DE4408312C2 - Berührungsloser, elektrostatischer Aufnehmer für sich bewegende, längliche und elektrisch nichtleitende Objekte - Google Patents

Berührungsloser, elektrostatischer Aufnehmer für sich bewegende, längliche und elektrisch nichtleitende Objekte

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen berührungslosen, elektro­ statischen Aufnehmer für ein sich längs seiner Hauptausdehnung bewegendes, längliches, elektrisch nichtleitendes Objekt, insbesondere Fäden, Filamente, Filamentgarne oder dergleichen, mit wenigstens zwei Elektroden zur Erfassung der Influenz von Ladungen am Objekt für die Erzeugung eines Ausgangssignals.
Aus DE 37 20 602 A1 ist eine als Aufnehmer wirkende Anordnung mit zwei Elektroden bekannt. Beide Elektroden haben eine in Hauptaus­ dehnungsrichtung des Objekts gemessene Länge, welche kleiner als die senkrecht hierzu gemessene Breite ist. Die Flächen beider Elektroden sind ununterbrochen und sind im gleichen Abstand zum Objekt angeordnet. Somit steht in Hauptausdehnungsrichtung des Objekts ein relativ kleiner, wirksamer Bereich für die Erfassung der Influenz von Ladungen am Objekt zur Verfügung. Hierdurch ist die vom Aufnehmer aufgenommene Signalenergie sowie die erreich­ bare Signalhöhe begrenzt, so daß man eine für viele, dem Aufnehmer nachgeschaltete, elektronische Auswerteeinrichtungen ungenügende Signalbeschaffenheit erhält. Selbst wenn man den Wirkbereich der Elektroden in Hauptausdehnungsrichtung des Objekts ausdehnen würde, ergibt sich eine ungenügende und verminderte örtliche Auflösung und im erzeugten Ausgangssignal hat man nur niedrige Frequenzen.
Ferner gibt es beispielsweise zur Bestimmung der Laufgeschwindig­ keit von sich bewegenden Objekten Verfahren, bei denen die Signale zweier, in Bewegungsrichtung des Objekts hintereinander angeordneter, gleichartiger Sensoren mit einem Korrelator zur korrelativen Geschwindigkeitsmessung verknüpft werden. Bei einem sogenannten korrelativen Geschwindigkeitsmeßverfahren ergeben sich Schwierigkeiten, wenn der die Signale der Sensoren verknüp­ fende Korrelator Signale mit niedriger Höhe mangelnder Überein­ stimmung und ungünstiger Frequenzzusammensetzung bzw. ungünstiger zeitlicher oder örtlicher Auflösung erhält.
Eine für die Verarbeitung geeignete Signalbeschaffenheit eines Ausgangssignals eines Aufnehmers läßt sich beispielsweise durch den Einsatz von optoelektronischen Aufnehmern erreichen. Ein derartiger optoelektronischer Aufnehmer ist jedoch dann ungeeig­ net, wenn die bewegten Objekte keine Oberflächenstrukturierung haben.
In DE-OS 24 10 226 ist eine Vorrichtung zum Messen der Geschwindigkeit der Bewegung eines kontinuierlichen Gegenstandes längs einer vorbestimm­ ten Bewegungsbahn beschrieben, welche zwei Fühlelektroden zur Bildung zweier Signale und je eine oder auch eine gemeinsame Abschirmelektrode umfaßt, welche jeweils die Fühlelektrode teilweise umschließt. Die Fühlelek­ troden sind in einem kleinen Abstand unterhalb der Bewegungsbahn des Objekts angeordnet, und die Abschirmelektroden sind in Feldrichtung gesehen hinter den Fühlelektroden angeordnet. Durch die geringe örtliche Ausdehnung der Abschirmelektroden kann nur ein sehr schmaler Bereich der Ladungen vom Objekt erfaßt werden.
In US 3,927,356 ist eine Detektionsvorrichtung zum Detektieren von statischer Ladung auf einem sich bewegenden Garn oder dergleichen beschrieben. Hierbei wird eine Mehrfachelektrode eingesetzt, welche eine Mehrzahl von Einzelelektroden umfaßt, welche derart geschaltet sind, daß zwei Gruppen von gleichgepolten Elektroden gebildet werden, welche beispielsweise in Form von in zwei gleichen Ebenen liegenden Kämmen ineinandergreifen. Ferner umfaßt die Vorrichtung einen Verstärker, welcher die durch den Detektor erfaßten Detektionssignale der statischen Ladung verstärkt. Obgleich mit diesem Detektor und einer Vielzahl von Elektroden die Längenausdehnung der Elektrodenstruktur wirksam vergrößert werden kann, sind die hierbei erhaltenen Detektorsignale beeinflußt durch Fremdfelder unvermeidbar geschwächt.
Zur Verbesserung der Signalbeschaffenheit von elektrostatischen Aufnehmern wird nach DE 19 12 510 A1 und DE 30 36 249 A1 eine erforderliche örtliche Auflösung dadurch erreicht, daß die Elektrode längs des sich bewegenden Objekts nur jeweils einen sehr schmalen Bereich der Ladungen am Objekt erfaßt. Hierbei erhält man ein Ausgangssignal mit nur sehr niedriger Amplitude. Die eigentliche Signalelektrode ist hierbei nahezu vollständig gegenüber der Einwirkung der das Signal erzeugenden Ladung des Objekts abgeschirmt. Auch bei der DE 19 12 510 A1 ist die Elektrode vertieft in der Meßkopfoberfläche angeordnet. Somit ist bei diesen Ausführungsformen der Wirkbereich der Elektrode sehr klein.
Bei allen vorstehend genannten Aufnehmern ergeben sich Schwierig­ keiten hinsichtlich der Signalbeschaffenheit des vom Aufnehmer erhaltenen Ausgangssignals, wenn dieses mit Hilfe einer nachge­ schalteten elektronischen Auswerteschaltung insbesondere zur Bestimmung der Laufgeschwindigkeit oder auch zur Überwachung des Fadenlaufs bei Textilmaschinen genutzt werden soll. Für eine Überwachung des Fadenlaufs reicht beispielsweise ein Ausgangssi­ gnal vom Aufnehmer aus, welches deutlich die Zustände bei laufendem Faden und bei stillstehendem oder gebrochenem Faden unterscheiden kann.
Die Erfindung zielt demnach darauf ab, unter Überwindung der zuvor geschilderten Schwierigkeiten einen berührungslosen, elektrostatischen Aufnehmer für ein sich längs seiner Hauptaus­ dehnung bewegendes, längliches, elektrisch nichtleitendes Objekt der gattungsgemäßen Art bereitzustellen, welcher zuverlässig auswertbare Ausgangssignale unter Erfassung der Influenz von Ladungen auf sich bewegenden Objekten liefert.
Nach der Erfindung zeichnet sich hierzu ein berührungsloser, elektrostatischer Aufnehmer für ein sich längs seiner Hauptaus­ dehnung bewegendes, längliches, elektrisch nichtleitendes Objekt, insbesondere Fäden, Filamente, Filamentgarne oder dergleichen mit wenigstens zwei Elektroden zur Erfassung der Influenz von Ladungen am Objekt für die Erzeugung eines Ausgangssignales dadurch aus, daß als Elektroden eine Kombination aus einer in Objektbewegungsrichtung unterbrochenen Signalelektrode und einer ebenfalls in Objektbewegungsrichtung unterbrochenen und an Nullpotential liegenden Bezugselektrode vorgesehen ist, die Längsrichtung beider Elektroden parallel zum Objekt ausgerichtet ist und die Bezugselektrode zwischen dem Objekt und der Signal­ elektrode derart angeordnet ist, daß der ununterbrochene Bereich der Signalelektrode dem unterbrochenen Bereich der Bezugselektro­ de zugeordnet ist.
Beim erfindungsgemäßen Aufnehmer läßt sich somit ein relativ großer Bereich in Bewegungsrichtung des sich bewegenden Objekts wirksam für die Erfassung der Ladungen an dem sich bewegenden Objekt nutzen, wobei das von den Ladungen des sich bewegenden Objekts erzeugte elektrische Feld unmittelbar von der Signalelek­ trode in dem Unterbrechungsbereich der Bezugselektrode erfaßt wird. Dank der Unterbrechungen von Bezugselektrode und Signal­ elektrode, welche sich abwechseln, ergeben sich ständig wechseln­ de Verhältnisse hinsichtlich der mit Hilfe der Signalelektrode erfaßten Influenz der Ladung am sich bewegenden Objekt, so daß man bei dem Aufnehmer ein Ausgangssignal erhält, welches Anteile hoher Frequenz bzw. mit hoher örtlicher Auflösung und zugleich mit hoher Amplitude hat. Somit läßt sich beim erfindungsgemäßen Aufnehmer die Ausdehnung der Elektroden in Objektbewegungsrich­ tung vergrößern, ohne daß hierunter der Anteil der hohen Frequenzen leidet. Ein solches beim erfindungsgemäßen Aufnehmer erhaltenes Ausgangssignal läßt sich ohne Schwierigkeiten mit Hilfe einer nachgeschalteten, elektronischen Auswerteschaltung verarbeiten. Insbesondere erhält man bei der Überwachung des Fadenlaufs bei einer Textilmaschine ein Signal mit hoher Amplitude und wählbarer Frequenzzusammensetzung, welches sich sowohl hinsichtlich der Höhe als auch der auftretenden Frequenzen deutlich von dem bei stillstehendem oder gebrochenem Faden wirkenden Störsignal unterscheidet. Bei der Anwendung des Aufnehmers zur korrelativen Geschwindigkeitsmessung erhält man den Vorteil, daß bei den unterbrochenen Elektroden großer Längsausdehnung bei dem Aufnehmer nach der Erfindung der entste­ hende Signalverlauf weniger stark von Maßabweichungen bei der Elektrodenanordnung beeinflußt wird. Es lassen sich somit hierbei weitgehend übereinstimmende Signalverläufe der Ausgangssignale von zwei am sich bewegenden Objekt angeordneten Aufnehmern erzeugen.
Ferner sind die beim erfindungsgemäßen berührungslosen elektro­ statischen Aufnehmer erzeugten Ausgangssignale sowohl bei einer korrelativen Geschwindigkeitsmessung als auch bei einer Über­ wachung des Fadenverlaufs weitgehend unempfindlich gegenüber Störsignale, die beispielsweise durch die elektrischen Felder von in der Nähe des Aufnehmers oder der Aufnehmer verlaufenden Leitungen verursacht werden, da die beim erfindungsgemäßen Aufnehmer erzeugten Ausgangssignale sowohl in der Höhe als auch bezüglich der auftretenden Frequenzen sich deutlich von Stör­ signalen abheben.
Vorzugsweise umfaßt die Bezugselektrode des elektrostatischen Aufnehmers nach der Erfindung wenigstens zwei Unterbrechungen und die Signalelektrode hat wenigstens zwei Stege. Bei einer derartigen Auslegung des Aufnehmers erhält man wenigstens zwei die Ladungen des sich bewegenden Objekts aufnehmenden Wirkberei­ che an der Signalelektrode in Bewegungsrichtung des Objekts, welche dank der Unterbrechungen der Bezugselektrode deutlich definiert sind.
Vorzugsweise haben die Unterbrechungen und/oder die Stege der Bezugselektrode und der Signalelektrode in Hauptausdehnungsrich­ tung des Objekts gemessene unterschiedliche Abmessungen. Diese Abmessungen lassen sich hierbei nahezu frei wählbar variieren, um eine Abstimmung auf die jeweils gewünschten Anwendungsgebiete zur Optimierung des erzeugten Ausgangssignals zu ermöglichen.
Um den Einfluß von Störsignalen möglichst weitgehend herabzuset­ zen, ist die in Hauptausdehnungsrichtung des Objekts gemessene Länge der Bezugs- und der Signalelektrode größer als die senkrecht hierzu gemessene Breite. Hierdurch wird der Wirkbereich der Elektrodenanordnung beim erfindungsgemäßen Aufnehmer weitgehend auf die Hauptausdehnungsrichtung oder die Bewegungs­ richtung des Objekts konzentriert.
Vorzugsweise umfaßt der Aufnehmer wenigstens zwei Anordnungen aus Signalelektrode und Bezugselektrode. Die wenigstens zwei Anordnungen können in Bewegungsrichtung des Objekts hintereinan­ der angeordnet sein, oder sie können beiderseits des Objekts, vorzugsweise symmetrisch bezüglich des Objekts, angeordnet sein. Insbesondere bei einer Anwendung zur korrelativen Geschwindig­ keitsmessung läßt sich hierdurch die Meßgenauigkeit wesentlich verbessern, und bei allen anderen Anwendungsfällen läßt sich die Zuverlässigkeit des Auswerteergebnisses der nachgeschalteten Auswerteschaltung verbessern, welche die von den Elektrodenan­ ordnungen des Aufnehmers erzeugten Ausgangssignale verarbeitet.
Die Signal- und Bezugselektroden beim erfindungsgemäßen Aufnehmer können ebene Flächen oder zylindrische Flächen haben.
Die Erfindung wird nachstehend an Hand einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt:
Fig. 1 eine Schnittansicht eines Aufnehmers nach der Erfin­ dung, und
Fig. 2 eine Draufsicht auf den Aufnehmer nach der Erfindung.
Obgleich die Erfindung nachstehend in Verbindung mit einem Faden erläutert wird, ist die Erfindung hierauf nicht beschränkt, sondern der Aufnehmer kann für beliebige Objekte eingesetzt werden, welche länglich ausgebildet sind, elektrisch nichtleitend sind und sich in Längsrichtung der Hauptausdehnung des Objekts bewegen.
Ein in den Figuren der Zeichnung beispielsweise als Faden 1 dargestelltes, sich bewegendes Objekt trägt eine Ladung wech­ selnder Dichte, welche aneinandergereihte Punkt- oder Elementar­ ladungen 5 umfaßt. Ein insgesamt mit A bezeichneter Aufnehmer umfaßt beim dargestellten Beispiel eine Anordnung aus einer am Nullpotential liegenden Bezugselektrode 3 und einer Signalelek­ trode 2. Die Bezugselektrode 3 ist hierbei zwischen dem sich bewegenden Objekt 1 und der Signalelektrode 2 angeordnet. Die Bezugselektrode 3 hat Unterbrechungen 7a und 7b und diese begrenzende Stege 3a, 3b, 3c. Die Signalelektrode 2 hat Stege 8a und 8b, welche dazwischen Unterbrechungen 8c, 8d begrenzen. Die Signalelektrode 2 und die Bezugselektrode 3 sind einander derart zugeordnet, daß die Stege 8a, 8b der Signalelektrode 2 jeweils den Bereichen der Unterbrechungen 7a, 7b der Bezugselektrode 3 zugeordnet sind. Wie beispielhaft in den Figuren der Zeichnung gezeigt ist, können sowohl die Unterbrechungen 7a, 7b der Bezugselektrode 3 als auch die Stege 8a, 8b der Signalelektrode 2 in Hauptausdehnungsrichtung des sich bewegenden Objekts 1 unterschiedliche Längen haben. Die Wahl dieser jeweiligen Längenabmessungen ist nahezu frei und kann in Abhängigkeit von den jeweils bestimmungsgemäßen Anwendungsfällen getroffen werden.
Ferner ist insbesondere aus Fig. 2 zu ersehen, daß die in Hauptausdehnungsrichtung des sich bewegenden Objekts 1 gemessene Länge l3 der Bezugselektrode 3 und auch die entsprechend gemes­ sene Länge l2 der Signalelektrode 2 größer als die senkrecht hierzu gemessene jeweilige Breite b3 und b2 ist.
Wie aus der in Fig. 2 angedeuteten Schaltung zu ersehen ist, ist die Bezugselektrode 3 an Nullpotential (Masse) gelegt, und das vom Aufnehmer A erzeugte Ausgangssignal ist als eine Spannung U dargestellt, welches in einer nicht dargestellten und nachge­ schalteten Auswerteschaltung verarbeitet wird. Das sich bei­ spielsweise in Pfeilrichtung in den Fig. 1 und 2 bewegende Objekt 1 geht an der Elektrodenanordnung des Aufnehmers A vorbei. Das von den aneinandergereihten Punkt- oder Elementarladungen 5 des sich bewegenden Objekts 1 bzw. des Fadens erzeugte und in Fig. 1 mit Pfeilen dargestellte Feld wirkt auf die Stege 8a, 8b begrenzt durch die Unterbrechungen 7a, 7b der an Nullpotential liegenden Signalelektrode 2 ein, und durch diese Influenz erhält man als Ausgangssignal am Aufnehmer A zwischen dem Anschluß 4 und dem Nullpotential der Bezugselektrode 3 ein entsprechendes Spannungssignal U. Dieses Spannungssignal U wird dann in der nachgeschalteten und nicht dargestellten Auswerteschaltung in der gewünschten Weise zur korrelativen Geschwindigkeitsmessung oder zur Überwachung des Fadenlaufs bei einer Textilmaschine bei­ spielsweise ausgewertet. Dieses mit dem Aufnehmer A erhaltene Signal hat eine deutliche Signalbeschaffenheit mit Anteilen hoher Frequenz bzw. mit hoher örtlicher Auflösung und zugleich mit einer hohen Amplitude, um eine effiziente Verarbeitung des mit dem Aufnehmer A erzeugten Ausgangssignals zu erreichen.
Obgleich nicht näher dargestellt ist, können auch beispielsweise zwei oder mehr Aufnehmer A auf einer Seite des sich bewegenden Objekts 1 hintereinander geschaltet angeordnet sein, oder es können zwei oder mehr Aufnehmer A mit den entsprechenden Anordnungen von Signalelektrode 2 und Bezugselektrode 3 vor­ zugsweise symmetrisch einander gegenüberliegend bezüglich des sich bewegenden Objekts 1 angeordnet sein. Auch kann der Aufnehmer A eine Bezugselektrode 3 mit mehr als zwei Unterbrechungen 7a, 7b aufweisen und/oder die Bezugselektrode 3 kann mehr als zwei Stege 8a, 8b haben. Durch die entsprechende Wahl der Abmessungen der Unterbrechungen 7a, 7b und der Stege 8a, 8b läßt sich eine Vielzahl von unterschiedlichen Elektrodenanordnungen für Aufnehmer A bereitstellen, so daß sich der Aufnehmer A universell auf die unterschiedlichsten Anwendungsgebieten und für die unterschiedlichsten Anwendungszwecke einsetzen läßt.
Bezugszeichenliste
A Aufnehmer insgesamt
1
sich bewegendes Objekt (Faden)
2
Signalelektrode
3
Bezugselektrode
3
a,
3
b,
3
c Stege der Bezugselektrode
3
4
Anschluß für Ausgangssignalabgriff
5
Punktladungen
6
elektrisches Feld
7
a,
7
b Unterbrechungen der Bezugselektrode
3
8
a,
8
b Stege der Signalelektrode
2
8
c,
8
d Unterbrechungen der Signalelektrode
2

Claims (10)

1. Berührungsloser, elektrostatischer Aufnehmer für ein sich längs seiner Hauptausdehnung bewegendes, längliches, elektrisch nichtleitendes Objekt, insbesondere Fäden, Filamente, Filamentgarne oder dergleichen, mit wenigstens zwei Elektroden zur Erfassung der Influenz von Ladungen am Objekt für die Erzeugung eines Ausgangssignals, dadurch gekennzeichnet, daß als Elektroden eine Kombination aus einer in Objektbewegungsrichtung unterbrochenen Signalelek­ trode (2) und einer ebenfalls in Objektbewegungsrichtung unterbrochenen und an Nullpotential liegenden Bezugselektro­ de (3) vorgesehen ist, die Längsrichtung beider Elektroden (2, 3) parallel zum Objekt (1) ausgerichtet ist und die Bezugselektrode (3) zwischen dem Objekt (1) und der Signal­ elektrode (2) derart angeordnet ist, daß der ununterbrochene Bereich (8a, 8b) der Signalelektrode (2) dem Unterbrechungs­ bereich (7a, 7b) der Bezugselektrode (3) zugeordnet ist.
2. Aufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugselektrode (3) wenigstens zwei Unterbrechungen (7a, 7b) hat.
3. Aufnehmer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalelektrode (2) wenigstens zwei ununterbrochene Bereiche bzw. Stege (8a, 8b) hat.
4. Aufnehmer nach Anspruch 2 und/oder Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterbrechungen (7a, 7b) und/oder die Stege (8a, 8b) unterschiedliche, in Hauptausdeh­ nungsrichtung des Objekts (1) gemessene Abmessungen haben.
5. Aufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die in Hauptausdehnungsrichtung des Objekts (1) gemessene Länge (l3, l2) der Bezugs- und der Signalelek­ trode (3, 2) größer als die senkrecht hierzu gemessene Breite (b3, b2) ist.
6. Aufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als Aufnehmer (A) wenigstens zwei Anordnungen aus Signalelektrode (2) und Bezugselektrode (3) vorgesehen sind.
7. Aufnehmer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens zwei Anordnungen in Bewegungsrichtung des Objekts (1) hintereinander angeordnet sind.
8. Aufnehmer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens zwei Anordnungen beiderseits des Objekts (1) vorzugsweise symmetrisch bezüglich des Objekts (1) angeord­ net sind.
9. Aufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Signal- und Bezugselektroden (2, 3) ebene Flächen haben.
10. Aufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Signal- und Bezugselektroden (2, 3) zylindrische Flächen haben.
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