（纺织工程专业论文）上浆率在线检测系统的研制.pdf

摘要 摘要 织造效率的高低很大程度上取决于经纱的可织性。浆纱工序是贴 伏纱线毛羽，增加纱线耐磨性，提高经纱可织性的关键工序。 提高浆纱质量的途径，除了要优化浆料，研制新型浆料，采用先 进的上浆技术( 工艺) ，如“高浓、高压、低粘 工艺、预湿上浆技 术外，还要对重要浆纱指标，如浆纱伸长率、回潮率和上浆率进行在 线检测与控制，特别是上浆率，以保证上浆质量稳定。 经纱上浆率的影响因素有很多。在上浆过程中，上浆率有可能发 生变化。为了保持上浆率的恒定，需要对上浆率进行实时检测。而上 浆率是由浆液浓度和压出回潮率决定的。因此，可以通过浆液浓度和 压出回潮率的在线检测，实现上浆率的在线检测。 本课题主要进行了以下内容的研究： ( 1 )浆液浓度的在线检测装置的研制：采用超声波法在线检 测浆液浓度。根据在不同浆液浓度，超声波传播声速不 同的原理，设计一套在线检测装置，并验证该装置的可 行性。 ( 2 )浆纱压出回潮率的在线检测装置的研制：采用微波法， 在线检测压出回潮率。由于刚出浆槽的纱线含有大量的 水分，在微波的作用下，水分子会产生极化作用，使得 微波衰减，根据压出回潮率不同，则衰减量也不同的原 理，设计一套在线检测装箕，并验证该装置的可行性。 摘要 ( 3 )应用虚拟仪器语言l a b v i e w 软件，对外部设备传输的 数据，进行接收、处理、显示、存储，以及报警提示。 ( 4 )对上浆率在线检测系统的可行性及原理进行验证。 经过理论研究和实验验证得出如下结论： 超声波法在线检测浆液浓度：在恒温、恒压下，用超声波法在线 检测的浆液浓度与声时成线性关系。并通过实验验证，结果发现超 声波法在线检测浆液浓度装置是可行的，浓度误差绝大部分0 5 左 右，可以实现浆液浓度的在线检测。 微波法在线检测浆纱压出回潮率：用微波法在线检测的的浆纱压 出回潮率与微波的衰减量( 电压值) 成线性关系。并通过试验验证， 结果发现微波法在线检测浆纱压出回潮率装置是可行的，浆纱压出回 潮率的误差在4 5 以内，可以实现浆纱压出回潮率的在线检测。 将外部设备的两路数据，分别通过串口和数据采集卡，传输到计 算机中，并使用虚拟语言l a b v i e w 对数据进行采集和处理。在计算 机界面上，使用l a b v i e w 语言设计上浆率在线检测系统的前面板。 在前面板上，可以显示出浆纱上浆率) 浆液浓度、压出回潮率的大小， 报警提示灯，以及上浆率随时间变化曲线图。 通过在线检测上浆率所得大小与传统退浆率实验的结果相比较表 明，实验的误差是在1 5 之内，上浆率在线检测系统工作原理是可 行的。 总体说来，本课题研制的上浆率在线检测系统取得了一定的进展， 属于初步探索阶段，该系统具有可行性，可适应在线检测浆纱上浆率 摘要 方面的需要。 关键词：浆液浓度，压出回潮率，上浆率，在线检测，l a b v i e w a b s t r a c t d e v e l o p m e n to fo n - l i n ei n s p e c t i o ns y s t e mo fs i z i n g p e r c e n t a g e a b s t r a c t t h ee f f i c i e n c yo fw e a v i n gp r o c e s sm a i n l yl i e so nw a r p sw e a v i n g a b i l i t y s i z i n g i sac r u c i a lp r o c e s sw h i c hc a nr e d u c ey a r nh a i r i n e s s ， i m p r o v ea b r a s i v er e s i s t a n c ea n de n h a n c ew a r p sw e a v i n ga b i l i t y t h e r ea r em a n yw a y st oi m p r o v es i z i n gq u a l i t i e s o n l yt h r o u g h o p t i m i z i n ga n dd e v e l o p i n gn e wk i n d so fs i z e s ，u s i n ga d v a n c e ds i z i n g t e c h n i c s ( s u c ha su s i n gd e n s ec o n c e n t r a t i o n ，h i g hp r e s s u r e ，l o wv i s c o s i t y a n dp r e w e t t i n gs i z i n gp r o c e s s ) a r en o te n o u g h i ts t i l ln e e d sa no n - l i n e i n s p e c t i o ns y s t e mw h i c hc a nc o n t r o la n dm e a s u r es o m e i m p o r t a n ts i z i n g i n d e x e ss u c ha ss i z i n ge l o n g a t i o n ，m o i s t u r er e g a i n ，a n ds i z i n gp e r c e n t a g e t h e s es i z i n g i n d e x e s ，e s p e c i a l l ys i z i n gp e r c e n t a g e c a n k e e ps i z i n g q u a l i t i e ss t a b l y s i z i n gp e r c e n t a g ec a nb ei n f l u e n c e db ym a n yf a c t o r sa n dm a yb e c h a n g e dd u r i n gs i z i n gp r o c e s s i n o r d e rt o k e e p c o n s t a n t s i z i n g p e r c e n t a g e ，i ti se s s e n t i a lt om e a s u r ea n dc o n t r o li to nl i n e a ss i z i n g p e r c e n t a g ei sc l o s er e l a t e dt os i z i n gc o n c e n t r a t i o na n de x t r u d i n gr e g a i n ，i t c a nb e i n s p e c t e d a n dc o n t r o l l e da u t o m a t i c a l l yt h r o u g hm e a s u r i n g 4 a b s t r a c t r e a l - t i m es i z i n gc o n c e n t r a t i o na n de x t r u d i n gr e g a i n t h i ss t u d ym a i n l y c o n t a i n st w op a r t s ： ( 1 ) d e s i g na no n l i n ei n s p e c t i o ns y s t e mo fs i z i n gc o n c e n t r a t i o n d u r i n gt h i sp r o c e s s ，t h eu l t r a s o n i cm e t h o di se m p l o y e dt o s o l v et h i s p r o b l e m ，w h i c hi sb a s e do nd i f f e r e n ts i z i n gc o n c e n t r a t i o nc o r r e s p o n d i n g t od i f f e r e n tv e l o c i t yo fu l t r a s o n i c s ot h es i z i n gc o n c e n t r a t i o ni so b t a i n e d b ym e a s u r i n gt h ev e l o c i t yo fu l t r a s o n i ci ns i z i n g ( 2 ) d e s i g na no n - l i n ei n s p e c t i o ns y s t e mo fe x t r u d i n gr e g a i n d u r i n g t h i sp r o c e s s ，t h em i c r o w a v em e t h o di su s e dt om e a s u r et h em o i s t u r e c o n t e n t so fy a r n s ，w h i c hi sb a s e du p o nt h e p r i n c i p l e t h a ta st h e m i c r o w a v ep e n e t r a t e st h e y a m ，t h ew a t e rm o l e c u l e i nt h ey a mi s p o l a r i z e da n dt h es t r e n g t ho fm i c r o w a v ei sa t t e n u a t e d d i f f e r e n tm o i s t u r e c o n t e n t sh a v ed i f f e r e n tm i c r o w a v ea t t e n u a t i o n ，t h e r e f o r e ，t h ee x t r u d i n g r e g a i nc a nb eo b t a i n e db ym o n i t o r i n gt h em i c r o w a v ea t t e n u a t i o n t oa c h i e v et h ew o r km e n t i o n e da b o v e ，t h el a b v i e wp r o g r a mi s i n t r o d u c e dt or e c e i v e ，p r o c e s s ，s h o w , s t o r et h ed a t at r a n s m i t t e df r o m p e r i p h e r a le q u i p m e n t sa n dt h e na sw e l la ss e n do u taw a r n i n gs i g n a l i n a d d i t i o n ，t h ef e a s i b i l i t yo ft h eo n l i n ei n s p e c t i o ns y s t e mi sc o n f i r m e d t h r o u g ht h e o r e t i c a la n a l y s i sa n de x p e r i m e n t a lt e s t s ，t h er e s u l t sa r e s h o w e da sf o l l o w s f i r s t ，u n d e rt h ec o n d i t i o nw i t hc o n s t a n tt e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r e ， t h ev e l o c i t yo fu l t r a s o n i ci ns i z i n gi sl i n e a rw i t ht h es i z i n gc o n c e n t r a t i o n 5 a b s t r a c t a n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nm i c r o w a v ea t t e n u a t i o na n de x t r u d i n gr e g a i n a l s o p r e s e n t sl i n e a r i t y t h e s ea g r e ew e l l w i t ht h ee x p e r i m e n tr e s u l t s w h i c he r r o ri sa b o u t0 5 a n dl e s st h a n4 5 ，a n dm e a nt h a tt h es e t s d e s i g n e da r ev a l i d a t e s e c o n d ，t h ed a t af r o mp e r i p h e r a le q u i p m e n t sa r et r a n s m i t t e dt ot h e c o m p u t e rb ys e r i a la n dc o l l e c t i o nw a y s a n d t h e nt h el a b v i e wp r o g r a mi s a p p l i e dt oe d i t ，c o l l e c ta n dp r o c e s st h ed a t a f i n a l l y , t h ec u l n e sb e t w e e n t h es i z i n gp e r c e n t a g e ，s i z i n gc o n c e n t r a t i o n ，e x t r u d i n gr e g a i n ，w a m i n g s i g n a la n dt i m ea r es h o w e do nt h ec o m p u t e r s c r e e n t h i r d ，t h r o u g hc o m p a r i n gt h es i z i n gp e r c e n t a g ed e r i v e df r o mt h e o n l i n ei n s p e c t i o ns y s t e mw i t ht h et r a d i t i o n a ls i z i n gm e t h o d ，i ts u g g e s t s i t se r r o ri sl e s st h a n1 5 s ot h a tt h es y s t e mi sa f f e c t i v e a saw h o l e ，t h ew o r ki nt h i st h e s i si st h ep r e l i m i n a r ys t u d ya n d a c h i e v e sag r e a tp r o g r e s sa tac e r t a i ne x t e n t t h es y s t e md e s i g n e di nt h i s p a p e ri sf e a s i b l ea n dc a nb ef u r t h e ra p p l i e dt om e a s u r es i z i n gp e r c e n t a g e o n 1 i n e k e yw o r d s ：s i z i n gc o n c e n t r a t i o n ，e x t r u d i n gr e g a i n ，s i z i n gp e r c e n t a g e ， o n l i n ei n s p e c t i o n ，l a b v i e w 6 东华大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允 许论文被查阅或借阅。本人授权东华大学可以将本学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本版权书。 本学位论文属于 不保密口。 学位论文作者签名：唧孑易 日期：州年硼r 日 指导教师签名： 日期：o7 年1 月j 日 东华大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位 论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除 文中已明确注明和引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我对 所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：耷苫易 日期：川年影月3 - e l 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 浆纱工序是整个织造生产过程中提高织机效率和织物质量、增加经济效益的 关键工序【1 1 。研究表明，织机上3 8 的经纱断头是由于浆纱失败造成的1 2 】。浆纱 质量对织造工艺的重要性是显而易见的。经纱在织机上受到成百上千次的反复拉 伸、曲折和摩擦，浆纱质量不好的浆纱难于抵御这些激烈负荷，并且会在织造过 程中产生新的毛羽，造成开口不清甚至经纱粘连，增加经纱的断头次数。 当前，我国正处在有梭织机向无梭织机过渡的阶段。近年的统计资料表明， 2 0 0 0 年以前，我国国内无梭织机的比重不到1 0 。2 0 0 2 年我国进口无梭织机达 到3 0 4 2 5 台，2 0 0 3 年的进口数与此相持平。2 0 0 5 年我国无梭织机的比重已经达 到了3 0 - - 4 0 。而德国、英国、美国、俄罗斯、意大利、瑞士和我国的台湾 省无梭织机占有率在8 0 以上，全世界无梭织机占有率的平均数为3 0 多一点 【3 】。因此，未来我国无梭织机将进入一个快速发展阶段。 无梭织机具有可织幅宽宽、可织花色品种多、引纬速度高等优点。目前无梭 织机幅宽可达4 米以上，不仅可以织造细号高密织物，还可以织造粗号高密牛仔 布。无梭织机的使用使得引纬速度也有了很大提高。一般有梭织机的引纬速度为 2 0 0 - 3 0 0 纬厂分，而喷气织机的引纬速度为6 0 0 - - 8 0 0 纬分，喷水织机的引纬速 度为9 0 0 - 1 3 0 0 纬分【4 】，瑞士苏尔寿公司的m 8 3 0 0 多相织机的引纬速度甚至达 到了2 8 0 0 纬分。然而，无梭织机的这些优点却进一步对经纱上浆质量提出了更 高的要求，增加幅宽使上机经纱根数增加，增加引纬速度使经纱开口次数更加频 繁，而织造高密织物使相邻经纱摩擦增加。因此，随着无梭织机在我国纺织厂的 普及，浆纱质量的提高就显得尤为迫切。 要提高当前国内的浆纱水平，不仅要在浆纱工艺和设备上有所创新和改进， 如：研究上浆技术如( “高浓、高压、低粘”工艺、预湿上浆技术) 、研究新型 浆料和优化浆料、改进国产低压浆纱机等，还要对重要浆纱指标，如浆纱伸长率、 回潮率和上浆率进行在线检测与控制，特别是上浆率均匀和稳定可以保证上浆质 量稳定，对坯布的质量起着重要作用。所以，我们必须对上浆率进行严格的检验 第一章绪论 和控制。 浆纱上浆率是浆纱质量关键指标中的关键，它衡量上浆后纱线上所带浆料的 相对量的多少，从而很大程度上反映了浆料对纱线的保护程度。上浆率低于额定 值，浆纱效果将达不到要求，则纱线的增强率与耐磨性降低，织造时，纱线容易 起毛、断头，影响布机的正常生产；为了保险起见，在没有上浆率在线控制的条 件下，纺织厂往往采取大大提高上浆率的办法，以尽量确保上浆效果满足要求。 这就造成了浆料的浪费，增加了印染厂的退浆废水和环境污染。同时加大了成本， 而且织造时，由于减伸率增大，在织造时，容易引起经纱断头。且布面粗糙，影 响外观。 在生产过程中，上浆率的在线检测就是为了保持上浆率均匀一致，也就是说 要经常保持必要的、最低限度的上浆率【5 1 。 历来对上浆率控制的方法主要从两个方面考虑：( 1 ) 针对浆纱机的机械条件， 控制浆纱车速变化与压浆力变化成一定比例，以达到维持上浆率恒定的目的；( 2 ) 在浆纱机运行中控制浆槽中浆液的条件( 如温度、浓度、粘度及液面高度) 保持恒 刊6 j 。但浆纱机在长时间运行中，每个条件都在变化，加之从浆槽供气管流进的 冷凝水和经轴纱片含水率的变化，特别是新工艺：预湿上浆工艺，经纱经过第一 浆槽预湿后，含有大量的水分，通过浆液的浆槽，必然会稀释浆液的浓度，使浆 液浓度发生变化，再加上管理上的因素，使上浆率控制很困难，尤其是上浆率的 在线检测在相当长的一段时期内没有得到很好的解决。上浆率的检测只能凭挡车 工手感和实验室退浆测试获得。不能达到在线检测与控制的目的。因此，急需一 种反应灵敏、及时在线检测上浆率变化系统，使上浆率的在线控制成为可能。 1 2 上浆率在线检测的国内外研究现状 目前对上浆率在线检测与控制，主要分为以下几种方法： 1 2 1 采用自动浆槽进行上浆率控制的方法 工作原理1 7 1 如下图卜l 所示。它是一种可以适应浆液被经纱带走的速度，随即 对浆槽补给浆液的方法。换句话说，就是在上浆条件变化，浆液被经纱带走的量 也有变化时，采取随时地补给符合于规定上浆率的纯浆量来不断调节浆液浓度的 2 第一章绪论 方法。 补给的浆仅按经纱所必须的量加入，并加水使浆槽内浆液容积经常保持一 定。设如上浆条件发生变化，使经纱带走的浆比规定量为多，亦即带走了浆比纯 浆量的补给速度更快时，浆槽内的纯浆量就减少了；但由于浆槽内浆液的容积保 持一定，所以在浓度降低后，被经纱带走的纯浆量也就减少，因而慢慢接近于规 定的上浆率。不过在这种下，由于浆的带走量发生了变化，要立即改正浆槽浆液 的浓度是困难的，因而产生了“时滞的问题。为了加快它的反应速度，浆槽中 浆液要尽可能地少。 图1 - 1 自动浆槽工作原理 马克i i i 型锡莱自动浆槽，以及锡莱研究所在马克i 型锡莱自动浆槽的基础 上，创制了一种崭新的浆槽：供应干浆料连续制浆的方式的浆槽，都是根据此基 本原理设计的。此外，美国专利u s p 5 1 0 1 7 6 2 也介绍了利用这种原理设计的新型 浆纱机，日本津田驹自动浆槽，美国p l a t t 浆纱机的自动浆槽l 等都是采用类似的方 法对上浆率进行检测和控制的。虽然装置简单，价格合理，但是检测精度低，对 上浆率的调节有滞后性，不能及时起到控制与指导作用。 1 2 2 上浆率的液位测试法 液位测试法1 8 j 测上浆率的原理是通过测量固定时间内预热浆槽液面的下降， 从而算出该段时间内浆液的损耗( 对应固体量的消耗) ，将固体量消耗除以同时间 内通过的经纱重量( 换算为干重) ，即可得到该段时间内的平均上浆率，其公式为 s ；k 2 a m 1 0 0 ( 1 1 ) q 式中：s 上浆率，( ) ； 3 第一章绪论 a m 时间t 段内消耗浆液的含固量，( g ) ； q 时间t 段内通过浆槽的经纱干重，( g ) 。 该方法是在浆纱运行期间，采用电动差压变送器，测试预热浆槽在某段时间 内的液位变化，并计算出这段时间消耗的浆液用量，并根据浆液的浓度( 或含固 率) 由人工计算出浆料干重，浓度主要根据浆槽内的温度场，建立浆液浓度的数 学模型，以确定浆槽某点实时浆液浓度，供测试计算时使用或者可以通过计算机 模拟浆液在使用过程中的浓度变化，建立理想化的数学模型，获得使用过程中浆 液变化规律，得到浆液的浓度；与此同时，由浆纱机测出这段时间的浆纱长度并 算出经纱干重。由此随机测算出同一织轴上经纱平均上浆率。该方法机构简单， 可随时检测并大致计算出上浆率，但该系统不能实时显示上浆率并根据上浆率变 化自动控制其稳定。只能观察上浆率的变化，为人工调整提供依据。该系统在我 国传统机型g 1 4 2 浆纱机改造中曾有应用。 1 2 3t e l e c o l l 上浆率自控检测方法 t e l e c o l l 系统【9 】是祖克公司上世纪9 0 年代末出产的$ 4 3 2 型浆纱机的选配系统， 其原理图如图1 2 所示。 图卜2t e l e c o l l 上浆率自控检测系统原理图 其基本控制原理是采用微波传感器在线测量浆纱出浆槽时的含水率( 或压出 回潮率) ，同时采用折射计在线检测浆液浓度，并通过主控计算机算出浆纱上浆 率。该系统将检测上浆率与工艺要求的额定上浆率进行比较，并通过控制压浆辊 压力变化来保证浆纱上浆率达到额定值并稳定。该系统适用于短纤和长丝上浆， 浆液粘度范围为5 0 - - - 2 0 0 m p a s 。浆液的浓度范围是3 2 0 。浆液循环率要求大 专5 0 llm i n ， 4 第一章绪论 德国i t v 研究所研制s c a m 上浆率控制系统f lo 】，也采用类似上图卜2 的测量装 置结构。这种系统虽然精确度很高，但是国外的产品价格比较昂贵。 1 2 4 v i s o c o l l 上浆率检测方法 德 v i s o c o l l ! - 浆率检测系统【i l 】如图1 - 3 所示， 俄匣象话 图1 - 3v i s o c o l l 上浆率检测系统原理图 其检测原理：供应浆箱中的浆液经过泵输送到浆槽中，浆槽中的浆液要保持 一定的容量，多余的浆液自动溢流到供应浆箱中。v i s o c o l l 系统根据由液位测量 仪测得的一定时间内供应浆箱中液面下降高度( 幽) 、由折射计在线连续测得的浆 液质量分数( 七。) ：输入的经纱根数( 甩) 、特数( 丁) 和浆纱速度( v ) ，计算出这段时 间内的平均上浆率( b 7 ) ，计算公式： b ，：! q 垒q 垒竺( 1 _ 2 ) ，i = 一 ii 一j k i v n t ( 1 一呢) 式中：s 供应浆箱的截面积。( m 2 ) ： 纱线公定回潮率， ( ) 。 测试所得的上浆率( b 7 ) 与输入上浆率( 目标上浆率矿) 相比较，当二者不相符时， d ：t v i s o c o l l 系统自动调节压浆辊压力( f ) 和浸没辊的侧压力( 石) 从而改变浆纱的 压榨程度，保证恒定的上浆率。 根据v i s o c o l l 系统资料可知，其测试相对误差为士5 - - 士1 0 ，测试周期为 2 0 1 2 0s 。测试精度与测试周期互相牵制，周期越长，精度越高。在实际生产 中，上浆条件如质量分数、粘度、供应浆箱和浆槽温度等可保持恒定。另外，供 应浆箱的截面积，应尽量减小，以提高浆液消耗量的测试精度。 s 第一章绪论 1 2 5m c s 5 1 单片机上浆率自动测控方法 不， 由天津工业大学研制基- 于m c s - 5 1 单片机上浆率自动测控系统1 1 2 1 如图卜3 所 图1 - 4m c s 一5 1 单片机上浆率自动测控系统图 主要根据由上浆率公式： 曰2 丽w 式中：b 为上浆率，( ) ； 矽为浆纱湿回潮率，( ) ； d 为浆液浓度，( ) 。 推导得出更适用于在线测量用的数学模型： 曰一 n l k ( 1 一d ) ( 1 一比) 式中：g 为湿浆纱中的含水量( ) ： f 为经纱特数； 为经纱根数； 己为经纱长度，( m ) ； k 为常数一取1 0 0 0 ： 为经纱公定回潮率， ( ) 。 ( 1 - 3 ) 上式可以看出，只要确定含水量g 值便可算出上浆率这一唯一的待测量值， 其它参数在测量前都为已知值，只要将它们输入计算机即可实现在线实时检测， 以便控制上浆的质量含水量g 的值通过微波衰减的方法来测量获得。其测量过 程如下： 6 第一章绪论 将电平信号送往仪器的中心处理单元采用m c s 一5 1 s t d 系统，实现数据采集、存 贮、处理和输出。 这种装置忽略了浆液浓度的变化，但是在现实生产过程中，由于浆槽供气管 流进的冷凝水和经轴纱片含水率的变化以及其它因素，都会引起浓度的变化，导 致在线检测系统存在着误差。 1 2 6 近红外光谱分析法 近红外光谱分析法的检测原理【1 3 】：当具有连续波长的红外射线照射到某一物 质上时，该物质的分子将要吸收其中某些波长的红外射线能量，并把这些能量转 变为分子的振动能量和转动能量。如果把透过物质的红外射线用单色器进行色 散，就可以明显看到在原来连续谱带上有局部射线被吸收而减弱。以波长为横坐 标，吸收率为纵坐标，画成光谱图。当被照射物质为上浆经纱时，就可以利用光 谱因素分析上浆率的大小和浆料的种类。上浆率越高，浆液对红外线的吸收越多， 经单色器进行色散后，则在光谱图中吸收率越低，当浆料种类不同时，经红外线 照射后，要吸收不同波长的红外线，根据被它们吸收掉的红外线的波长，就可以 确定浆料种类，即对浆纱上的浆液进行定性分析。 利用近红外光谱分析法检测上浆率的设备是：用近红外分光光度计产生近红 外光，通过光缆传输到经纱片上方的传感头( 距经纱只有几毫米) ，再由传感头将 红外线照射到经纱上。在被传感头照射到的经纱下方，装有陶瓷片，由陶瓷片以 及经纱反射回来的光线被一探测器接收，探测器和传感头都装在检测箱中。陶瓷 片的作用在于提供一个连续稳定的背景，并且能消除由于经纱间隔不匀而引起光 吸收量的波动。探测器的材料为硫化铅；它的检测灵敏度可达6 1 0 1 0 ( 电输出量 光输出量) ，同时它具有很高的信噪比。探测器吸收的光线经单色器色散后的 光波，为二次吸收光波，根据二次吸收光波的光谱图，就可以检测上浆率。二次 吸收光波转变成与经纱上浆率相对应的电信号，当输出的电信号所对应的经纱实 际上浆率与目标上浆率不符时，浆纱机的控制系统通过调节浆纱机速度或压浆辊 压力或二者同时调节，使上浆率符合要求，目前这种检测方法主要用于定性分析， 定量检测只限于p v 珈h 浆料，5 0 5 0 的t c 纱，所以品种适应性很差，不利于大 7 第一章绪论 面积的推广。 1 3 本课题的研究意义、目的和研究内容 1 3 1 课题的研究意义、目的 通过上面上浆率在线检测研究的现状，对各种测测量系统优缺点的分析可以 看出，需要寻找一种上浆率在线检测和控制的方法，来弥补上述在线检测的缺点。 本课题拟采用超声波法在线检测浆液浓度和微波法在线检测浆纱压浆回潮率，再 根据上浆率与浆液浓度和压出回潮率存在函数关系方程，实现浆纱上浆率在线检 测。 其函数关系方程，可以根据经纱上浆率的定义为【1 4 1 ： s ：g - g o 1 0 0 。旦1 0 0 ( 卜5 ) g岛 式中：s 一经纱上浆率，( ) 。 q 一单位体积浆料干重，( g ) ； g 一单位体积浆纱干重，( g ) ； c o 一单位体积经纱干重，( g ) 。 如果从上述定义出发进行上浆率的测量，就需要将浆纱剪断采样，进行退浆 实验，这样就无法实现在线检测和控制上浆率。但是，由于浆液浓度c 可以表示 为： c ；卫1 0 0 ( 1 6 ) g s + g w 。 其中：g w 一单位体积水的重量，( g ) 。 浆纱压出回潮率的定义为： w ；鱼受1 0 0 。，_ 1 0 0 ( 卜7 ) g c o + g 式中：w 一浆纱压出回潮率，( ) ； 8 第一章绪论 g i 一单位体积浆料干重，( g ) ； q 一单位体积水的重量，( g ) g l 一单位体积浆纱( 含水) 重量，( g ) ； g 一单位体积浆纱干重，( g ) ； 将式( 1 - - 5 ) 、( 1 - 6 ) 、( 1 - 7 ) 联立，可得： s ，堡x 1 0 0 ( 卜8 ) 式中：s 一经纱上浆率，( ) ； 形一浆纱压出回潮率，( ) ； c 浆液浓度，( ) 。 这样如精确地测定浆液浓度和浆纱压出回潮率，那么就可以在线测定经纱的 上浆率。 1 3 2 本课题的研究内容 ( 1 )浆液浓度在线检测：依据超声波的声速随浆液浓度的变化而变化，这一 物理特性来在线检测浆液浓度。设计出一套硬件装置包括超声波发射、接收 以及计时等，最后通过串口送往计算机中，使用虚拟仪器语言( l 五b v m w ) ， 对数据采集、处理和显示。验证浆液浓度在线检测装置的可行性。 ( 2 ) 浆纱压出回潮率在线检测：主要依据微波在透射过刚出浆槽的纱时，水 分子受到微波场的作用发生取向极化，水分子是强极性的偶极子，则发生偶 极子的取向极化损耗，导致微波能量的衰减，其衰减量与浆纱中含水量( 压 出回潮率) 有关。设计一套硬件装置，包括微波信号源、发射天线，接收天 线、检波，放大，最后通过数据采集卡送往计算机中；使用虚拟仪器语言 ( l a b v l e w ) ，对数据采集、处理和显示。验证浆纱压出回潮率在线装置的 可行性。 ( 3 ) 上浆率在线检测系统的应用程序的设计：为了使检测系统有更大的灵活 性，本系统的数据处理没有使用电路处理，而是直接将测出的信号分别通过 9 第一章绪论 数据采集卡和串口输入计算机，使用虚拟程序语言( m v i e w ) 进行处理， 主要设计上浆率在线检测系统的前面板和程序框图。前面板可以显示上浆 率、浆液浓度、浆纱压出回潮率，以及上浆率随时间变化的曲线图等等，与 传统台式仪器面板的功能一样；在程序框图中，可以很方便地增加或减少资 料库的内容，避免了传统仪器那种一旦成型功能固化、很难再更改的缺陷。 ( 4 ) 系统的实验验证及评价：验证系统原理的可行性及性能，主要是通过对 两种组合浆料对棉纱进行上浆，其本系统的在线检测的上浆率和传统浆纱退 浆率实验结果进行比较，从而验证上浆率在线检测系统的可行性。 1 0 第二二章超声波法在线检测浆液浓度装置的设计 第二章超声波在线检测浆液浓度装置的设计 2 1 超声波简介 2 1 1 基本理论 超声波1 1 5 】是超声振动在介质中的传播，是在弹性介质中传播的一种高于 2 0 0 0 0 h z 的机械波。其中工作频率在0 5 1 0 n t z 之间的超声波常用于工业超声 检测，较高的频率主要用于细晶材料和高灵敏度检测，较低的频率则常用于衰减 较大和粗晶材料的检测。 和其它波动一样，当一质点作直线振动时，取平衡位置为原点，可以用质点 离平衡位置的位移亭随时间f 而变化的函数芋= 中o ) 来描述这一直线振动运动规 律。很多情况下，这个函数是周期性的，即由o ) = m o + 丁) ，这种振动叫做周期 性振动。当上述函数中是最简单的周期函数即余弦函数( 或正弦函数) 时，这种最 简单也是最基本的周期振动就叫余弦( 或正弦) 振动或谐振动。振动公式为： a c o s ( 孚f + 驴) 。a c o s ( 2 坷f t + 0 0 ) ；a c o s ( w f + 妒) ( 2 1 ) 式中：彳质点离开平衡位置的最大位移，叫做振幅； r 周期； ，= 妄一频率； 1 w ；h ，。孚圆周率； 1 w t + 驴谐振的相位角； q o 一初始相位。 2 1 2 物理特征 1 波动特性1 1 6 】【1 7 1 超声波和一切波动一样，具有频率厂、声速c 与波长a 三个物理量。三者关 系为： 第二章超声波法在线检测浆液浓度装置的设计 ct 厂旯= 拿( 2 - 4 ) 超声波在不同介质中传播时的声速不同。 2 声场指向性 在相同的辐射条件下，对于有方向性的换能器而言，随着频率的提高，其方 向性更加尖锐。在离声源较近的一段，波束几乎平行，称为近场，近场范围： 三s 堕( 2 5 ) c 式中：经场长度； ，换能器探头半径。 3 射线特性 由于超声波可以成束发射，直线传播，方向性强。在传播过程中，当遇到两 种声阻抗率( 伊) 不同的物质所形成的界面时，就产生声波的反射和折射现象。 超声的反射和折射遵循几何学规律。 2 2 超声波检测原理 在超声波工业测量技术中，声量的测定往往是通过某些物质声学特性( 主要 是声速、声衰减和声阻抗率) 的测量来进行的，其中应用最广泛的是测量物质的 声速。第一，物质声速与物质的许多特性有直接或间接关系。有些关系非常简单 直接，已有确定的理论公式。有些关系比较间接而且复杂，但在特定的条件下， 仍可以建立一些半理论或纯经验的关系式。目前，用超声波声速法测量液体浓度， 如在线检测硫酸、盐酸、酒精、双氧水、氢氧化钠溶液、油脂、麦芽汁、发酵菌 体等；第二，在声速y 己知的物质中，可以利用声波传播距离l 和传播时间f 的 关系l = 所来进行测距的应用研究【阍。 本课题研制的超声波在线检测浆液浓度装置是利用超声波的声速随浆液浓 度的变化而变化的这一物理原理来设计的，即在恒温、恒压的条件下，实现浆 液浓度的在线检测。 超声波能够在任何弹性物体：液体、固体和气体中传播，波的型式主要分为 纵波、横波、瑞利波、板波，但是在物质传播的型式主要决定于物质的弹性。液 1 2 第二章超声波法在线检测浆液浓度装置的设计 体和气体不具有剪切弹性，因而既没有承受任何切向应力的能力，也不会产生任 何切向应力，所以不存在横波【1 9 j 。由于本课题是超声波在线检测浆液浓度，所 以传播方式只存在纵波。 在均匀的理想流体中声波的线性波动方程为【2 0 】： 粤，三粤( 2 - 9 ) a t 2 v 2 耽2 一“ 式中：z 传播距离： p 仅，f ) 声压； t 时间： y 超声波纵波声速； ，式中：y 2 一二 ( 2 _ 一1 0 ) 印 r 液体的绝热压缩系数； p 液体密度。 由文献【2 1 】可知，绝热压缩系数变化为1 0 6 数量级，在常大气压下，其值受 到温度影响甚小，几乎可以忽略；在测量液体浓度时，液体压力变化很小，所以 压力带来的声速变化也可不予考虑；但温度对密度的变化而导致声速的变化则不 可忽略，通常每度将引起千分之几的声速变化【2 2 l ；如果溶液密度为p ，则超声 波在这种溶液中的传播速度为y 一，土。当溶液的浓度变化时，j r 和p 也相应的 f 印 变化，则导致声速的变化，一般来说溶液的声速与浓度呈现近似直线关系。 对于不同浓度的浆液，其浓度表达式为： c = f ( v ，t ，p ) ( 2 1 1 ) 式中：c 为浆液浓度，( ) ； y 为超声波在浆液中的声速，( m s ) ； r 为浆液的温度，( ) ； p 为浆液的压力。 当在恒压的条件下，式( 1 ) 简化如下： c ；f ，r ) ( 2 - 1 2 ) 1 3 第二章超声波法在线检测浆液浓度装置的设计 但是在实际应用中，由于声速是通过测量超声波在固定的声程l 上的传播时 间( 声时) t 来计算的，如下式： r y ，一j ( 2 1 3 ) t 为了测量方便，实验本文不是直接利用在一定恒温、恒压下声速与浓度之间 的关系来测量纺织浆液浓度，而是使用在一定恒温、恒压下浓度与声时之间的关 系。预先通过实验测量得到浓度与声时之间的关系： c t ，0 ) ( 2 1 4 ) 并把这个关系存入计算机中。在实际测量时，计算机根据实际在线检测到的声时， 利用存储的关系计算出实际浓度，即可实现浆液浓度的在线检测。 2 3 在线检测浆液浓度装置的设计 超声波浆液浓度在线检测装置总体设计框图如图2 - 1 所示：装置由硬件和软 件两部分组成。硬件部分包括接口单元、超声波发射电路、超声波接收电路、 r s 2 3 2 串口部分及p c 机；软件部分使用虚拟语言l a b v i e w 对声时的采集、处 理和显示。 图2 - 1 超声波浆液浓度在线检测系统总体设计框图 在p c 机界面上，发送的命令通过接口单元输出频率为1 m h z 初始化信号， 初始化信号分别送往发射电路和计时电路，进行浆液浓度在线检测的初始化操 作。在发射电路中，产生一窄脉冲激励信号，激励超声换能器产生超声波震荡； 同时初始化信号送往计时电路，在计时电路中，超高速计数器丌始计时。超声波 1 4 第二章超声波法在线检测浆液浓度装置的设计 震荡信号透过浆液管道壁进入浆液介质的界面上，超声波信号一部分发生反射， 另一部分进入介质中继续传播，称为入射波。入射波透过浆液，被超声波换能器 接收，转换成电信号。该信号被接收电路接收，在接收电路中，经放大、整形后， 送入计时电路，使高速计数器停止计数。接口单元取走数据，同时使计数电路中 高速计数器复位，为下一次检测工作做准备，通过r s 2 3 2 串口，把数据输入p c 机中，使用l a b v i e w 虚拟仪器应用软件对接口单元输送的数据进行接收、处理、 显示。 2 4 装置各部分的组成及其作用 2 4 1 超声波发射、接收电路 发射电路f 2 3 】是用来大幅度的高频信号或很窄的尖脉冲去触发超声波探头，使 其产生具有一定功率的超声波振动的电路。从电路形式上可以分为两大类：硬管 发射和软管式可控硅发射。 本课题采用软管式可控硅发射，也叫脉冲敲击式发射，它能产生很大瞬时功 率的尖脉冲。由于使用软管式可控硅，这类电路的输出阻抗较底，这类电路多用 于低阻抗超声波探头，由于这类电路简单，易获得较大的功率。 接收电路【2 3 1 是超声波探头压电晶片接收到超声波的入射波的信号后，因谐振 而形成逐步加强的机械振动，使压电效应晶片两面出现交变的等量异号电荷。由 于电荷量很少，只能提供微小交变电压信号，而不能提供电流信号。接收电路的 任务是将这一微小交变电压信号充分放大，滤除直流成份、去除各种噪声干扰， 并将模拟信号转换成数字信号。 2 4 2 超声波换能器 超声波换能器利用压电效应将电能转换为超声振动能，或将超声振动能转换 为电能的一种装置，继而实现声电转换。利用压电效应的可逆性，有时可将换能 器作为“发射”和“接收 兼用；换言之，可将脉冲交流电压加在压电元件上， 使其向介质发射超声波，同时又利用它接收从介质中的超声波，并将反射波转换 为电信号。因此，压电式超声波换能器，