Verfahren und Einrichtung zur Bestimmung des Substanzquerschnittes von Faserwickeln, Faserbändern, Vorgarnen und Garnen, unabhängig von Schwankungen des Feuchtigkeits- gehaltes des Messgutes
In der Textiltechnik kennt man schon lange ein Verfahren zur Messung des Substanzquerschnittes von Faserwickeln, Faserbander, Vorgarnen und Garnen, das darin besteht, das betreffende Messgut zwischen den Platten eines Alesskondensators durchzufüh- ren und dessen Kapazitätsänderung zu messen.
Unter Substanzquerschnitt von Faserwickeln, Faserbändern, Vorgarnen und Garnen versteht man, im Gegensatz zum scheinbaren Querschnitt, den durch die eigentliche Fasermasse ohne Berücksichtigung der Lufteinschlüsse gebildeten Querschnitt. Unter gewissen Voraussetzungen ist die genannte Ka pazitätsänderung proportional dem Substanzquersehnitt des Messgutes. Aus USA-Patent Nr. Re 23368 ist femer bekannt, dass unter bestimmten Voraussetzungen die Kapazitäts- änderung weitgehend unabhängig von der Dielektrizitätskonstante des Messgutes ist. Der Beweis dieser Eigenschaft wird weiter unten erbraeht.
Bei erheblichen Schwankungen des Feuch- tigkeitsgehaltes des Messgutes wird jedoch die Anzeige des Substanzquerschnittes infolge der Einwirkung des dann auftretenden, schwan- kenden Verlustfaktors verfälseht.
Durch die vorliegende Erfindung wird nun ermöglicht, den Feuchtigkeitseinfluss bei der oben beschriebenen Substanzquerschnitts- messung vollkommen auszuschalten.
Das vorliegende Patent betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Substanzquer- schnittes von Faserwickeln, Faserbändern, Vorgarnen und Garnen, unabhängig von deren Feuchtigkeitsgehalt, und besteht darin, dass das Messgut zwischen den Platten eines Messkondensators durchgeführt wird, wobei nur die Kapazitätsänderung des Messkondensators unter Ausschaltung des Verlustfaktors dieses Messkondensators gemessen lmd in elek- trischen Instrumenten zur Anzeige gebracht wird.
Das vorliegende Patent betrifft ferner eine Einrichtung zur Durchfiihrung des erfindungsgemässen Verfahrens und ist gekenn- zeichnet durch eine Wechse] strombrücke, welche sowohl die Anderungen der Kapazität als auch die des Verlustfaktors des Messkon densators vorerst in je einen entsprechenden, durch Amplitude und Phase definierten elektrischen Wert umwandelt, durch eine Phasenvergleichsvorrichtung, welche hierauf aus dem genannten elektrischen Wert die nur der Ka pazitätsänderung entsprechende Komponente abtrennt und durch elektrische Instrumente, welche diese Komponente, die ein Mass für den Substanzquerschnitt darstellt, anzeigen.
Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Verfahrens wird nun an Hand der Figure, die eine erfindungsgemässe Einrich- tung beispielsweise darstellen, erläutert :
Die Fig. I und 2 sind Schemas, die zur Erläuterung der Messung mittels der Weeh- selstrombriieke dienen.
Die Fig. 3 und 4 stellen ein Schema und ein Vektordiagramm dar, die zur Erläuterung der Funktion eines Ausführungsbeispiels einer Phasenvergleichsvorrichtung dienen.
Fig. 5 zeigt das Bloekschema eines Ausführungsbeispiels der kompletten erfindungsgemässen Einrichtung.
Fig. 6 zeigt das detaillierte Sehaltungs- sehema dieser Einrichtung.
Fig. 7 zeigt eine schematische Darstellung der physikalischen Vorgänge mit sog. Messkondensator.
Fig. 8 gibt die relative Kapazitätsänderung im Messkondensator an in Funktion der Di elektrizitätskonstante des Messgutes bei ver schiedenen sog. Füllfaktoren.
Es sei zunächst der Beweis erbracht, dass die Kapazitätsänderung des Messkondensators unter gewissen Voraussetzungen nahezu unab- hängig von der Dielektrizitätskonstante des Messgutes proportional dem Substanzquersehnitt des Messgutes ist.
Fig. 7 zeigt einen Kondensator der Kapazität C, dessen Dielektrikum aus zwei zu den Platten parallelen Schichten bestehe. Die erste Schicht ist aus Isoliermaterial, dessen Dielek trizitätskonstante s > 1 und dessen Dicke = d sei. Sie stellt eine Teilkapazität C2 dar. Die zweite Schicht betehe aus Luft mit einer Di elektrizitätskonstante so = 1 und einer Dicke D-d, wobei D gleich dem Abstand der Platten des Kondensators ist. Diese zweite Schicht stellt eine Teilkapazität Cl dar.
Man kann nun sehreiben :
1=1+1 (20)
C C1 C2
Sei nun Co der Wert, den die Kapazität C annimmt, wenn d = 0 wird, das heisst, wenn das Dielektrikum nur aus Luft besteht.
Es ist dann :
EMI2.1
Sei nun ?C die Differenz zwischen den Kapazitäten C und CXO : ?C=C-C0 (23)
Sei weiterhin ?=d der F llfaktor des
D Kondensators C.
Die Gleiehungen (20), (21) und (22) ergeben :
EMI2.2
Naeli Umformung und Einsetzen von ? erhÏlt man hieraus :
C=C0?1 (25) ?+?(1-?)
Die Gleichungen (23) und (25) ergeben : daraus :
EMI2.3
EMI2.4
Fig. 8 zeigt den Verlauf dieser Funktion mit dem Füllfaktor als Parameter.
Der Arbeitsbereich des in Frage stehenden Messkondensators ist dureh Schraffierung markiert. Es ist gut ersichtlich, dass in diesem Bereich die Anzeige praktisch unabhängig von der DielektrizitÏtskonstanten ? ist. Man kann also mit genügender Annäherung schrei- ben : ?C=? (28)
C0
Fig. 1 zeigt ganz allgemein das Ersatzschaltbild eines Kondensators mit Verlusten im Dielektrikum. Es ist die Serieschaltung einer Kapazität I und eines Widerstandes 2.
Der Messkondensator ohne Messgut kann als verlustfrei angesehen werden. Seine Kapazität sei C. Wird nun ein feuchtes Messgut zwischen die Platten des Messkondensators eingeführt, so wird sich die Kapazität auf den Wert C'= C+?C Ïndern. Ferner werden Verluste auftreten, die wir bei der gegebenen festen Frequenz durch einen Seriewiderstand von der Grosse R darstellen können. Es ist dann der Verlustfaktor tg ? = R ? 0, wobei ?=2?f und f die Frequenz der angelegten Wechselspannung bedeutet.
Bei den praktisch vorkommenden Messun- gen ist stets ?C?1 und tg??l.
C
Fig. 2 zeigt als Beispiel eine Brüekensehal- tune, die zur Messung der Anderungen des Messkondensators dienen kann. Der Messkon- densator ist durch sein Ersatzschema darge tellt, also durch eine Kapazität 1 von der Grosse C'= C+? C in Serie mit einem Wi rterstand 2 von der Grosse R, und bildet einen Arm der ganzen Brüeke. Der gegenüberlie- rende Arm wird durch einen Vergleichskon- densator 5 von der Grosse C gebildet.
Die beiden andern Arme der Brücke werden durch einen Symmetriertransformator G gebildet, der auch zur Speisung der Brüeke dient.
TT sei der Spannungsvektor zwischen den Klemmen 10 und 7 und den Klemmen 7 und 9.
?U sei die Diagonalspannung der Brüeke. Sie entsteht zwischen den Klemmen 8 und 7.
Fr. sei die Spannung zwischen den Klem men 8 und 9.
Wenn ? C = 0 und R = 0, so ist die Brücke abgeglichen und ?U=0. Es soll nun ?U berechnet werden unter der Voraussetzung, da¯ tg ?=?CR?1 und ?C?1
C
Es ist ?U=U-UC, (1) ferrer ist Uc = J (9) y (ut wobei J der zwischen den Klemmen 10 und 9 fliessende Strom ist.
Es ist ferner
EMI3.1
Gleichung (3) in Gleichung (2) eingesetzt ergibt
EMI3.2
Nach entspreehender Umrechnung erhält man :
EMI3.3
Hierin ist :
EMI3.4
Da?C?1, so wird C ungefÏhr gleich 1.
C C'
C=1 (7) C'
Es ist au¯erdem ? C R?1. (8)
Die Gleiehungen (7) und (8) in Gleichung (5) eingesetzt ergeben :
EMI3.5
Gleichung (5') in Gleichung (1) eingesetzt, ergibt :
EMI3.6
?U lϯt sich nun aufteilen in zwei senk- recht zueinander stehende Komponenten, näm- -t-* lich einen Realteil ?UC, in Phase mit F, und zut einen ImaginÏrteil ?UR um 90¯ gegen U pha senverschoben.
Der Realteil ?UC, in Phase mit U, errech- net sich wie folgt :
EMI3.7
Es ist aber
1=1-x+x¯-x¯+... wenn |x| < 1 1+x Setzen wir x = ?C und ?C ? 1
C c so wird
EMI4.1
Gleichung (11) in Gleichung (10) eingesetzt, ergibt ?UC ? U ?C (12)
2 C Gleichung (12) zeigt also, dass ?UC proportional den Kapazitätsänderungen des Messkon densators, also aueh proportional dem Substanzquersehnitt ist.
Der Imaginärteil dUR von Gleichung (9), um 90¯ gegen U phasenverschoben, errechnet sich zu ?UR ? J U ? C R (13)
2 ist ?UR ist also proportional dem Verlustfaktor tg ! = ? C R des Me¯kondensators, das hei¯t nur von der Feuchtigkeit des Messgutes ab hängig.
Im folgenden soll nun gezeigt werden, wic mittels einer Phasenvergleichsvorrichtung ?UC oder ?UR aus ?U gewonnen werden können.
Fig. 3 zeigt das Beispiel einer solchen Phasen vergleichsvornchtung. Ein Symmetriertransformator 11 transformiert ?U in zwei gegen phasige Spannungen ? U1 und ?U2, wobei |?U1| = |?U2|.?U1 und ?U2 gelangen ber zwei Dioden 12 bzw. 13 zu zwei gleichen Widerständen 16 bzw. 15 mit dem Widerstandswert Ri. Zwischen den Klemmen 19 und 20 wird über einen Transformator 14 eine Ver gleichsspannung eingespiesen. Ist diese Spannung U, so erhÏlt man zwischen den Klemmen 17 und 18 eine Spannung, die ?UC proportional ist. Will man eine Spannung erhalten, die ?UR proportinal ist, so ist mit jÀU einzuspeisen ; man w rde so ein WIass f r die Feuch tigkeit des Messgutes erhalten.
Fig. zeigt das zugehörige Vektordia- gramm.? sei die Phasenverschiebung zwischen J U und U, somit auch zwischen ?U1 und U.
U sei die Vergleichsspannung, wobei |U|? |?U|. Die Schalterwirkung der beiden Dioden bewirkt, dass Strome Ja und Jg, die durch die beiden Widerstände 1. 5 und 16 flie¯en, in die sen Widerständen Jg und |J3| proportio nale Gleichspannungen erzeugen. Der Vektor U ist in Fig. 4 dargestellt durch die Streeke 21-22. Von 22 aus werden nun unter dem Winkel p die Vektoren ? (Strecke 22-23) und ?U2 (Strecke 22-24) aufgetragen. Die Strecke 21-24 entsprieht nun der Spannung U2 ber der Diode 13 und dem Widerstand 15.
U2 = U + ?U2 (14)
Die Strecke 21-23 entspricht der Span- nung Liber der Diode 12 und dem Widerstand 16.
U3 = U + ?U1 (15)
Die Strome, die durch die Widerstände 15 und 16 fliessen, sind gegenpolig und durch die Strecken 21-24 entsprechend J2 und 21-23 entspreehend J3 dargestellt. JI. ist der Projektion von J2 auf die Richtung von U und Jg der Projektion von Jg auf die Richtung von U proportional. Da | U|?|?U|, gilt |J3|-|J2|?J'3-J'2
In den Widerständen 15 und 16 entstehen entsprechende gegenpolige Gleichspannungen, und zwischen den Klemmen 17 und 18 entsteht eine Gleichspannung
U4?R1(J'3-J'2) (16)
U. ist also proportional der Strecke 25-26, welche definitionsgemϯ proportional |?UC| ist.
Wird als Vergleichsspannung jÀU verwendet anstatt U, so wird U4 proportional ! Z1 UR .
Die Fig. 5 zeigt nun das Blockschema eines Ausf hrungsbeispiels der vollständigen erfindungsgemässen Einrichtung. Ein Oszillator 27 erzeugt eine Wechselspannung konstanter Frequenz und Amplitude U. Diese Wechselspannung wird einerseits dem Symmetriertransfor- mator 6 der Wechselstrombrücke 29, anderseits dem Phasenschieber 30 zugeführt. In der Wechselstrombriieke 29 ist 5 die Vergleichs- kapazität und 32 der Messkondensator. Die Diagonalspannung d U der Wechselstrom- br cke 29 gelangt über den Verstärker 33 zu der Phasenvergleichsvorrichtung 34, welche ihre Vergleichsspannung U'vom Phasenschieber 30 erhält.
Dieser dient lediglich dazu, die im Verstärker 33 auftretende Phasenverschie- bung zu kompensieren. Von der Phasenver gleichsvorrichtung 34 gelangt die Gleichspan- nung U4 zu einem elektrisehen Anzeigeinstrument 35, das auch registrierend sein kann.
Die von der Phasenvergleichsvorrichtung 34 gelieferte Gleichspannung U4 ist proportional der Eapazitätsänderung des Messkonden sators 32, unabhängig von dessen Verlustfak- toränderung. Das Anzeigeinstrument 35 gibt demnach einen Aussehlag, der proportional dem Substanzquerschnitt des Messgutes ist, und unabhängig von dessen Feuchtigkeits- gehalt.
Fig. 6 zeigt als Beispiel ein detailliertes Schema eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemässen Einrichtung.
Ein Quarzoszillator, bestehend aus dem Quarz 36, den Kapazitäten 37, 38, 39 und 44, dem Gitterableitwiderstand 40, der Drossel 41 und der Robre 42, erzeugt in bekannter Schaltung eine Hochfrequenzspannung konstanter Amplitude und Frequenz. Über die Koppel- kapazität 43 wird diese Hochfrequenzspannung einem Verstärker in iiblicher Schaltung, bestehend aus den Widerständen 45 und 46, der Kapazität 47, der Röhre 48 und dem Aus- gangstransformator 49, zugeführt.
Von hier aus gelangt die Hochfrequenzspannung einerseits zu einem RC-Phasenschieber in bekannter Schaltung, bestehend aus einer Kapazität 51 und einem Widerstand 50, anderseits zu einem Symmetriertransformator 6, der die Wechselstrombrücke, bestehend aus dem Messkondensator 32 und den Kapazitäten 5 und 5', speist. Die Funktionen dieser Elemente sind bereits eingehend erläutert worden.
Die variable KapazitÏt 5' dient zum Null- abgleich der Brücke. Die Diagonalspannung der Brücke gelangt zu einem Verstärker mit hochohmigem Eingang, bestehend aus den Widerständen 60 und 61, der Kapazität 62, der Röhre 70 und dem Symmetriertransformator 11, welcher die Phasenvergleichsvorrichtung mit den Dioden 12 und 13, dem Symmetrier- potentiometer 67 und der Kapazität 68 speist.
Die Vergleichsspannung U'wird der Phasenvergleichsvorrichtung vom Phasenschieber 50-51 ber einen Trennverstärker zugeführt, der durch die Röhre 52, den Widerstand 53, die Kapazität 54 und den Ausgangstransformator 14 gebildet wird.
Die von der Phasenvergleichsvorrichtung an der Kapazität 68 erzeugte Gleichspannung wird einem Anzeigeinstrument 35 zugeführt.
Diesem Anzeigeinstrument können nach Bedarf noch weitere, eventuell registrierende, zugeschaltet werden.
PATENTANSPRErCHE
I. Verfahren zur Bestimmung des Sub stanzquerschnittes von Faserwickeln, Faserbändern, Vorgarnen und Garnen, unabhängig von deren Feuchtigkeitsgehalt, dadurch gekennzeichnet, dass das Me¯gut zwischen den Platten eines Messkondensators durchgeführt wird, wobei nur die Kapazitätsänderung des Messkondensators unter Ausschaltung des Verlustfaktors dieses Messkondensators gemessen
**WARNUNG** Ende DESC Feld konnte Anfang CLMS uberlappen**.