer Aufzeichnungsspur bemerkbare Rauschen läßt sich im allgemeinen durch bewußte Bandausbildunq des Faserstranas erheblich verringern.

Nach dem Verlassen des Faserbandes geht das abgelenkte Licht durch ein Polaroidfilter (TM) 6, das unter 45 zu den beiden Polarisationsebenen anaestellt ist, und fällt auf einen Fotodetektor 7. Das elektrische Sirmal vom Fotodetektor 7 wird elektrisch gesiebt, um das unerwünschte P.auschen zu unterdrücken, und einem Phasenmesser P, sowie einem Oszilloskop zur überwachung zugeführt.

Ein Bezugssianal der Schwebungsfrequenz könnte durch direkte Ableitung aus dem Hauptstrahl an den Punkten X gewonnen werden, aber bequemer ist es, Licht von einer anderenJjichtquelle 10 (z.B. Glühlampe oder Leuchtdiode)

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durch die rotierende Polaroidscheibe 3 und dann durch eine voreingestellte drehbare Polaroidscheibe (T?!) 11 auf einen Fotodetektor 12 fallen zu lassen. Das Signal von diesem Fotodetektor .wird" dann dem Phasenmesser und dem Oszilloskop zu Vergleichszwecken zugeführt. ' - ;

Das Meßgerät wird.- eingestellt, indem eine nicht doppelbrechende Glasfaser an den Ort des Faserstrangs gebracht , und die voreingestellte Polaroidscheibe 11 so lange gedreht wird, bis der Phasenmesser die Phasendifferenz Null zeigt. Das. Verfahren kann leicht auf eine Reihe von Fasersträngen, angewandt werden, z.B. in einer Schmelzsriinn- -, vorrichtung mit einer Mehrzahl von Faserstränaen, indem der modulierte Laserstrahl mittels eines Sr>ieaels nacheinander auf die einzelnen Faserstränge nerichtet wird. Das Signal von jedem Faserstrang wird mittels einer entsprechenden Pölaroidscheibe und eines Fotodetektors gesammelt und dem Phasenmesser zum Vergleich mit dem. Modulatorsignal zugeführt. Auf diese Weise kann eine Anzahl von Fäsersträngen intermittierend überwacht und aeregelt werden.

Da der Lichtweg durch die Faserstränge (Fiq. 2) nicht länrrs eines Durchmessers verläuft, sind:die angezeigten Mitführung swer te kleiner als diejenigen, die man unter einen Polarisationsmikroskop längs eines Durchmessers beobachtet.. Ebenso sind auch die angezeigten Änderungen crerinaer.

Die Auflösung der ilitführungsänderunaen längs der Garnrichtung hängt von dem eingeführten Frenuenzunterschied zwischen den beiden planpolar.'isierten Strahlen ab, da der .Phäsenmesser eine gewisse Periodenzahl benötigt, um den Phasenunterschied zu bestimmen. ^;

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Gemäß einem anderen Ausfülirunqsbeispiel der Meßvorrichtuna wird ein rotierendes Beugungsgitter verwendet, um Frenuenzverschiebungen in zwei polarisierten Lichtstrahlen zu erzeugen. Die Lichtouelle ist wie vorher ein Fe-Ne-Laser, dessen Ausqangsstrahl wieder durch ein Viertelwellenplättchen geleitet wird, um einen kreisförmiq polarisierten Lichtstrahl zu erzeugen. Der Lichtstrahl wird nun auf ein rotierendes Radialbeugungsgitter aus durchsichtigem Werkstoff fokussiert und der austretende gebeugte Strahl nullter Ordnung wird ausgeblendet. Die beiden Strahlen erster Ordnung sind nach oben und unten um einen Betrag frequenzverschoben, der durch Nf gegeben j.st, wobei N die Linienzahl· des Gitters und f die Uml·auffrequenz desse^en ist. Die beiden getrennten Strahlen erster Ordnung gehen dann durch Polaroidfilter und ihre Polarisationsebenen v/erden parallel und senkrecht zu dem untersuchten Fadenstrang gerichtet. Die beiden Lichtstrahlen v/erden dann kombiniert, bevor sie den Fadenstrana beleuchten, und das abgelenkte Licht wird wie vorher mit einer Fotodiode auf qenommen.

Ein Vergleichssignal wird durch Auslenkung aus den beiden Lichtstrahlen und Zuleitung zu einer Fotodiode über ein Polaroidfilter unter 45° gebildet. Die Ausgangssignale der Fotodioden v/erden wie zuvor mit einem Phasenmesser vergiichen.

Das beschriebene Verfahren ist unabhänaia von Intensitätsschwankungen des Lichtes, die z.B. von Verschiebungen der Fasern in dem Garn herrühren. Da es sich um ein Phasensystem handelt, sind auch Schwankunaen der Lichtamplitude und der Emnfindlichkeit der Foto^-dioden uninteressant.

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An Stelle der beschriebenen mechanischen Anordnung wurde eine elektrooptische Kristallanordnung (z.B. auf der Grundlage eines Lichtmodulators Dual PC 14) verwendet, d.h. als linear verlaufender Kompensator mittels einer sägezahnförmigen Modulationscharakteristik mit einer Amplitude von 2T\Radiant. Auf diese Weise sind Schwebunasfrequenzen in der Größe von 6 kHz mit einer entsprechenden Auflösung in der Größenordnung von Im längs eines mit 6.000 m/min fortschreitenden Fadenstrangs erzeugt worden. Bei 1 MHz hätten die entsprechenden Auflösungen einen Wert von etwa 1 mm. Statt dessen kann auch eine ähnliche Vorrichtung verwendet werden, um ein rotierendes Halbwellenplättchen in einem de Senarmont-Systern nachzubilden.

Die nachstehenden Beispiele dienen nur zur Erläuterung der Erfindung.

Beispiel 1

In einem Schmelzspinnprozeß hoher Geschwindigkeit wurden Polyesterfasern unmittelbar nach dem Austritt aus dem Extruder auf eine Temperatur unter der Glasübergangstemperatur (Tg) abgelöscht, auf einen Wert über Tg wieder erwärmt und schließlicßveiner Geschwindigkeit von 4.000 m/min aufgewickelt. Das oben beschriebene Meßgerät wurde verwendet, um Änderungen in der Fasermitführung unmittelbar vor dem Aufwickeln zu überwachen. Die Kurve in Fig. 3 spiegelt diese Änderungen über eine Periode von etwa 20 min wieder. Die Spur bleibt normal für etwa 9 min; in diesem Zeitpunkt beginnt die Mitführung abzunehmen (A). Nach ungefähr weiteren S min kehrt sich die Tendenz um, die Spur oszilliert und schließlich bricht der Fadenstrang (E). Das erste Anzeichen einer Störung des Spinnprozesses ist

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also etwa 11 min vor dem Fadenbruch aufgetreten. So können Änderungen der optischen Mitführung in den Fasern eine wertvolle Frühwarnung zur überwachung oder Regelung des Prozesses liefern.

Beispiel 2

In einem ähnlichen Prozeß wie vorher wurde die Erwärmungsvorrichtung für die Fasern über Tg an der Stelle (A) in Fig. 4 abgeschaltet, nachdem die normale Betriebstemperatur erreicht war. Der Einfluß dieser Maßnahme auf die Fasermitführung ist in Fig. 4 dargestellt. Die Mitführuncr begann sofort abzufallen und wurde erst angehalten und umgekehrt, als die Heizvorrichtuna wieder eingeschaltet wurde (Punkt (B) Somit können Änderungen der optischen Mitführung eine unmittelbare und positive Anzeige eines Prozeß- oder Gerätefehlers liefern, in diesem Falle eines Temperaturabfalls der Wiedererwärmungsvorrichtung.

Beispiel 3

In diesem Falle wurde die Durchsatzgeschwindigkeit des PoIvesterpolvmers durch eine Schmelzspinnanlage absichtlich aeändert,indem die Pumpendrehzahl für die Polymerschmelze von 53,3 U/min (Punkt A in Fig. 5) auf 48,4 U/min (Punkt B) herabgesetzt wurde. Der Einfluß auf die optische Mitführuno· der Fasern war dramatisch und machte sich sofort bemerkbar, wie die registrierte Kurve in Fia. 5 zeigt. Die Änderung der Mifeführung entspricht einer Decitexänderung der Fasern von etwa 10%, die ihrerseits ein Maß für die Änderuno der Doppelbrechung der Fasern liefert. Typisch ließen sich

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Änderungen der Doppelbrechung in der Größenordnung von 1 % in einem 20-fasrigen Polyestergarn mit 56 dtex, das eine Geschwindigkeit von 4.000 m/min hatte, feststellen.

Eine beobachtete Änderung der optischen Mitführung in den Fasern kann verwendet werden, um eine Nachforschuncr nach der verantwortlichen Störung einzuleiten oder, wenn die Ursache des Fehlers bereits bekannt ist, kann ein von der Mitführung abhängiges Signal zur automatischen Korrektur der entsprechenden Einflußgröße dienen.

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ι - ^W Leerseite

Claims

PATENTANWALT . ₇ » .,

DR. RICHARD K-N¹EISSL München, den ' '■ ^ίψιί|

Widenmayerstr. 46 24445

D-8000 MÜNCHEN 22
Tel. 089/295125

Imperial Chemical Industries Limited, London / Großbritannien

Patentansprüche

l.J Verfahren zur fortlaufenden Messung der optischen Mitführung sysnthetischer Fasern in einem laufenden Fadenstrang oder eines laufenden synthetischen Films, dadurch gekennzeichnet, daß man ständia schwankendes polarisiertes Licht durch die Fasern oder den Film leitet, den Polarisationszustand des von den Fasern oder dem Film gebrochenen Lichtes überwacht und in diesem Zustand eintretende relative Änderungen mißt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das ständig schwankende polarisierte Licht durch zwei kohärente, orthogonal polarisierte monochromatische

die

Lichtstrahlen erzeugt wird,^collinear sind und verschiedene optische Freouenzen besitzen.
3. Vorrichtung zur fortlaufenden Messung der optischen Mitführung synthetischer Fasern in einem laufenden Fadenstrang oder eines laufenden synthetischen Filters,

Dr.Hk/Me

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OL IMSFEC; EO

gekennzeichnet durch einen Erzeuger (1-4) stetia schwankenden polarisierten Lichtes, das auf den Fadenstrang (5) oder Film gerichtet ist, eine überwachungsvorrichtung (6, 7) für den Polarisationszustand des von den Fasern oder dem Film gebrochenen Lichtes und ein Heßgerät (8, 9) zur Anzeige relativer änderungen dieses Zustandes.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Erzeuger des stetig veränderlichen polarisierten Lichtes einen Laser (1), ein erstes Viertelwellenplättchen (ft2), eine rotierende Scheibe (3) aus dichroitischem Material und ein zweites Viertelwellenplättchen (4) umfaßt.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Erzeuger des stetig schwankenden polarisierten Lichtes einen Laser, ein rotierendes Halbwellenplättchen und ein Viertelwellenplättchen umfaßt.
6. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Erzeuger des stetig veränderlichen polarisierten Lichtes eLnenLaser, ein rotierendes Beugungsaitter und eine Polarisations- und Kombinationsvorrichtung der beiden kohärenten von dem Gitter erzeugten Lichtstrahlen verschiedener Frequenzen umfaßt.
7. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,

daß'der Erzeuger kontinuierlich schwankenden polarisierten Lichtes aus einer elektrooptischen Vorrichtung besteht, die eine kontinuierlich liear ansteigende Phasendifferenz, welche einer Frequenzänderung äcruivalent ist, nachbildet.

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