Brevet FR2137191A1 — publié le 19721229

L'invention se rapporte à un appareil et à un procédé pour commander et contrôler le diamètre de fibres, et plus particulièrement à un appareil et procédé dans lesquels il est fait usage des changements produits dans le spectre des franges d'interférence lorsque varient les diamètres des filaments ou fibres passant dans un faisceau laser colfimaté. Le spectre des franges d'interférence dépend du diamètre des filaments et lorsqu on contrôle des fibres transparentes en une position située dans une région s'étendant de 25 à 500 en dehors de l'axe du faisceau laser incident, un fort spectre de franges résulte de l'interférence entre la lumière transmise au travers des filaments et celle réfléchie par leur surface. Cependant, dans le cas de fibres opaques, le spectre des franges de diffraction est plus fort près de l'axe du faisceau laser incident. Un tel spectre de franges comprend un maximum central et une série de maxima s'entendant symétriquement de chaque côté du maximum central. Un changement de diamètre de la fibre provoque un déplacement des maxima par rapport au maximum central, et c'est ce déplacement entraînant un changement dans l'espacement des franges qui est utilisé pour contrôler le diamètre de la fibre. L'espacement angulaire des franges est inversement proportioneel au diamètre du filament et les maxima sont suffisamment intenses une fois focalisés pour donner un signal de sortie mesurable sur une cellule photoélectrique. I1 est donc possible de déterminer la position angulaire de ces maxima. et en conséquence d'établir le composant moyen du diamètre du filament normal par rapport au faisceau incident.La position des franges est déterminée à partir de l'intensité d'éclairement relative des maxima focalisés sur deux parties adjacentes dlune cellule photoélectrique, la sensibilité maximale étant obtenue quand une frange éclaarechaque partie également, et une telle condition se produisant lorsque le diamètre du filament est d'une valeur dont il résulte que les maxima des franges sont amenés près de la jonction des deux parties de la cellule. L'espacement entre les maxima dépend du diamètre de la fibre et donc, si un maximum est choisi, pour être capté par une cellule photoélectrique, un changement dans le diamètre de la fibre entraînera le maximum choisi à se déplacer à la surface de la cellule photoélectrique et à engendrer un signal indicatif du changement de diamètre de la fibre. I1 a été trouvé à l'usage d'une telle technique de contrôle qu'il est seulement possible de contrôler dans les limites d'un faible pourcentage de l'ordre de 10 % du diamètre nominal, car si le diamètre du filament vient à changer au delà de cette limite, l'instrument recevra une frange adjacente. I1 peut en résulter une information erronée ainsi qu'on peut le voir à la figure 1 qui illustre le déplacement des aux variations de diamètre. La figure 1 (A) montre des conditions opératoires normales avec la frange de 5ème ordre alignée avec la cellule détectrice, dont les deux moitiés sont également éclairées.Une diminution de diamètre du filament se traduit par un changement de position des franges représenté à la figure 1 (B) où, en raison de leur déplacement, la partie droite du détecteur reçoit davantage de lumière, cette différence d'éclairement étant proportionnelle au changement de diamètre. Cependant un accroissement du diamètre du filament se traduit par un déplacement des franges tel que représenté à la figure 1 (C). Un accroissement plus important se traduit par un déplacement tel que représenté à la figure 1 (D), du fait duquel la partie droite du détecteur reçoit maintenant davantage de lumière due à ce que la frange de 6ème ordre entre dans son champ de réception. La cellule est maintenant éclairée comme dans le cas de la figure 1 (B) et le signal -de sortie peut être faussement interprété comme indiquant que le diamètre a été réduit. Ainsi tout contrôle de diamètres de fibres dans lequel des changements de diamètre du filament peuvent se produire au delà d'un certain pourcentage nominal peut se traduire par l'obtention de fausses a indications. On/maintenant trouvé qu'il est possible d'éviter de telles difficultés en contrôlant au moins une seconde frange et en déterminant sa position par rapport à une frange proche. On se rend compte aussi qu'à une certaine position intermédiaire entre celles illustrées par les figures 1 (C) et (D) chaque partie de la cellule sera également éclairée, la partie gauche par une portion de la 5ème frange et la partie droite par une portion de la 6ème frange. Cependant, en choisissant une cellule détectrice de dimension appropriée, il est possible d'établir une discrimination entre l'état (B) et cet état intermédiaire par référence à l'éclairement total des deux parties de la cellule. I1 doit être compris qu'il est important d'être à même de contrôler le diamètre de filaments à défilement continu car si un tel contrôle n'est pas effectué un gros lot de filaments de diamètre incorrect peut être produit. En outre il n'est pas suffisant de prélever des échantillons et de mesurer le diamètre de ceux-ci de temps en temps car tandis que ces échantillons sont prélevés et mesurés un flot continu de filaments de diamètre incorrect peut être produit. C'est donc un trait important de l'invention d'apporter un appareil dans lequel un contrôle continu du diamètre moyen du filament peut être effectué tandis que les filaments sont produits.La commande est effectuée en contrôlant continûment le diamètre des fibres puis en utilisant les résultats du contrôle pour ajuster automatiquement le diamètre des filaments à la forme désirée. L'invention, en conséquence, a pour objet un appareil pour contrôler et commander le diamètre moyen de filaments à défilement continu, comprenant un laser adapté pour produire un faisceau parallèle de lumière essentiellement monochromatique et cohérente, un premier système de détection constitué par une cellule photoélectrique à sensibilité de positions capable de produire un signal indicateur d'un changement dans un spectre de franges d'interférence produit par les filaments traversant le faisceau laser et par déplacement d'une première frange d'interférence sur la cellule, des moyens actionnables par ledit signal pour effectuer la commande du diamètre des filaments, un second système de détection constitué d'au moins une cellule photoélectrique à sensibilité de positions disposée de façon à contrôler une seconde frange d'interférence (n'étant pas la frange complémentaire exacte de ladite première frange) pour la comparer à la première frange, des moyens de comparaison des signaux de sortie desdites cellules photoélectriques destinés à donner une mesure de l'espacement des franges pour garantir que les franges correctes sont contrôlées, des moyens de focalisation tels qu'une lentille étant prévus pour chaque cellule de façon d collecter et focaliser la lumière provenant de la partie du spectre de franges d'interférence à contrôler. Le laser peut directement fournir un faisceau parallèle de lumière ou le faisceau du laser peut être amené à traverser un collimateur de conversion en un faisceau parallèle. Par faisceau parallèle on entend un faisceau qui est essentillement non-divergent et non-convergent. Le deuxième système détecteur peut contrôler une ou plusieurs franges d'un même côté du maximum central tel que la première frange et la frange adjacente ou une frange proche de la première, ou il peut contrôler une ou plusieurs franges complémentaires desdites franges adjacentes ou proche de l'autre côté du maximum central. Les détecteurs photoélectriques utilisés sont capables dtindiquer un changement dans un spectre de franges d'interférence focalisé sur la cellule,car ils comprennent- préférablement au moins deux cellules photoélectriques adjacentes couplées de sorte qu'il n'y ait pas de différence dans leurs signaux de sortie quand elles détectent la même quantité de lumière. En vue de pouvoir sélectionner les franges appropriées pour le contrôle, lorsque la frange secondaire vue est le complément d'une frange adjacente à la frange primaire il est préférable de positcnner les détecteurs de sorte qu'ils ne se trouvent pas symétriquement placés par rapport au maximum central. L'invention englobe aussi l'utilisation du signal produit par comparaison des signaux de sortie indicateurs de la position des franges, contrôlés pour indiquer que le dispositif de contrôle approche de la limite de la bande de mesure du système de détection primaire ou pour contrôler le système de commande agissant sur le diamètre du filament de façon que cette dimension retourne à l'intérieur de la bande mesurable du détecteur primaire. L'invention est maintenant décrite à l'aide d'un exemple donné en référence aux dessins dans lesquels - la figure 2 est une vue en plan de l'appareil de contrôle utilisé pour la mise en oeuvre de l'invention - la figure 3 est une coupe du système de détection 5 de la figure 2. Sur un châssis 1, on a monté un laser 2 dont le rayon passe au travers d'un collimateur 3 qui est monté de façon réglable sur un chemin 4. Un hacheur 24 qui peut présenter la forme d'un simple disque fendu est monté et conduit de façon à hacher le rayon laser et à lui donner une fréquence de sortie d'environ 800 Hz. Le rayon laser 6 sort du collimateur 3, rentre dans un coin cubique 7 qui est monté sur un transporteur mobile le long des rails 8 et est placé de préférence de façon à renvoyer le rayon laser directement au-dessous du rayon incident vers le système de détection 5. Les filaments de fibre de verre qui sont dans une position normale au plan du papier sont représentés par une surface 10 comportant des points. Le système de détection 5 comprend des lentilles 13 et 14 montées dans les ouvertures 15 et 16. Les lentilles servent à recueillir et à focaliser les lumières 11 et 12 en provenance du spectre d'interférence à contrôler. Les lentilles 13 et 14 dirigent la lumière sur les miroirs 17 et 18 qui sont réglables au moyen des vis micrométriques 19 et 20 et ceux-ci à leur tour dirigent la lumière sur les cellules photoélectriques 21 et 22 qui agissent en tant que détecteurs de tout changement dans le spectre d'interférence. Les tubes de détection 27 et 28 peuvent être déplacés parallèlement à l'axe 26 du système de façon à compenser les déviations par rapport à la distance de vue normale, ces tubes peuvent également tourner à l'intérieur du système de façon à compenser toute déviation de l'alignement de l'axe vertical.L'ensemble du système 5 peut tourner autour d'un pivot 25 pour permettre aux rayons du filament s'écartant de la verticale d'être contr81es.Une cellule photoélectrique 23 est montée de façon à agir comme un détecteur de rayon principal et à favoriser le réglage préliminaire de l'instrument. Le coin cubique 7 peut être ajusté pour permettre l'alignement du rayon réfléchi avec le système de détection et les miroirs dans le ssystème lentille/cellule peuvent être réglés pour aligner les maxima focalisés sur la cellule détectrice. Afin de permettre le remplacement et la remise en place du coin cubique et du système de support, on monte des charnières en 9 de façon à permettre au coin cubique et au montage qui lui est associé d'être écarté de façon à avoir accès aux filaments. La fixation de l'appareil en vue de son utilisation est effectuée comme suit L'appareil est positionné par rapport à la rangée de filaments comme représenté en figure 2 et est aligné de façon que le chemin et les rails 4 et 8 soient horizontaux et parallèles à la plus grande longueur horizontale de la rangée.Cette position est associée à des filaments pratiquement verticaux et on appréciera que l'appareil peut également être utilisé avec des filaments se trouvant dans d'autres directions que la verticale par rotation convenable de l'appareil de telle façon que les filaments individuels soient localisés,leurs leurs longueurs étant pratiquement à angles droits par rapport au plan passant par le centre du coin cubique et une ligne parallèle avec la ligne joignant le centre des deux ouvertures 15 et 16 mais déplacés -à mi-chemin vers la ligne centrale du collimateur. L'appareil est mis en place de façon que le rayon de filament soit approximativement a mi-chemin entre le coin cubique 7 et le système de détection 5. Le système combiné collimateur/ détecteur 3 et 5 est déplacé le long de chemin 4 vers la position de vue, le laser est branché et le coin cubique réglé de manière que le rayon réfléchi soit dirigé vers la cellule photoélectrique 23. On effectue des réglages de position fins pour s'assurer que le rayon est centré sur la cellule comme indiqué par la sortie de la cellule indiquant une valeur maximale. Une rangée perdue de filaments du diamètre requis est localisée en position correcte par rapport à l'appareil et les régulateurs 19 et 20 sont tournés pour placer les franges les plus proches sur les cellules détectrices 21 et 22, ceci est mis en évidence par la sortie totale des cellules qui atteint un maximum.A condition d'avoir vérifier que le réglage angulaire n'indique pas que les deux franges observées sont complémentaires et si nécessaire après réajustement de l'un des deux miroirs 17 et 18 pour observer la frange adjacente, on fait tourner les tubes de détection 27 et 28 pour s'assurer que les franges focalisées sont centrées verticales sur les cellules, ce qui est vérifié par la sortie différentielle des secteurs adjacents verticaux de cellule qui a une valeur minimale, et déplace les tubes le long de l'axe du système de détection vers la position où est reçue l'énergie maximale, ce qui est vérifié par la sortie totale des cellules s'élevant à une valeur maximale. Les vis 19 et 20 sont alors réglées finement de façon que les franges se trouvent aux centres de leurs cellules respectives ce qui est vérifié par la sortie différentielle minimale en provenance des sections adjacentes et horizontales des cellules de détection. L'effet de commande du niveau de grille électrique de sortie de cellule en provenance de la cellule 23 sur un système d'alarme est réglé juste au-dessnus de la valeur de sortie de la cellule qui est maintenant indiquée. La rangée perdue de filaments est enlevée et les filaments de verre sont étirés. On effectue de légers réajustements de position de détection comme indiqué ci-dessus pour assurer le centrage des franges et la sortie optimale dans les conditions de fonctionnement. Par ailleurs, si la rangée de filaments est observée dans une position où les filaments sont étirés en faisant un angle par rapport à la verticale généralement aux extrémités de la rangée, on fait tourner l'ensemble de détection autour d'un pivot 25 jusqu'à la sortie optimale ce qui ressort de la sortie totale en provenance des cellules de détection qui atteignent un maximum. On fait une vérification pour s'assurer que la sortie de la cellule 3 n'a pratiquement pas changé et si nécessaire on règle le niveau de grille électrique pour s'assurer qu'il est au-dessous du niveau normal de sortie de cellule dans les conditions de fonctionnement. On décrit maintenant en référence aux dessins des agencements qui peuvent être utilisés pour comparer les signaux produits par les cellules électriques. La figure 4 est un schéma représentant un agencement pour comparer les signaux en provenance des cellules photoélectriques utilisées comme détecteurs. La partie sensible de chaque cellule détectrice est scindée en quatre cadrans égaux disposés comme indiqué à la figure 4, la cellule primaire étant indiquée en 29 et la cellule secondaire en 30. Les cadrans A, B, C, D et A', B', C', D' sont orientés comme indiqué. Les caractéristiques électriques de la partie sensible de chaque cellule détectrice varient avec son degré d'illumination. En conséquence,une comparaison des caractéristiques électriques de chaque cadran indique la position d'un rayon de lumière focalisé par rapport au centre de la cellule. A l'aide de technique bien établie il est donc possible de transformer les caractéristiques électriques de chaque secteur en signaux électriques proprotionnels à la quantité de lumière arrivant sur chaque secteur et de transformer ces signaux de signaux en système/3 et 32 de façon à produire des signaux de sortie qui sont des fonctions des signaux d'entrée. A la figure 4 les lettres a, b, c, d, représentent les signaux électriques proportionnels tombant sur les cadrans A, B, C, D et a', b', c', d', représentent les signaux électriques proportionnels à la lumière tombant sur les cadrans A', B', C', D'. Les signaux de sortie a-c et a'-c' indiquent la position a+c du rayon focalisé par rapport au centre de la cellule dans une direction verticale, et ils sont indépendants de l'intensité d'illumination. Ces signaux peuvent être dirigés par l'intermédiaire du contacteur 33 vers le compteur 34 pour permettre le centrage du rayon vers la cellule au cours du processus de montage. Les signaux de sortie a + b- + c + d et a' + b' + c' + d' indiquent l'illumination totale des cellules. Ces signaux peuvent être dirigés par le contacteur 33 vers le compteur 34 pour permettre l'alignement du système de détection en vue d'une détection maximale de la lumière et obtenir ainsi une sensibilité optimale. Les signaux de sortie d-b et d'-b' indiquent la position d+b du rayon focalisé par rapport au centre de la cellule dans une direction horizontale et ils sont indépendants de l'intensité de l'illumination. Ces signaux peuvent être dirigés au moyen du contacteur 33 vers le compteur 34 pour permettre le centrage du rayon vers la cellule au moment du réglage de l'appareil. En outre, si le diamètre des filaments varie, le rayon lumineux focalisé se déplace depuis le centre de la cellule dans une direction pratiquement horizontale et les signaux de sortie obtenus indiquent le degré de déplacement des franges et en conséquence la variation de diamètre des filaments. Dans l'agencement de la figure 4, le signal d-b est amplifié 7+b par un amplificateur 35 à un niveau compatible avec les valeurs exigées à l'entrée d'un appareil de commande électrique dont la sortie commande le diamètre des filaments. Par exemple, la sortie de cet appareil de commande peut agir de façon à faire varier la vitesse de rotation de la machine qui étire le filament. L'appareil de commande est réglé de façon que la déplacement de la frange produise un changement dans le diamètre du filament pour renvoyer la frange vers la partie centrale de la cellule. Le signal d'-b' est combiné au signal d-b dans un amplifi d'+b' d+b cateur 36 pour donner un signal de sortie proportionnel à d-b - d'-b' en donnant ainsi une indication sur l'espacement d+b d+b' entre deux franges adjacentes, un paramètre qui change comparativement lentement avec les variations de diamètre du filament. Ce signal peut être utilisé pour indri 9Ve diamètre du filament a changé de façon à atteindre la limite du détecteur primaire ou on peut encore procéder de façon à fournir un signal chevauchant vers l'appareil de commande de telle sorte que le diamètre du filament est renvoyé vers des régions dans lesquelles il peut être contrôlé avec précision par le détecteur primaire s'il s'écarte de cette limite. Dans une forme préférée de l'invention, le signal de sortie proportionnel à d-b - d'-b' est introduit dans un circuit de d+b d'+b' grille 37 qui permet au signal de passer seulement s'il dépasse une valeur prédéterminée. Le signal résultant est alors réduit de façon à agir sur un système d'alarme qui attire l'attention de l'opérateur sur le fait que le diamètre du filament dépasse la limite de mesure de la cellule primaire. Dans une autre forme de réalisation le signal de grille mentionné ci-dessus est réduit pourdénver le signal d'arrivée vers l'appareil de commande en provenance de la cellule primaire, la déviation étant telle qu'elle chevauche le signal de la cellule primaire. Dans une autre forme de réalisation le signal d'entrée de l'appareil de commande est dérivé des signaux d-b - d'-b' combiné d+b d'+b' dans un système d'élaboration de signal pour donner une sortie proportionnelle à d-b + N (-b - d'-b') lorsque N est un nombre d+b (d+b d'+b') comparativement grand. Ceci a pour effet que les petits changements de diamètre des filaments se traduisant par des changements comparativement grands de d-b et de petits changement de Cd-b - d'-b') se traduisent par d+b (d+b d'+b') un signal de sortie dépendant surtout de la position de la frange sur le détecteur primaire. De grands changements de diamètre accroissent la valeur du second terme ce qui fournit un signal qui chevauche le signal de commande primaire lorsque Sa limite est atteinte. REVENDICATIONS 1) Un appareil pour contrôler et commander le diamètre moyen de fibres ou filaments à défilement continu comprenant un laser adapté pour produire un faisceau parallèle de lumière essentiellement monochromatique et cohérente, un premier système de détection constitué par une cellule photoélectrique à sensibilité de position capable de produire un signal indicateur deun changement dans un spectre de franges d'interférence produit par les filaments traversant le faisceau laser et par le déplacement d'une première frange dwinterférence sur la cellule, des moyens action- nables par ledit signal pour effectuer la commande du diamètre des filaments, un second système de détection constitué d'au moins une cellule photoélectrique à sensibilitv de position disposée de façon à contrôler une seconde frange d'interférence (n'étant pas la frange complémentaire exacte de ladite première frange) pour la comparer à la première frange, des moyens de comparaisons des signaux de sortie desdites cellules photoélectriques destinés à donner une mesure de l'espacement des franges pour garantir que les franges correctes sont contrôlées, des moyens de focalisation tel8 qu'une lentille étant prévus pour chaque cellule de façon à collecter et focaliser la lumière provenant de la partie du spec- tre de franges d'interférence à contrôler. 2) Un appareil selon la revendication 1, dans lequel le faisceau laser est converti en faisceau parallèle au moyen d'un collimateur. 3) un appareil selon la revendication I, dans lequel le second système détecteur comprend une pluralité de cellules photoelec- trique s positionnés de façon à contrôler une pluralité de franges d ' interférence. 4) Un appareil selon la revendication 1, dans lequel le second système détecteur est positionné pour contrôler une seconde frange d'interférence adjacente à la première frange. 5) Un appareil selon la revendication 1, dans lequel le second système détecteur est positionné pour contrôler une seconde frange d'interférence complémentaire d'une frange qui est adjacente à la première frange mais de l'autre côté dudit maximum central. 6) Un appareil selon la revendication l comprenant un chassis sur lequel le laser est monté, un collimateur pour convertir le faisceau laser en faisceau parallèle, un chemin sur lequel le collimateur est monté réglable, et un hâcheur pour hucher le faisceau laser à une fréquence d'environ 800 8 Hz. 7) Un appareil selon la revendication 6 dans lequel le mâcheur comprend un disque fendu rotatif. 8) Uh appareil selon la revendication 6 comprenant un coin cubique monté dans un bloc en coin mobile le long de rails et adapté pour recevoir le faisceau parallèle provenant du collimateur. 9) un appareil selon la revendication 8 dans lequel le coin cubique est positionné de façon b renvoyer le faisceau laser réfléchi directement en dessous du faisceau incident sur le système de détection. 10) un appareil selon l'une des revendications précédentes dans lequel le signal produit par un changement dans la première frange est amplifié par un amplificateur à un niveau compatible avec l'exigence de signal d'entrée d'un dispositif de commande électrique dont le signal de sortie contrôle le diamètre des filaments. 11) Un appareil selon la revendication 10 dans le quel le signal provenant du dispositif de commande est adaptd pour faire varier la vitesse de retation d'une machine étirant les filaments. 12) Un procédé de contrôle et commande du diamètre moyen de fila ment s b défilement continu consistant b faire passer les filaments au travers d'un faisceau parallèle de lumière mono chromatique is par un laser, à mesurer les changements de forme d'un spectre de franges d'interfrence produit en contrôlant une première frange, à produire un signal électrique proportionnel auxdits changements, à utiliser ledit signaQ6our contrôler le diamètre des filaments produits, à mesurer les changements dans une seconde frange d'in- terférence, (n'étant pas la frange complèmentaire exacte de ladite première frange) et à convertir les changements de la seconde frange en signaux électriques de comparaison avec la première frange de façon à obtenir une mesure de l'espacement des franges pour garantir que les franges correctes sont contrôlées. 13) Un procédé selin la revendication 12 dans lequel la seconde frange choisie est une frange adjacente à la première frange. 14) Un procédé selon la revendication 12 dans lequel la seconde frange choisie est une frange complémentaire de ladite frange adjacente mais située de 11 autre côté du maximum central du faisceau laser. 15) Un procéda selon la revendication 12 dans lequel le signal proportionnel aux changements de la première frange est amplifie à un niveau compatible avec les exigences d'entrée d'un disposi- tif de commande électrique, ce dispositif étant utilisé pour commander le diamètre des filaments. 16) Un procédé selon la revendication 15 dans lequel le signal provenant du dispositif de commande est adapté pour faire varier la vitesse de rotation d'une machine étirant les filaments.