DE69123246T2

DE69123246T2 - Elektrooptische verfahren und gerät zur hochgeschwindigkeitsmehrdimensionalen messung individueller gegenstände in aus fasern bestehenden oder anderen proben

Info

Publication number: DE69123246T2
Application number: DE69123246T
Authority: DE
Inventors: Joseph Baldwin; Youe-T Chu; Frederick Shofner
Original assignee: Zellweger Uster Inc
Current assignee: Uster Technologies AG
Priority date: 1990-03-14
Filing date: 1991-03-12
Publication date: 1997-03-13
Anticipated expiration: 2011-03-13
Also published as: JP3211089B2; US5270787A; AU649028B2; EP0519975B1; AU7484391A; JPH07500660A; WO1991014169A1; ES2094221T3; DE69123246D1; EP0519975A4; EP0519975A1

Description

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum schnellen Fördern, Klassieren und Messen von Eigenschaften von vereinzelten Partikeln wie textilen Fasern, Nissen oder Schalenteilen und insbesondere das Messen von Eigenschaften wie Geschwindigkeit, Länge, Breite und Oberflächenbeschaffenheit einzelner Fasern in strömendem Medium.

Umfeld der Erfindung

Der Bedarf nach umfangreicherer und besserer Kenntnis von Fasereigenschaften hat seit dem Beginn der industriellen Revolution bis heute stetig zugenommen. Die Leistung von Verarbeitungsmaschinen der Textilindustrie hat insbesondere in den letzten 25 Jahren in dramatischer Weise zugenommen. Im gleichen Zug wie die Anforderungen an die Geschwindigkeit und Qualität gestiegen sind, sind die Toleranzen für Variationen der Fasereigenschaften entsprechend dramatisch zurückgegangen. Die Qualität auch bei gesteigerter Produktionsgeschwindigkeit besser halten zu können, ist eine grosse Herausforderung für die moderne Fertigung, die nur mit verbesserten Kenntnissen über wesentlich grössere Mengen des Rohmaterials der Textilherstellung wie natürliche (Baumwolle, Wolle usw.) und künstliche (Polyester, Nylon, usw.) Fasern, zu bestehen ist.
Diese Betrachtungen zur modernen Herstellung von Textilien gelten ebenso für die moderne Herstellung von Aerosolen. Die Erhöhung der Produktionsgeschwindigkeit und die Verminderung der Toleranzen für Abweichungen der Partikelgrössen bedingen ebenfalls mehr und bessere Kenntnisse.
Dementsprechend betrifft diese Erfindung das Gebiet der elektrooptischen Messung von physikalischen Eigenschaften von Fasern und Aerosolen. Die Erfindung ist Teil eines Systems und befähigt dieses, bisher undenkbar genaue, präzise, zuverlässige, schnelle und kostengünstige Informationen über eine Vielfalt von physikalischen Eigenschaften von Fasern und Aerosolen zu gewinnen.
Eine kurze historische Übersicht über den Stand der Technik der Faserprüfung soll die Stellung und insbesondere die durch dieses System erreichten Fortschritte für die Faserprüfung klarstellen.
In der Mitte des 19. Jahrhunderts, als nur Naturfasern erhältlich waren, verlangte die revolutionäre Technik dieser Zeit, nämlich die wasser- oder dampfgetriebenen Maschinen, bereits mehr und bessere Kenntnisse.
Beispielsweise wurden für Baumwolle Standardqualitäten festgelegt und Baumwollprüfer lernten und wendeten auf beschwerliche Weise ihr Handwerk an, um sicherzustellen, dass die Spinnereien "leicht und gleichmässig" verarbeitbare Baumwolle erhielten. Zuerst waren die Liverpool Staple Standards die meist benützte Referenz. dann, ab dem frühen 20. Jahrhundert, begann das US-Departement für Landwirtschaft mit der Definition, Vorbereitung und Lieferung von Referenzbaumwolle weltweit vorzuherrschen, was bis heute zutrifft.
In den Sechzigerjahren dieses Jahrhunderts begann das USDA als Reaktion auf die Nachfrage nach mehr und besserer Information, Entwicklungen zur instrumentellen Faserprüfung zu vertiefen. Ein Weg, wie ihn das Stanford Research Institute für das USDA durchführte, bestand darin, die Länge und den Durchmesser von Baumwollfasern elektrooptisch zu messen. Die Fasern wurden durch eine Kombination von aerodynamischen und elektrostatischen Kräften, einzeln einer Messzone zugeführt. Grosse Schwierigkeiten mit dem Vereinzeln und Darbieten der Fasern sowie die tiefen Geschwindigkeiten - weniger als eine Faser/Sekunde - führten zur Aufgabe dieses Weges.
Der erfolgreiche Weg zu sogenannten "Hochleistungsgeräten" führte über immer schnellere Versionen bereits existierender Laborgeräte. Diese Geräte messen Faserlänge, Stärke, Durchmesser und Farbe indirekt. Bis zur Mitte der Siebzigerjahre waren Prototypen fertiggestellt aber die Technik wurde durch gewisse am Handel Beteiligte verworfen und geriet bis 1980 in Vergessenheit. Dann war die Unzufriedenheit mit der manuellen Klassierung so stark angestiegen, dass Farmer in Lamesa, Texas, auf HVI bestanden. Heute wird etwa 50% der US-Baumwolle mit HVI klassifiziert. 1992 werden es fast 100% sein. Es wird erwartet, dass der grösste Teil der weltweiten Baumwollemte im Jahre 2000 durch Geräte klassiert wird. Dies nicht unbedingt mit der heutigen Generation aber mit verbesserter Prüfgerätetechnik, wovon ein Teil Gegenstand dieser Erfindung ist.
Mit Ausnahme der Rechner zur Automatisierung und zur Datenverarbeitung, ist die Basistechnik der heutigen HVI Messung 25 - 75 Jahre alt. Es wird klar, dass diese alten Prüfverfahren fortschrittliche Kentnisse, die geforderten "mehr und besseren Informationen" über Fasern, wie sie moderne Textilverarbeitung verlangt, unglücklicherweise nicht erbringen können.
Zwei oder mehr Bedienpersonen sind notwendig und die Prüfzeit beträgt etwa 1/2 Minute. Trotzdem hat das heutige HVI einen grossen Marktdurchbruch ermöglicht.
In den frühen 1980er-Jahren erkannte man, dass die Forschung und Entwicklung für die nächste HVI-Generation so bald als möglich beginnen sollte und zwar bevor HVI weitgehend anerkannt oder bekannt würde. Das durch den erstgenannten Erfinder dieser Erfindung vorgebrachte Konzept, wonach Eigenschaften einzelner Fasern einer Faserprobe direkt und mit grosser Geschwindigkeit zu messen sind, wurde durch vorwärtsblickende Führer auf dem Gebiete der Faserprüfung und des Marketings als mögliche Technik anerkannt. Diese eher grundlegenden Messungen ergeben mehr und bessere Kenntnisse wie sie die moderne Textilherstellung benötigt. Diese Messungen sind grundlegender, weil einzelne Objekte (Einzelfasern, Einzelnissen, einzelne Schalenteile, einzelne Staubpartikel) direkt, statt indirekt über die Messung der Eigenschaften in einem Verband, gemessen werden.
Ebenso wichtig, dass die Messungen grundlegender sind, ist, dass statistische Verteilungen mit Hilfe moderner elektronischer Techniken, leicht erhalten werden können. Diese Konzepte haben zu verschiedenen Prototypsystemen geführt die Advanced Fibre Information System (AFIS) genannt werden und diese bestehen aus: (1) Aeromechanische Trennstufe oder Faservereinzler, (2) Hochgeschwindigkeits-Einzelfasersensoren, und (3) PC mit hoher Verarbeitungsgeschwindigkeit. Nur der letztere ist in der modernen Elektronik wohlbekannt.
Die Aeromechanische Trennstufe ist in den US Patenten Nr.4,512,060; 4,631,781 und 4,686,744 beschrieben.
Elektrooptische Sensoren gemäss Stand der Technik sind in den US Patenten 4,249,244; 4,396,286 und 4,885,473 beschrieben.
Verschiedene Veröffentlichungen über AFIS Faserprüfanwendungen sind erfolgt, wie z.B:
1. Advanced Fiber Information Systems: A New Technology for Evaluating Cotton:, von F.M. Shofner, G.F. Williams, C.K. Bragg, and P.E. Sasser (im Dezember 88 vor dem Textile Institute Conference Fibre Science Group, U.K. vorgestellt).
2. "Advanced Technology for Measuring Cotton Fiber Length, Diameter, and Trash Content" von C.K. Bragg (März 88).
3. "Objective Method for Counting and Sizing Neps" von P.F. Sasser (März 88). Der Einfachheit halber nennen wir unsere bekannte, in Prototypen ausgeführte, elektrooptische (E-O) Faserprüftechnologie und deren Verwirklichungen AFIS-0. AFIS-0 enthielt einen Faservereinzier, einen Fluidstrom, eine Düse zum Beschleunigen des Fluidstromes, einen fokussierten Lichtstrahl, und einen Detektor für vorwärts gestreutes Licht. Es enthielt unter anderem keinen Geschwindigkeitssensor, keinen Sensor für abgeschattetes Licht oder keinen im wesentlichen parallelen Lichtstrahl. Die verbesserte E-O Technik für die Faser- und Aerosol-Prüfung gemäss dieser Erfindung nennen wir AFIS-1. Man wird sehen können, dass AFIS-1 über AFIS-0 hinaus, neue Daten ausgibt, wovon einige früher undenkbar waren und neue E-O Mittel aufweist.
Versuche mit AFIS-0 haben in der Praxis gezeigt, dass das Konzept der Hochgeschwindigkeitsmessung von Einzelfasern gefolgt von Berechnungen statistischer Verteilungen dringend gebraucht wird. Messungen gemäss dem Stand der Technik werden zunehmend als ungenügend und für die moderne Textilherstellung sogar als irreführend empfunden. Kürzlich zunehmende Nachfrage nach mehr und besseren Informationen ergab den Anreiz, die Verbesserungen des AFIS-1 gegenüber dem AFIS-0 zu erforschen und zu entwickeln.
Andere bekannte Vorrichtungen für die Messung von verschiedenen Eigenschaften von Fasern sind nicht in der Lage mit solch hohen Geschwindigkeiten zu arbeiten, wie sie mit der AFIS-1 genannten Vorrichtung möglich sind, das Gegenstand dieser Offenbarung ist. Beispielsweise veröffentlicht Dunean im U.S. Patent Nr.3,816,001 eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Messung der Länge von Textilfaser-Filamentmustern. die aus einem Kapillarrohr besteht, durch das die Fasern durch einen Luftstrom befördert werden. Das Kapillarrohr hat einen Durchmesser in der Grössenordnung der Grösse der Faser und richtet und streckt die Faser durch ihren engen Querschnitt. Mehrere Lichtquellen/Detektoren sind in Abständen entlang der Kapillare angeordnet um die Geschwindigkeit der Faser zu messen. Aber diese Vorrichtung von Dunean kann nicht mit so hoher Geschwindigkeit arbeiten wie das AFIS-1 System und könnte ausserdem Nissen und Schalenteile die unwillkürlich in Mustern vorkommen, die dem AFIS-1 zugeführt werden, nicht bewältigen.
Ein System zur Partikelmessung anderer Art ist in der internationalen Anmeldung Nr. W089/01619 beschrieben. Diese Vorrichtung benützt die wohlbekannte Technik der aerodynamischen Partikelerfassung, die die Grösse der Partikel mit der Zeit korreliert, die diese benötigen um eine bestimmte Strecke zurückzulegen. Diese Vorrichtung baut auf dem Prinzip auf, dass die Querschnittseigenschaften eines Partikels dessen aerodynamische Qualitäten bestimmen und damit haben grössere Partikel einen grösseren Luftwiderstand und brauchen länger um die vorgegebene Strecke zurückzulegen.
Andere Systeme zur Partikel- und Fasermessung, die die Ziele von AFIS-1 nicht erreichen können, sind im U.S. Patent Nr.4,027,162, in der Europäischen Patentanmeldung Nr.0255009, in "Faserforschung und Textiltechnik", Bd. 25, Nr.2,1975, im Artikel von E.W. Unger auf Seiten 528-536, und in der Französischen Patentanmeldung Nr.2408117 offenbart. Diese beschreibt eine Vorrichtung, die ein Kapillarrrohr aufweist, durch welches Fasern in einem Flüssigkeitsstrom transportiert werden. Da das Kapillarrrohr einen Durchmesser der Grössenordnung der Faser aufweist, kommt diese Vorrichtung mit Nissen und Schalenteilen nicht zurecht und kann auch nicht mit Geschwindigkeiten arbeiten, wie sie beim AFIS-1 üblich sind.
Dementsprechend ist das am weitesten gesteckte Ziel dieser Erfindung die Bereitstellung, im Vergleich zum Stand der Technik inklusive AFIS-0, verbesserter Messungen an Fasern und Aerosolen. Die Verbesserungen betreffen alle Hauptkategorien wie Genauigkeit, Präzision, Zuverlässigkeit, Geschwindigkeit und Sparsamkeit. Sehr wichtig ist auch, dass die hier offenbarten E-O Verbesserungen mehr grundlegende Kenntnisse als bisher möglich anbieten. Diese Verbesserungen berücksichtigen auch den Umstand, dass die Partikel im AFIS-1 in der Messzone beschleunigt werden. Auf diese Weise werden die Resultate der Berechnungen verbessert, die auf der Messung von Zeitverzögerungen beruhen.
Ein weiteres Ziel ist es, ein Faserprüfsystem und ein Verfahren zu schaffen, das in Kombination mit anderen Merkmalen und Messungen, wie Einzelfaserstärke oder Farbe, ein HVI mit Einmannbedienung und Messzone mit kontrollierter Atmosphäre ergibt, das mit Prüfzeiten von 1/4 Minute arbeiten kann.
Ein weiteres Ziel ist es, ein Aerosol-Prüfgerät und ein Verfahren zu schaffen, das Prüfgeräte in Laborqualität und schliesslich direkt angeschlossene Kontroll- und Regelsysteme für die Herstellung von Aerosolen ermöglicht.
Ein anderes Ziel ist es, Informationen über die statistische Verteilung in Fasermustern zu beschaffen, nämlich betreffend: Länge, Durchmesser, Feinheit, Reife, Farbe, Form, Oberflächenrauhigkeit von Fasern selbst, sowie von Nissen, Schalenteilen, Schmutz- und Staubpartikeln. Nissen, Schalenteile, Schmutz und Staub sind in der Fasermasse unerwünschte Elemente. Ein weiteres Ziel ist die Bereitstellung von statistischen Verteilungen von mehreren Variablen wie z.B. Verteilungen von Faserlänge und Durchmesser oder Verteilungen von Partikeldurchmesser, Form und Oberflächenrauhigkeit. Während die breiteren auf den Benützer bezogenen Ziele zu umfangreicherer und besserer Kenntnis der physikalischen Eigenschaften der Fasern und Aerosole führen, ist es ein besonderes Ziel dieser elektro-optischen Erfindung, die Messung der Geschwindigkeit und Beschleunigung der Fasern und Aerosole in der Streulichtzone zu ermöglichen und diese Daten zu benützen um genauere Angaben über die Länge sowie verbesserte Angaben über andere physikalische Grössen wie Durchmesser, Feinheit, Reife, Farbe, Form, Oberflächenrauhigkeit usw. zu erhalten. Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, gleichzeitig Messungen mit zwei verschiedenen Streuwinkeln zu machen.
Ein ähnliches weiteres Ziel ist es, eine Messung zu ermöglichen, die gleichzeitig ausgesendete elektromagnetische Strahlungskomponenten verfolgt, die 2 oder mehr dominierende oder mittlere Wellenlängen und 2 oder mehr Polarisationszustände aufweisen.
Das letzte Ziel ist es, diese neuen elektro-optischen Sensormittel mit geeigneten Mitteln zur Vereinzelung von Fasern oder Aerosolen und modernen elektronischen Mitteln zu Systemen zu kombinieren, die, wie es die moderne Herstellung verlangt, mehr und bessere Kenntnisse über Fasern und Aerosole ergeben.

Zusammenfassung der Erfindung

Gemäss der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung vorgeschlagen, mit der einzelne Partikel wie textile Fasern, Nissen oder Schalenteile schnell befördert, klassiert und gemessen werden können, wie dies in den Ansprüchen 1 und 2 definiert ist. In der Vorrichtung ist der Lichtstrahl ein paralleler Lichtstrahl und die Sensormittel für das Licht bestehen aus einem ersten und zweiten Lichtsensor. Beide sind so angeordnet, dass sie Licht aus dem parallelen Lichtstrahl erhalten und sind so dimensioniert und angeordnet, dass sie die Abschattung des Lichts beim Durchgang der Partikel durch den parallelen Lichtstrahl erfassen und ein Abschattungssignal erzeugen.
Das Abschattungssignal liefert nicht nur Angaben über die Geschwindigkeit der Partikel sondern auch über den Anteil des durch die Partikel abgeschattenten Lichtes und diese Angabe entspricht der Bandbreite der Partikel. Da die meisten Baumwollfasern nicht kreisrund sind, haben sie keine einheitliche Breite, wenn sie von einer Seite betrachtet werden. Sie erscheinen dann eher wie ein verdrehtes Band und damit hängt die Breite der Faser vom Betrachtungswinkel ab. Deshalb wird, wenn die Faser den Messraum durchquert, eine durchschnittliche oder mittlere Breite ermittelt indem man den Anteil des abgeschatteten Lichtes beobachtet, der durch die Faser verursacht wird, wenn diese den Messraum durchquert.
Eine zweite vorzugsweise Ausführung der Vorrichtung ist duch einen dritten Lichtsensor gekennzeichnet, der für den Empfang von vorwärtsgestreutem Licht dimensioniert und positioniert ist, das durch Partikel im Lichtstrahl erzeugt wird und der ein Streulichtsignal erzeugt.
Das vorwärtsgestreute Licht enthält Angaben über Oberflächeneigenschaften der Faser und es entspricht besonders gut dem Micronaire Wert der Faser und damit dem Rundmass und der Reife der Faser. Der erste und der zweite Sensor erzeugen ein Signal, wenn sie kein Licht empfangen und diese Signale sind dem Micronaire Wert einer Faser proportional und umgekehrt proportional zu Rundmass und Reife. Deshalb kann man durch eine Kombination der Signale aus dem ersten und/oder zweiten Sensor und dem dritten Sensor (Abschattung und Streulicht kombiniert) Signale generieren, die dem Rundmass, der Querschnittsfläche, der Reife, der geometrischen Form und anderen Parametern entsprechen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die vorliegende Erfindung kann durch Bezugnahme auf eine detaillierte Beschreibung von vorzugsweisen Ausführungen am besten verstanden werden, wenn sie mit den Zeichnungen betrachtet wird. Es zeigen
Figur1 ein Blockschema einer Vorrichtung zur Messung von Einzelpartikeln,
Figuren 2a und 2b eine schematische Ansicht des Sensors und des Messraumes der Vorrichtung, wobei die Figur 2b in einer horizontalen Ebene um etwa neunzig (90) Grad zur Figur 2a gedreht ist,
Figur 3 eine teilweise schematische Darstellung der Düsen und Sensoren im Messraum,
Figur 4 eine Darstellung von zueinander beabstandeten Abschattungssensoren im Messraum der Vorrichtung,
Figur 5 eine schematische Aufsicht, welche den Betrieb vind die Verbindung der Sensoren mit einer Aufbereitungselektronik und einem Rechner zeigt,
Figur 6 eine grafische Darstellung typischer Signale wie sie zwei Abschattungssensoren liefern, wenn eine Faser davor vorbeizieht,
Figur 7 eine grafische Darstellung, die die Signale der beiden Abschattungssensoren überlagert und die Zeitverzögerung veranschaulicht und
Figur 8 eine schematische Darstellung einer Ausführung mit Sensoren für rückwärtsgestreutes Licht und Filtern für die Erfassung von Farb-und Polarisationseigenschaften der Fasern.

Detaillierte Beschreibung von vorzugsweisen Ausführungen

Auf die Figuren bezugnehmend, in denen gleiche oder entsprechende Teile in den verschiedenen Abbildungen mit gleichen Bezugszeichen versehen sind, zeigt Figur 1 ein Blockschema einer Vorrichtung 10 die eine vorzugsweise Ausführung der vorliegenden Erfindung darstellt. Obwohl diese Vorrichtung 10 zur Messung von Fasern vorgesehen ist, kann die Vorrichtung auch Eigenschaften von nichtfaserigen Teilen wie Aerosolen messen. Ein Fasermuster 12 wie z.B. ein Baumwollmuster wird einem Faservereinzier 14 zugeführt, der die einzelnen Fasern des Fasermusters 12 voneinander trennt und diese an eine Leitung 16 abgibt. Der Faservereinzler 12 wird von Zellweger Uster in Knoxville, Tennessee als Teil des AFIS-0 hergestellt. Ein Fluidstrom, vorzugsweise ein Luftstrom wird in der Leitung 16 gebildet und fliesst vom Faservereinzler 14 zu einem Messraum 18. Somit liefert die Leitung 16 Fasern einzeln an den Messraum 18 ab, wo die Fasern erfasst und elektrische Signale entsprechend den Eigenschaften jeder Faser erzeugt werden. Diese Signale werden über eine Leitung 20 an ein elektronisches System 22 abgegeben, das die Signale bearbeitet und untersucht und Informationen speichert, die den erhaltenen Signalen und den Eigenschaften der untersuchten Fasern entsprechen.
Eine Leitung 24 erstreckt sich zwischen dem Messraum 18 und einer Unterdruckquelle 26. Die Unterdruckquelle 26 erzeugt in der Leitung 24 einen Unterdruck, welcher eine Saugwirkung im Messraum 18 und in der Leitung 16 entfaltet und so den Fluidstrom erzeugt.
In Figur 2a ist eine einigermassen schematische Seitenansicht eines Teils des Messraumes 18 zu sehen. Ein Düsenkörper 28 ist vorgesehen um ein Paar Düsen 20 und 32 in einem Abstand zueinandergerichtet zu halten. Die Düse 30 ist angeschlossen um den Fluidstrom und Fasern aus der Leitung 16 zu erhalten und wird als Beschleunigungsdüse bezeichnet, weil der Strom und die Fasern beschleunigt werden, wenn sie durch die Düse 30 hindurchtreten. In ähnlicher Weise ist die Düse 32 an die Leitung 24 angeschlossen und wird als Verzögerungsdüse 32 bezeichnet, weil Fluid und Fasern verzögert werden, wenn sie in die Düse 32 eintreten. Die Düsen 30 und 32 sind mit den verjüngten Enden einander zugekehrt, so dass die Saugwirkung von der Leitung 24 einen Fluidfluss erzeugt, der auf die Leitungen 16 und 24 und auf die Mittelachsen der konisch ausgebildeten Düsen 30 und 32 ausgerichtet ist. Da die Düsen 30 und 32 ausgerichtet sind, treten die beschleunigten Fasern aus der Beschleunigungsdüse 30 aus, durchqueren den Spalt zwischen den Düsen 30 und 32 und treten in die Verzögerungsdüse 32 ein.
In der Figur 2a ebenfalls sichtbar, ist ein paralleler Lichtstrahl 34 der den Spalt zwischen den Düsen 30 und 32 beleuchtet. Der Spalt zwischen den Düsen 30 und 32 wird hier teilweise auch als Messzone bezeichnet.
In Figur 2b sind weitere Details des Messraumes schematisch dargestellt. Der Messraum 18 umfasst ein Messgebiet 36, das das Gebiet um die Düsen 30 und 32 abdichtet (Figur 2a), so dass der Unterdruck in der Leitung 24 (Figuren 1 und 2a) einen Fluidfluss in der Düse 30 und der Leitung 16 erzeugt (Figuren 1 und 2a). Ein paralleler Lichtstrahl 34, vorzugsweise mit einer Wellenlänge von 880mm) tritt über ein Fenster 38 in das Messgebiet 36 ein. Der parallele Lichtstrahl 34 durchquert dann die Öffnung 34, die im Düsenkörper 28 vorgesehen ist und trifft auf den Spalt zwischen den Düsen 30 und 32 (am besten aus Figur 2a ersichtlich). Die Fasern, die zwischen den Düsen 30 und 32 hindurchtreten bewirken ein Abschatten eines Teils des parallelen Lichtstrahles 34 und eine Streuung des Lichts. Null Grad Vorwärtsstreuung des Lichts ist durch gestrichelte Linien 42 und Vorwärtsstreuung durch die Fasern in einem Winkel von vierzig (40) Grad ist durch gestrichelte Linien 44 dargestellt. Mit null Grad vorwärts gestreutes Licht gibt in erster Linie die Abschattung durch die Fasern an und Abschattungssensoren wie Sensor 46b sind angeordnet um solches mit null Grad vorwärtsgestreutes Licht zu erfassen. Obwohl zwei Abschattungssensoren vorgesehen sind, ist nur ein Sensor 46b in Figur 2b gezeigt und der andere Sensor ist hinter dem Sensor 46b versteckt. Ein kreisrunder Schild 48 und eine Linse 50 sind hinter dem Abschattungssensor 46b angeordnet und erfassen und bündeln jedes um vierzig (40) Grad gestreute Licht 44 zum Lichtsensor 52 hin.
Eine Aufsicht der Sensoren 46a und 46b ist in Figur 3 gezeigt. In dieser Aufsicht ist der Fluidstrom durch Pfeile 51 und 54 angegeben und eine Faser 56 ist gezeigt, die die Düse 30 verlässt und vor den Sensoren 46a und 46b durchgeht. Es ist anzumerken, dass der parallele Lichtstrahl 34 unmittelbar vor den Sensoren 46a und 46b auf die Faser auftrifft. Deshalb reagieren die Sensoren 46a und 46b auf die volle Lichtstärke des parallelen Lichtstrahles 34 wenn keine Faser im Lichtstrahl 34 vorhanden ist. Sind Fasern im Lichtstrahl 34 vorhanden, so erhalten die Sensoren 46a und 46b die volle Lichtstärke vermindert um den Teil des durch die Faser 56 abgeschatteten und gestreuten Lichts. In Wirklichkeit wird die Verminderung des Lichts, das die Sensoren 46a und 46b erhalten wenn die Faser 56 vorhanden ist, hauptsächlich durch die Abschattung durch die Faser 56 verursacht.
In Figur 3 ist der kreisförmige Schild 48 und die Linse 50 ebenfalls gezeigt. Man erkennt, dass der Schild 48 und die Linse 50 eine ringförmige Öffnung 58 bilden die vorwärtsgestreutes Licht in einem Winkel von etwa vierzig (40) Grad im Vergleich zu der Richtung des parallelen Lichtstrahles 34 erhält. Der vierzig (40) Grad Winkel ist um dreihundertundsechzig (360) Grad um die Achse des gerichteten Lichtstrahles gedreht.
In Figur 4 sind genauere Ansichten der Sensoren 46a und 46b gezeigt. Die Sensoren 46a und 46b sind zusammenpassende Photodetektoren, die auf einem gemeinsamen Halbleiter durch die Silicon Detector Corp. gefertigt werden. Wie in Figur 4 dargestellt, beträgt der Abstand zwischen der linken Seite des Sensors 46a und der linken Seite des Sensors 46b 530 Mikron. Dementsprechend beträgt der Abstand zwischen den Mitten und den rechten Seiten der Sensoren 46a und 46b ebenfalls 530 Mikron. Der Abstand 62 zwischen der rechten Seite des Sensors 46a und der linken Seite des Sensors 46b beträgt etwa 20 Mikron und der Abstand 64 zwischen den Spitzen und Enden der Sensoren 46a und 46b beträgt 4.57 Millimeter.
Sensoren 46a und 46b werden hauptsächlich verwendet um die Abschattung des Lichts durch Fasern, wie Faser 36 gemäss Figur 3, zu erfassen. Aber es ist nicht ohne weiteres einzusehen, dass die Sensoren 46a und 46b geeignet sind, die Abschattung mit solcher Genauigkeit zu messen, dass daraus die Lage der Faser 56 bestimmt werden kann. Typischerweise hat eine Baumwollfaser eine Bandbreite von ungefähr 20 Mikrometern. Wegen dieser geringen Bandbreite wird das Licht, das auf die Faser auftrifft schnell hinter die Faser gestreut und ergibt damit ein diffuses Streubild. Mit anderen Worten, weil die Faser so klein ist, wirft sie keinen scharf begrenzten Schatten wie man das von einem grösseren Objekt erwartet. Das Streubild oder das mit annähernd null Grad vorwärtsgestreute Licht gleicht einem Schatten im eigentlichen Sinne nicht. Aber ein eigentlicher Schatten ist hier nicht so wichtig wie gleiche, symmetrische und konstante Antworten von beiden Sensoren. Wir haben festgestellt, dass die beider Sensoren 46a und 46b so reagieren können, wenn die Lichtstärke des Lichtstrahles über die ganze Fläche der Sensoren im wesentlichen konstant ist. Wir haben weiter festgestellt, dass der wirkliche Abstand D (siehe Figur 5) wie er zwischen den Düsen 30 und 32 im Messraum gemessen wird, genau eingestellt werden kann indem der Lichtstrahl leicht divergierend (D < d) oder konvergierend (D > d) (siehe Figuren 4 und 5) ausgebildet und in der +Y Richtung gegen den Detektor bewegt wird.
Wenn eine Faser oder ein anderes Teilchen in der +Y Richtung bewegt wird, bewirkt die Abschattung durch die Faser oder das Teilchen eine symmetrische und gleiche Antwort dessen Zeitdifferenz genau dem Abstand D im Raum entspricht. So wird die Geschwindigkeit gemessen. Die Sensoren 46a und 46b erfassen die Abschattung durch die Faser mit genügender Genauigkeit, so dass das Eintreffen der Spitze und des Endes der Faser und andere physikalische Eigenschaften der Faser erfasst werden können. Mit anderen Worten, obwohl die Effekte der Abschattung und Streuung durch die Faser im Vergleich zur Bandbreite der Faser, über einen relativ grossen Teil der Fläche der Sensoren 46a und 46b verteilt sind, sind die Sensoren 46a und 46b doch in der Lage, Signale zu bilden, die angeben, wann die Spitze und wann das Ende der Faser vor den Sensoren 46a und 46b erscheint. Die Signale aus den Sensoren 46a und 46b bilden Kuppen und Mulden deren gegenseitige Stellung verglichen werden kann und so kann die Geschwindigkeit der Faser für mehrere Stellungen in Zeit und Raum wiederholt berechnet werden.
Es ist zu beachten, dass die Ausdehnung der Sensoren 46a und 46b in einer, zur Bewegungsrichtung der Fasern parallelen Richtung relativ klein ist Doch in einer, zur Bewegungsrichtung der Fasern senkrechten Richtung haben die Sensoren eine relativ grosse Ausdehnung, welche es den Sensoren erlaubt, Abschattung auch dann zu messen, wenn die Fasern nicht jedesmal im gleichen Gebiet vorbeigehen. Obwohl das Streusignal auf dem Sensor viel grösser sein kann als die Faser selbst, so wird das ganze Streusignal doch immer auf die Sensoren 46a, 46b fallen, dies mindestens in einer senkrechten Richtung zu ihrer Bewegung. Mit anderen Worten wird die Faser wie in Figur 4 gezeigt in x-Richtung wandern und das Streusignal, das von der Faser erzeugt ist, wird in z-Richtung verschleiert und vergrössert werden. Doch wegen der, im Vergleich zur Bandbreite der Faser, der Grösse des Streusignales oder der Dimension der Sensoren 46a, 46b in x-Richtung, relativ grossen Ausdehnung der Sensoren 46a und 46b in z-Richtung, werden die Sensoren immer die Abschattung in z-Richtung erfassen. Es ist der Empfang von Abschattungsdaten in der z-Dimension, der die Erfassung von physikalischen Eigenschaften der Faser mit genügender Auflösung und damit die genaue zeitliche Erfassung des Fluges der Faser erlaubt.
In Figur 5 ist eine weitere schematische Darstellung des Sensors und des Messraumes 18 und des elektronischen Systems 22 gezeigt. In dieser Darstellung ist zu erkennen, dass die Faser 56 ein vorderes Ende 66 und ein hinteres Ende 68 aufweist. Wenn das vordere Ende 66 zuerst in den Lichtstrahl 34 eintritt, streut es Licht und bewirkt eine Abschattung.
In Figur 5 stellt die gestrichelte Linie 70 Licht dar, das durch die Faser 56 von der linken Seite des Lichtstrahles in einem Winkel von fünfzig (50) Grad vorwärtsgestreut wird. In gleicher Weise stellt die gestrichelte Linie 72 Licht dar, das in einem Winkel von dreissig (30) Grad vorwärtsgestreut ist und von der linken Seite des Lichtstrahles 34 stammt. Die gestrichelte Linie 74 stellt Licht dar, das von der rechten Seite des Lichtstrahles 34 stammt und in einem Winkel von fünfzig (50) Grad gestreut ist und die gestrichelte Linie 76 stellt Licht dar, das von der rechten Seite des Lichtstrahles 34 stammt und in einem Winkel von dreissig (30) Grad gestreut ist. Das Licht zwischen den gestrichelten Linien 70 und 72 und zwischen den gestrichelten Linien 74 und 76 wird in der Linse 50 gesammelt und auf den Sensor 52 fokussiert. So wird die Linse 50 vorwärtsgerichtetes Licht in einem Ring sammeln, wie das Figur 3 am besten zeigt, das in einem Winkel zwischen dreissig und fünfzig Grad gestreut ist.
Licht das durch die Faser 56 aus dem Zentrum des Lichtstrahles 34 gestreut wird, wird Streuwinkel haben, die grösser als fünfzig Grad sind. Doch die Vorrichtung, die in Figur 5 gezeigt ist, soll zeigen was Benützer unter vorwärtsgestreutem Licht von etwa vierzig Grad verstehen.
Wie in Figur 5 gezeigt ist, wird das Licht, das durch die Sensoren 46a und 46b erfasst wird, in elektrische Signale gewandelt, die durch Leitungen 78 und 80 zu Verstärkern 82 und 84 dann zu einer Auswerteelektronik 86 übertragen werden. In ähnlicher Weise wird Licht, das durch die Linse 50 auf den Sensor 52 fokussiert wird, in ein elektrisches Signal gewandelt, das durch Leitungen 88 und den Verstärker 90 zu der Auswerteelektronik 86 geleitet wird.
Bei den Signalen, die von den Sensoren 46a und 46b stammen, ist die Auswerteelektronik 86 dazu ausgebildet, Spannungsabfälle zu erkennen, die der Abschattung des Lichts durch die Fasern 56 entsprechen, wenn diese vor den Sensoren 46a und 46b durchlaufen. Die Signale aus den Sensoren 46a und 46b können analog auf einer Anzeige 92 abgebildet werden, die vorzugsweise als Oszilloskop ausgebildet ist. Die Signale werden aber auch digitalisiert und dem Rechner 94 zugeführt, wo sie gespeichert und weiter untersucht werden. Eine Anzeige 96 ist ebenfalls mit dem Rechner 94 verbunden, so dass Buddarstellungen auch von den digitalen Signalen gemacht werden können, die den Signalen aus den Sensoren 46a und 46b entsprechen.
Das Signal aus dem Sensor 52 wird mit seiner Spannung zunehmen wenn eine Faser 56 vorhanden ist, was der Wirkung der Faser 56 auf das Licht, das die Sensoren 46a und 46b erhalten, entgegensteht. Deshalb ist die Auswerteelektronik 86 dazu ausgebildet, Spannungszunahmen im Signal aus dem Sensor 52 zu erkennen. Wie bekannt, können die Signale aus dem Sensor 52 auf der Anzeige 92 analog dargestellt werden. Sie werden auch in digitale Signale gewandelt und im Rechner 94 gespeichert. Auch die digitalen Daten, welche den Signalen vom Sensor 52 entsprechn, können auf dem Bildschirm 96 dargestellt werden.
Die Arbeitsweise der Vorrichtung 10 kann am besten unter Zuhilfenahme der Figuren 5 und 6 verstanden werden. Figur 6 zeigt die Darstellung von zwei Signalen 100 und 102 auf einem Oszilloskop die von den Sensoren 46a und 46b ausgehen. Die x-Achse der Darstellung ist für die Zeit, die y-Achse für die Spannung des Signals vorgesehen Obwohl das Signal 100 wesentlich über das Signal 102 hinaus verschoben ist, ist zu bedenken, dass die der Grundlinie entsprechenden Spannungen für beide Signale fast die gleichen sind. Doch zur Illustration ist die Darstellung des Signals 100 gegenüber der Darstellung des Signals 102 nach oben verschoben. Mit anderen Worten ist die Basis- oder Nulllinie des Signals 100 wesentlich über der Basis- oder Nulllinie des Signals 102.
Wenn das Vorderende der Faser 56 vor dem Sensor 46a erscheint, steigt die Darstellung des Signales 100 steil an. Nachdem das Signal eine bestimmte Höhe erreicht hat welche durch das Bezugszeichen 104 angegeben ist, nimmt man an, dass das Vorderende der Faser einen bestimmten Punkt im Raum unmittelbar vor dem Sensor 46a passiert. Wenn das Signal 102 eine bestimmte Spannung erreicht hat, die mit dem Bezugszeichen 106 angegeben ist, befindet sich dementsprechend das Vorderende der Faser an einem bestimmten Punkt im Raum vor dem Sensor 46b. Die Bezugszeichen 104 und 106 weisen auf Punkte in den beiden Darstellungen hin, die die gleiche Spannung über der Null- oder Basislinie der betreffenden Darstellung angeben. Man erkennt, dass das Signal 100, die mit dem Bezugszeichen 104 vorgegebene Höhe erreicht kurz bevor das Signal 102, die mit dem Bezugszeichen 106 angegebene Höhe erreicht. Dieser Unterschied stellt die Zeit dar, die das Vorderende der Faser braucht, um von dem bestimmten Punkt vor dem Sensor 46a zum entsprechenden Punkt vor dem Sensor 46b zu wandern.
Wenn das Signal 100 unter einen vorbestimmten Referenzwert fällt, wie er durch das Bezugszeichen 108 angegeben ist, befindet sich das Hinterende der Faser 56 an dem bestimmten Punkt vor dem Sensor 46a. Wenn das Hinterende der Faser 56 an dem bestimmten Punkt vor dem Sensor 46b erscheint, sinkt die Spannung des Signals 102 zum Wert ab, der durch das Bezugszeichen 110 angegeben ist.
Die Zeitdifferenz zwischen den Positionen, die durch die Bezugszeichen 108 und 110 angegeben sind, gibt die Zeit an, die das Hinterende der Faser 56 braucht, um von dem vorgegebenen Punkt vor dem Sensor 46a zum entsprechenden Punkt vor dem Sensor 46b zu wandern. Auch wenn man die charakteristischen Kuppen und Mulden der beiden Signale beobachtet, kann man feststellen, dass die Kuppen und Mulden des Signals 100 vor den Kuppen und Mulden des Signals 102 auftreten Diese Kuppen und Mulden stellen physikalische Eigenschaften der Faser dar und das Auftreten einer Kuppe im Signal 100 gibt an, dass eine bestimmte physikalische Eigenschaft vor dem Sensor 46a aufgetreten ist. Dann gibt die entsprechende Kuppe oder Mulde im Signal 102 an, dass dieselbe physikalische Eigenschaft vor dem Sensor 46b erschienen ist. Durch Vergleich der zeitlichen Positionen de Kuppen und Mulden zwischen den Signalen 100 und 102 kann man wieder die Zeit berechnen, die diese Eigenschaften benötigen, um vom Sensor 46a zum Sensor 46b zu gelangen.
Es wurde festgestellt, dass die Faser in der genannten Vorrichtung beschleunigt wird, wenn sie zwischen den Düsen 30 und 32 und vor den Sensoren 46a und 46b bewegt wird. Da die Faser beschleunigt wird, braucht das Hinterende der Faser weniger Zeit als das Vorderende um die gleiche Strecke zurückzulegen. Dieser Effekt kann am besten anhand von Figur 7 beobachtet werden, in welcher die Signale der Sensoren 46a und 46b einander überlagert sind. In dieser Ansicht sind zwei entsprechende Spitzen in den beiden Kurven allgemein mit dem Bezugszeichen 112 gekennzeichnet. Diese beiden Spitzen stellen physikalische Eigenschaften dar, die in der Nähe des Vorderendes der Faser auftreten. Entsprechend sind zwei weitere entsprechende Spitzen der beiden Kurven mit Bezugszeichen 114 gekennzeichnet und diese beiden Spitzen stellen eine physikalische Eigenschaft in der Nähe des Hinterendes der Faser dar. Es ist zu beachten, dass die beiden Spitzen 112 einen grösseren Abstand als die Spitzen 114 zueinander haben. Das bedeutet, dass das Vorderende der Faser mehr Zeit als das Hinterende braucht, um dieselbe Strecke zurückzulegen. Deshalb bewegte sich das Vorderende der Faser vor den Sensoren 46a und 46b langsamer als das Hinterende der Faser. Indem man den Zeitunterschied zwischen entsprechenden Spitzen in den beiden Signalen misst, kann man die augenblickliche Geschwindigkeit der Faser zu verschiedenen Zeiten und an verschiedenen Orten bestimmen. Die Beschleunigung wird durch den Rechner 94 aus der Veränderung der Geschwindigkeit und aus der Zeit zwischen den zwei Messungen, nach der Erkenntnis, dass die Veränderung der Geschwindigkeit der Beschleunigung multipliziert mit der Zeit entspricht, berechnet. Man hat herausgefunden, dass die Beschleunigung der Faser nicht linear ist, sie ist leicht parabolisch. Doch die Beschleunigung ist näherungsweise genügend linear, so dass die Länge der Faser genau bestimmt werden kann, indem die Geschwindigkeit des Vorderendes und die Geschwindigkeit des Hinterendes gemessen und daraus eine mittlere Geschwindigkeit der Faser ermittelt wird. Um die Länge einer Faser zu bestimmen, bestimmt man zuerst die Zeitdifferenz zwischen den Zeiten in denen das Vorderende eine spezielle Stelle vor den Sensoren 46a und 46b und in denen das Hinterende dieselbe Stelle passiert. Multipliziert man diese Zeitdifferenz mit der mittleren Geschwindigkeit, so erhält man ein Produkt das der Länge der Faser entspricht.
Eine andere Art, die Geschwindigkeit der Faser herauszufinden, besteht darin, die Zeit zu bestimmen, die das Vorderende benötigt um sich von einer Stelle vor dem Sensor 46a zu einer Stelle vor dem Sensor 46b zu bewegen (Vorderendzeit) und die Zeit zu bestimmen, die das Hinterende benötigt um sich zwischen den beiden gleichen Stellen zu bewegen (Hinterendzeit). Dann wird die Vorderendzeit und die Hinterendzeit gemittelt um eine mittlere Zeit zu erhalten. Die Fasergeschwindigkeit ergibt sich dann durch Division des Abstandes zwischen den beiden Stellen durch die mittlere Zeit. Da die Beschleunigung der Faser nicht konstant ist, hängt die mittlere oder angenommene Fasergeschwindigkeit von der gewählten unter den beiden genannten Methoden zur Bestimmung der Geschwindigkeit ab. Doch beide Methoden sind genauer als eine konstante Geschwindigkeit anzunehmen oder als die Geschwindigkeit nur einmal zu messen. Es können aber auch andere mathematische Modelle benützt werden, um die mittlere Geschwindigkeit, die Fasergeschwindigkeit oder die Faserlänge ausgehend von zwei oder mehr Zeitmessungen vorauszusehen.
Bezugnehmend auf Figur 6 hat man ferner entdeckt, dass die integrierte Fläche unterhalb der Kurven der Signale 102 und 104 der durchschnittlichen oder mittleren Bandbreite der Faser gut entspricht. Mit anderen Worten gibt die mittlere Amplitude der Signale, die durch die Sensoren 46a und 46b erzeugt werden, die mittlere Bandbreite der Faser an. Deshalb erzeugt der Rechner 94 Daten über die mittlere Bandbreite der Faser indem er die mittlere Amplitude des Signals, das er von den Sensoren 46a oder 46b erhält, berechnet und speichert. Wenn die Faserlänge und die Bandbreite durch den Rechner 94 bestimmt sind, berechnet er weiter den Formfaktor der Faser (Längelbandbreite) der eine Information zur Form ist. Der Rechner 94 erfasst auch die mittlere Frequenz der Signale von den Sensoren 46a und 46b und dies ist ebenfalls eine Information zur Form weil die Frequenz den Anteil niederfrequenter Windungen in der Faser angibt.
Es ist zu bemerken, dass beide Figuren 6 und 7 zunehmende Spannungen bei der Anwesenheit von Fasern 56 im Lichtstrahl 34 und vor den Sensoren 46a und 46b zeigen. In Wirklichkeit wird die Menge oder Intensität des Lichts vor den Sensoren 46a und 46b durch die Anwesenheit einer Faser 56 vermindert. Doch wegen der Klarheit der Darstellung kehrt die Auswerteelektronik die Signale so um, dass ein abnehmendes Signal von den Sensoren 46a und 46b durch ein ansteigendes Signal auf der Anzeige 92, die vorzugsweise ein Oszilloskop ist, dargestellt wird.
Das in Figur 5 gezeigte System ist besonders gut geeignet um Eigenschaften von Baumwolifasern einzeln zu messen. Weil Baumwolle so komplex ist, sind verschiedene Parameter benützt worden, um seine Querschnittseigenschaften zu beschreiben. Wichtig in diesem Zusammenhang sind Dr = Bandbreite, A = Querschnittsfläche (mit oder ohne Lumen), = Rundmass = A geteilt durch die Fläche eines Kreises mit dem gleichen Umfang P, und Mic = Micronaire Luftdurchlässigkeit. Andere Parameter umfasser F = Feinheit oder lineare Dichte, gemessen in gm/km = tex, und M = Reife. Die Reife wird auf mehrere Arten gemessen, die sich alle mehr oder weniger auf die biologische Reife beziehen, die sich in der Wandstärke t der Faser bei der Ernte äussert. Aus der grundlegenden Faserphysik ergibt sich dass, F = pA, wobei p die Dichte der Zellulose, gm/cm³ und das unmittelbarste Mass für die Reife sind. Deshalb ist F direkt proportional zu A und ist direkt proportional zu M.
Experimentell und theoretisch kann man betreffend das System gemäss Figur 5 folgende Schlüsse ziehen:
1. Das vorwärtsgestreute Signal des Sensors 52 (Vs) korreliert stärker mit der Oberfläche als mit der Breite der Faser.
2. Die Abschattungssignale der Sensoren 46a oder 46b (Ve) korrelieren miteinander.
3. Vs und Ve korrelieren schlecht und liefern deshalb teilweise unabhängige Daten über Querschnittsparameter der Faser.
Teilweise auf diese Schlüsse abgestützt, ergibt sich, dass Vs und Ve als Daten benützt werden können, die mit der Feinheit (F) und der Reife (M) korrelieren. Um diese Korrelation abzuschätzen, haben wir Daten aus dem AFIS 1 mit Daten verglichen, die aus der Bildauswertung und aus dem Micronaire Verfahren gewonnen wurden. Wir haben herausgefunden, dass Daten aus der Bildauswertung, Micronaire und AFIS 1 den folgenden Beziehungen folgen:
(1) Mic=0.679Vs-5.505, r²=0.84
(2) V&supmin; &supmin; =1.218 Mic+2.625, r²= 0.90
Deshalb ergibt sich ein Verfahren zum Voraussagen des mittleren Rundmasses ( &supmin;) und der Querschnittsfläche (A&supmin;) wie folgt. Bestimme mit Gleichung 1 Mic mit Vs Daten aus dem AFIS 1. Benütze den vorausbestimmten Mic Wert und das gemessene Ve in Gleichung 2 um &supmin; zu bestimmen. Dann kann man mit den berechneten Werten für &supmin; und Mic A&supmin; bestimmen, durch Lösen der Gleichung:
(3) A&supmin; &supmin; = 0.450 Mic² + 16.081 Mic - 3.591
Da F zu A proportional ist, folgt, dass A auch ein Mass für die Feinheit F&supmin; ist. Da M ebenfalls proportional zu ist, folgt, dass &supmin; ein Mass für die Reife M ist.
Mit Bezug auf Figur 5 speichert der Rechner 94 zusätzlich zu anderen Informationen, wie Länge und Bandbreite, wie oben beschrieben für jede Faser Vs und Ve. Nachdem alle Fasern eines Musters geprüft sind, berechnet der Rechner 94 A&supmin;, &supmin; und Mic und dies, wenn gewünscht, mit Vs und Ve.
Figur 8 zeigt eine weitere Ausführung der vorliegenden Erfindung bei der ein Paar Sensoren 100 und 102 für rückgestreutes Licht vorgesehen sind, die Licht empfangen sollen, das vom Strahl 34 durch die Faser 56 zurückgestreut wird. Die Lichtquelle 33 in Figur 8 erzeugt einen parallelen Strahl 34 mit weissem Licht (mit breiter Wellenlängenverteilung) um Farbmessungen zu erleichtern. Ein Filter 104 ist vor dem Detektor 100 aufgebaut und eine Linse 106 ist vorgesehen um Licht, das durch das Filter 104 zum Sensor 100 übertragen wird, zu fokussieren. In gleicher Weise ist ein Filter 108 vor dem Detektor 102 aufgebau und eine Linse 110 ist vorgesehen um Licht, das durch das Filter 108 zum Sensor 102 übertragen wird zu fokussieren. Ein Filter 112 ist vor den Detektor 46a und 46b aufgebaut und ein Filter 114 ist ebenso vor dem Detektor 52 aufgebaut. So erhalten alle Detektoren in der Ausführung gemäss Figur 8 Licht duch ein Filter.
Die Filter 104, 108, 112, 114 werden durch die Auswerteeinheit 86 und den Rechner 94 über Leitungen 116, 118 120 und 122 gesteuert. Indem Signale über diese Leitungen übertragen werden, kann die Auswerteelektronik 86 die Polarität und die Frequenzantwort der Filter 104, 108, 112 und 114 steuern. Auf diese Wiese kann die Vorrichtung gemäss Figur 8 so betrieben werden, dass Polaritätseigenschaften und Farbeigenschaften die die Faser 56 bei der Vorwärtssteuerung (Filter 114 und Detektor 52), bei der Abschattung oder annährend fehlendem vorwärtsgesteuertem Licht (Sensoren 46a und 46b und Filter 112) und bei rückwärtsgesteuertem Licht (Filter 104 und 108 und Detektoren 100 und 102) erzeugt, berücksichtigt werden.
Obwohl alle Filter zum Erkennen der Farbe oder Polarisierung verwendet werden können, sollen vorzugsweise das Filter 104 und der Detektor 110 Grauwerte und das Filter 108 und der Detektor 102 Gelbewerte der Baumwollfaser erfassen.
Es ist ebenfalls voruziehen, Angaben über die Polarität in erster Linie über die Filter 112 udn 114 sowie die Detektoren 46a und 46b zu erhalten. Die Angaben über Grauwerte, Gelbwerte und Polarität werden über die Auswerteeinheit übertragen und im Rechner 94 für jede Faser gespeichert.
Aus dem Vorhergehenden geht hervor, dass die vorliegende Erfindung es ermöglicht, die Geschwindigkeit einer Faser sehr genau zu messen und aus der Geschwindigkeit die Länge der Faser zu berechnen. Zusätzlich kann die mittlere Bandbreite aus Angaben über die Abschaltung rasch ermittelt werden und aus Angaben über die Oberflächeneigenschaften der Faser kennzeichnend ist. Insbesondere ist bekannt, dass das Oberflächensignal (Vs) direkt zum Micronaire in Beziehung steht und dass mit den Formeln 1, 2, und 3 &supmin; und A&supmin; berechnet werden können. Deshalb können mit der vorliegenden Erfindung Einzelfasern aus einem Muster schnell untersucht werden und, da Eigenschaften jeder Faser gemessen werden, können durch den Rechner 94 auch mehrfachabhängige Daten erzeugt werden.
Beispielsweise kann der Rechner zusätzlich zu der Längenverteilung in einem Muster auch die Verteilung der Länge in Abhängigkeit des Durchmessers für das Muster oder andere mehrfach abhängige Verteilungen berechnen, welche auf einer der gemessenen Eigenschaften wie Farbe, Form, Micronaire, A&supmin;, &supmin; oder anderen beruht.

Claims

1. Vorrichtung zum schnellen Fördern, Klassieren und Messen von Eigenschaften von vereinzelten Partikeln (12) wie textilen Fasern (56), Nissen oder Schalenteilen, wobei jedes Partikel eine Länge, d.h. Hauptachse und ein vorderes Ende und ein hinteres Ende aufweist, die längs der Hauptachse beabstandet sind mit einer ersten Leitung (16) zum Fördern der einzelnen Partikel, Mitteln (14) zur Abgabe von einzelnen Partikeln auf einmal an die erste Leitung, Mitteln (26) zum Erzeugen eines Fluidstromes (51) in der ersten Leitung, einer Beschleunigungsdüse (30) zum Beschleunigen der Partikel, welche an die erste Leitung angeschlossen ist, einer zweiten Leitung (24) zum Aufnehmen und Fördern der einzelnen Partikel aus der ersten Leitung (16), einem Spalt zwischen der ersten und der zweiten Leitung, deren Enden in einem Messraum (18, 36) liegen, in dem der Spalt liegt, der von den Partikeln und dem Fluidstrom durchströmt wird, einer Quelle für einen Lichtstrahl (34) der den Spalt durchquert, den Fluidstrom kreuzt und auf die Partikel im Fluidstrom sowie auf einen Lichtsensor zum Erfassen der Gegenwart von Partikeln auftrifft, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtsensor einen stromaufwärts und einen stromabwärts angeordneten Sensor (46a, 46b) aufweist, die in der Richtung parallel zur Bewegungsbahn der Partikel im Spalt beabstandet sind, die Sensoren gegen die Quelle für den Lichtstrahl gerichtet sind um auf die Abschattung des Lichts durch die Partikel anzusprechen und ein Ausgangssignal abzugeben, ein Rechner (94) vorgesehen ist um aus den Ausgangssignalen der Sensoren die Zeitpunkte zu ermitteln, zu denen die vorderen und hinteren Enden jedes Partikels jeden Sensor passieren, dieser Rechner die Zeitdifferenz zwischen Zeiten zu denen das vordere und das hintere Ende einen Sensor passiert bestimmt und diese Zeitdifferenz mit der mittleren Geschwindigkeit der Partikel multipliziert um die Länge der Partikel zu erhalten, wobei diese mittlere Geschwindigkeit dadurch berechnet wird, dass aus den genannten Zeiten und dem Abstand zwischen den Sensoren die Geschwindigkeiten des vorderen und des hinteren Endes und daraus die mittlere Geschwindigkeit des Partikels berechnet wird.

2. Vorrichtung zum schnellen Fördern, Klassieren und Messen von Eigenschaften von vereinzelten Partikeln (12) wie textilen Fasern (56), Nissen oder Schalenteilen, wobei jedes Partikel eine Länge, d.h. Hauptachse und ein vorderes Ende und ein hinteres Ende aufweist, die längs der Hauptachse beabstandet sind, mit einer ersten Leitung (16) zum Fördern der einzelnen Partikel, Mitteln (14) zur Abgabe von einzelnen Partikeln auf einmal an die erste Leitung, Mitteln (26) zum Erzeugen eines Fluidstromes (51) in der ersten Leitung, einer Beschleunigungsdüse (30) zum Beschleunigen der Partikel, welche an die erste Leitung angeschlossen ist, einer zweiten Leitung (24) zum Aufnehmen und Fördern der einzelnen Partikel aus der ersten Leitung (16), einem Spalt zwischen der ersten und der zweiten Leitung, deren Enden in einem Messraum (18, 36) liegen, in dem der Spalt liegt, der von den Partikeln und dem Fluidstrom durchströmt wird, einer Quelle für einen Lichtstrahl (34) der den Spalt durchquert, den Fluidstrom kreuzt und auf die Partikel im Fluidstrom sowie auf einen Lichtsensor zum Erfassen der Gegenwart von Partikeln auftrifft, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtsensor einen stromaufwärts und einen stromabwärts angeordneten Sensor (46a, 46b) aufweist, die in der Richtung parallel zur Bewegungsbahn der Partikel im Spalt beabstandet sind, die Sensoren gegen die Quelle für den Lichtstrahl gerichtet sind um auf die Abschattung des Lichts durch die Partikel anzusprechen und ein Ausgangssignal abzugeben, ein Rechner (94) vorgesehen ist um aus den Ausgangssignalen der Sensoren die Zeitpunkte zu ermitteln, zu denen die vorderen und hinteren Enden jedes Partikels jeden Sensor passieren, dieser Rechner die Zeitdifferenz zwischen Zeiten zu denen das vordere und das hintere Ende einen Sensor passiert bestimmt und diese Zeitdifferenz mit der mittleren Geschwindigkeit der Partikel multipliziert um die Länge der Partikel zu erhalten, wobei diese mittlere Geschwindigkeit dadurch berechnet wird, dass die Zeit ermittelt wird, die das vordere Ende und die das hintere Ende benötigen um vom stromaufwärts liegenden Sensor zum stromabwärts liegenden Sensor zu gelangen, dass das Mittel aus diesen beiden Zeiten ermittelt wird, und dass die mittlere Geschwindigkeit der Partikel durch Division des Abstandes zwischen den Sensoren durch das Mittel der beiden Zeiten bestimmt wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der stromaufwärts liegende Sensor und der stromabwärts liegende Sensor neben dem Messraum angeordnet sind um Licht von einem parallelen Lichtstrahl zu erhalten und ein Abschattungssignal zu erzeugen (Ve).

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtsensor einen weiteren, neben dem Messraum angeordneten Sensor (52) aufweist, der so dimensioniert und angeordnet ist, dass er vorwärtsgestreutes Licht empfängt, das durch Partikel erzeugt wird, die den Messraum durchqueren und dabei ein Streusignal (Vs) abgeben.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch Mittel zum Berechnen des mittleren Durchmessers aus der Abschattung jedes Partikels das den Messraum durchquert.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch Mittel welche auf das Streusignal ansprechen und daraus für die Partikel, welche den Messraum durchqueren, Daten über die Beschaffenheit der Oberfläche erzeugen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren so ausgebildet und angeordnet sind, dass sie das ganze vorwärtsgestreute Licht empfangen, welches durch die Partikel in einem Winkel von etwa vierzig (40) Grad zur Richtung des Lichtstrahles gestreut ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren so ausgebildet und angeordnet sind, dass sie das ganze vorwärtsgestreute Licht empfangen, welches durch die Partikel in einem Winkel zwischen etwa vierzig (30) Grad und etwa fünfzig (50) Grad zur Richtung des Lichtstrahles gestreut ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch Mittel zum Berechnen des Rundmasses aus dem Streusignal (Vs) und aus dem Abschattungssignal (Ve).

10. Vorrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch Mittel zum Berechnen der mittleren Querschnittsfläche aus dem Streusignal (Vs) und aus dem Abschattungssignal (Ve).

11. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Rechner die Beschleunigung jedes Partikels aus Zeiten berechnet, zu denen das vordere und das hintere Ende jedes Partikels an jedem Sensor vorbeigeht.