DE10117878A1 - Yarn tension monitor has a deflector in the yarn path, which is shifted by the yarn tension to distort a photo-elastic element where an opto-electronic scanner registers light through it and detects changes - Google Patents
Yarn tension monitor has a deflector in the yarn path, which is shifted by the yarn tension to distort a photo-elastic element where an opto-electronic scanner registers light through it and detects changesInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen Fadenspannungsmesser gemäß Oberbegriff des An spruchs 1.The invention relates to a thread tension meter according to the preamble of the An saying 1.
Fadenspannungsmesser haben bei ruhendem oder laufendem Faden aus der sehr kleinen Last des am Deflektor umgelenkten Fadens präzise Angaben zur Fadenspan nung zu liefern. Aus der von der kleinen Last des Fadens resultierenden Deformation muss die Fadenspannung in einem fadenverarbeitenden System, z. B. einer Webma schine mit Schuss-Fadenliefergeräten, trotz arbeitsbedingter Vibrationen und bei lau fendem Faden variierender Reibungseinflüsse sauber ermittelt werden. In der Praxis wurden für diesen Zweck Fadenspannungsmesser entwickelt, die mit Dehnungs messelementen oder piezoelektrischen Elementen arbeiten, die von der Auswerte schaltung analysiert werden. Um hierbei eine klare Messung der Fadenspannung in nerhalb eines großen Messbereiches und trotz der vom Faden stammenden und der äußeren Einflüsse sicherzustellen, ist ein hoher elektronischer und vorrichtungstech nischer Aufwand erforderlich. Die bekannten Fadenspannungsmesser sind teure und empfindliche Geräte, die in fadenverarbeitenden Systemen meist in großer Anzahl in stalliert sind. Bei Dehnungsmessstreifen oder piezoelektrischen Elementen wird das Phänomen genutzt, dass deren Materialien unter einer mechanischen Last ihre elekt rischen Eigenschaften verändern und über die Veränderungen Rückschlüsse auf die mechanische Spannungszustände bewirkenden Last ermöglichen. Beispielsweise va riiert der elektrische Innenwiderstand oder eine verformungsbedingt abgegebene e lektrische Spannung. Zum Ableiten einigermaßen brauchbarer Nutzsignale ist jedoch hoher elektronischer Aufwand notwendig.Thread tension meters have from the very when the thread is at rest or running small load of the thread deflected at the deflector precise information about the thread span supply. From the deformation resulting from the small load of the thread the thread tension in a thread processing system, e.g. B. a Webma machine with weft thread delivery devices, despite work-related vibrations and at lukewarm variable thread of varying friction influences can be determined accurately. In practice Thread tension meters were developed for this purpose measuring elements or piezoelectric elements work from the evaluations circuit can be analyzed. To ensure a clear measurement of the thread tension in within a large measuring range and despite the originating from the thread and the Ensuring external influences is a high level of electronic and device technology African effort required. The well-known thread tension meters are expensive and sensitive devices, which are usually used in large numbers in thread processing systems are installed. With strain gauges or piezoelectric elements, this becomes Used phenomenon that their materials under a mechanical load their elect change its physical properties and draw conclusions about the changes allow mechanical stress conditions causing load. For example, especially the electrical internal resistance or a deformation-induced e electrical voltage. However, for deriving reasonably useful signals high electronic effort necessary.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen baulich einfachen und funktionssi cheren, kostengünstig herstellbaren Fadenspannungsmesser einer anderen Art zu schaffen, der einen großen Messbereich hat und mit moderatem elektronischem Auf wand klare Ausgangssignale ableiten lässt.The invention has for its object a structurally simple and functional cheren, inexpensive to manufacture thread tension meter of a different type create that has a large measuring range and with moderate electronic opening can derive clear output signals.
Die gestellte Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. The object is achieved with the features of claim 1.
In Abkehr vom konventionellen Prinzip, die elastische Deformation in der Transducer einrichtung direkt auf elektronischem Weg abzugreifen und auszuwerten, wird das Phänomen der Doppelbrechung eines fotoelastischen, deformierbaren Elements zum Messen der Fadenspannung eingesetzt. Aus der Deformation des fotoelastischen E lementes wird auf optoelektronischem Weg mit polarisiertem Licht über die Änderung des Brechungsverhaltens anhand der Intensität des austretenden Lichts abgetastet, die sich mit einer Änderung des inneren Spannungszustandes im fotoelastischen E lement ändert. Das fotoelastische Element besteht aus einem dielektrischen Material, das transparent und normalerweise zumindest weitestgehend isotrop ist. Dieses Ma terial wird anisotrop, sobald es einer mechanischen Spannungskondition unterworfen wird. Die dadurch induzierte Anisotropie resultiert in unterschiedlichen Brechungsindi zes für verschiedene Lichtwellen-Polarisierungsrichtungen unter Bezug auf die haupt sächlichen Spannungen im Inneren des Elements. Über die Intensität des austreten den Lichts lässt sich die Spannungskondition detektieren. Eine in etwa senkrecht auf treffende Lichtwellenfront polarisierten Lichts wird in zwei Wellen aufgeteilt, die sich im Inneren des Elementes mit zwei unterschiedlichen Geschwindigkeiten fortpflanzen, da es entlang der Hauptachsen im Element unterschiedliche Brechungsindizes vorfindet. Daraus resultiert im austretenden Licht eine Phasendifferenz; das Element agiert wie ein uniaxialer Kristall, bei dem die Intensität des austretenden Lichtes einer analyti schen Gleichung folgt, die leicht ableitbar ist. Da die Hauptspannungen im Element in der Praxis kaum parallel zu den Polarisierungsachsen orientiert sind, lassen sich die Spannungskonditionen anhand des austretenden Lichtes einfach durch dessen Isoch romate abtasten. Praktisch über die gesamte Ausdehnung des Elementes führt die spezielle Anordnung zu einem nahezu konstanten Phasenversatz oder einer Phasen differenz, wodurch sich die beiden durchgehenden Lichtwellen gegenseitig beeinflus sen. Durch Auswerten des schließlich aufgefangenen Lichtes in Relation zum beauf schlagenden Licht lassen sich die momentanen Spannungskonditionen im fotoelasti schen Element mit geringem elektronischen Aufwand innerhalb eines weiten Messbe reichs beurteilen. Daraus kann die Fadenspannung präzise abgeleitet werden. Die Ausgangscharakteristik ist nicht linear, sondern in erster Annäherung quadratisch. Durch geeignete, bekannte Linearisierungsverfahren kann die Fadenspannung jedoch mit hoher Präzision gemessen werden. Da die Fadenspannung indirekt über die auf optoelektronischem Weg ermittelte innere Spannungskondition des elastischen Elements ermittelt wird, und zwar unter Nutzung des Effekts der Fotoelastizität bzw. der Doppelbrechung und unterstützt durch die geometrischen Voraussetzungen, lassen sich starke und aussagefähige Nutzsignale zum Messen der Fadenspannung erzie len. Dies geschieht mit moderatem elektronischem Aufwand. Der mechanische Auf bau des Fadenspannungsmessers ist einfach. Der Fadenspannungsmesser lässt sich kostengünstig produzieren, ist unempfindlich, kompakt und deshalb in fadenverarbei tenden Systemen optimal zu installieren. Erfindungsgemäß wird das Phänomen foto elastischen Materials genutzt, das unter durch die mechanische Last der Fadenspan nung hervorgerufenen inneren Spannungszuständen seine optischen Eigenschaften verändert und damit Rückschlüsse auf das Ausmaß der Last und die Fadenspannung ermöglicht. Damit ist gemeint, dass fotoelastisches Material bei Beleuchtung oder Durchleuchtung beispielsweise mit polarisiertem Licht sein Brechungsverhalten oder das Verhältnis zwischen aufgebrachtem und durchgelassenem Licht mit der Last än dert, wobei zusätzlich die Geometrie des fotoelastischen Elements eingesetzt wird, um starke und aussagefähige Ausgangssignale innerhalb eines weiten Messberei ches abzuleiten. Da das Ausgangssignal stark und innerhalb eines weiten Bereichs aussagefähig variiert und eindeutiges Verhältnis zwischen der Änderung des mecha nischen Spannungszustandes und der Veränderung der optischen Eigenschaften ge geben ist, bleibt der notwendige elektronische Aufwand zum Auswerten des Aus gangssignals gering. Außerdem lässt sich der Fadenspannungsmesser kostengüns tig, einfach und kompakt gestalten, wobei der Einsatz des Mediums Licht als außeror dentlich vorteilhaft für die präzise Messung so geringer Kräfte, wie sie aus der Faden spannung eines dünnen Fadens resultieren, von Vorteil ist. Dazu kommt, dass das fotoelastische Elemente als hauptsächliche aktive Komponente des Fadenspan nungsmessers nur berührungslos durch das Licht abgetastet wird, was den Aufbau vereinfacht, da an dem fotoelastischen Element kein direkter elektrischer Abgriff be nötigt wird.Contrary to the conventional principle, the elastic deformation in the transducer tapping and evaluating the facility directly electronically will be Phenomenon of birefringence of a photoelastic, deformable element to Measuring the thread tension used. From the deformation of the photoelastic E lementes is optoelectronic with polarized light via the change the refractive behavior is sensed on the basis of the intensity of the emerging light, which change with a change in the internal state of tension in the photoelastic E element changes. The photo-elastic element is made of a dielectric material, that is transparent and usually at least largely isotropic. This Ma material becomes anisotropic as soon as it is subjected to a mechanical stress condition becomes. The anisotropy induced thereby results in different refractive indices zes for different lightwave polarization directions with reference to the main neuter tensions inside the element. About the intensity of the leak the voltage condition can be detected in the light. One roughly perpendicular The striking light wave front of polarized light is divided into two waves, which are reflected in the Propagate the interior of the element at two different speeds because there are different refractive indices along the main axes in the element. This results in a phase difference in the emerging light; the element acts like a uniaxial crystal, in which the intensity of the emerging light of an analyti equation follows, which is easy to derive. Since the main stresses in the element in in practice are hardly oriented parallel to the polarization axes, the Conditions of tension based on the emerging light simply by its isoch feel romate. The leads virtually over the entire extent of the element special arrangement for an almost constant phase offset or phase difference, whereby the two continuous light waves influence each other sen. By evaluating the light finally captured in relation to the job The current tension conditions can be reflected in the fotoelasti element with little electronic effort within a wide measuring range judge empire. The thread tension can be derived precisely from this. The The output characteristic is not linear, but square in the first approximation. However, the thread tension can be adjusted by suitable, known linearization methods can be measured with high precision. Since the thread tension is indirect via the internal tension condition of the elastic element determined optoelectronic way is determined, using the effect of photo elasticity or Birefringence and supported by the geometric requirements, let strong and meaningful useful signals for measuring the thread tension are formed len. This is done with moderate electronic effort. The mechanical opening building the thread tension meter is easy. The thread tension meter can be Producing inexpensively, is insensitive, compact and therefore in thread processing optimal systems to install. According to the invention, the phenomenon is photo elastic material that is used by the mechanical load of the thread chip caused internal tension states its optical properties changed and thus conclusions on the extent of the load and the thread tension allows. This means that photo-elastic material when illuminated or Illumination, for example with polarized light, or its refractive index the ratio between applied and transmitted light with the load än changes, with the geometry of the photo-elastic element also being used, for strong and meaningful output signals within a wide measuring range ches. Because the output signal is strong and within a wide range meaningfully varied and clear relationship between the change in mecha African voltage state and the change in optical properties ge is given, the necessary electronic effort remains to evaluate the evaluation output signal low. In addition, the thread tension meter can be inexpensive design, simple and compact, with the use of light as an extra advantageous for the precise measurement of forces as low as those from the thread tension of a thin thread result, is an advantage. On top of that, that Photoelastic elements as the main active component of the thread chip voltage sensor is only scanned contactlessly by the light, which is the structure Simplified, because there is no direct electrical tap on the photo-elastic element is required.
Das Phänomen der Fotoelastizität nutzende Messeinrichtungen für große Kräfte, Drü cke oder andere Messwerte sind bekannt aus US 4 466 295 A und US 3 971 934 A.Measuring devices for large forces using the phenomenon of photoelasticity, Drü Cke or other measured values are known from US 4,466,295 A and US 3,971,934 A.
Zweckmäßig wird der Faden-Deflektor direkt mittels des fotoelastischen Elements in der Lagerung abgestützt, so dass jegliche aus der Fadenspannung resultierende Kraft in das fotoelastische Element eingeleitet wird und in diesem einen mechanischen Spannungszustand induziert, der strikt lastabhängig variiert und sich mit Licht stö rungsunempfindlich abtasten lässt.The thread deflector is expediently attached directly by means of the photo-elastic element in of the bearing, so that any force resulting from the thread tension is introduced into the photo-elastic element and in this a mechanical Voltage state induced, which varies strictly depending on the load and interferes with light can be scanned insensitively.
Günstig ist ein fotoelastisches Element in Plattenform, von dem der Faden-Deflektor einseitig auskragend absteht und dabei einen Fadenkontaktbereich aufweist, der von der nächstliegenden Plattenoberfläche mit einem Torsionshebelarm beabstandet ist. Auf diese Weise wird das fotoelastische Element primär einer Torsion mit Scherbe lastungen unterworfen, gegebenenfalls in Verbindung mit einer Biegung, da das foto elastische Element besonders empfindlich auf Torsion anspricht. Die optische Achse der optoelektronischen Abtasteinrichtung durchsetzt die Platte quer zum Plattenver lauf, vorzugsweise in etwa senkrecht zu den Plattenoberflächen, so dass eine kriti sche Lichtkollimation innerhalb eines zu langen Lichtweges im fotoelastischen Ele ment vermieden wird. Die gelagerte Masse des fotoelastischen Elements beträgt da bei nur ein Minimum, so dass speziell für die Anwendung bei der Fadenspannungs messung eine günstige Eigenresonanzfrequenz beispielsweise in der Größenordnung von etwa 1 kHz mit guten unmittelbarem Ansprechverhalten erzielt wird.Inexpensive is a photo-elastic element in plate form, of which the thread deflector protrudes on one side and thereby has a thread contact area which of the closest plate surface is spaced with a torsion arm. In this way, the photo-elastic element becomes primarily a torsion with a shard subject to loads, possibly in connection with a bend, as the photo elastic element is particularly sensitive to torsion. The optical axis the optoelectronic scanning device penetrates the plate transversely to the plate ver run, preferably approximately perpendicular to the plate surfaces, so that a critical cal collimation within a too long light path in the photo-elastic el ment is avoided. The stored mass of the photoelastic element is there at only a minimum, so specifically for use in thread tension measurement a favorable natural resonance frequency, for example in the order of magnitude of about 1 kHz with good immediate response.
Sehr praktikabel ist eine streifenförmige Platte, die an gegenüberliegenden Längsen den in der Lagerung stationär festgelegt ist, wobei die Plattenbreite ein Vielfaches der Plattenstärke beträgt. Die optische Achse der optoelektronischen Abtasteinrichtung durchsetzt die streifenförmige Platte senkrecht zur Plattenhauptebene und im Abstand vom Faden-Deflektor und einem eingespannten Längsende, d. h. in einem Bereich, in dem die mechanische Torsions-Spannung im fotoelastischen Element nahezu homo gen ist, was das Positionieren der optischen Achse der optoelektronischen Abtastein richtung vereinfacht.A strip-shaped plate is very practical, on the opposite longitudinal sides which is fixed in the storage, the plate width is a multiple of Plate thickness is. The optical axis of the optoelectronic scanner passes through the strip-shaped plate perpendicular to the plate main plane and at a distance from the thread deflector and a clamped longitudinal end, d. H. in an area in which the mechanical torsional stress in the photo-elastic element almost homo gene is what the positioning of the optical axis of the optoelectronic scanner direction simplified.
Alternativ könnte das fotoelastische Element eine einseitig eingespannte Platte sein, die im Abstand von der im Festlegungsbereich direkt vom Faden kontaktiert wird und somit selbst den Faden-Deflektor bildet, oder einen Fadenführer zum Kontakt mit dem Faden trägt. Die Platte wird unter der Last aus der Fadenspannung bei dieser Ausfüh rungsform im Wesentlichen auf Biegung belastet. Alternatively, the photo-elastic element could be a plate clamped on one side, which is contacted directly by the thread at a distance from the and thus itself forms the thread deflector, or a thread guide for contact with the Thread carries. The plate is under the load from the thread tension in this execution form mainly loaded on bending.
Als Material für das fotoelastische Element eignet sich besonders isotroper oder qua si-isotropen Kunststoff oder isotropes optisches Glas. Für die Verwendung im Faden spannungsmesser eignet sich allerdings auch Kunststoff oder optisches Glas mit einer einigermaßen definierten, vorzugsweise herstellungsbedingten, optischen Lichtdurch gangsachse. Solche Materialien sind normalerweise isotrop und werden in einem me chanischen Spannungszustand anisotrop. Besonders zweckmäßig ist ein fotoelasti scher Kunststoff wie Polycarbonat, der handelsüblich mit den gewünschten Material spezifikationen erhältlich ist. Die induzierte Anisotropie resultiert in unterschiedlichen Brechungsindizes für unterschiedliche Licht-Polarisierungsrichtungen in Bezug auf die hauptsächlichen Spannungen im Inneren des fotoelastischen Elements. Die Span nungskondition kann detektiert werden durch Messen der Intensität des austretenden Lichts, wobei das fotoelastische Element zwischen zwei linearen Polarisierungsele menten mit sich kreuzenden Polarisierungsachsen platziert ist.Isotropic or qua is particularly suitable as the material for the photo-elastic element si-isotropic plastic or isotropic optical glass. For use in the thread However, voltmeters are also suitable for plastic or optical glass with a reasonably defined, preferably production-related, optical light gang sachse. Such materials are usually isotropic and are used in a me chanic stress state anisotropic. A photoelastic is particularly useful shear plastic such as polycarbonate, which is commercially available with the desired material specifications is available. The induced anisotropy results in different Refractive indices for different light polarization directions with respect to that main stresses inside the photo-elastic element. The Span Condition can be detected by measuring the intensity of the exiting Light, the photoelastic element between two linear polarizing elements elements with crossing polarization axes.
Da es für die Verwendung des fotoelastischen Elements in dem Fadenspannungs messer wichtig ist, im weitgehend belastungsfreien Zustand möglichst wenig herstel lungsbedingte Spannungen im Inneren zu haben, sollen bei einer aus einer Kunst stofffolie ausgeschnittenen Platte zumindest die frei verlaufenden Schnittränder ge schliffen sein, um "eingefrorene" Spannungen zu eliminieren. Die Platte wird mit Übermaß zugeschnitten und dann zumindest in den freiliegenden Schnitträndern durch Schleifen auf die notwendige Plattenbreite gebracht, um unerwünschte Einflüs se auf die Messgenauigkeit zu minimieren.Since it is for the use of the photoelastic element in the thread tension knife is important to produce as little as possible in the largely stress-free state One should have tension-related tensions within one of an art fabric film cut out plate at least the free-running cut edges ge be ground to eliminate "frozen" stresses. The plate comes with Cut to size and then at least in the exposed cut edges brought to the necessary plate width by grinding to avoid undesired influences to minimize the measuring accuracy.
Um den Einfluss von Fremdlicht oder dgl. zu minimieren, sollte das fotoelastische Element außerhalb des Durchgangsbereiches der optischen Achse der optoelektroni schen Abtasteinrichtung eine lichtundurchlässige Abdeckung aufweisen, z. B. einen Farbauftrag.In order to minimize the influence of extraneous light or the like., The photo-elastic Element outside the passage area of the optical axis of the optoelektroni rule the scanning device have an opaque cover, for. B. one Paint.
In der optoelektronischen Abtasteinrichtung sollte die Lichtquelle ein zumindest quasi monochromatisches Licht aussenden. Ein erstes Polarisierelement zwischen der Lichtquelle und dem fotoelastischen Element nimmt eine nur lineare Polarisierung des Lichts vor, das auf das fotoelastische Element auftrifft. An der gegenüberliegenden Seite wird ein zweites Polarisierelement platziert, dessen Polarisierungsachse gegenüber der Polarisierungsachse des ersten Polarisierelementes mit einem vorbestimm ten Winkel versetzt ist, beispielsweise 90%. Dahinter wird der Empfänger positioniert. Durch Abstimmen der Drehpositionen der ersten und zweiten Polarisierelemente rela tiv zueinander und relativ zur optischen Lichtdurchgangsachse des fotoelastischen Elements, wird eine Positionierung ermittelt, bei der ohne Belastung des fotoelasti schen Elementes oder mit einer minimalen Belastung eine minimale Lichttransmission eintritt, während die Lichttransmission innerhalb eines breiten Abtastbereichs mit auf gebrachter Last und steigender Fadenspannung gesetzmäßig bis zu einem Maximum zunimmt. Es kann zweckmäßig sein, die Polarisierelemente dreheinstellbar anzuord nen, um für sie die beste Orientierung in Relation zum fotoelastischen Element ein stellen zu können. Es ist so stets möglich, zwei orthogonale Positionen zu finden, in denen die Lichtlöschung zwischen den sich kreuzenden Polarisierelementen nahezu perfekt ist, z. B. besser als 0,1%. Dabei ist es zweckmäßig, das fotoelastische Ele ment nur weitgehend reiner Torsion zu unterwerfen, damit der Fadenspannungsmes ser eine geringe Vibrationsempfindlichkeit zeigt.In the optoelectronic scanning device, the light source should be at least quasi emit monochromatic light. A first polarizing element between the Light source and the photo-elastic element takes only a linear polarization of the Light that strikes the photo-elastic element. On the opposite A second polarizing element is placed on the side with its polarizing axis opposite the polarization axis of the first polarizing element with a predetermined th angle is offset, for example 90%. The receiver is positioned behind it. By coordinating the rotational positions of the first and second polarizing elements rela tiv to each other and relative to the optical light transmission axis of the photo-elastic Elements, a positioning is determined in which the photoelasti is not loaded element or with a minimal load, minimal light transmission occurs while the light transmission occurs within a wide scanning range brought load and increasing thread tension legally up to a maximum increases. It can be expedient to arrange the polarizing elements so as to be rotatable order the best orientation in relation to the photo-elastic element to be able to ask. It is always possible to find two orthogonal positions in which the light quenching between the crossing polarizing elements almost is perfect, e.g. B. better than 0.1%. It is advisable to use the photo-elastic Ele only largely pure torsion, so that the thread tension measurement he shows a low sensitivity to vibration.
Als Lichtquelle ist eine Rotlicht-LED zweckmäßig, während der Empfänger ein Foto element wie ein Fototransistor sein kann. Die Ausgangscharakteristik ist nicht linear, sondern in erster Annäherung quadratisch, d. h., die Intensität des aus dem zweiten Polarisierelement austretenden Lichtes folgt einem analytischen Ausdruck, der ein fach abgeleitet werden kann. Beispielsweise ist die Intensität des austretenden Lichts proportional zum quadrierten Wert des durch die Last aufgebrachten Drehmoments, so dass über den gleichbleibenden Torsionshebelarm der Last direkt die Fadenspan nung ermittelt wird.A red light LED is useful as the light source, while the receiver takes a photo element like a photo transistor can be. The output characteristic is not linear, but in the first approximation square, d. that is, the intensity of the second Emerging light polarizing element follows an analytical expression, the one subject can be derived. For example, the intensity of the emerging light proportional to the squared value of the torque applied by the load, so that the thread tension directly over the constant torsion arm of the load is determined.
Zweckmäßigerweise ist der Faden-Deflektor ein Keramikstab oder Keramikrohr, vor zugsweise mit rundem Querschnitt, der mit einer Halterung auf der Platte festgelegt ist und sich in etwa senkrecht zur Plattenoberfläche erstreckt. Keramisches Material hat gute Verschleißfestigkeit gegen die Abrasion des Fadens, ist leicht, temperaturu nempfindlich und dämpfend.The thread deflector is expediently a ceramic rod or ceramic tube preferably with a round cross section, which is fixed with a holder on the plate and extends approximately perpendicular to the surface of the plate. Has ceramic material good wear resistance to thread abrasion, is light, temperature nsensitive and cushioning.
Bei einer konkreten Ausführungsform wird die Platte hochkant zwischen zwei Lager böcken festgelegt, so dass sie den Zwischenraum zwischen den Lagerböcken überbrückt. In einem Lagerbock sind den beiden Plattenoberflächen zugewandte erste und zweite plattenförmige Polarisierelemente enthalten, deren Drehposition zweckmäßi gerweise einstellbar ist. Die Lichtquelle und der Empfänger, die ebenfalls in diesem Lagerbock untergebracht sind, definieren die optische Achse der optoelektronischen Abtasteinrichtung, die die Platte senkrecht zur Plattenoberfläche durchdringt, und zwar im Abstand von der Stelle, an der der Faden-Deflektor aus der Last eine Torsion in der Platte erzeugt, und auch im Abstand vom Festlegungsbereich der Platte. Die ses Baukonzept führt zu geringer Vibrationsempfindlichkeit des Fadenspannungs messers und zu einem guten und unmittelbaren Ansprechverhalten des Fadenspan nungsmessers auf Fadenspannungsänderungen.In a specific embodiment, the plate is edged between two bearings trestles so that it bridges the gap between the pedestals. The first and the two plate surfaces are facing in a bearing block contain second plate-shaped polarizing elements, the rotational position of which is expedient is partially adjustable. The light source and the receiver, also in this Bearing blocks are housed, define the optical axis of the optoelectronic Scanner which penetrates the plate perpendicular to the plate surface, and at a distance from the point at which the thread deflector twists from the load generated in the plate, and also at a distance from the area of definition of the plate. the This construction concept leads to low vibration sensitivity of the thread tension knife and a good and immediate response behavior of the thread chip tension meter for changes in thread tension.
Baulich einfach wird an dem Grundkörper auch ein brückenförmiger Halter mit Fa denführern angeordnet, die mit dem Faden-Deflektor den Fadenweg durch den Fa denspannungsmesser festlegen. Gegebenenfalls wird ein zusätzlicher Fadenführer in unmittelbarer Nähe des Faden-Deflektors platziert, damit der Faden den Faden-De flektor in gleichbleibendem Abstand von der Platte beaufschlagt, selbst wenn die Ab stände zu den Fadenführern in Fadenlaufrichtung relativ groß gewählt werden. Dabei reicht ein kleiner Umlenkwinkel des Fadens aus, was dessen mechanische Belastung (Reibung, Beugung) minimiert.A bridge-shaped holder from Fa arranged the leaders who with the thread deflector the thread path through the company Set the voltage meter. If necessary, an additional thread guide in placed in the immediate vicinity of the thread deflector, so that the thread detaches the thread Flektor applied at a constant distance from the plate, even if the Ab stands for the thread guides in the thread running direction are chosen to be relatively large. there a small deflection angle of the thread is sufficient, which is its mechanical load (Friction, diffraction) minimized.
Ausführungsformen des Erfindungsgegenstandes werden anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:Embodiments of the subject matter of the invention are based on the drawings explained. Show it:
Fig. 1 eine schematische Perspektivansicht eines Fadenspannungsmessers, Fig. 1 is a schematic perspective view of a thread tension meter,
Fig. 2 eine Schemadarstellung zu dem Fadenspannungsmesser von Fig. 1, und Fig. 2 is a schematic representation of the thread tension meter of Fig. 1, and
Fig. 3 schematisch eine abgewandelte Ausführungsform eines Fadenspan nungsmessers. Fig. 3 schematically shows a modified embodiment of a thread tension meter.
Ein Fadenspannungsmesser M in Fig. 1 ist zum Einsatz an fadenverarbeitenden Systemen vorgesehen, um die Spannung in einem laufenden oder ruhenden Faden F zu messen bzw. ein die Fadenspannung repräsentierendes Ausgangssignal bereitzu stellen, gegebenenfalls zum Steuern wenigstens einer zugeordneten Komponente wie beispielsweise einer steuerbaren Fadenbremse (nicht gezeigt). Ein typischer Einsatz ort des Fadenspannungsmessers M ist der Fadenweg zwischen einem Fadenlieferge rät und einer Webmaschine.A thread tension meter M in FIG. 1 is provided for use in thread processing systems in order to measure the tension in a running or resting thread F or to provide an output signal representing the thread tension, possibly for controlling at least one associated component such as a controllable thread brake ( Not shown). A typical application of the thread tension meter M is the thread path between a thread delivery device and a weaving machine.
Der Fadenspannungsmesser M weist einen Grundkörper 1 und einen brückenartigen Halter 2 für zwei aufeinander ausgerichtete Fadenführer 3 auf, die einen vorbestimm ten, geraden Fadenweg durch den Fadenspannungsmesser M definieren. Der Faden F wird an einem Deflektor D umgelenkt, in der gezeigten Ausführungsform an einem Stab oder Rohr 12, beispielsweise aus keramischem Material und mit rundem Quer schnitt. Der Faden F lastet auf dem Faden-Deflektor D in einem vorbestimmten Kon taktbereich 14, in welchem der Faden F durch einen nicht gezeigten, weiteren Fa denführer gehalten werden kann.The thread tension meter M has a base body 1 and a bridge-like holder 2 for two aligned thread guides 3 , which define a predetermined, straight thread path through the thread tension meter M. The thread F is deflected at a deflector D, in the embodiment shown on a rod or tube 12 , for example made of ceramic material and with a round cross-section. The thread F bears on the thread deflector D in a predetermined contact area 14 , in which the thread F can be held by a further thread guide, not shown.
Am Grundkörper 1 sind beiderseits eines Zwischenraums 17 Lagerböcke 4, 5 ange ordnet. Im Lagerbock 5 ist eine optoelektronische Abtasteinrichtung A angeordnet, bestehend aus einer Lichtquelle LS, beispielsweise einer Rotlicht-LED 12, einem ers ten Polarisierelement Pi in Form einer viereckigen oder runden Platte, die im Lager bock 5 drehverstellbar ist; einem mit Abstand gegenüberliegenden zweiten Polarisier element PO, ebenfalls in Form einer viereckigen oder runden Platte, die drehverstell bar angeordnet sein kann, und einem Empfänger R, beispielsweise einem Fotoele ment oder Fototransistor 13. Die Lichtquelle LS und der Empfänger R sind über Lei tungen mit einer Auswerteschaltung 6 verbunden, die ein Signal i liefert.On the base body 1 17 bearing blocks 4 , 5 are arranged on both sides of an intermediate space. In the bearing block 5 , an optoelectronic scanning device A is arranged, consisting of a light source LS, for example a red light LED 12 , a first polarizing element P i in the form of a square or round plate which is rotatably adjustable in the bearing block 5 ; a spaced-apart second polarizing element P O , also in the form of a square or round plate that can be arranged rotatably bar, and a receiver R, for example a Fotoele element or phototransistor 13 . The light source LS and the receiver R are connected via lines to an evaluation circuit 6 which supplies a signal i.
Ein fotoelastisches Element E, beispielsweise mit der Form einer langgestreckten, dünnen Platte S, ist mit einem Längsende in einem Festlegungsbereich 7 im Lager bock 7 und z. B. wie hier auch mit dem anderen Längsende in einem Festlegungsbe reich 8 im Lagerbock 5 eingespannt. Zwischen den Festlegungsbereichen 7 und 8 er streckt sich die Platte S hier hochkant stehend. Die Platte S hat zueinander parallele Plattenoberflächen 9 und ebenfalls zueinander parallele Plattenrandflächen 10. An der Platte S ist der Faden-Deflektor D mit einer Halterung 11 bewegungsübertragend festgelegt. Da der Faden F den Faden-Deflektor D im Kontaktbereich 14 mit einer Last K beaufschlagt, die als Reaktionskraft aus der Fadenspannung abgeleitet ist, der Faden-Deflektor einseitig frei auskragt, und der Kontaktbereich 14 einen Torsionshe belarm zur Platte S hat, wird von der Last K in der Platte S reine Torsion erzeugt, die im Inneren der Platte S einen Torsionsspannungszustand bewirkt, der sich im Aus maß nach der Last K richtet. Hierfür ist es zweckmäßig, die Platte S an zwei gegen überliegenden Endbereichen festzulegen und dazwischen zu tordieren.A photo-elastic element E, for example with the shape of an elongated, thin plate S, with a longitudinal end in a fixing area 7 in the bearing block 7 and z. B. as here with the other longitudinal end in a Festlegungsbe rich 8 clamped in the bearing block 5 . Between the definition areas 7 and 8 he stretches the plate S upright here. The plate S has mutually parallel plate surfaces 9 and also mutually parallel plate edge surfaces 10 . On the plate S, the thread deflector D is fixed with a holder 11 in a motion-transmitting manner. Since the thread F imposes a load K on the thread deflector D in the contact region 14 , which is derived as a reaction force from the thread tension, the thread deflector projects freely on one side, and the contact region 14 has a low torsion ratio to the plate S, from the Load K in the plate S generates pure torsion, which causes a torsional stress state in the interior of the plate S, which depends on the load K from the extent. For this purpose, it is expedient to fix the plate S at two opposite end regions and to twist between them.
Die Platte S besteht beispielsweise aus dielektrischem, transparentem, normalerweise zumindest quasi-isotropem Material wie optischem Glas oder Kunststoff (amorphes organisches Glas, oder Kunststoff mit kubischem Kristallgitter) und wird im Falle einer inneren Torsionsspannungskondition anisotrop. Aus der Anisotropie resultieren für unterschiedliche Lichtwellen-Polarisierungsrichtungen unterschiedliche Brechungsin dizes in Bezug auf die hauptsächlichen Spannungen im Inneren des fotoelastischen Elements.The plate S consists, for example, of dielectric, transparent, normally at least quasi-isotropic material such as optical glass or plastic (amorphous organic glass, or plastic with cubic crystal lattice) and is used in the case of a anisotropic internal torsional stress condition. From the anisotropy result for different lightwave polarization directions different refractive index dices related to the main stresses inside the photoelastic Element.
Ist nun, wie bei dem Spannungsmesser M in Fig. 1, das fotoelastische Element E zwi schen zwei linearen Polarisierelementen Pi, PO angeordnet, derart, dass die optische Achse der optoelektronischen Abtasteinrichtung A im Abstand vom Festlegungsbe reich 8 und von der Halterung 11 und in etwa senkrecht zu den Plattenoberflächen 9 durch die Platte S gerichtet ist, dann lässt sich die Spannungskondition detektieren durch Messen der Intensität des Lichtes, das aus der durchleuchteten Platte austritt. Dabei sind die Polarisierelemente so angeordnet, dass ihre Polarisierungsachsen ein ander kreuzen. Durch Abstimmen der relativen Drehstellungen der Polarisierelemente auf die Lichtdurchgangsachse des fotoelastischen Elements lässt sich eine weitge hende Lichtauslöschung bei weitestgehend spannungsfreier Kondition des fotoelasti schen Elementes einstellen. Mit zunehmender Torsionsspannung im Inneren des fo toelastischen Elementes steigt die Intensität des austretenden Lichtes. Diese Intensi tätsvariation wird vom Empfänger R registriert und in der Auswerteschaltung 6 in ein Ausgangssignal i umgewandelt, aus dem sich die Fadenspannung ermitteln lässt.If, as in the voltmeter M in Fig. 1, the photoelastic element E Zvi rule two linear Polarisierelementen P i, P O arranged such that the optical axis of the optoelectronic scanning device A in the distance from the Festlegungsbe rich 8 and of the bracket 11 and is directed approximately perpendicular to the plate surfaces 9 through the plate S, then the voltage condition can be detected by measuring the intensity of the light that emerges from the illuminated plate. The polarizing elements are arranged so that their polarization axes cross each other. By coordinating the relative rotational positions of the polarizing elements on the light passage axis of the photo-elastic element, extensive light extinction can be set with the condition of the photo-elastic element largely free of tension. With increasing torsional tension inside the photo-elastic element, the intensity of the emerging light increases. This intensity variation is registered by the receiver R and converted in the evaluation circuit 6 into an output signal i from which the thread tension can be determined.
Die Lichtintensität ist zumindest in etwa proportional zum quadrierten Wert des aufge brachten, die Torsionsspannung hervorrufenden Drehmoments, resultierend aus der Last K und dem Torsionshebelarm des Fadenkontaktbereichs 14 zur Platte S. The light intensity is at least approximately proportional to the squared value of the torque applied, which causes the torsional stress, resulting from the load K and the torsion arm of the thread contact area 14 to the plate S.
Als Platte kann ein Polycarbonat, z. B. bekannt mit dem Handelsnamen optisches LE XAN, verwendet werden mit einer Dicke von beispielsweise 1 bis 2 mm. Die Polari sierelemente Pi, PO sind sogenannte Polaroide. Die Lichtquelle LS erzeugt z. B. ein quasi monochromatisches Licht. Polycarbonat in Plattenform ist normalerweise nicht isotrop. Herstellungsbedingt kann es jedoch eine optische Lichtdurchgangsache be sitzen, selbst wenn es nicht unter mechanische Spannung gesetzt ist. Mittels der bei den Polarisierelemente lassen sich zwei orthogonale Positionen finden, mit denen die Lichtauslöschung zwischen den Polarisierelementen nahezu perfekt ist, beispielswei se besser als 0,1%. Da das fotoelastische Element nur tordierbar angeordnet ist, ar beitet es mit geringer Vibrationsempfindlichkeit.A polycarbonate, e.g. B. known with the trade name optical LE XAN, can be used with a thickness of, for example, 1 to 2 mm. The polarizing elements P i , P O are so-called polaroids. The light source LS generates z. B. a quasi monochromatic light. Sheet polycarbonate is usually not isotropic. Due to the manufacturing process, however, there may be an optical light transmission thing, even if it is not under mechanical tension. By means of the polarizing elements, two orthogonal positions can be found with which the light extinction between the polarizing elements is almost perfect, for example better than 0.1%. Since the photo-elastic element can only be twisted, it works with low sensitivity to vibrations.
Das Verhalten unter reiner Torsionsspannung sei anhand Fig. 2 erläutert. Die Platte S, beispielsweise aus Polycarbonat, hat eine Breite h, eine Länge l und eine Dicke b. Sie ist am linken Ende im Festlegungsbereiche 7 festgelegt. Am anderen Ende wird ein Drehmoment T aufgebracht. Dadurch erscheint in der Platte S ein gleichförmiger Spannungsstatus als ein Spannungstensor. Dieser modifiziert den dielektrischen Ten sor, so dass die Platte S ein anisotropes Verhalten bekommt. Die hauptsächlichen Spannungen liegen auf der XY-Ebene, so dass ihre Richtung zu keiner Zeit parallel zu den Achsen der beiden Polarisierelemente Pi, PO sind, deren Achsen hauptsächlich in der X-Richtung orientiert sind. Jede senkrecht auf der Platte S auftreffende Lichtwel lenfront wird in zwei Wellen aufgeteilt, die sich in der Platte S mit zwei unterschiedli chen Geschwindigkeiten fortpflanzen, und zwar als Folge der unterschiedlichen Bre chungsindizes entlang zweier Hauptachsen. Daraus resultiert eine Phasendifferenz, wobei sich aus der gewählten Anordnung nahezu über die gesamte Plattenerstre ckung eine konstante Phasenverzögerung ergibt, zumindest was die Isochromaten des Lichts betrifft. Das von dem zweiten Polarisierelement PO austretenden Licht folgt einer analytischen Gleichung, die leicht abgeleitet werden kann.The behavior under pure torsional stress is explained with reference to FIG. 2. The plate S, for example made of polycarbonate, has a width h, a length l and a thickness b. It is defined at the left end in definition area 7 . A torque T is applied to the other end. As a result, a uniform stress status appears in the plate S as a stress tensor. This modifies the dielectric sensor so that the plate S gets an anisotropic behavior. The main voltages lie on the XY plane, so that their direction is never parallel to the axes of the two polarizing elements P i , P O , the axes of which are mainly oriented in the X direction. Each light wave front that hits the plate S vertically is divided into two waves that propagate in the plate S at two different speeds, as a result of the different refractive indices along two main axes. This results in a phase difference, with the chosen arrangement resulting in a constant phase delay almost over the entire plate extension, at least as far as the isochromates of light are concerned. The light emerging from the second polarizing element P O follows an analytical equation that can be easily derived.
Da sich die beiden Wellen- oder Schwingungskomponenten durch die Platte mit einer Gesamtphasendifferenz fortpflanzen, und die Amplituden der aus dem zweiten Polari sierelement austretenden Lichtwellen oder Lichtschwingungen ohne weiteres heraus findbar sind, kommt es zwischen den beiden Wellen zu einer Interferenz, die letztendlich für die Variation des austretenden und vom Empfänger registrierten Lichts ver antwortlich ist.Since the two wave or vibration components through the plate with one Propagate total phase difference, and the amplitudes from the second polar emerging light waves or light vibrations out easily can be found, there is an interference between the two waves, which ultimately for the variation of the emerging light registered by the receiver is answerable.
Die aus Polycarbonat bestehende Platte hat beispielsweise eine Länge von 50 mm, eine Breite von 20 mm und eine Dicke von 2 mm und lässt sich mit der optoelektroni schen Abtasteinrichtung A zuverlässig zum Ableiten eines aussagefähigen Ausgangs signals abtasten, insbesondere unter Aufbringen einer Torsionsspannung, um die Fa denspannung messen zu können.The polycarbonate plate has a length of 50 mm, for example, a width of 20 mm and a thickness of 2 mm and can be with the optoelektroni The scanning device A reliably for deriving a meaningful output signals, in particular by applying a torsional stress, to the company to be able to measure the voltage.
In Fig. 3 ist schematisch eine andere Anordnung des fotoelastischen Elements E ge zeigt. Das fotoelastische Element E ist wieder eine Platte S mit zueinander parallelen Plattenoberflächen 9 und Plattenrandflächen 10. Wie bei der Ausführungsform der Platte S in den Fig. 1 und 2 ist die Platte aus einer Polycarbonatfolie parallel zu ihrer Hauptrichtung ausgeschnitten, wobei diese Hauptrichtung übereinstimmen sollte mit de Hauptdimension der Folie. Die Platte wird mit einer größeren Weite als benötigt ausgeschnitten. Die korrekte Dimension wird durch Schleifen zumindest der Längs schnittränder hergestellt, um eingefrorene oder innenliegende Spannungszustände von der Herstellung und/oder dem Zuschneiden der Platte zu beseitigen. Zweckmäßig sind die nicht benutzten Oberflächen der Platte mit lichtundurchlässigen Abschirmun gen versehen, z. B. mit einem Farbauftrag C in Fig. 1.In Fig. 3, another arrangement of the photo-elastic element E is shown schematically. The photo-elastic element E is again a plate S with mutually parallel plate surfaces 9 and plate edge surfaces 10 . As in the embodiment of the plate S in FIGS. 1 and 2, the plate is cut out of a polycarbonate film parallel to its main direction, this main direction should coincide with the main dimension of the film. The plate is cut out with a larger width than required. The correct dimension is produced by grinding at least the longitudinal cut edges in order to eliminate frozen or internal stress states from the production and / or the cutting of the plate. Appropriately, the unused surfaces of the plate are provided with opaque shielding conditions, for. B. with a paint application C in Fig. 1st
In der Variante in Fig. 3 ist die Platte S nur im Lagerbock 4 im Festlegungsbereich 7 einseitig eingespannt. Sie kragt mit dem anderen Ende frei aus. Die Platte S kann di rekt als der Faden-Deflektor D dienen, indem der Faden F direkt über die Platte und im Kontaktbereich 14 umgelenkt wird, um die Last K abzugeben. Die optoelektroni sche Abtasteinrichtung A ist zwischen dem Festlegungsbereich 7 und dem Kontaktbe reich 14 so angeordnet, dass ihre optische Achse in etwa senkrecht zu den Platten oberflächen 9 und mit Abstand von den Längsrändern die Platte durchsetzt.In the variant in FIG. 3, the plate S is clamped on one side only in the bearing block 4 in the fixing area 7 . It cantilevers with the other end. The plate S can serve directly as the thread deflector D by deflecting the thread F directly over the plate and in the contact area 14 in order to release the load K. The optoelectronic scanning device A is arranged between the fixing area 7 and the contact area 14 in such a way that its optical axis is approximately perpendicular to the plate surfaces 9 and passes through the plate at a distance from the longitudinal edges.
In der gestrichelten Alternativ in Fig. 3 ist am freien Ende der Platte S ein Fadenführer 15 direkt oder mit einer Halterung 16 festgelegt, der den Kontaktbereich 14 für den Faden F bildet. In dieser Auslegung wird die Platte hauptsächlich auf Biegung beauf schlagt, so dass mit der optoelektronischen Abtasteinrichtung A die inneren Biegespannungen detektiert und aus den Biegespannungskonditionen über die Variation der Intensität des austretenden Lichts auf die Fadenspannung geschlossen wird. Das Abtastprinzip kann auch mit dem Doppelbrechungsphänomen (birefringence) um schrieben werden. Die Auswerteschaltung ist relativ einfach. Sie dient auch zum Akti vieren der Lichtquelle LS und zum Polarisieren des Fotoelements, z. B. eines Foto transistors 13. Das Ausgangssignal wird z. B. über einen ca. 10 K-Ohm Lastwider stand abgelesen, in Verbindung mit einem 10 nF Parallelfilter-Kondensator, und kann direkt an ein Oszilloskop geleitet werden, und zwar ohne weitere Verstärkung oder Konditionierung. Die visuelle Darstellung wird jeweils anhand von beispielsweise 16 Durchschnittsmustern durchgeführt. Die Verbindungsleitungen zur Auswerteschal tung, und dann weiter, sollten zweckmäßigerweise gut abgeschirmt sein, um dem Fa denspannungssignal so wenig Rauschen wie möglich zu überlagern.In the dashed alternative in FIG. 3, a thread guide 15 is fixed at the free end of the plate S directly or with a holder 16 , which forms the contact area 14 for the thread F. In this configuration, the plate is mainly subjected to bending, so that the inner bending stresses are detected with the optoelectronic scanning device A and the thread tension is deduced from the bending stress conditions by varying the intensity of the emerging light. The scanning principle can also be described with the birefringence phenomenon. The evaluation circuit is relatively simple. It also serves to acti vate the light source LS and to polarize the photo element, e.g. B. a photo transistor 13 . The output signal is e.g. B. about an approximately 10 K-Ohm load resistance was read in conjunction with a 10 nF parallel filter capacitor, and can be sent directly to an oscilloscope, without further amplification or conditioning. The visual representation is carried out using 16 average patterns, for example. The connecting lines to Auswerteschal device, and then on, should expediently be well shielded in order to superimpose as little noise as possible on the voltage signal.
Am besten geeignet zum Messen der Fadenspannung scheint eine Anordnung ähn lich der in Fig. 1, d. h. ein plattenförmiges fotoelastisches Element, das mit der Last K aus der Fadenspannung im Wesentlichen rein auf Torsion belastet wird und beidendig eingespannt ist. Durch Abtasten nur der inneren Torsionsspannungen, mit dem kur zen Durchgangsweg des Lichts durch die geringe Dicke der Platte und senkrecht zu den Plattenoberflächen, mit der abgestimmten Ausrichtung der sich kreuzenden Pola risierungsachsen der linearen Polarisierelemente, und mit beispielsweise rotem Licht, lässt sich die Fadenspannung innerhalb eines weiten, d. h. gespreizten Bereiches präzise messen, wobei eine geringe Änderung der Fadenspannung bereits zu einer deutlichen Änderung der Intensität des austretenden Lichts führt. Durch die reine Tor sionsspannung im fotoelastischen Element ist der Fadenspannungsmesser relativ un empfindlich gegen anders orientierte Vibrationen, wie sie meist in fadenverarbeiten den Systemen, z. B. an einer Webmaschine, unvermeidbar sind. Der Fadenspan nungsmesser M ist kompakt, baulich einfach und besteht aus wenigen und kosten günstigen Teilen. Er ist betriebssicher und universell einsetzbar.An arrangement similar to that in FIG. 1, ie a plate-shaped photoelastic element, which is loaded with the load K from the thread tension essentially purely on torsion and is clamped on both ends, seems to be most suitable for measuring the thread tension. By scanning only the inner torsional tensions, with the short passage of light through the small thickness of the plate and perpendicular to the plate surfaces, with the coordinated alignment of the crossing polarization axes of the linear polarizing elements, and with, for example, red light, the thread tension can be within measure a wide, ie spread, range precisely, with a slight change in the thread tension already leading to a significant change in the intensity of the emerging light. Due to the pure Tor sionss tension in the photo-elastic element, the thread tension meter is relatively insensitive to vibrations oriented differently, as is usually the case in thread processing systems, e.g. B. on a loom are unavoidable. The thread tension meter M is compact, structurally simple and consists of few and inexpensive parts. It is reliable and can be used universally.
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