Snímače tahových sil nití a podobných délkových útvarů

Snímače tahových sil nití a podobných délkových útvarů

Příspěvek pojednává o snímačích tahových sil nití a osnov pro náročná dynamická měření. Zmíněny jsou používané měřicí metody.

1. Úvod
Výzkumný ústav textilních strojů Liberec, a. s., vloni oslavil padesáté výročí založení. Téměř od samého počátku byly experimentální a výpočetní práce v ústavu spjaty s měřením neelektrických veličin. Tato služba byla využívána také koncernovými podniky Elitex. Později, po osamostatnění ústavu v roce 1992, se otevřely nové možnosti spolupráce se zahraničními firmami, ke kterým směřuje i většina v ústavu vyráběných snímačů. Vývoj a výroba snímačů a elektronických měřicích zařízení sice představuje relativně malou položku, ale činnost ústavu vhodně rozšiřuje a doplňuje.

2. Snímače
Kvantifikace a analýza tahového namáhání textilních materiálů v průběhu technologických operací patří mezi základní měřicí úlohy. Tahové síly nití, tahové síly osnov a podobných délkových textilních útvarů se měří nepřímo. Měřená nit nebo osnova se navádějí na trojici niťových vodičů. Nit přitom zaujímá polohu odvěsen rovnoramenného trojúhelníku a výslednice sil směřuje na prostřední niťový vodič, kterým je zakončen vhodný deformační člen (obr. 1).

Někdy se s výhodou využívá technologické zalomení nitě ve stroji podle obr. 2, které zmenšuje úhel opásání a nitě u krajních niťových vodičů a tím i třecí odporové síly. Správným cejchováním snímačů lze vliv třecích sil na přesnost měření účinně potlačit [1], [5].

V některých případech zvětšení měřené tahové síly nitě o třecí odporové síly nepříznivě ovlivňuje samotný technologický proces. Například u pneumatických a hydraulických tryskových tkacích strojů, u nichž je strhávána odměřená zásoba útkové nitě proudem vzduchu nebo vody, proto dochází ke snižování rychlosti nití. Použití safírových niťových vodičů s nízkým koeficientem tření u širokého spektra používaných textilních materiálů vliv tření minimalizuje. I přesto se stále hledají další vhodnější principy měření tahových sil nití.

Pracovní frekvence moderních tkacích strojů dosahují 20 až 25 Hz. Pouze necelou polovinu periody je možné využít pro prohoz útkové nitě. Během této doby se útková nit rozbíhá z klidu na nejvyšší rychlost, která může dosahovat až 70 m·s^–1, a opět se zabrzdí za vzniku silového impulsu. Prohazovaná délka útkové nitě bývá od 1,3 do 3,5 m podle typu stroje a paprskové šíře. Pro měření za těchto podmínek se používají speciální snímače schopné věrně zachytit rychlé změny tahových sil.

Ve Výzkumném ústavu textilních strojů Liberec, a. s., byly vyvinuty snímače pro přesná dynamická měření tahových sil útků a osnov (obr. 3 a obr. 5). V obou případech se konstruktéři snažili dosáhnout velké citlivosti a vysoké vlastní frekvence deformačního členu. U snímačů tahových sil útkových nití nejlépe vyhověl vetknutý nosník čtvercového průřezu s kuželovitě sraženými podélnými hranami. Celý nosník je odlehčen podélným otvorem. Na konec nosníku je přilepena tenkostěnná safírová trubička, která jen málo snižuje vlastní frekvenci nosníku [2], [3]. Optimální vedení nitě je zajištěno drážkami v krajních niťových vodičích. Vzhledem k požadované vlastní frekvenci nad 7 kHz je nosník relativně robustní a pro převod deformace se používají polovodičové tenzometry zapojené v plném můstku s teplotní kompenzací pro oblast provozních teplot. Výhodou polovodičových tenzometrů je přibližně padesátkrát větší citlivost než u klasických fóliových tenzometrů. Vzhledem k bateriovému napájení měřicího zařízení byly použity tenzometry s odporem 1 000 W. Snímače se dodávají s měřícími rozsahy do 300 cN a do 1 000 cN s citlivostí 2,9 mV/V při 300 cN a 6 mV/V při 1 000 cN.

Pro ustálené děje u choulostivých materiálů (skleněné příze a některé druhy hedvábí) se místo pevných niťových vodičů používají kladičky (rolny) s ložisky (obr. 4). Miniaturní ložiska s otáčkami do 78 000 min^–1 jsou vhodná pro rychlosti příze menší než 50 ms–1. Vyklápění krajních rolen (na obr. 4 jsou to horní dvě) usnadňuje navlékání přízí do snímače.

Podobně bylo v minulosti vyřešeno měření tahových sil měděných a hliníkových vodičů při výrobě kabelů. Mnohem mohutnějším vodičům a silám odpovídalo robustní měřicí zařízení s mechanickou ochranou senzoru před přetížením.

Jiný typ senzoru [4] byl použit u snímačů tahových sil osnov, u kterých se současně měří tahové síly mnoha nití uspořádaných vedle sebe. V základním provedení snímače je délka měřicích trnů 50 mm. Trny jsou po jedné straně nebo po obou stranách držáku snímače. Měřicí rozsahy jsou do 200 N u jednostranného provedení, popř. do 300 N u oboustranného provedení. Senzor je jedním koncem uchycen na držáku a k opačnému konci je upevněn měřicí trn. Měřicí trn je v celé šíři zatížen osnovními nitěmi. Snímač dává správné výsledky měření, přestože silové zatížení senzoru není souměrné a výslednice sil působí v libovolném místě měřicího trnu. Senzor sám není citlivý na příčné a podélné vnější momenty, ale pouze na kolmé zatěžující síly. Výpočtem metodou konečných prvků (modely FEM) byly optimalizovány dynamické parametry s citlivostí senzoru a byla zvolena nejvhodnější místa pro umístění polovodičových tenzometrů (obr. 7). Naměřené hodnoty citlivosti a frekvence jsou 3,3 mV/V při 200 N a 1 300 Hz při prvním vlastním kmitu senzoru včetně měřicího trnu.

3. Používané měřicí a vyhodnocovací metody
Výběr měřicí metody a zpracování naměřených údajů závisí na účelu měření a na informacích, které mají být měřením získány [5]. Například u měření tahových sil nití na soukacích a snovacích strojích s převažujícím plynulým pohybem nití je zjišťován brzdný účinek niťových brzdiček, jejich dlouhodobá stabilita, popř. vlivy stavby cívkových návinů. U brzdiček postačí krátkodobé měření, ale při posuzování jejich stability jde o měření v trvání desítek minut nebo i hodin, kdy se vhodným měřicím a vyhodnocovacím programem zjišťují vývojové tendence statistických údajů. Při posuzování vlivu cívkových návinů nebo niťových balonů na měřenou tahovou sílu je hlavním nástrojem frekvenční analýza provedená z časového záznamu nebo, jsou-li naměřené hodnoty zaznamenány v závislosti na délce měřené nitě, spektrální analýza.

U strojů s periodickým charakterem činnosti, např. u tkacích a šicích strojů, je vhodné zaznamenávat tahovou sílu v závislosti na úhlu pootočení hlavní hřídele stroje.

Příklad krátkodobého záznamu tahové síly měřicím zařízením i s rychlými změnami je uveden na obr. 8. Tahové síly nití se mění kolem středních hodnot i o desítky procent. V záznamu se vyskytují také periodické složky, které obvykle odpovídají délce jednoho ovinku nitě na cívce. Počítají se střední hodnoty (F), směrodatné odchylky (s) a zjišťují se maximální a minimální hodnoty. Někdy se z naměřených údajů vypočítává histogram. Z četností a jejich rozložení se usuzuje na charakter namáhání nití.

Co se týče dlouhodobých měření měřicími analyzátory nebo vyvíjeným zařízením WAWET, je k posouzení stability niťových brzdiček, k vyhodnocení regulace podávání osnovy u tkacích strojů apod. určen měřicí a vyhodnocovací program, který z volitelně velkých časových nebo délkových úseků opakovaně počítá střední hodnoty a směrodatné odchylky a zjišťuje mezní hodnoty podle obr. 9. Většinou se vyžaduje, aby vyhodnocované měřené úseky na sebe plynule navazovaly. Řazením těchto statistických dat za sebou se získá přehledný graf (obr. 10). Do oblasti ohraničené směrodatnými odchylkami spadá při Gaussově rozdělení asi 68 % naměřených údajů. V popisovaném případě se však Gaussovu rozdělení lze pouze přiblížit.

Vhodné řešení existuje i pro měření a vyhodnocování periodických dějů, jako je měření tahových sil útků a osnov u tkacích strojů. Jejich průběhy jsou obvykle zaznamenávány podle úhlu pootočení hlavní hřídele.

Jednotlivé průběhy a periody se často zobrazují v jednom záznamu za sebou nebo přes sebe podle obr. 11. Nevýhodou zobrazení za sebou je snižování rozlišení detailů jednotlivých průběhů se zvyšováním jejich počtu v záznamu. Při záznamu přes sebe jsou na první pohled viditelné případné odchylky. Toho lze využít při seřizování strojů. Nové průběhy jsou tmavé, starší průběhy postupně zesvětlají, až se úplně vytratí.

Mocnějším nástrojem pro analýzu periodických průběhů je jejich statistické zpracování. Z jednotlivých periodických průběhů a z naměřených hodnot, jejichž pořadí v periodě si odpovídají, jsou počítány a zobrazovány střední hodnoty a směrodatné odchylky a zjišťovány maximální a minimální hodnoty.

4. Vývoj měřicího zařízení
V současné době je dokončován vývoj grafického dvoukanálového přenosného měřicího zařízení WAWET pro snímače tahových sil útků a osnov. Zařízení se připojuje k libovolnému stolnímu nebo přenosnému počítači, na kterém se zobrazují naměřené průběhy a výsledky měření. Kalibrační konstanty snímačů jsou uloženy v elektronice. Tím odpadá případná kalibrace při použití jiného počítače. Naměřené hodnoty se zpracovávají v programovatelném hradlovém poli, které zajišťuje také komunikaci měřicího zařízení s PC a další pomocné operace. Rovněž vytváří pomyslnou úhlovou stupnici 0 až 360° v každé periodě stroje podle trvání předchozí periody. Počátek periody se odvozuje od vhodného signálu. Vlastní analýza a zobrazení výsledků jsou realizovány programem v jazyce Delphi. Při návrhu byl kladen důraz na snadnou obsluhu měřicího zařízení, na bohaté grafické příslušenství (dynamické zvětšení, odečítání hodnot kurzory apod.) a na uplatnění všech zmíněných vyhodnocovacích postupů. Oblast uplatnění měřicího zařízení WAWET může být mnohem širší a jeho tvůrci očekávají použití i mimo oblast textilních strojů.

Na vývoji elektroniky a programů se podílejí mladí pracovníci Výzkumného centra Textil (identifikační kód MŠMT je LN 00B090), které je společným projektem Technické univerzity Liberec a Výzkumného ústavu textilních strojů Liberec, a. s.

Ing. Petr Škop, CSc., a kol.,
VÚTS Liberec, a. s.
(petr.skop@vuts.cz)