DE3237357C2 - Vorrichtung zur Messung charakteristischer Merkmale von Fasermaterial - Google Patents

Abstract

Das Verfahren betrifft die Messung von Fasermaterial, wie Bänder und Vorgarne, mittels Ultraschall. Durch geeignete Anordnung von Schallsender (22), Schallempfänger (23) und Fasermaterial (20) wird erreicht, daß alle Schallwellen, die zum Schallempfänger (23) gelangen, das Fasermaterial (20) durchdrungen haben. Durch Impulsbetrieb des Schallsenders (22) und entsprechende nur kurzzeitige Empfangsbereitschaft des Schallempfängers (23) werden alle nacheilenden, durch Reflexionen und Interferenzen erzeugten Störsignale unterdrückt, wodurch eine weitgehende Befreiung der zu messenden Größe, nämlich der in jedem Zeitpunkt in der Meßstrecke vorhandenen Fasermenge (20), von Störeinflüssen erreicht wird. Diese Meßgröße kann als Wert für die Querschnittsgleichmäßigkeit, oder aber als Regelgröße für die Produktion gleichmäßiger Vorgarne oder Bänder herangezogen werden. Durch gemeinsame Auswertung von Dämpfung und Laufzeitverzögerung der verwendeten Schallwelle kann gleichzeitig die Feinheit und die Menge des betrachteten Fasermaterials bestimmt werden. Diese Meßgröße kann als Wert für die Faserfeinheit, oder aber als Regelgröße für die Herstellung gleichmäßiger Fasermischungen aus Faserballen unterschiedlicher Provenienz herangezogen werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung charakteristischer Merkmale von Fasermaterial, insbesondere zur Messung der Fasermenge von textlien Faserbändern mittels Schallwellen, bei dem das Fasermaterial zwischen mindestens einem Schallsender und mindestens einem Schallempfänger angeordnet ist, dem eine Auswerteeinheit zur Ermittlung der Laufzeitverzögerung der ausgesandten, das Fasermaterial durchdringenden Schallwellen nachgeordnet ist.

Vorrichtungen zur Prüfung von Materialien mittels akustischer Kenngrößen, wie beispielsweise der Dämpfung oder der Laufzeitverzögerung der das jeweilige Material durchdringenden Schallwellen, sind allgemein bekannt und werden vor allem bei Materialien kompakten Aufbaus erfolgreich angewendet. Bei der akustischen Untersuchung von Fasermaterial wird die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Messung durch die lockere Schichtung der Fasern oder Faserbündel begrenzL So werden in dem Fasennaterial insbesondere Schallwellen an einzelnen Fasern der Faserbündel auf dem Weg durch das Fasermaterial vielfach reflektiert, was aufgrund der hohen Interferenzfähigkeit der Schallwellen dazu führt, daß die am Empfänger eintreffenden Schallwellen einen erheblichen Störwellenanteil aufweisen, der die Auswertung der empfangenen Scha'lwellen verfälscht

ίο Eine Vorrichtung der eingangs angegebenen Art ist aus der US-PS 38 54 327 bekannL Mittels dieser bekannten Vorrichtung wird der Querschnitt von stark konzentrierten Fasergebilden, wie beispielsweise Garnen, dadurch bestimmt, daß das zu messende Objekt quer zu seiner Längsausdehnung einem Feld stehender akustischer Wellen ausgesetzt wird. Dieses Stehwellenfeld umfaßt mindestens zwei Schallwellen unterschiedlicher Frequenz, die in einem Resonator derart erregt sind, daß am Ort des Meßobjektes ein Druckmaximum der ersten Welle mit einem Druckminimum der zweiten Welle zusammenfällt In Abhängigkeit vom Querschnitt des Garns variieren Amplitude und Phasenlage der Schallwellen, wobei die Laufzeit der ersten Welle im Resonator mit einem Druckmaximum am Meßort durch das Garn vergrößert und die Laufzeit der zweiten Welle verkürzt wird. Die ysrschiedenfrequentcn Schallwellen können entweder kontinuierlich oder diskontinuierlich aufeinanderfolgend erregt sein.

Störgrößen, welche die Messung von locker geschich-

tetem Fasermateriai- beeinflussen, nämlich Reflexionen am Fasermaterial, lassen sich mit Hilfe dieser bekannten Vorrichtung jedoch nicht eliminieren.

Aus der AT-PS 2 78 404 ist ein Ultraschallimpulsgerät zur Prüfung von Materialien durch Messung der Ausbreitungsgeschwindigkeit und Dämpfung der in Materialien ausgestrahlten üitraschaiischwingungen mit einem Steuergenerator bekannt der einen Sendeimpuls· generator und einen Sägezahngenerator für die einmalige Ablenkung des Strahles einer Elektronenstrahlröhre steuert. Dieses bekannte Gerät dient zur Bestimmung der Festigkeit und der elastischen Eigenschaften von kompakten Baustoffen und Bauteilen, wie beispielsweise Beton-, Ziegelstein- und Stahlbetonbauteilen. Speziell sind dabei Maßnahmen getroffen, um die Zeitmessung zur Ermittlung der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Ultraschallwellen in diesen kompakten Baustoffen zu verbessern.

Aus der DE-OS 20 30 954 ist ein Prüfgerät zur Erfassung von Fehlern, wie Rissen oder sonstigen Unstetigketten in kompakten Werkstücken bekannt. Im Falle von Rissen zeigen Ultraschallwellen die Tendenz, den Weg des geringsten Widerstandes zu nehmen, der um die Fehlerstelle herumführt und eine Phasenverschiebung des empfangenen Signals verursacht. Das Problem einer Vielzahl von Reflexionen, wie im Falle der Untersuchung von Fasermaterial tritt dabei nicht auf.

Aus »Krautkrämer: Werkstoffprüfung mit Ultraschall; IV. Auflage; 1980; S. 171-177; 247-252; 272—278« ist eine Signalauswertemethode mittels Monitorblenden bekannt, die zur Erfassung von Echoim= pulsen beim Impuls-Echo-Verfahren dient, wobei ein bestimmtes Echo durch ein Signal angezeigt wird, sobald es in ein vorgewähltes Laufzeit- und Amplitudenfenster der Monitorblende fällt. Dadurch läßt sich eine zeitliche Auswahl von Echosignalen einerseits und eine kontinuierliche Erfassung großer Laufzeit- und Amplitudenbereiche unter Zuhilfenahme der elektronischen Datenverarbeitung andererseits realisieren, indem eine

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größere Anzahl von Monitorblenden überdeckend hin- Sendezeitpunkt gesteuerten Schalter zur Vorgabe be-

tereinander geschaltet wird. Hinweise darauf, wie Stör- stimmter Zeittore für die Auswertung empfangen«-

wellenanteile bei der akustischen Erfassung von Faser- Schallwellen auf. Dadurch ist es möglich, daß nur solche material unterdrückt werden könnten, sind dieser Schallwellen bei der Auswertung Berücksichtigung fin-

Druckschrift nicht zu entnehmen. 5 den, die ohne zusätzliche Reflexionen zum Empfänger

Aus der DE-AS 21 16 782 isi es bekannt, das Volumen gelangen und somit nur der störungsfrei empfangene pro Längeneinheit von fadenförmigen Erzeugnissen der Schallwellenanteil ausgewertet wird, was der Meßge-

Textilindustrie, insbesondere von Garnen, Vorgarnen nauigkeit förderlich ist

und Bändern, zu erfassen, wobei das fadenförmige Tex- Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme

tilerzeugnis durch ein zwischen mindestens einem Sen- ίο auf die Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen

der und mindestens einem Empfänger ausgebildeten näher erläutert; in der Zeichnung zeigt:

Meßfeld berührungsfrei und kontinuierlich hindurchbe- F i g. 1 als Blockschaltbild die erfindungsgemäße Vor-

wegt wird und als Meßfeld ein Schallfeld Verwendung richtung

findet Aufgrund von Beugungen der Schallwellen um F i g. 2 als Diagramm das zeitliche Verhalten von Sen-

das fadenförmige Textiterzeugnis herum auftretende 15 der und Empfänger,

Laufzeitänderungen des Schalls von der Schallquelle F i g. 3 das Meßorgan in Aufsicht,

zum Schallempfänger werden dabei als Maß für die zu F i g. 4 dasselbe im Grundriß gemäß Schnitt A-A,

bestimmende Größe ermittelt und ausgewertet. Diese F i g. 5 eine weitere Vorrichtung für die Messung in

komplizierte Meßwertgewinnung wird versucht, um ne- ausgedehntem Fasermaterial,

gative Auswirkungen von Reflexionserscheinungen auf 20 F i g. 6 eine Vorrichtung zur Messv ;<g an einer Faserdie Messung zu vermeiden. Dieses Prinzip verursacht probe, Fig.7 eine Vorrichtung zur Messung des Reifejedoch erheblichen Aufwand und läßt hinsichtlich der grades, und F i g. 8 eine Variante zur Messung des Reifeerzielbaren Ergebnisse zu wünschen übrig. grades der Fasern.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung der Ein Sender 3 (Fig. 1) sendet periodisch eine Schalleingangs angeführtei> Art zu schaffen, die es gestattet, 25 welle 4 *us, wie es in F i g. 2 dargestellt ist Diese Schalldie charakteristischen Merkmale von Fasermaterial mit wellen 4 durchdringen das Fasermaterial 6, das durch hinreichender Genauigkeit und Zuverlässigkeit zu be- Begrenzungsflächen 5 geführt ist und gelangen zum stimmen und dennoch auf vergleichsweise einfache Art Empfänger 8. Das Fasermaterial 6 ist vorzugsweise derund Weise sowie wirtschaftlich realisierbar ist art zwischen den Begrenzungsflächen 5 anzuordnen.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch ge- 30 daß die Höhe h größer ist als der Abstand d, da starke

löst, daß das Fasermaterial zwischen parallelen Begren- Inhomogenitäten in der Höhe H die Messung verfäl-

zungsflächen anliegend geführt ist, daß die Schallsender sehen können. Die austretenden Schallwellen 7 errei-

diskontinuierlich arbeiten und daß die Auswerteeinheit chen den Empfänger 8 gemäß F i g. 2 mit einer Zeitver-

auch die Dämpfung der das Fasermaterial durchdrin- zögerung At und einer Amplitude AU. Dabei nimmt die

genden Schallwellen ermittelt. 35 Zeitverzögerung At proportional mit dem durchdrunge-

Es hat sich überraschenderweise gezeigt, daß durch nen Faserniateria! zu und die Amplitude AU nimmt exdiese Maßnahmen trotz der komplexen Reflexionsbe- ponentiel! mit dem durchdrungenen Fasermaterial ab, dingungen im Fasermaterial die charakteristischen also
Merkmale mit hinreichender Genauigkeit und Zuverlässigkeit bestimmt werden können. 40 At = Au> + »· h ■ ρ ■ ε und AU = AUo · e-f ■ * ·" ■^s

Vorzugsweise sind die Begrenzungsflächen von Platten gebildet, deren Abstand einstellbar ist Dabei wird Dabei sind λ und β durch die Anordnung gegebene das Fasermaterial so zusammengedrückt, daß es an bei- Konstante, ρ ist die Dichte des Fasermateriab und ε der den Platten satt aufliegt, wodurch störende Umge- Füllfaktor, d. h. das Verhältnis des vom reinen Fasermahungswege für die Schallwellen im Bereich der Begren- 45 terial eingenommenen Querschnitts zum Gesamtquerzungsflächen vermieden werden. schnitt der Meßzelle. Der Empfänger berücksichtigt da-

Nach einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfin- bei nur Schallwellen, die in der Zeit zwischen Ti und Ti

dung sind in den einander gegenüberstehenden Platten ankommen (vgl. F i g. 2) und unterdrückt den Rest IS,

der Begrenzungsflächen jeweils mindestens ein Schall- der die Messung verfälschen würde. Sobald Resonanzen

sender und in einem die Platten verbindenden Joch min- 50 genügend abgeklungen sind, also zur Zeit T₀', sendet der

destens ein Schallempfänger angeordnet Sender 3 wieder eine Schallwelle 4.

Nach einer anderen Ausführungsvariante sind in der Die Faktoren * und/?hängen von der Anordnung und

einen Innenfläche der einander gegenüberstehenden arr F.'.'mheit Aider Fasern ab. Die Abhängigkeit von der

Platten mindesten? ein Schallsender und in der anderen Feinheit M, also λ = ct(M) und β = ß(M), ist bei Ct(M) Innenfläche mindestens ein Schallempfänger angeord- 55 und ß(M) unterschiedlich. Daher lassen sich aus der

net. Messung von At (bzw. At— Atf) und von AU (bzw. AUI

Die beiden vorstehenden Varianten können in Ab- AUo) gleichzeitig die Fasermenge μ «= h ■ ρ ■ ε und die

hängigkeit von dem jeweiligen Fasermcterial verwen- Feinheit M bestimmen. Der entsprechende Rechenpro-

det werden und erbringen dabei gute Ergebnisse. zeß, der elektronisch erfolgen kann, ist dem Fachmann

Die durch die die Begrenzungsflächen bildenden Plat- ω vertraut und braucht nicht Gegenstand der Erfindung

ten einerseits und durch akustisch durchlässige Flächen zu sein.

andererseits begrenzte, mit Fasermaterial gefüllte Meß- Der Abstand eider Begrenzungsflächen 5 kann varia-

kammer ist vorzugsweise bezüglich Volumen bzw. bei sein, damit sich für jede Fasermenge der optimale

Kompression des Fasermaterials veränderbar. Auf diese Abstand einstellen l?ßt Sender 3, Begrenzungsflächen 5 Weise kann eine Opiimierung der Messung erzielt wer- 65 und Empfänger 8 müssen erHndungsgemäß derart ange-

den. ordnet sein, daß die Schallwellen 7 die Begrenzungsflä-

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung chen 5 nicht umgehen können, ohne das Fasermaterial 6

weist die Auswerteeinheit einen in Abhängigkeit vom zu durchdringen. Eine Möglichkeit zur Umgehung von

Fasermaterial 6 und Begrenzungsflächen S ist nur dann zulässig, wenn der dadurch bedingte Umweg der Schallwelle und die daraus resultierende Zeitverzögerung so groß ist, daß die entsprechende Schallwelle 7 den Empfänger 8 in dem Zeitpunkt erreicht, in dem die empfangenen Signale unterdrückt werden.

Sender 3 und Empfänger 8 müssen akustisch voneinander isoliert montiert werden. Das kann beispielsweise erreicht werden, indem Sender 3 und Empfänger 8 auf Schallisolierenden Dämpfungselementen 16, wie Gummipuffer, montiert werden. Dadurch wird verhindert, daß Schallsignale durch Körperschall übertragen werden.

Das Blockschaltbild einer vollständigen Meßanordnung ist in F i g. 1 wiedergegeben. Ein Sinus-Oszillator 1 erregt über einen Analog-Schalter 2 den Sender 3, der vorzugsweise als Piezoelement ausgebildet ist. Dessen Schallenergie ist auf den Empfänger 8 gerichtet, der vorzugsweise aus einem Mikrofon besteht. Ein Taktgeber 12 mit Nulldurchgangs-Detektor 14 steuert einerseits den Analogschalter 2 zur Abgabe kurzer Schallimpulse, andererseits steuert er ein Zeitelement 13, mit dem die Laufzeit simuliert wird. Dieses Zeitelement schließt nach einer vorgegebenen Zeit einen weiteren Analogschaiter 9 und beeinflußt einen Nulldurchgang- 2s Detektor 14, der nach vorgegebener Anzahl Nulldurchgänge des Empfangssignals den Analogschaiter 9 wieder öffnet und damit die Weiterleitung des Empfangssignais an ein Auswertegerät 10 wieder unterbricht. In diesem Auswertegerät 10 werden die Eingangsimpulse des Empfängers 8 hinsichtlich Dämpfung und/oder Laufzeitverzögerung analysiert und als Ausgangssignal 11 dargestellt Das Auswertegerät 10 kann auch einen Rechner oder entsprechende elektronische Elemente, wie Mikroprozessoren, enthalten, um aus der Laufzeitverzögerung bei unterschiedlichen Frequenzen die 1 CMip^TStür Zu ixOTTipCnSiCrCn OuCr uCn r-tLratanu VOiTi Sender 3 zum Empfänger 8 zu bestimmen. Weiter kann das Auswertegerät 10 dazu dienen, durch gemeinsame Auswertung von Dämpfung und Laufzeitverzögerung mehrere charakteristische Merkmale des Fasermaterials 6 gleichzeitig zu bestimmen, wie beispielsweise Fasermenge und Fasereinheit.

Das Ausgangssignal 11 kann verschiedenen Verwendungszwecken dienen:

— Darstellung in einem Anzeige- und/oder Schreibgerät für die Querschnittsgleichmäßigkeit;

— als Steuer- bzw. Regelsignal für die Beeinflussung querschnittsbestimmender Organe an Produktionsmaschinen oer Textilindustrie, wie Karden und Strecken;

— Darstellung in einem Anzeige- und/oder Schreibgerät für die Fasereinheit;

— als Steuer- bzw. Regelsignal für die Beeinflussung von Produktionsmaschinen der Textilindustrie, wie Ballenabtragungseinrichtungen, Karden oder Strecken.

Die Ausführung der notwendigen elektronischen Schaltung ist jedoch jedem Fachmann geläufig und braucht daher nicht Gegenstand der Erfindung zu sein.

In F i g. 3 und 4 sind Ausführungsbeispiele zur Messung der Glejchmäßigkeit/Faserfeinheit von textlien Faserbändern in Aufsicht und Grundriß dargestellt Das Faserband 20 wird dabei zwischen zwei Platten 21, die die Begrenzungsflächen 5 bilden, durchgezogen. Der Sender 22 befindet sich auf der offenen Seite des Schlitzes, der durch die beiden Platten 21 gebildet wird. Es können ein oder mehrere Sender 22 in einer oder beiden Platten 21 angeordnet werden. Auf der anderen, geschlossenen Seite des Schlitzes befindet sich der Empfänger 23. Er ist akustisch abgeschirmt und besitzt nur eine akustische öffnung 24 gegen das Innere des Schlitzes. Das Band 20 wird dabei über diese öffnung 24 geführt. Durch diese Anordnung wird erreicht, daß fremde und störende Schallwellen 25 von außen in gleichem Maße gedämpft werden wie Schallwellen 26 vom Sender 22. Somit arbeitet das Meßorgan auch noch bei sehr großen Dämpfungen störungsfrei. Der offene Schlitz erleichtert zudem die Handhabung wesentlich, da das messende Faserband 20 einfach in den Schlitz gelegt werden kann, ohne daß das Faserband 20 aufgetrennt werden muß.

Die Anordnung des durch die Platten 21 gebildeten Meßschlitzes kann auch so getroffen werden, daß dieser auf der der akustischen Öffnung 24 gegenüberliegenden Seite durch mechanische Mittel verschlossen werden kann. Dadurch wird das Eindringen fremder Schallwellen in das Meßfeld und damit in den Empfänger 23 zusätzlich erschwert.

In F i g. 5 ist schematisch ein Ausführungsbeispiel zur Messung der Feinheit in ausgedehntem Fasermaterial 30 dargestellt. Das Meßorgan 31 besteht dabei aus zwei Zungen 32, wobei die eine Zunge einen Sender 33 und die zwei* Zunge einen Empfänger 34 enthält. Das Meßorgan 31 wird nun so in das Fasermaterial 30 gebracht, daß sich der Raum 35 zwischen den Zungen mit Fasermaterial füllt Befindet sich genügend Fasermaterial im Gebiet zwischen Sender und Empfänger, kann die Messung der Feinheit vorgenommen werden. Der ganze Meßvorgang mit dem Einfahren des Meßorgans in das Fasermaterial kann dabei automatisiert werden.

In F i g. 6 ist schematisch ein Ausführungsbeispiel zur Messung der Feinheit sn einer Faserprobe 40 dargestellt. Die Begrenzungsflächen 41 werden hier beispielsweise durch ein Rohr gebildet und das Volumen, in dem sich die Faserprobe befindet, wird durch akustisch durchlässige Flächen 42 abgegrenzt, die beispielsweise aus Lochblechen bestehen können.

Diese akustisch durchlässigen Flächen 42 trennen Sender 43 bzw. Empfänger 44 vom Meßvolumen mit der Faserprobe 40.

Zur Optimierung der Messung oder zur Bestimmung des Reifegrades kann auch eine Vorrichtung vorgesehen sein, mit der das Meßvolumen bzw. die Kompression der Fasern verändert werden. In Fig. 7 wird das Volumen parallel zur Schallrichtung verändert und in F i g. 8 senkrecht zur Schallrichtung.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Messung charakteristischer Merkmale von Fasermaterial, insbesondere zur Messung der Fasermenge von textlien Faserbändern mittels Schallwellen, bei dem das Fasermaterial zwischen mindestens einem Schallsender und mindestens einem Schallempfänger angeordnet ist, dem eine Auswerteeinheit zur Ermittlung der Laufzeitverzögerung der ausgesandten, das Fasermateriai durchdringenden Schallwellen nachgeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Fasermateriai (6, 20, 40) zwischen parallelen Begrenzungsflächen (5) anliegend geführt ist, daß die Schallsender (22) diskontinuierlich arbeiten und daß die Auswerteeinheit auch die Dämpfung der das Fasermaterial durchdringenden Schallwellen ermittelt.

Z Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, cfcBdie Begrenzungsflächen (5) von Platten (21,32, 41) gebildet sind, deren Abstand einstellbar ist

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß in den einander gegenüberstehenden Platten der Begrenzungsflächen (5) jeweils mindestens ein Schallsender (22) und in einem die Platten verbindenden Joch mindestens ein Schallempfänger (23) angeordnet sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der einen Innenfläche der einander gegenüberstehenden Platten (32) mindestens ein Schallsender (33) und λ der anderen Innenfläche mindestens ein Schallempfänger (34) angeordnet sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die die Begrenzungsflächen (5) bildenden Platten (41) einerseits und durch akustisch durchlässige Flächen (42) andererseits begrenzte, mit Fasermaterial (40) gefüllte Meßkammer bezüglich Volumen bzw. Kompression des Fasermaterials veränderbar ist.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinheit einen in Abhängigkeit vom Sendezeitpunkt gesteuerten Schalter (9) zur Vorgabe bestimmter Zeittore für die Auswertung empfangener Schallwellen aufweist.