Table Of ContentOK 677.1/.5-494:531.71.082.72
FORSCH U NGSBE RICHTE
DES WIRTSCHAFTS- UNO VERKEHRSMINISTERIUMS
NORDRH EI N-WESTFALE N
Herausgegeben von Staatssekretar Prof. Dr. h. c. Dr. E. h. Leo Brandt
Nr.633
Prof. Dr.-Ing. Walther Wegener
Dipl.-Ing. Egon Haase-Deyerling
Institut fur Textiltechnik der Technischen Hochschule Aachen
Entwicklung und Bau eines vollautomatischen Faserlangen
prufgerates (Stapelprufgerat) auf kapazitiver Grundlage,
Erprobungen dieses Gerates und Vergleich mit den
bislang ublichen Verfahren auf manueUer Basis
All Manuskript gedruckt
Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH
1958
ISBN 978-3-663-03619-7 ISBN 978-3-663-04808-4 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-663-04808-4
Forschungsberichte des Wirtschafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen
Gliederung
s.
Vorwort • 5
s.
I. Der Aufbau des Gerätesatzes • 6
s.
11. Die Ausschaltung des Lage- und Formeffektes •• 8
111. Die Uberprüfung der Wirkungsweise des Kondensators. S. 11
IV. Die Deutung des Meßergebnisses im Hinblick auf das
s.
Stapeldiagramm • • • • • • • • • • • • • • • • • • 14
V. Die Verwendung des Stapel-Diagraphen zur Faserlänge.n .- .
s.
messung • • • 15
VI. Die Abtastung des endengeordneten Stapels •• S. 15
VII. Die Abtastung des negativen Faserbartes • • • • S. 11
VIII. Vergleichende Messungen • ., • • • • • • • • • • • S. 21
. . .
Zusammenfassung • • • • S. 30
. .
Literaturverzeichnis S. 32
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,Forschunpisberich:te des Wi:t"tschafts- und VElrkehrsministeriums Nordrh;ein-Westfalen
Vor w 0 r t
Für die Verarbeitung von Textilfasern ist die Kenntnis ihrer Längen und
deren Verteilung von großer Bedeutung. Die Faserlänge beeinflußt die Aus
spinnbarkeit und die Garnfestigkeit, ferner ist die Streckwerkseinstellung
von ihr abhängig. Auch zur Kontrolle von Maschinenprozessen wird diese
Größe herangezogen.
Die Schwierigkeit bei der Faserlängenmessung liegt darin begründet, daß
die Einzellängen in den meisten Fällen stark streuen. Deshalb ist die
Ermittlung von genügend genauen Ergebnissen langwierig, so daß die Be
triebe vielfach darauf verzichten. Die bislang entwickelten verschiede
nen Schnellverfahren gestatten zwar einen tlberblick über den Stapelver
lauf, lassen jedoch hinsichtlich einer ausreichenden Genauigkeit zu wün
schen übrig. Ein weiterer Nachteil ist, daß sie sich oft nur für Baum
wolle bzw. farblose Fasern eignen.
Der von den Verfassern entwickelte Stapel-Diagraph [1,2,3J soll diese
Lücke ausfüllen. Mit Hilfe dieses Gerätes wird der Stapel im Hochfrequenz
kondensatorfeld abgetastet und eine Längenfunktion in Diagrammform auf
gezeichnet.
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Forschungsberichte des Wirtschafts- unq Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen
I. Der Aufbau des Gerätesatzes
Der Stapel-Diagraph setzt sich aus dem eigentlichen Abtastgerät, der elek
trischen Meßeinrichtung und dem Diagrammschreiber zusammen (Abb. 1 u. 2).
A b b i 1 dun g 1
Das Abtastgerät "Stapel - Diagraph"
A b b i 1 dun g 2
Der Gerätesatz zur Faserlängenmessung mit dem "Stapel - Diagraphen"
Das Abtastgerät (Abb. 1 u. 3) besteht im wesentlichen aus dem Längsfeld
kondensator (vgl. Abschnitt 11), der durch zwei übereinanderliegende
Elektrodenpaare gebildet wird, und aus zwei beiderseits durch einen Mo
tor angetriebene Walzen, die die Probe durch den Kondensator hindurch
ziehen. Um das einwandfreie Mitnehmen des Prüfgutes zu gewährleisten,
werden die Walzen federnd zusammengepreßt. Außerdem können sich die Wal
zenachsen gegeneinander bewegen, so daß, den Gegebenheiten entsprechend,
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Forsohungsberiohte des Wirtsohafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen
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A b b i 1 dun g 3
Blockschaltbild des Stapel - Diagraphen
ein Anschmiegen an die ungleichmäßige Dicke quer zur Längsrichtung der
Fasern möglich ist. Der Vorschub erfolgt mit einer konstanten Geschwin
digkeit von 1 mm/sec. Das Prüfgut wird in eine dünne Trolitulfolie von
1/100 mm Stärke eingeschlagen, damit - infolge des Abstandes Walzen/
Elektroden - auch der Anfang des Stapels durch die Elektroden abgetastet
und eine gegenseitige Verschiebung der Fasern vermieden wird. Das Kern
stück der Meßeinrichtung wird durch die Trägerfrequenzmeßbrücke "Textro
nograph" gebildet (vgl. Abb. 2 u. 3), die in vielen Betrieben der Textil
industrie zur Messung der Garnungleichmäßigkeit Eingang gefunden hat.
Dort ist also zur Faserlängenmessung nur die Anschaffung des Abtastge
rätes erforderlich (Textronograph und Abtastgerät werden von der Firma
Dipl.-Ing. Haase-Deyerling, Meß- und Regeltechnik, Negenborn/Hannover,
hergestellt).
Der Textronograph enthält einen Hochfrequenzgenerator, der eine Wechsel
spannung von konstanter Amplitude und von konstant hoher Frequenz an eine
Brückenschaltung abgibt. Die Schaltung dieser Brücke, deren einer Brük
kenzweig aus dem Abtastkondensator besteht, wird derart mit einer Hilfs
kapazität abgeglichen, daß die Brücke symmetrisch wird und der Brücken
ausgang keine Hochfrequenzspannung an die nachfolgenden Verstärkerele
mente abgibt, wenn sich im Abtastkondensator keine Fasermasse befindet.
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Forschungsberichte des Wirtschafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen
Es ist möglich, auch die einhüllende Folie in diesen Abgleich einzube
ziehen, so daß ausschließlich eine der Fasermenge entsprechende propor
tionale Spannung gebildet wird, die über den Hochfrequenzverstärker,
Spannungsregler, Hochfrequenzgleichrichter und Leistungsverstärker einen
Strom erzeugt, der den Stromschreiber aussteuert. Da die im Abtastkon
densator entstehende Kapazitätsänderung sehr klein ist, ist auch die ent
stehende Brückenasymmetrie und die dadurch bedingte Spannung sehr gering,
so daß eine erhebliche Verstärkung erforderlich ist. Sämtliche Geräte
sind für eine Netzspannung von 220 Volt, 50 Hz dimensioniert.
Als Schreiber ist ein Gerät vorgesehen, dessen Vorschub des Diagramm
papiers dem Vorschub des Abtastgerätes von 1 mm/sec entspricht, so daß
die Längenwerte dort gleich richtig abgelesen werden können. Durch Um
schalten sind jedoch Papiervorschübe von 0,5 und 2 mm/sec vorgesehen,
so daß sich bei kurzen und langen Fasern passende Diagramme ergeben.
11. Die Ausschaltung des Lage- und Formeffektes
Um entsprechende Voraussetzungen für eine genaue Messung der Faserlängen
werte zu schaffen, ist es unumgänglich notwendig, daß das verwandte kapa
zitive Abtastsystem einen linearen Zusammenhang zwischen der jeweils
sich im Kondensator befindlichen Masse der Fasern und der zugehörigen
Kapazitätsänderung gewährleistet.
Bei der üblichen Kondensatoranordnung (Querfeldkondensator), bei der das
elektrische Feld von zwei parallelen Platten gebildet wird, die Feldli
nien senkrecht aus einer Platte heraustreten und senkrecht wieder in die
andere Platte hineinströmen, ist dieser lineare Zusammenhang nur gegeben,
wenn die abzutastende Masse homogen ist und den Kondensator voll ausfüllt
oder - falls es sich um eine dünnere homogene Schicht handelt - wenn
diese Schicht überall dieselbe Dicke aufweist und gleichzeitig zwischen
den Elektroden nicht ohne Führung hin und her wandert.
Für den vorliegenden Zweck ist keine dieser Voraussetzungen erfüllt,
insbesondere ist:
1. der Kondensator nicht fortlaufend während des Durchlaufs des Stapels
voll ausgefüllt
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Forschungsberichte des Wirtschafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen
2. keine Homogenität der Diel·ektrizi tätskonstanten gegeben, da Fasern
und Luft miteinander in unkontrollierbarer Weise abwechseln,
3. auch die scheinbare Dichte der Fasermasse nicht konstant, da die
Masseverteilung inhomogen ist,
4. infolge der unterschiedlichen Dicke sowohl in der Breite als auch in
der Länge des Stapels keine Führung möglich, so daß die jeweilige
Schicht zwischen den Elektroden eine beliebige Lage einnehmen kann.
Aus den genannten Gründen ist es verständlich, daß diesem Meßprinzip mit
dem Querfeldkondensator für die Faserlängenmessung bisher kein Erfolg
beschieden sein konnte. Um diese Nachteile zu vermeiden, war es erforder
lich, eine Kondensatoranordnung zu schaffen, mit der generell das Problem
der genauen Massebestimmung von Fasermaterial zu lösen ist, und zwar ohne
daß eine Einschränkung hinsichtlich der folgenden Größen erforderlich
ist: Homogenität der Fasern in Feldrichtung, Ausfüllung des Raumes zwi
schen den Elektroden, Querschnitt, Masseverteilung im
~uerschnittsform,
Querschnitt und Größe der Dielektrizitätskonstanten (Faserart).
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A b b i I d u n g 4
Der Längsfeldkondensator des Stapel - Diagraphen
Zu diesem Zweck wurde eine Kondensatoranordnung entwickelt, bei der das
elektrische Feld im wesentlichen in Faserrichtung und damit in Richtung
der Bewegung des abzutastenden Stapels verläuft und deren Elektroden zu
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beiden Seiten des zu untersuchenden Materials gemäß Abbildung 4 angeord
net sind (Längsfeldkondensator). Da die Feldlinien die Fasern nicht mehr
senkrecht sondern in ihrer Längsrichtung durchsetzen und da die abzu
tastenden Fasern im dielektrischen Sinne insofern als homogen anzusehen
sind, sind die Verteilung von Luft und Fasern und damit die scheinbare
Dichte und Dichteverteilung nunmehr ohne Bedeutung. Zur zusätzlichen Er
zielung eines homogenen Längsfeldes und damit zur Ausschaltung des Lage
effektes wird der Meßkanal mit Schichten dielektrischen Materials aus
gekleidet und werden zwischen den Elektroden verschiedenen Potentials
metallische Abschirmplatten und weiteres dielektrisches Material einge
fügt.
Weitere Einzelheiten sind aus der nachstehenden Beschreibung der Abbil
dung 4 zu ersehen, die schematisch die Anordnung der Kondensatorelektro
den, den Verlauf der Kraftlinien, die Form des Meßkanals und dessen
Auskleidung mit dielektrischem Material sowie die Anordnung der Abschirm
platten zeigt. In der Abbildung 4a sind die einander zugeordneten Elek
troden mit 1 und 2 bzw. mit 4 und 5 bezeichnet. Die Kraftlinien des Kon
densators 1,2 tragen das Bezugszeichen 3 und die Kraftlinien des Konden
sators 4,5 das Bezugszeichen 6. Mit Pfeilen sind die Richtungen der
Kraftlinien gekennzeichnet. Die Stärke der einzelnen elektrischen Felder
nimmt nach der Mitte der Elektrodenanordnung hin ab, in ihrer Wirkung
auf das durch das Feld zu führende Material addieren sich jedoch die
Felder. Auf diese Weise wird erreicht, daß pro Flächeneinheit die glei
che Anzahl von Kraftlinien vorhanden ist. Die örtliche Lage des zu mes
senden Materials zwischen den Elektroden bleibt also ohne Einfluß, und
die Kapazität wird in Abhängigkeit von der zwischen den beiden Konden
satoren hindurchgeführten Masse gemessen, wenn die Ausfüllung des Meß
kanals nach links oder rechts sowie nach vorn oder hinten zunimmt. Auch
die Querschnittsform des zu messenden Materials ist bei konstanter Masse
innerhalb des Meßraumes ohne Bedeutung, da die Auswahl der örtlichen
Kraftlinien in bezug auf das Meßmaterial ohne Einfluß ist. Auch die un
terschiedliche Verteilung der Masse innerhalb des Querschnittes bei kon
stanter Masse sowie die Größe der Masse pro Volumeneinheit können keinen
ungünstigen Einfluß auf die richtige Messung ausüben.
In der Abbildung 4b ist gezeigt, wie die Stärke der zugeordneten Felder
der Kondensatoren abnimmt. Der Verlauf der Feldänderung ist von den Ab-
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messungen der Elektroden und ihrer gegenseitigen Anordnung abhängig.
Mit 1 ist das Feld des Kondensators 1,2, mit 8 das Feld des Kondensators
4,5 und mit 9 das resultierende Feld gekennzeichnet. Es gibt verschie
dene Möglichkeiten, um die Funktion des resultierenden Feldes 9 nahezu
in eine waagerechte Gerade hinüberzuführen.
Die Abbildung 4c zeigt eine dieser Möglichkeiten. Auf der Innenseite der
Elektroden sind Schichten dielektrischen Materials 10 und 11 vorgesehen,
zwischen denen das zu messende Material 12 hindurchgeführt wird. Dadurch
wird zwar die Schlitzbreite, die den zu messenden Stapel aufnimmt, ver
ringert; aber es wird erreicht, daß schon eine bessere Annäherung an die
zu stellende Forderung der Konstanz der Felddichte im Meßkanal erfolgt.
Bei der Ausführung dar Meßeinrichtung nach Abbildung 4d werden in be
stimmten Abständen zwischen den Elektroden verschiedenen Potentials me
tallische Abschirmungen 13 und 14 eingebracht und in einer Brücken
schaltung so angeordnet, daß die Teilfelder, welche durch die senkrecht
auf den Abschirmplatten stehenden Kraftlinien charakterisiert sind, in
die Messung nicht eingehen. Diese Abschirmungen ziehen einen Teil der
Randfelder an sich und schwächen somit in geeigneter Weise die uner
wünschte Größe des Meßfeldes dicht an den Elektrodenebenen. Die Vernich
tung dieser Teilfelder hat auch noch den weiteren Vorzug, daß die durch
physikalische Einflüsse zu beeinträchtigende zeitliche Konstanz des Meß
feldes wesentlich verbessert werden kann. Selbstverständlich kann auch
eine Kombination der in den Abbildungen 4c und 4d gezeigten Anordnungen
vorgenommen werden, wie die Abbildung 4e zeigt.
In der Abbildung 4e sieht man außerdem, daß zwischen den Elektroden ver
schiedenen Potentials aus Stabilitätsgründen auch Isoliermaterial 15
bzw. 16 eingefügt werden kann.
111. Die tlberprüfung der Wirkungsweise des Kondensators·
Um die Wirkungsweise des Längsfeldkondensators zu veranschaulichen, läßt
man einen Massepunkt (z.B. einen hinreichend dicken Knoten an einem dün
nen Faden) durch diesen Kondensator hindurchwandern. Dabei ergibt der
über dem Durchlaufweg aufgetragene Ausschlag eine glockenähnliche Kurve
(Abb. 5), wobei die zur Kontrolle eingezeichneten Kreise errechnete
Punkte einer GAUSSschen Glockenkurve darstellen. Man erkennt, daß der
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