ОПТИЧЕСКИЙ СПОСОБ КОНТРОЛЯ КРУТКИ НИТЕЙ
OPTICAL METHOD OF CONTROLLING THREAD TWISTING

Изобретение относится к способам измерения крутки нитей и может быть использовано для оперативного контроля величины крутки нитей в процессе производства.
Известен традиционный механический метод определения крутки нитей с помощью круткомера, например КУ-500 (Лабораторный практикум по текстильному материаловедению / под ред. А.И.Коблякова. - М: Легкопромбытиздат, 1986. - С.60-65), который используется при выборочном контроле образцов до настоящего времени во всех заводских лабораториях. Метод заключается в подсчете числа оборотов при полном раскручивании нити, причем момент раскручивания фиксируется визуально. Этот способ требует значительного времени на одно измерение (~минуты) и в принципе не может быть использован для контроля в ходе технологического процесса производства.
Известен способ контроля величины крутки нити (Патент РФ №2138588, МКИ 6 D01Н 13/32, G01N 21/00. Способ контроля физических параметров движущейся нити / Шляхтенко П.Г., Мещерякова Г.П., Труевцев Н.Н., Лучинкина В.В., опубл. 27.09.99, бюл. №27), заключающийся в том, что освещают вертикальную нить параллельным пучком монохроматического света, а о величине крутки судят по измеренному расстоянию между соседними рядами максимумов в дифракционной фраунгоферовой картине. Устройства по этому способу достаточно громоздки, дороги и требуют прецизионной настройки. Кроме того, автоматическая обработка дифракционной картины требует создания соответствующих компьютерных программ распознавания образов на фоне присутствия в дифракционной картине не несущих информацию паразитных максимумов «спеклов». Эта проблема еще полностью не решена.
Описан метод контроля крутки пряжи (А.В.Парамонов, Т.А.Корнюхина. Экспресс-метод определения крутки пряжи // Текст промышленность, 1978. - №3. - С.72-74), который заключается в том, что исследуемый объект освещается параллельным пучком света нормально к его поверхности и регистрируется индикатриса прямого светорассеяния I(β) - зависимость величины рассеянного светового потока, прошедшего сквозь щель и регистрируемого фотоприемником, от угла поворота щели β вокруг оптической оси. О величине крутки судят на основании анализа зависимости I(β).
Измерения по этому методу достаточно длительны и трудоемки. Как и предыдущий метод, этот метод не является дистанционным, так как исследуется рассеяние света в направлении его падения. В устройствах по этим способам осветитель и регистрирующее устройство находятся по разные стороны от исследуемой нити.
II
⊥
II
Наиболее близким к предлагаемому способу является способ контроля крутки нитей (Патент РФ №2047169, МКИ 6 G01N 21/00, D01Н 13/00. Оптический способ контроля крутки нитей / А.М.Челышев, П.Г.Шляхтенко, Ю.Н.Ветрова и др.; опубл. 27.10.95, бюл. №30), включающий освещение исследуемой нити параллельным пучком нормально к ее образующей, измерение световых потоков Ф и Ф, рассеянных нитью в обратном направлении в двух одинаковых телесных углах, ориентированных во взаимно перпендикулярных плоскостях под равными углами к падающему пучку, первый из которых Ф ориентирован в плоскости протяжки нити при ее изготовлении. О величине крутки судят по рассчитанному коэффициенту изотропии светорассеяния  и известной зависимости коэффициента изотропии от величины крутки, полученной для данного типа нитей.
В способе используется то обстоятельство, что с ростом величины крутки изменяется угловое распределение волокон относительно оси симметрии скручиваемой нити, что приводит к изменению угловой диаграммы обратного светорассеяния.
К недостатку способа можно отнести его недостаточную чувствительность, связанную с тем, что в этом методе регистрируются полные световые потоки, идущие в указанных направлениях от освещенного участка исследуемой нити. То есть регистрируются как световые потоки, отраженные от поверхности волокон исследуемой нити, несущие четкую информацию об угловой ориентации скрученных стренг, так и световые потоки, рассеянные освещенным объемом нити. Вторая часть потока связана с изотропным диффузным рассеянием света на случайных геометрических неоднородностях материала волокон и не несет информации об изменении анизотропии в угловом распределении волокон в процессе крутки нити.
Целью изобретения является увеличение чувствительности метода и точности измерений за счет выделения и измерения из общих световых потоков только первых информативных его частей.
II
⊥
II
Поставленная цель достигается тем, что исследуемую нить освещают параллельным пучком нормально к ее образующей, и измеряют световые потоки Ф и Ф, рассеянные нитью в обратном направлении в двух одинаковых телесных углах, ориентированных во взаимно перпендикулярных плоскостях под равными углами к падающему пучку, первый из которых Ф ориентирован в плоскости протяжки нити при ее изготовлении, отличающийся тем, что освещение производят плоскополяризованным светом, плоскость поляризации которого вращают вокруг оси светового пучка с частотой ω, и вычисляют коэффициент изотропии светорассеяния  по формуле
,
II
где  - амплитуда меняющейся с частотой 2ω переменной составляющей светового потока Ф, рассеянного в первом телесном угле;
⊥
- амплитуда меняющейся с той же частотой переменной составляющей светового потока Ф, рассеянного во втором телесном угле,
а величину крутки нитей определяют по известной зависимости измеренного таким образом коэффициента изотропии от величины крутки, полученной для данного типа нитей.
Существенными отличиями заявляемого решения являются:
1. Освещение производят плоскополяризованным светом, плоскость поляризации которого вращают вокруг оси светового пучка с частотой ω.
В прототипе освещение производилось неполяризованным светом.
2. Вычисляют коэффициент изотропии светорассеяния  по формуле
,
II
где  - амплитуда меняющейся с частотой 2ω переменной составляющей светового потока Ф, рассеянного в первом телесном угле,
⊥
- амплитуда меняющейся с той же частотой переменной составляющей светового потока Ф, рассеянного во втором телесном угле.
В прототипе коэффициент изотропии светорассеяния рассчитывался по другой формуле
,
II
⊥
где Ф и Ф - световые потоки, рассеянные нитью в обратном направлении в указанных выше телесных углах.
3. Величину крутки нитей определяют по известной зависимости измеренного таким образом коэффициента изотропии () от величины крутки, полученной для данного типа нитей.
В прототипе величину крутки нитей определяют по известной зависимости коэффициента изотропии (χ) от величины крутки, полученной для данного типа нитей.
На фиг.1 представлена схема, поясняющая предлагаемый способ.
1
2
1
2
1
2
1
2
Неполяризованный свет параллельным пучком проходит через поляризатор 1, вращающийся с постоянной угловой скоростью ω от двигателя 2, и плоскополяризованным светом, в котором плоскость поляризации вращается с угловой скоростью ω, освещает исследуемый образец нити 3, перпендикулярно ее поверхности. Световые потоки Ф и Ф, рассеянные нитью в одинаковых телесных углах ΔΩ и ΔΩ(Ω=ΔΩ=ΔΩ), ориентированных под одним углом к направлению падения света α во взаимно-перпендикулярных плоскостях, поступают на линейные фотоприемники 4 и 5, которые измеряют амплитуду переменных с частотой 2ω составляющих световых потоков Ф и Ф (соответственно потоков  и ).
Отличие предлагаемого способа от прототипа обусловлено необходимостью отделения и регистрации части светового потока, идущего при однократном отражении света от поверхности волокон, находящихся непосредственно у освещенной поверхности исследуемой нити, от светового потока, идущего от освещаемого объема материала нити.
Первая компонента светового потока представляет собой свет всегда частично плоско-поляризованный таким образом, что в нем содержится преимущественно компонента светового вектора Е, колеблющаяся в плоскости, перпендикулярной плоскости падения света, проходящей через образующую цилиндрического волокна, и поэтому несет информацию об ориентации этого волокна в крученой нити.
Вторая компонента светового потока обусловлена светом, диффузно рассеянным на геометрических неоднородностях в материале освещаемой нити, и многочисленными переотражениями от случайно ориентированных друг относительно друга отражающих поверхностей волокон. Эта диффузная компонента не поляризована.
Интенсивность первой компоненты пропорциональна числу одинаково ориентированных волокон в освещаемой приповерхностной области.
Интенсивность неполяризованной диффузной части светового потока зависит от толщины освещаемого объема материала и его оптических свойств и, складываясь с первой информативной компонентой, как это происходит в прототипе, снижает чувствительность метода.
2
В случае измерения амплитуды только переменной составляющей светового потока в заявляемом способе, из общего светового потока, поступающего на фотоприемник, выделяется только переменная с частотой 2ω плоскополяризованная его компонента , интенсивность которой определяется известным законом Малюса (I~Cosωt=(1+Cos2ω)/2).
В процессе крутки нити преимущественная угловая ориентация поверхностных волокон относительно образующей нити изменяется от близкой к параллельной образующей (для некрученой нити) до близкой к перпендикулярной (при максимальной крутке). Это должно существенно сказываться на угловой диаграмме светорассеяния нити, контролируемой заявляемым способом.
Работоспособность предлагаемого способа была проверена на установке, блок-схема которой изображена на фиг.2.
Свет от источника 6 («белый» светодиод, испускающий неполяризованный свет в видимой области спектра) через телескопический объектив 7 и поляризатор 1 (поляроидная пленка), приводимый во вращение двигателем 2, параллельным пучком падает на поверхность исследуемой нити 3. В качестве фотоприемника используется фотоэлектрический умножитель (ФЭУ) 4, который питается от стабилизированного выпрямителя 8 и регистрирует свет, рассеянный материалом под углом α к оптической оси в постоянном телесном угле. Переменная составляющая напряжения с ФЭУ () измеряется универсальным цифровым вольтметром 9 (В 7-16 А). Нить 3 закрепляется в специальном держателе 10 в натянутом с помощью пружины 11 состоянии.
С помощью ручки 12 исследуемую нить 3 можно закручивать на известное число оборотов, не снимая ее с держателя 10. Держатель с нитью может поворачиваться вокруг оси падающего пучка света и устанавливаться на любое значение угла φ в диапазоне 0-2π с точностью ±1°.
Сравнительные измерения по способу прототипа производились на той же установке (фиг.2) и без поляризатора 1-2. Вместо него устанавливался модулятор 13-14, который периодически прерывал пучок света. В этом случае вольтметр 9 измерял амплитуду переменного напряжения, пропорциональную световому потоку, поступающему на ФЭУ по способу-прототипу.
-1
На фиг.3 приведены экспериментальные зависимости коэффициента изотропии  от величины крутки K, рассчитанные по заявляемой формуле (кр. 1, 3, 5) и зависимости коэффициента изотропии χ от величины крутки K, полученные по методу прототипа (кр. 2, 4, 6). Кр. 1, 2 получены для белой неокрашенной нити, скрученной из трех стренг, каждая из которых состоит из множества тонких капроновых волокон. Кр. 3, 4 - для нити, скрученной из двух прозрачных нейлоновых мононитей диаметром 0,16 мм. Кр. 5, 6 - для капроновой нити, состоящей из трех стренг, каждая из которых состоит из множества тонких капроновых волокон, окрашенных в черный цвет. Белая и черная капроновые нити имели заводскую крутку 3 (см).
Из анализа этих кривых можно сделать следующие выводы:
1. При малых крутках кр. 1, 3, 5 точнее описывают истинную изотропию расположения волокон в одинаковых нитях, чем кр. 2, 4, 6, т.к. они при малых крутках дают меньшее значение коэффициента изотропии , вычисляемого по заявляемому методу, чем χ, вычисляемый аналоговым методом. При малых крутках все волокна в нити близки по направлению к оси нити, т.е. анизотропия углового расположения волокон максимальна. Так как цилиндрические волокна отражают свет в направлении, перпендикулярном его оси, коэффициент изотропии, рассчитываемый по заявляемой формуле, должен быть минимальным, и, как видно из фиг.3, он более соответствует действительности, чем рассчитываемый по методу прототипа.
2. В отличие от существенно нелинейных зависимостей χ(K) - кр. 2, 4, 6, кривые
идут в рабочем диапазоне крутки практически линейно (кр. 1, 3, 5). Это позволяет задавать зависимости аналитически , только по двум измерениям  и
1
2
для значений крутки соответственно K и K, взятых на границах этого интервала. При этом значения а и b находятся из формул:  и , что значительно облегчает нахождение «известных зависимостей»  в формуле изобретения и очевидно увеличивает точность измерений по сравнению с прототипом.