Способ контроля поверхностной плотности слабопоглощающих волокносодержащих материалов

 

Использование: в способах контроля физических параметров плоских светопропускающих волокнистых материалов или волокносодержащих материалов. Сущность изобретения: поверхностную плотность исследуемого материала находят по формуле ΔФ_п= Ф_п-Ф_по , где Ф_п - интенсивность плоскополяризованного света, регистрируемая фотоприемником от исследуемого материала; Ф_по - интенсивность плоскополяризованного света, регистрируемая тем же фотоприемником от эталонного образца. 7 ил.

Изобретение относится к способам контроля физических параметров плоских светопропускающих волокнистых материалов или волокносодержащих материалов, достаточно тонких, чтобы можно было пренебречь наложением волокон друг на друга, для непрерывного неразрушающего контроля качества таких материалов в ходе их производства. Примерами таких материалов служат полуфабрикаты прядильного производства типа "ватки", конденсаторная бумага, белкозиновая колбасная оболочка, тонкие слои шерсти, оптически прозрачные композитные материалы, состоящие из изотропного наполнителя и волокон, например, водяные растворы целлюлозных волокон, использующиеся в бумажной промышленности, или промышленные стоки этих предприятий, содержащие волокна.

Известен способ измерения физических параметров плоских материалов по величине их светопоглощения с помощью приборов типа фотоколориметра, например ФЭК-56 [1], который заключается в сравнении двух световых потоков, прошедших исследуемый материал и эталонный образец в малых телесных углах, которые регистрируются с помощью двух одинаковых фотоприемников, включенных в дифференциальную схему. Механизм раздвижения механической диафрагмы, установленной перед одним из приемников, связан с отсчетным барабаном. Выравнивая с помощью этой диафрагмы интенсивности регистрируемых фотоприемниками световых потоков, добиваются нулевого отсчета на нуль-приборе и по барабану считывают показания, соответствующие оптической плотности исследуемого материала, по которой судят о контролируемой величине.

К недостаткам этого способа применительно к контролю поверхностной плотности тонких прозрачных волокносодержащих материалов относятся низкая точность, связанная с возрастающей ролью для таких сред отражения от поверхности, в общем случае не однородной, а также определяющей ролью светорассеяния, изменения которого, связанные, например, с изменением углового распределения волокон в материале, при неизменной величине его поверхностной плотности ведут к изменению сигнала, прошедшего сквозь материал, и индифицируются как изменения плотности.

Наиболее близким к заявляемому является способ контроля физических параметров движущихся плоских волокнистых материалов [2], который заключается в том, что исследуемый материал освещают параллельным пучком света перпендикулярно его поверхности, регистрируют с помощью фотоприемника весь световой поток, испускаемый освещенным материалом в направлении падения света, и сравнивают этот поток с потоком, регистрируемым фотоприемником для эталонного образца этого материала, а о поверхностной плотности исследуемого материала судят по разности световых потоков, зарегистрированных фотоприемниками для исследуемого образца и эталона.

К недостатку этого способа можно отнести его низкую точность, связанную с неконтролируемым сильным влиянием поверхности, состояние которой зависит от поверхностной плотности (толщины) материала, например белкозиновой колбасной оболочки.

Целью изобретения является увеличение точности измерений.

На фиг.1-3 и 6 представлены схемы предложенного устройства; на фиг.4 - зависимость сигнала фотоприемника от угла поворота образца исследуемого материала относительно машинного направления; на фиг.5 - зависимость сигнала с выхода фотоприемника в зависимости от поверхностной плотности исследуемого материала при α= =45^о; на фиг.7 - зависимость величины измеряемого сигнала на выходе усилителя от величины поверхностной плотности белкозиновой колбасной оболочки.

Неполяризованный свет параллельным пучком падает на поляризатор 1 и освещает исследуемый материал светом, в котором электрический вектор Е колеблется под углом α= 45^о к направлению протяжки контролируемого плоского светопропускающего материала 2, содержащего волокна, преимущественно ориентированные вдоль машинного направления (направления протяжки), одного вида и одной геометрии. На фиг.1 для примера показаны два типа волокон 3 и 4. Волокно 3 анизотропное светопропускающее, ориентировано вдоль машинного направления. В этом волокне падающий свет возбуждает две световые волны ("обыкновенный" луч и "необыкновенный") одинаковой интенсивности, которые интерферируют, с получением на выходе волокна в общем случае эллиптической поляризацией вектора Е. Волокно 4 имеет сложный рельеф геометрии, т.е. множество микронеоднородностей на поверхности и в объеме, размеры которых тем не менее значительно больше длины волны источника света. Многочисленные переотражения света от этих неоднородностей приводят к тому, что свет, прошедший сквозь это волокно, во-первых, рассеивается и, во-вторых, теряет поляризацию (деполяризуется). Очевидно, что как от волокна 3, так и от волокна 4 часть света проходит через анализатор 5, установленный так, что плоскость его пропускания перпендикулярна плоскости пропускания поляризатора 1. Вместе с тем свет, прошедший сквозь изотропное наполнение исследуемого материала, полностью задерживается анализатором 5. Таким образом, на объектив 6 попадает только свет, идущий от волокон, находящихся в освещаемой области исследуемого материала, который далее собирается на приемной площадке фотоприемника 7. Сигнал с выхода фотоприемника, который при малых концентрациях волокон в материале, когда волокна не затеняют друг друга, должен быть пропорционален числу освещаемых волокон (фотоприемник линейный). Этот сигнал через усилитель 8 и ключ 9 поступает на схему 10 сравнения, где сравнивается с сигналом, запомненным схемой при измерениях на эталонном образце исследуемого материала с известной поверхностной плотностью (толщиной). Измерения на эталонном образце производятся по вышеописанной схеме, когда вместо исследуемого материала в то же место помещается эталонный образец, а ключ переводится из положения И в положение Э. В этом случае сигнал с фотоприемника 7, пропорциональный числу волокон в эталонном образце (толщине образца или его поверхностной плотности при заданной ширине материала), через усилитель 8 подается на соответствующий вход схемы 10 сравнения, где запоминается. Сигнал с выхода схемы сравнения, пропорциональный разности световых потоков Ф_п-Ф_по, свидетельствует о величине отклонения поверхностной плотности исследуемого материала от эталона. Для того, чтобы измерения были корректны, необходимо освещать такую площадь исследуемого материала, которая характеризует этот материал, т.е. диаметр светового пятна должен быть много больше размера допустимых в материале статистических оптических неоднородностей. Предлагаемый метод основан на измерении концентрации волокон в материале, поэтому его применение для контроля поверхностной плотности правомочно, если концентрация волокон в материале, из которого приготавливают этот материал, постоянна. Если контролируется материал, в котором концентрация волокон повышена и волокна затеняют друг друга, измеряемый разностный сигнал Ф_п-Ф_по функционально связан с поверхностной плотностью материала. Если вид этой функции известен, то искомая величина может быть рассчитана. Вид функции может быть установлен при измерениях на соответствующем количестве образцов данного материала с измеренными независимым методом значениями поверхностной плотности.

Для проверки принципиальной возможности применения предлагаемого метода была собрана установка, представленная на фиг.2.

Свет от источника 11 света (гелий-неонового лазера) через телескопический объектив, состоящий из двух софокусных рассеивающей линзы 12 и собирающего объектива 6, и поляризатор 1 освещает образец исследуемого материала 2 электромагнитным излучением, в котором вектор Е колеблется в плоскости, ориентированной под углом 45^о к направлению преимущественной ориентации волокон в образце (направлению протяжки материала при его изготовлении). Через анализатор 5 (скрещенный с поляризатором) освещенный участок исследуемого материала можно фотографировать с помощью фотоприемника (фотоаппарата) 7 (фотокамера "Зенит-Е" с комплектом насадочных колец). В качестве поляризатора и анализатора использованы пленочные поляроиды.

Свет от источника 11 света (W-лампа накаливания) через объектив 13 (фиг.3) фокусируется на щели монохроматора 14. С выхода монохроматора через линзу 15 монохроматический свет соответствующей длины волны через поляризатор 1 (поляроидная пленка) параллельным пучком освещает исследуемый материал 2, помещенный между двумя параллельными стеклами 16 в деpжателе 17, который поворачивается вокруг оптической оси относительно неподвижного основания 18. Контроль угла поворота направления протяжки материала при его изготовлении α контролировался по указателю 19. Непосредственно за образцом исследуемого материала расположены анализатор (поляроидная пленка) 5, плоскость пропускания которого перпендикулярна плоскости пропускания поляризатора 1, и объектив 6 (короткофокусная собирающая линза), фокусирующий свет, идущий от образца на приемной площадке фотоприемнике (фотоэлемента) 7. Фотоприемник (фотоэлемент) 7 входит в комплект монохроматора. Он и источник 11 света питаются от блока 20 питания, где полезный сигнал, пропорциональный фототоку, протекающему через фотоприемник (фотоэлемент) 7, усиливается и подается на цифровой вольтметр 21, который контролирует его величину.

На фиг. 4 приведены зависимости сигнала фотоприемника от угла поворота образца исследуемого материала относительно машинного направления для следующих материалов: белкозиновой колбасной оболочки с поверхностной плотностью 90 г/м² (средняя кривая), конденсаторной бумаги КОН-2-8 (нижняя кривая), слой уложенных в один ряд оленьих шерстяных (остевых) волокон (верхняя кривая). Из хода кривых для этих материалов, характеризующихся преимущественной ориентацией волокон, видно, что максимум принимаемого фотоприемником сигнала приходится на угол 45^о. Схема (фиг.2) позволяет проводить измерения в диапазоне измерения угла α= 0-360^о. Измерения показали, что качественно ход изображенных на фиг.4 кривых при возрастании угла повторяется через 90^о, поэтому на фиг.4 эти измерения не приведены.

На фиг. 5 приведены зависимости сигнала с выхода фотоприемника в зависимости от поверхностной плотности исследуемого материала при α= 45^о для оленьей шерсти (первая кривая) и овечьей шерсти (вторая кривая). Во всех измерениях на фиг. 5 длина волны света, падающего на образец, составляла 555±10 нм. Из хода кривых видно, что качественно вид кривых одинаков. Вначале (для тонких образцов) зависимость линейная и возрастающая, после прохождения максимума она близка к линейной убывающей. Для малых плотностей в соответствии с формулой изобретения эта зависимость может быть использована для контроля величины поверхностной плотности по формуле σ= 60 U, где величина измеряемого сигнала U подставляется в Вольтах (размерность σ- г/м²) для оленьей шерсти, или по формуле σ= 350 U для шерстяного прочеса овечьей шерсти. Большие плотности рассматриваемых материалов могут контролироваться заявляемым методом по падающим участкам кривых на фиг.5 или в области линейности по формулам, аппроксимирующим эти кривые, т.е. зависимости σ= 660 (0,18 - U) для оленьих волокон и зависимости σ= 600 (0,265 - U) для овечьего шерстяного прочеса. Различие в количественном ходе кривых на фиг.5 обусловлено различием в толщине волокон (оленьи остевые волокна имеют толщину 0,3 мм, тогда как овечьи в прочесе примерно в 20 раз тоньше) и в их оптических свойствах (овечьи прозрачные, оленьи имеют ячеистую объемную структуру со случайным расположением и формой ячей и шероховатую поверхность).

Для контроля поверхностной плотности белкозиновой колбасной оболочки по заявляемому способу было собрано действующее устройство, схема которого представлена на фиг.6.

В качестве источника 11 счета использован светодиод, испускающий свет, длина волны которого лежит в области 567 нм, свет от которого через поляризатор 1, оптическая плоскость пропускания которого ориентирована под углом 45^о к направлению протяжки исследуемого материала 2, освещает этот материал. Свет, испускаемый материалом 2, через скрещенный анализатор (поляроидная пленка) 5 попадает на фотоприемник 7, состоящий из солнечных батарей (фотодиодных), соединенных параллельно, и установленный параллельно поверхности исследуемого материала непосредственно за анализатором 5. Сигнал с фотоприемника 7 подается на усилитель 22, проходит через фазовый детектор 23, соединенный с генератором 24 опорной частоты, и после усилителя 8 подается на ключ 9, который может быть подключен либо на измерительный вход схемы 10 сравнения, либо на эталонный вход этой схемы. Генератор 24 соединен также с делителем 25 напряжения, сигнал с которого подается на один из входов дифференциального усилителя 26, на другой вход которого подается сигнал с дополнительного фотоприемника 27, а также на фазовый детектор 28 и через интегратор 29 управляет работой прерывателя 30, модулирующего излучение источника 11 света (светодиода).

Схема на фиг.6 работает следующим образом.

Переменная составляющая сигнала с фотоприемника 7, пройдя через усилитель 22, поступает на фазовый детектор 23, опорный сигнал которого вырабатывается генератором 24 опорной частоты. Усиленный и продетектированный сигнал с фотоприемника 7 далее поступает на усилитель 8 постоянного напряжения, выходное напряжение которого характеризует поверхностную плотность исследуемого волокнистого материала 2.

Для компенсации температурной нестабильности и временного ухода параметров источника 11 света питание излучателя осуществляется следующим образом. Сигнал с фотоприемника 27 (использована солнечная батарея того же типа, что и в фотоприемнике 7), характеризующий мощность излучения, сравнивается с опорным сигналом и усиливается дифференциальным усилителем 26. Опорный сигнал получается путем ослабления сигнала генератора 24 опорной частоты в делителе 25 напряжения. С выхода дифференциального усилителя 26 сигнал поступает на фазовый детектор 28, далее он интегрируется в интеграторе 29 и через прерыватель 30, управляемый опорным генератором 24, поступает на источник 11 света. Электрическая схема усилителей, работающих на переменной составляющей сигнала, в сочетании с фазовым детектированием обеспечивает необходимую защиту и независимость показаний от посторонних засветок и от собственных шумов высокочувствительных усилителей.

На выходе схемы 10 сравнения измеренный на исследуемом материале сигнал сравнивается с сигналом, полученным ранее (и запомненным схемой 10 сравнения) при измерениях, проведенных в режиме, когда вместо исследуемого материала помещен эталонный образец того же материала известной поверхностной плотности. Сигнал рассогласования с выхода схемы 10 сравнения может быть использован для регулировки в цепи автоматической подстройки поверхностной плотности под эталон.

Светочувствительная часть схемы вместе с излучателем помещены в светозащитный кожух 31 для предохранения фотоприемников от нерегулярных постоянных засветок, меняющих рекомбинационную способность р-n-переходов, что важно при достаточной их мощности.

На фиг. 7 приведена экспериментальная зависимость, полученная на этом устройстве, величины измеряемого сигнала на выходе усилителя 8 от величины поверхностной плотности белкозиновой колбасной оболочки, измеренной независимым методом, а именно на аналитических весах измерялась масса образцов известной площади. Далее измерения проводились по заявляемому методу как на отдельных образцах, так и на образцах, полученных путем адекватного наложения (совмещения машинных направлений образцов) образцов друг на друга. Видно, что во всем диапазоне оболочек, поверхностная плотность которых варьируется в пределах до 300 г/м² для различных диаметров, зависимость измеряемого по заявляемому методу сигнала линейна. Измерения показали, что уверенно фиксируются изменения поверхностной плотности в этом диапазоне на уровне 5% (Р = 0,9) от эталона.

Формула изобретения

СПОСОБ КОНТРОЛЯ ПОВЕРХНОСТНОЙ ПЛОТНОСТИ СЛАБОПОГЛОЩАЮЩИХ ВОЛОКНОСОДЕРЖАЩИХ МАТЕРИАЛОВ, заключающийся в том, что исследуемый материал освещают параллельным пучком света перпендикулярно к его поверхности, регистрируют световой поток от исследуемого материала в направлении падения света и сравнивают этот поток с потоком от эталонного образца, отличающийся тем, что, с целью увеличения точности измерений путем устранения паразитного влияния оптических эффектов, связанных с неоднородностью отражения от поверхности исследуемого материала и эталонного образца и со спектральными неоднородностями изотропного наполнителя, исследуемый материал и эталонный образец освещают плоскополяризованным светом так, что плоскость колебания светового вектора ориентирована относительно направления протяжки исследуемого материала и эталонного образца под углом 45^o, регистрируют с помощью фотоприемника плоскополяризованную часть светового потока, в котором световой вектор колеблется в плоскости, перпендикулярной к плоскости колебания светового вектора света, освещающего исследуемый материал, а о поверхностной плотности исследуемого материала судят по величине ΔΦ_п = Φ_п - Φ_пo, где Φ_п - интенсивность плоскополяризованного света, регистрируемая фотоприемником от исследуемого материала; Φ_пo - интенсивность плоскополяризованного света, регистрируемая тем же фотоприемником от эталонного образца.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7