ОПТИЧЕСКИЙ СПОСОБ КОНТРОЛЯ КРУТКИ НИТЕЙ Российский патент 2012 года по МПК G01N21/21 

Изобретение относится к способам измерения крутки нитей и может быть использовано для оперативного контроля величины крутки нитей в процессе производства.

Известен традиционный механический метод определения крутки нитей с помощью круткомера, например КУ-500 (Лабораторный практикум по текстильному материаловедению / под ред. А.И.Коблякова. - М: Легкопромбытиздат, 1986. - С.60-65), который используется при выборочном контроле образцов до настоящего времени во всех заводских лабораториях. Метод заключается в подсчете числа оборотов при полном раскручивании нити, причем момент раскручивания фиксируется визуально. Этот способ требует значительного времени на одно измерение (~минуты) и в принципе не может быть использован для контроля в ходе технологического процесса производства.

Известен способ контроля величины крутки нити (Патент РФ №2138588, МКИ 6 D01Н 13/32, G01N 21/00. Способ контроля физических параметров движущейся нити / Шляхтенко П.Г., Мещерякова Г.П., Труевцев Н.Н., Лучинкина В.В., опубл. 27.09.99, бюл. №27), заключающийся в том, что освещают вертикальную нить параллельным пучком монохроматического света, а о величине крутки судят по измеренному расстоянию между соседними рядами максимумов в дифракционной фраунгоферовой картине. Устройства по этому способу достаточно громоздки, дороги и требуют прецизионной настройки. Кроме того, автоматическая обработка дифракционной картины требует создания соответствующих компьютерных программ распознавания образов на фоне присутствия в дифракционной картине не несущих информацию паразитных максимумов «спеклов». Эта проблема еще полностью не решена.

Описан метод контроля крутки пряжи (А.В.Парамонов, Т.А.Корнюхина. Экспресс-метод определения крутки пряжи // Текст промышленность, 1978. - №3. - С.72-74), который заключается в том, что исследуемый объект освещается параллельным пучком света нормально к его поверхности и регистрируется индикатриса прямого светорассеяния I(β) - зависимость величины рассеянного светового потока, прошедшего сквозь щель и регистрируемого фотоприемником, от угла поворота щели β вокруг оптической оси. О величине крутки судят на основании анализа зависимости I(β).

Измерения по этому методу достаточно длительны и трудоемки. Как и предыдущий метод, этот метод не является дистанционным, так как исследуется рассеяние света в направлении его падения. В устройствах по этим способам осветитель и регистрирующее устройство находятся по разные стороны от исследуемой нити.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ контроля крутки нитей (Патент РФ №2047169, МКИ 6 G01N 21/00, D01Н 13/00. Оптический способ контроля крутки нитей / А.М.Челышев, П.Г.Шляхтенко, Ю.Н.Ветрова и др.; опубл. 27.10.95, бюл. №30), включающий освещение исследуемой нити параллельным пучком нормально к ее образующей, измерение световых потоков Ф_II и Ф_⊥, рассеянных нитью в обратном направлении в двух одинаковых телесных углах, ориентированных во взаимно перпендикулярных плоскостях под равными углами к падающему пучку, первый из которых Ф_II ориентирован в плоскости протяжки нити при ее изготовлении. О величине крутки судят по рассчитанному коэффициенту изотропии светорассеяния и известной зависимости коэффициента изотропии от величины крутки, полученной для данного типа нитей.

В способе используется то обстоятельство, что с ростом величины крутки изменяется угловое распределение волокон относительно оси симметрии скручиваемой нити, что приводит к изменению угловой диаграммы обратного светорассеяния.

К недостатку способа можно отнести его недостаточную чувствительность, связанную с тем, что в этом методе регистрируются полные световые потоки, идущие в указанных направлениях от освещенного участка исследуемой нити. То есть регистрируются как световые потоки, отраженные от поверхности волокон исследуемой нити, несущие четкую информацию об угловой ориентации скрученных стренг, так и световые потоки, рассеянные освещенным объемом нити. Вторая часть потока связана с изотропным диффузным рассеянием света на случайных геометрических неоднородностях материала волокон и не несет информации об изменении анизотропии в угловом распределении волокон в процессе крутки нити.

Целью изобретения является увеличение чувствительности метода и точности измерений за счет выделения и измерения из общих световых потоков только первых информативных его частей.

Поставленная цель достигается тем, что исследуемую нить освещают параллельным пучком нормально к ее образующей, и измеряют световые потоки Ф_II и Ф_⊥, рассеянные нитью в обратном направлении в двух одинаковых телесных углах, ориентированных во взаимно перпендикулярных плоскостях под равными углами к падающему пучку, первый из которых Ф_II ориентирован в плоскости протяжки нити при ее изготовлении, отличающийся тем, что освещение производят плоскополяризованным светом, плоскость поляризации которого вращают вокруг оси светового пучка с частотой ω, и вычисляют коэффициент изотропии светорассеяния по формуле

,

где - амплитуда меняющейся с частотой 2ω переменной составляющей светового потока Ф_II, рассеянного в первом телесном угле;

- амплитуда меняющейся с той же частотой переменной составляющей светового потока Ф_⊥, рассеянного во втором телесном угле,

а величину крутки нитей определяют по известной зависимости измеренного таким образом коэффициента изотропии от величины крутки, полученной для данного типа нитей.

Существенными отличиями заявляемого решения являются:

1. Освещение производят плоскополяризованным светом, плоскость поляризации которого вращают вокруг оси светового пучка с частотой ω.

В прототипе освещение производилось неполяризованным светом.

2. Вычисляют коэффициент изотропии светорассеяния по формуле

,

где - амплитуда меняющейся с частотой 2ω переменной составляющей светового потока Ф_II, рассеянного в первом телесном угле,

- амплитуда меняющейся с той же частотой переменной составляющей светового потока Ф_⊥, рассеянного во втором телесном угле.

В прототипе коэффициент изотропии светорассеяния рассчитывался по другой формуле

,

где Ф_II и Ф_⊥ - световые потоки, рассеянные нитью в обратном направлении в указанных выше телесных углах.

3. Величину крутки нитей определяют по известной зависимости измеренного таким образом коэффициента изотропии () от величины крутки, полученной для данного типа нитей.

В прототипе величину крутки нитей определяют по известной зависимости коэффициента изотропии (χ) от величины крутки, полученной для данного типа нитей.

На фиг.1 представлена схема, поясняющая предлагаемый способ.

Неполяризованный свет параллельным пучком проходит через поляризатор 1, вращающийся с постоянной угловой скоростью ω от двигателя 2, и плоскополяризованным светом, в котором плоскость поляризации вращается с угловой скоростью ω, освещает исследуемый образец нити 3, перпендикулярно ее поверхности. Световые потоки Ф₁ и Ф₂, рассеянные нитью в одинаковых телесных углах ΔΩ₁ и ΔΩ₂(Ω₁=ΔΩ₂=ΔΩ), ориентированных под одним углом к направлению падения света α во взаимно-перпендикулярных плоскостях, поступают на линейные фотоприемники 4 и 5, которые измеряют амплитуду переменных с частотой 2ω составляющих световых потоков Ф₁ и Ф₂ (соответственно потоков и ).

Отличие предлагаемого способа от прототипа обусловлено необходимостью отделения и регистрации части светового потока, идущего при однократном отражении света от поверхности волокон, находящихся непосредственно у освещенной поверхности исследуемой нити, от светового потока, идущего от освещаемого объема материала нити.

Первая компонента светового потока представляет собой свет всегда частично плоско-поляризованный таким образом, что в нем содержится преимущественно компонента светового вектора Е, колеблющаяся в плоскости, перпендикулярной плоскости падения света, проходящей через образующую цилиндрического волокна, и поэтому несет информацию об ориентации этого волокна в крученой нити.

Вторая компонента светового потока обусловлена светом, диффузно рассеянным на геометрических неоднородностях в материале освещаемой нити, и многочисленными переотражениями от случайно ориентированных друг относительно друга отражающих поверхностей волокон. Эта диффузная компонента не поляризована.

Интенсивность первой компоненты пропорциональна числу одинаково ориентированных волокон в освещаемой приповерхностной области.

Интенсивность неполяризованной диффузной части светового потока зависит от толщины освещаемого объема материала и его оптических свойств и, складываясь с первой информативной компонентой, как это происходит в прототипе, снижает чувствительность метода.

В случае измерения амплитуды только переменной составляющей светового потока в заявляемом способе, из общего светового потока, поступающего на фотоприемник, выделяется только переменная с частотой 2ω плоскополяризованная его компонента , интенсивность которой определяется известным законом Малюса (I~Cos²ωt=(1+Cos2ω)/2).

В процессе крутки нити преимущественная угловая ориентация поверхностных волокон относительно образующей нити изменяется от близкой к параллельной образующей (для некрученой нити) до близкой к перпендикулярной (при максимальной крутке). Это должно существенно сказываться на угловой диаграмме светорассеяния нити, контролируемой заявляемым способом.

Работоспособность предлагаемого способа была проверена на установке, блок-схема которой изображена на фиг.2.

Свет от источника 6 («белый» светодиод, испускающий неполяризованный свет в видимой области спектра) через телескопический объектив 7 и поляризатор 1 (поляроидная пленка), приводимый во вращение двигателем 2, параллельным пучком падает на поверхность исследуемой нити 3. В качестве фотоприемника используется фотоэлектрический умножитель (ФЭУ) 4, который питается от стабилизированного выпрямителя 8 и регистрирует свет, рассеянный материалом под углом α к оптической оси в постоянном телесном угле. Переменная составляющая напряжения с ФЭУ () измеряется универсальным цифровым вольтметром 9 (В 7-16 А). Нить 3 закрепляется в специальном держателе 10 в натянутом с помощью пружины 11 состоянии.

С помощью ручки 12 исследуемую нить 3 можно закручивать на известное число оборотов, не снимая ее с держателя 10. Держатель с нитью может поворачиваться вокруг оси падающего пучка света и устанавливаться на любое значение угла φ в диапазоне 0-2π с точностью ±1°.

Сравнительные измерения по способу прототипа производились на той же установке (фиг.2) и без поляризатора 1-2. Вместо него устанавливался модулятор 13-14, который периодически прерывал пучок света. В этом случае вольтметр 9 измерял амплитуду переменного напряжения, пропорциональную световому потоку, поступающему на ФЭУ по способу-прототипу.

На фиг.3 приведены экспериментальные зависимости коэффициента изотропии от величины крутки K, рассчитанные по заявляемой формуле (кр. 1, 3, 5) и зависимости коэффициента изотропии χ от величины крутки K, полученные по методу прототипа (кр. 2, 4, 6). Кр. 1, 2 получены для белой неокрашенной нити, скрученной из трех стренг, каждая из которых состоит из множества тонких капроновых волокон. Кр. 3, 4 - для нити, скрученной из двух прозрачных нейлоновых мононитей диаметром 0,16 мм. Кр. 5, 6 - для капроновой нити, состоящей из трех стренг, каждая из которых состоит из множества тонких капроновых волокон, окрашенных в черный цвет. Белая и черная капроновые нити имели заводскую крутку 3 (см)^-1.

Из анализа этих кривых можно сделать следующие выводы:

1. При малых крутках кр. 1, 3, 5 точнее описывают истинную изотропию расположения волокон в одинаковых нитях, чем кр. 2, 4, 6, т.к. они при малых крутках дают меньшее значение коэффициента изотропии , вычисляемого по заявляемому методу, чем χ, вычисляемый аналоговым методом. При малых крутках все волокна в нити близки по направлению к оси нити, т.е. анизотропия углового расположения волокон максимальна. Так как цилиндрические волокна отражают свет в направлении, перпендикулярном его оси, коэффициент изотропии, рассчитываемый по заявляемой формуле, должен быть минимальным, и, как видно из фиг.3, он более соответствует действительности, чем рассчитываемый по методу прототипа.

2. В отличие от существенно нелинейных зависимостей χ(K) - кр. 2, 4, 6, кривые

идут в рабочем диапазоне крутки практически линейно (кр. 1, 3, 5). Это позволяет задавать зависимости аналитически , только по двум измерениям и

для значений крутки соответственно K₁ и K₂, взятых на границах этого интервала. При этом значения а и b находятся из формул: и , что значительно облегчает нахождение «известных зависимостей» в формуле изобретения и очевидно увеличивает точность измерений по сравнению с прототипом.

Изобретение относится к области оптических измерений и может быть использовано для оперативного контроля величины крутки нитей в процессе производства. Способ заключается в том, что освещение исследуемой нити производят плоскополяризованным светом, плоскость поляризации которого вращают вокруг оси светового пучка с частотой ω, и вычисляют коэффициент изотропии светорассеяния по формуле где - амплитуда меняющейся с частотой 2ω переменной составляющей светового потока, рассеянного в обратном направлении в телесном угле, ориентированном в плоскости, совпадающей с направлением нити; - амплитуда меняющейся с той же частотой переменной составляющей светового потока, рассеянного в том же телесном угле и под тем же углом к направлению падения света, но расположенным в перпендикулярной плоскости, а о величине крутки нитей судят по известной зависимости коэффициента изотропии от величины крутки. Изобретение обеспечивает увеличение чувствительности за счет выделения из светового потока, идущего от освещенной части исследуемой нити, и последующего измерения только плоскополяризованной его части. 3 ил.

Оптический способ контроля величины крутки нити, заключающийся в том, что исследуемую нить освещают параллельным пучком нормально к ее образующей и измеряют световые потоки Ф_II и Ф_⊥ , рассеянные нитью в обратном направлении в двух одинаковых телесных углах, ориентированных во взаимно перпендикулярных плоскостях под равными углами к падающему пучку, первый из которых Ф_II ориентирован в плоскости протяжки нити при ее изготовлении, отличающийся тем, что освещение производят плоскополяризованным светом, плоскость поляризации которого вращают вокруг оси светового пучка с частотой ω, и вычисляют коэффициент изотропии светорассеяния по формуле
,
где - амплитуда меняющейся с частотой 2ω переменной составляющей светового потока Ф_II, рассеянного в первом телесном угле;
- амплитуда меняющейся с той же частотой переменной составляющей светового потока Ф_⊥ , рассеянного во втором телесном угле,
а величину крутки нитей определяют по известной зависимости измеренного таким образом коэффициента изотропии от величины крутки, полученной для данного типа нитей.