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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung der
Länge und
der Festigkeit von Fasern.
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Aus
der
US 5,596,901 geht
der nächstliegende
Stand der Technik hervor. Sie zeigt ein Verfahren und eine Vorrichtung
für die
Absolutmessung der Zugfestigkeit von Fasern, insbesondere von textilen Fasern,
wobei die Fasern so behandelt werden, dass sie ein einlagiges ebenes
Faserbüschel
bilden. Das Büschel
wird in der Ebene der Fasern und senkrecht zur Ausrichtung der Fasern
entlang zweier paralleler Linien geklemmt, die einen vorgegebenen
Abstand zueinander haben. Dann wird der Querschnitt der geklemmten
Fasern einzeln bestimmt und zu einem Gesamtquerschnitt aufsummiert.
Das Faserbüschel wird
dann durch eine Kraft in der Ebene der Fasern zwischen den beiden
Linien auseinandergezogen. Die Zugfestigkeit wird aus der auftretenden
Zugkraft und dem Gesamtquerschnitt berechnet.
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Die
genannte Vorrichtung und das Verfahren sind hauptsächlich für den Gebrauch
in einem Labor ausgelegt, wo besondere Geräte vorhanden sind, um ein endengeordnetes
Faserbüschel
zu bilden, das von einer Vorrichtung zur anderen übergeht
und wo das Faserbüschel
von der vorausgehenden Vorrichtung an das vorliegende Gerät abgegeben
wird, um die Zugfestigkeit zu messen. Das vorliegende Gerät arbeitet
mit beschränkter
Geschwindigkeit und gibt nur Angaben über die Zugfestigkeit der Fasern
ab.
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Das
Ziel der vorliegenden Erfindung, wie sie beansprucht ist, ist eine
Vorrichtung, die eine physische Probe aus einem laufenden Entkörnungsprozessstrom
entnimmt, ohne den Fluss der Baumwolle wesentlich zu unterbrechen
und die die Probe automatisch handhabt um die mittlere Länge der
vorüberziehenden
Fasern, die Variationen der Faserlänge, die Dehnungswerte der
Fasern und die Bruchfestigkeit der Faserprobe zu messen.
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Weitere
Ziele und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung der vorzugsweisen Ausführungen, die sich auf die Zeichnungen
beziehen, wobei:
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1 ein
Schema der mechanischen Teile der ortsfesten Vorrichtung zur Prüfung der
Länge und der
Zugfestigkeit einer Faserprobe für
die vorliegende Erfindung,
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2 eine
Seitenansicht schematisch dargestellter mechanischer Teile des Prüfgerätes für Eigenschaften
der Länge
und Zugfestigkeit der Fasern im Schnitt, gemäss der Erfindung,
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3 eine
teilweise geschnittene Aufsicht schematisch dargestellter mechanischer
Teile des Prüfgerätes für Eigenschaften
der Länge
und Zugfestigkeit der Fasern gemäss
der Erfindung,
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4 eine
geschnittene Seitenansicht schematisch dargestellter mechanischer
Teile des Prüfgerätes für Eigenschaften
der Länge
und Zugfestigkeit der Fasern, gemäss der Erfindung in Explosionsdarstellung,
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5 eine
Ansicht der Stirnfläche
des Prüfgerätes für Eigenschaften
der Länge
und Zugfestigkeit der Fasern, gemäss der Erfindung,
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6 einen
Querschnitt durch Elemente für die
optische Abtastung des Gerätes
gemäss 5, entlang
einer Schnittfläche
14-14,
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7 einen
Querschnitt durch Elemente für die
Messung der Zugfestigkeit des Gerätes gemäss 5 entlang
einer Schnittfläche
14-14,
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8 eine
vergrösserte
Darstellung eines Teils von Elementen im Kreis 16 der 7,
und
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9 eine
vergrösserte
Darstellung eines Faserbartes der für die Prüfung vorbereitet ist, zeigt.
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Aus
der 1 ist ersichtlich, dass ein umlaufendes Förderband,
wie ein Endlosband 160, mit mehreren daran befestigten
Kammelementen 162 über
mehrere Zahnräder 164 umläuft. Jeder
Kamm ist mit einem drehbaren Zinkenträger versehen, wie das im U.S.
Patent Nr. 5,178,007 beschrieben ist. Dieses endlose Trägerband
ist an einer Leitung oder anderen starren Strukturelementen befestigt,
um die Laufbahn der Kämme 162 nahe
an der Aussenfläche der
Platte mit den Öffnungen
und der Matrix mit den Baumwollbeulen 142 vorbeizuführen. Die
Bewegung der Kämme 162 treibt
die vorstehenden Zinken durch die vorstehenden Beulen 142 aus
Bauwolle hindurch um eine Teilprobe aus Baumwollfasern zu entnehmen.
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Diese
Teilprobe wird als „Bart" bezeichnet, weil
sie wie eine längliche,
dünne,
flache Ansammlung von Fasern verschiedener Länge aussieht. Die Bewegung
des Trägerbandes
erfolgt vorzugsweise schrittweise wobei die Länge jedes Schrittes der Bewegung
an den minimalen Abstand zwischen verschiedenen Stationen 166, 168, 170 und 172 zur
Vorbereitung des Bartes und zur Prüfung angepasst ist. Der Abstand
zwischen aufeinanderfolgenden Kämmen 162 entlang
dem Band entspricht vorzugsweise dem Bewegungsintervall des Bandes.
Die Pause zwischen den Bewegungen des Trägerbandes wird durch die längste jener
Zeiten bestimmt, die zur Verarbeitung des Bartes notwendig ist. Üblicherweise wird
die Standzeit durch jene Zeit bestimmt, die ein voller Zyklus des
Längen/Zugprüfgerätes 170 benötigt. Die
Bewegung des Trägerbandes 160 wird
durch einen hier nicht gezeigten Motor erzeugt, der an ein Zahnrad 164 für das Trägerband
gekoppelt ist. Die Steuerung des Antriebsmotors für das Band
kann der Rechner 200 besorgen, was aber nicht notwendigerweise
so sein muss. Der Betrieb des Bandes 160 ist im Wesentlichen
vom Betrieb des Rechners unabhängig,
mit Ausnahme der Übertragung
von Daten über
die Fasereigenschaften an den Rechner.
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In
anderen Ausführungen
wird die Baumwollprobe nicht automatisch aus dem Baumwollstrom in der
Entkörnungsanlage
entnommen und dem Prüfgerät zugeführt. In
diesen anderen Ausführungen wird
die Baumwollprobe auf andere Weise entnommen und einem eigenständigen Prüfgerät zugeführt. Das
eigenständige
Prüfgerät kann alle
oder eine bestimmte Anzahl verschiedener Kombinationen von hier
beschriebenen Instrumenten enthalten, einschliesslich Prüfgeräte für die Faserlänge, Faserlängenverteilung,
Faserfestigkeit, Faserdehnung. Vorzugsweise enthält das eigenständige Prüfgerät, Prüfgeräte für die Faserlänge, Faserfeuchte
und Faserfarbe.
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Wiederum
gemäss 1,
hält das
Endlosband nach der ersten Schrittbewegung nach der Entnahme eines
Faserteilprobenbartes 161 durch einen Kamm 162 auf
dem Endlosband, den Kamm vor einer ersten Putzstation 166 an.
Diese erste Putzstation 166 enthält vorzugsweise einen drehenden
Kardenzylinder 167 mit steifen, drahtförmigen Borsten, um die einzelnen
Fasern eines Bartes aufzurichten und verknotete Faserklumpen, die
man „Nissen" nennt, zu entfernen.
Ein Luftstrom kann über
den rotierenden Kardenzylinder geleitet werden, um die Borsten des
Zylinders von Nissen und losen Fasern zu reinigen.
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Eine
zweite Schrittbewegung des Endlosbandes stellt den Kamm mit dem
kardierten Bart 161 ausgerichtet vor den Verschiebepfad
einer Station 168 mit rotierenden Bürsten. Die Bürstenstation 168 ist
auf linearen Lagern 169 befestigt, um eine gesteuerte Bewegung
auszuführen,
die durch einen zweiten, hier nicht gezeigten Schrittmotor zwischen
einer, so nahe am Band mit den Kämmen 162 wie
möglich gelegenen,
Arbeitsstellung und einer Ruhestellung zu bewegen, die weiter vom
Bewegungspfad der Kämme 162 entfernt
ist. Der vorgehend kardierte Bart wird nun in einen Spalt zwischen
einer feineren Drehbürste 154 mit
biegbaren Borsten und einer damit zusammenarbeitenden Platte 156 hineingezogen.
Ist das Bürstintervall
beendet, so zieht sich die Bürstenstation 168 vom
Endlosband auf dem Verschiebepfad zurück, der durch die linearen
Lager 169 bestimmt ist.
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Die
dritte Schrittbewegung des Endlosbandes 160 richtet den
gekämmten
und gebürsteten
Bart 161, der aus dem, durch das Endlosband geförderten,
Kamm 162 austritt, auf einen Probenschlitz 230 (in 1 nicht
dargestellt) im Längen/Zugfestigkeits-Prüfgerät 170 aus.
Das Längen/Zugfestigkeits-Prüfgerät 170 wird
durch einen dritten Schrittmotor, der hier nicht gezeigt ist, als
Einheit dem linearen Lager 176 entlang hin- und herbewegt.
Gemäss den 2 bis 8 hat
das Prüfgerät 170 ein
Gehäuse
mit einer Stirnwandplatte 232. Insbesondere gemäss 6 trägt die Stirnwandplatte
des Gehäuses
eine steife Lichtführungsplatte 233 mit
einer „schwimmenden" Befestigung, die
es der Lichtführungsplatte 233 erlaubt,
in beschränktem
Masse eine unabhängige
Bewegung zur Stirnwandplatte 232 auszuführen. Ein Schlitz 230 in
der Lichtführungsplatte 233 teilt
die Platte in einen oberen Lichtführungsteil 234 und
einen unteren Lichtführungsteil 236 auf.
Das obere Ende 238 des oberen Lichtführungsteils 234 aus
Glas ist ein Empfänger
für diffuses
Licht mit einer matten, konkaven Oberfläche. Entlang der optischen
Achse der konkaven Vertiefung des Empfängers liegt eine Reihe mehrerer
Licht emittierender Dioden (LED) 240. Entlang des unteren
Endes des unteren Lichtführungsteils 236 ist
ein länglicher,
flächiger
Photosensor 242 angeordnet. Die kritischen empfindlichen
Elemente dieses Lichtsensors sind miteinander verbunden um deren
Ausrichtung sicherzustellen. Ein Saugrohr 244 saugt Luft
aus dem Gehäuse
an, um einen Luftzug im Schlitz 230 für den Bart zu stimulieren.
Indem die Stirnwand des Prüfgerätes durch
die Drehbewegung des Schrittmotors entlang des linearen Lagers 176 zum
Endlosband vorrückt,
sichert der Luftzug in den Schlitz 230 das Eindringen des
Bartes 161 in den Schlitz 230.
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Das
Eindringen des Bartes 161 in den Schlitz 230 sperrt
eine kalibrierte Lichtübertragung
vom oberen Lichtführungsteil 234 in
den unteren Lichtführungsteil 236,
wobei die Signalwerte aus dem Photosensor 242 beeinflusst
werden. Indem die Werte der Signale aus dem Photosensor mit der
Lage des Prüfgerätes 170 koordiniert
werden, wenn der Bart in den Schlitz 230 vorrückt, können aus
der Beschaffenheit des Bartes die grössten Faserlängen und
die Faserlängenvariationen
bestimmt werden. Die Winkellage des Schrittmotors gibt die relative
Lage des Prüfgerätes 170 mit
grosser Genauigkeit an das Steuerprogramm für das Prüfgerät an. Werte für die Faserlänge und
die Faserlängenvariation
für jede
Teilprobe, die als Bart aus dem Hauptstrom entnommen wird, werden
mit einer vorgegebenen Zahl vorausgehender Werte kombiniert, um
einen representativen Mittelwert zu bilden.
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Es
wird sich als nützlich
erweisen, die Werte, die durch das Längen/Zugfestigkeits-Prüfgerät erfasst
werden, zu wiederholen. Wenn der Bart zwischen den oberen und unteren
Lichtführungen
vorrückt,
so gibt die anfängliche
Verminderung der Übertragung
von Licht über
den Schlitz 230, wie sie vom Photosensor erfasst wird,
an, dass der vordere Rand der längsten
Faser im Bart eintrifft. Dieses Ankunftssignal ist mit dem gleichzeitigen
Schrittmotorsignal für
einen Lagereferenzpunkt korreliert. Diese Korrelation geht weiter
bis die Signale aus dem Photosensor 242 im Wesentlichen
unverändert
bleiben wenn der Bart weiter eindringt. In dieser Lage wird das
Signal aus dem Schrittmotor durch das Steuerprogramm gespeichert
um eine lineare Differenz zwischen dem Referenzpunkt für den vorderen
Rand und dem Stabilisationspunkt für die Signale aufzulösen. Aus
dem unveränderten
Signal des Photosensors wird geschlossen, dass alle Fasern des Bartes mindestens
lange genug sind, um die Übertragung des
Lichtes über
den Schlitz zu unterbrechen. Dementsprechend bestimmt diese Position
im Schlitz die kürzeste
Faser im Bart. Auch bei weiterem Vorrücken des Bartes im Schlitz
wird kein weiteres Licht abgeschattet. Der lineare Abstand zwischen
dem Referenzpunkt und dem Stabilisationspunkt entspricht deshalb
der Längenvariation
der Fasern.
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Das
vorgehende Verfahren kann über
eine iterative Berechnung erweitert werden um Zwischenstellungen
im Schlitz zwischen dem Referenzpunkt und dem Stabilisationspunkt
mit einer Grösse
oder einem Prozentsatz der Lichtverminderung zu korrelieren, die
jedem linearen Schritt der Längendifferenz entspricht,
um eine Schätzung
der Längenverteilung zu
ermöglichen.
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Wenn
das Prüfgerät 170 am
nächsten
zu den Kämmen 162 auf
dem Endlosband liegt, ist der Bart 161 so weit in den Schlitz 230 eingeführt, dass
er zwischen zwei Klemmbackenpaare 250 und 252 (2) zu
liegen kommt. Die Klemme 250 hat zum Gehäuse des
Prüfgerätes 170,
das durch die linearen Lager 176 gestützt wird, eine ortsfeste Lage.
Die Klemme 252 erhält
in Bezug auf die ortsfeste Klemme 250 eine Vor- und Rückwärtsbewegung.
Die Vor- und Rückwärtsbewegung
der Klemme 252 erfolgt parallel zur Bewegung auf dem linearen
Lager 176. Die ortsfeste Klemme 250 besteht aus
einer ortsfesten unteren Klemmbacke 250b und einer bewegbaren
oberen Klemmbacke 250a. Zwei abgestimmte Pneumatik-Zylinderpaare 260 sind
mit der ortsfesten unteren Klemmbacke 250b verbunden. Stifte 262,
die aus jedem Zylinder 260 herausragen, sind mit der bewegbaren
oberen Klemmbacke 250a der orstfesten Klemme 250 verbunden.
Einander gegenüberliegende
Klemmbalken 254a und 254b, die an der oberen Klemmbacke 250a und
an der ortsfesten unteren Klemmbacke 250b befestigt sind,
sind auf die Ebene des Bartes im Schlitz 230 ausgerichtet
und erhalten dazwischen den Bart 161, wenn sie geöffnet sind.
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Die
bewegliche Klemme 252 umfasst ebenfalls eine ortsfeste
untere Klemmbacke 252b und eine bewegbare obere Klemmbacke 252a.
Pneumatikzylinder 264 sind mit der ortsfesten unteren Klemmbacke 252b verbunden.
Kolbenstifte 266, die aus den betreffenden Zylindern 264 herausragen, sind
mit einer bewegbaren oberen Klemmbacke 252a verbunden.
Ein Klemmbalken 256a ist an der bewegbaren oberen Klemmbacke 252a über der
Eindringebene des Bartes befestigt und der Klemmbalken 256b ist
an der ortsfesten unteren Klemmbacke 252b unterhalb der
Eindringebene des Bartes befestigt.
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Eine
Mechanik wie eine Hebeschraube oder ein Schneckengetriebe, die eine
Hin- und Herbewegung
bewirkt, und die an der unteren Klemmbacke 250b der Klemme 250 mit
fester Position und der unteren Klemmbacke 252b der bewegbaren
Klemme 252 befestigt ist, wird durch einen hochpräzisen Schrittmotor 174 angetrieben.
Ein Kalibriermagnet 268, der an der unteren Klemmbacke
der beweglichen Klemme 252 befestigt ist, arbeitet mit
einem Kalibrierschalter 269 zusammen, um die Genauigkeit der
Abstandsmessungen zwischen den festen und den bewegten Klemmen aufrechtzuerhalten,
die aus den Winkelstellungssignalen des Schrittmotors abgeleitet
sind. Zudem ist die Übertragungsmechanik über eine
Ladungs- oder Kraftmesszelle 270 mit der bewegten Klemme
verbunden. Eine schwimmende Dichtung 272 nimmt Anpassungen
für die
Kalibrierung zwischen der Kraftmesszelle 270 und der bewegten
Klemme 252 auf.
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Für übereinstimmende
und aussagekräftige Messungen
der Faserdehnung und Zugfestigkeit ist es vorzuziehen, dass die
Anzahl der Fasern, die der Zugfestigkeit ausgesetzt werden, bekannt
ist, oder dass zumindest eine übereinstimmende
Anzahl für die
Messung ausgesondert wird. Aus den Angaben über die Länge und die Längenverteilung,
die man vom Lichtsensor erhält,
kann eine Aufsicht des Bartes 161 wie in 9 dargestellt,
gezeigt werden. In der Ebene des Bartes kann die Lage einer ebenen
Linie 163 im Vergleich zu einer Referenzebene bestimmt
werden. Die Lage dieser Linie 163 wird so gewählt, dass
sie eine vorgegebene Anzahl Fasern überquert und zwar unabhängig von
der Verteilung der Fasern über
die Ebene des Bartes. Die Lage des Prüfgerätes 170 wird deshalb
zum Bart 161 so eingestellt, dass die Linie 163 zwischen
die Klemmbacken 254 und 256 zu liegen kommt. Dann
werden die Pneumatikzylinder 260 und 264 mit Druckluft
gefüllt um
die bewegbaren Klemmbacken 250a und 252a gegen
die betreffenden ortsfesten Klemmbacken 250b und 252b zu
bewegen. Dementsprechend wird eine im Wesentlichen übereinstimmende
Anzahl Fasern im Bart 161 zwischen den betreffenden Paaren der
Klemmbalken 254 und 256 eingeklemmt. Während der
Klemmung treibt der Schrittmotor 174 die Mechanik an, um
die bewegbaren Klemmbacken 252 von den ortsfesten Klemmbacken 250 wegzubewegen.
Summiert man die Drehimpulse des Schrittmotors mit dem Übertragungsverhältnis, so
erhält
man den linearen Abstand zwischen den Klemmbackenpaaren mit guter
Genauigkeit. Parallel zur Bewegung der Klemmbacken ermittelt die
Kraftmesszelle 270 die Kraft, die benötigt wird, um die Faserdehnung fortzuführen und übermittelt
die Werte dem Steuerungsrechner. Die Messung von Kraft und Dehnung am
Bart der Teilprobe wird solange fortgesetzt bis die Fasern reissen.
Wenn der Bart zwischen den beiden Klemmenpaaren 254 und 256 reisst,
ist der Wert der Faserdehnung und der maximalen Zugfestigkeit bestimmt.
Anschliessend bewirkt der Steuerrechner die Öffnung der Klemmzylinder. Das
festgehaltene Bartende, das zwischen den Klemmbalken 256 geklemmt
war, wird durch den Luftzug aus der Saugleitung 244 der
durch den Schlitz 230 geht, entfernt. Das vordere Ende
des Bartes 161 bleibt am Kamm 162 auf dem Band
befestigt. Wie in 1 gezeigt, bewirkt die folgende
Bewegung des Bandes 160, dass der Kamm 162 auf
die Entsorgestation 172 für den Bart ausgerichtet wird.
Hier wird der Klemmmechanismus des Kammes 162 geöffnet und
der Rest des Bartes wird durch eine Bürste und durch Vakuum entfernt.
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Der
Fachmann auf diesem Gebiet erkennt hier den Sinn, den die Anordnung
des Längen/Zugfestigkeits-Messsystems
gemäss
den 1–8, vor
und nach den schwierigsten Baumwollverarbeitungen, wie Trocknen
und Entkörnen,
ergibt. Es ist besonders sinnvoll zu wissen, ob die mittlere Länge der
Fasern in einem Flusssystem beim Durchgang durch einen Satz Trockner,
abnimmt. Dementsprechend sind Änderungen
in gewissen stromaufwärts stattfindenden
Verarbeitungen angezeigt, wenn Fasern, die aus dem Entkörnungsgerät austreten,
eine Verringerung der mittleren Zugfestigkeit erkennen lassen.