染整设备工艺参数在线检测系统-自动化与电子技术专业毕业设计-毕业论文

染整设备工艺参数在线检测系统自动化与电子技术专业毕业设计毕业论文目录摘要 1第1章绪论 21.1课题来源及研究的目的和意义 21.2染整设备工艺参数在线检测的发展现状和趋势 31.2.1染整设备瓶颈问题亟待解决 31.2.2国内外染整设备检测与自动控制开发情况 31.2.3缩小差距加大开发力度 4第2章染整工艺流程 62.1练漂 62.1.1原布准备 62.1.2退浆 62.1.3煮练 62.1.4漂白 72.1.5丝光 72.2染色 72.2.1传统染色方法 72.2.2生物酶在染整工艺的应用 72.2.3绞缬浸染――精致主义的写实风格 82.2.4吊染工艺――朦胧渐变的优美风格 82.2.5段染工艺――随意浪漫的乡村风格 82.2.6综合工艺――街头艺术的后现代风格 92.3印花 92.3.1地色染料 92.3.2常用土林染料及其助剂的选择 102.4整理 10第3章染整设备工艺参数在线检测方法概述 113.1温度的在线检测 113.1.1热电偶的工作原理及种类 113.1.2使用热敏电阻获取极大的精度 143.1.3选择便于使用的集成硅温度传感器 153.1.4染整工艺温度的在线检测 161.烘房内气氛温度和布身温度 162.烘简热辊的温度测控 163.2织物含水率的在线检测 173.2.1直接法 173.2.2间接法 173.3张力的在线检测 193.3.1变频器的控制原理及特点 193.3.2伺服控制原理及特点 193.3.3磁粉离合器控制原理及特点 193.4同步传动的在线检测 203.4.1同步控制方案 203.4.2基于变频调速的同步控制系统 21结论 234.1染整行业将实施可持续发展战略 234.2信息技术与染整科技的交叉融合，将改变染整生产面貌 24致谢 25参考文献 26摘要纺织印染业是我国的主要传统产业，也是深加工，精加工以及提高其附加值的关键行业，是我国出口创汇的重要组成部分。但是由于我国纺织品的染整生产工艺水平落后，虽然近年来国产设备也采用了一些数字化技术，但是工艺参数在线检测，控制系统水平仍然不高，这就造成了我们的产品制造精度不高，染整设备稳定性，可靠性差，跑，冒，滴，漏等问题难以解决，生产效率相对较低。只能是制造大国而非制造强国，特别是在生产中时常产生色度不准或符样达不到要求的情况，造成需要返货才能出厂，不但耽误交货期，而且浪费人力和物力，造成生产成本大幅增加。织物在印染过程中，纬纱歪斜或弯曲是不可避免的，由于纬斜的存在，严重影响产品的质量。整纬关键部分就是对纬斜的检测。检测部分性能不好，就不能获得正确的信息，后面的校正机构再好也不会有好的整纬效果。虽然国外有成熟产品问世，但是其昂贵的价格使很多小纺织企业望而却步，因此，研发具有自主知识产权而且适合我国国情的染整设备工艺参数在线检测系统已是迫在眉睫，所以本课题有很高的实用价值和市场价值。近年来，我国在这方面也取得了明显的进展。国产印染设备速度可闭环控制，实现高精度同步传动和温度、湿度、浓度、液位、张力、容布量、PH值等参数的在线检测和控制，这些技术即可用于新设备配套也可用于老设备改造。它们提供的在线检测和控制，可以提高织物平衡含水率，符合最佳给色量，符合优质，低成本的标准。因此，在线检测和控制工艺的结合提高印染设备自动化水平将是未来染整设备改造的发展方向，发展染整设备工艺参数在线检测系统刻不容缓。关键词：在线检测；纬斜；织物印染；闭环控制

第1章绪论1.1课题来源及研究的目的和意义近两年来，国内外染整新工艺、新技术、新设备不断涌现，显示出全球印染机械行业蓬勃发展的势头。在现国内外激烈的市场竞争中，染整生产的发展方向已从原先一般意义上的小批量多种生产上升为实行即时化生产和一次准确化生产，以进一步提高质量、降低生产成本、缩短交货日期，从而增强产品的竞争能力。这种生产方式升格的基础是利用各种高新技术来加强工艺过程的监控和采用先进的辅助生产手段。现代的传感技术和电子监控技术的发展使得对在染整设备上加工的织物和处理介质的许多重要参数进行检测和监控成为可能，并可针对某一工艺过程或某一设备进行系统的多参数检测和控制，甚至实现全自动的过程控制。现代化的在线测控技术，除可确保产品质量外，还可实现生产过程的最优化，充分发挥机械设备的潜力，将能源和材料消耗降低到最低水平。以解决织物纬斜为例，织物在印染过程中，由于各加工阶段的加工方法和机械设备的有关技术问题的影响，纬纱歪斜或弯曲是不可避免的，织物的纬纱在下织机时总是直的，但在染色、整理过程中会自动捻转，尤其是针织物在染色时会因张力释放而产生纬斜，从而直接影响成品质量。这是印染加工中常见的主要疵点，尤其是稀薄织物更为突出。格子织物在裁剪衣袋、袖子、衣领、背缝、前襟、口袋盖等用料处时，其首要条件是整幅织物必须均匀。由于纬斜的存在，严重影响成品的质量，我国每年由于这个造成很大的经济损失。为了克服印染织物纬斜问题，印染企业从操作到管理，从机械整纬到自动化整纬进行了广泛的研究。对于整纬，其关键部分就是对纬斜的检测。检测部分性能不好，就不能获得正确的信息，后面的校正机构再好也不会有好的整纬效果。光电整纬的研究与开发使得非接触式的在线检测成为可能，大大提高了产品的质量。这一方法取代传统的人眼观察，直接的经济效益和间接的社会效益均很巨大，随着技术的进步和改良将拥有更美好而广阔的应用前景。织物在染整过程中，特别是在张力较大的连续轧染加工中，容易被过度拉伸，造成纬密和缩水率不合格。连续、精确的测量纬密和针织物的线圈横列数，对于优等纺织品来说是一个重要的手段，这种监视和测定装置常用于拉幅、丝光、预缩等设备上。经常检查织物的纬密/线圈横列数可以及时控制织物的重量、伸长率和收缩率，因而成为染整厂满足客户要求的重要手段之一，并能减少次品率降低成本。1.2染整设备工艺参数在线检测的发展现状和趋势1.2.1染整设备瓶颈问题亟待解决我国是纺织大国，但每年需进口几百亿美元的高档服装面料用于出口服装的加工。这主要是因为我国印染工艺和装备落后，尤其是自动化水平低，染整设备工艺参数在线检测跟不上，从而导致产品整体水平低，档次和附加值不高。为此国家明确指出，用先进技术提升、改造纺织等传统产业，提升印染后整理技术势在必行。在染整前处理、丝光、染色、蒸化、定型和预缩的过程中，某些工艺参数的在线检测一直是印染及后整理的关键技术问题，如温度、液位、丝光机和练漂联合机和双氧水浓度和碱浓度在线检测、染色机的色差在线检测、定型机的织物表面温度在线检测等，其主要要求是染整加工时，在参数快速变化过程中对参数信号的检测、转化能及时控制处理，并且能稳定可靠地工作。目前我国亟待解决的关键问题是要研制出能够检测色差、碱浓度、双氧水浓度等参数的传感器件，这需要物理、化工、电子等跨行业的技术合作。及时得到这些参数，可以对生产过程进行调节和控制，大大改善染整质量，降低消耗，提高制成率，达到较高的重现性和工艺稳定性。1.2.2国内外染整设备检测与自动控制开发情况近年来我国染整工艺技术与设备有了新的发展，机电一体化程度有了一定的提高，电子技术的应用范围不断扩大。在产品设计中强调模块化、积木化，突出环境保护，电气拖动稳定可靠，张力可调，使人—机—环境得以充分协调，开发了一批新技术和新设备。常州宏大电气有限公司以“恒张力”为基础的同步传动系统来取代现有“恒线速”同步系统，研制出一种基于张力监控的同步传动控制系统，解决了恒张力同步问题。这套装置攻克了张力和速度波动的难点，解决了张力可调范围小、品种适应性差等问题，适应印染工业所需的小批量、多品种、快交货的形势要求。另外，宏大公司的织物门幅在线监控装置属国际领先水平的装置，该系统由光学系统、标准光电源及线阵CCD数据采集及处理系统等部分组成，具有高灵敏度、高精度（达到1mm以下）、高速、低噪声、低功耗、长寿命和体积小、高可靠性的特点，并且易于和计算机接口。杭州开源电脑技术有限公司自主开发的自动调浆技术和系统，可准确控制调浆工艺参数，调色系统可用母色达28种以上，全电脑控制。小样调浆量为5－3000克，生产调浆每分钟可调浆料25公斤，显著提高调浆速度和印染产品的质量，实现节能降耗，减轻印染污染物的排放，。在碱浓度在线监控方面，西安德高佳美印染有限公司开发的碱浓度计算机在线监控系统具有良好的人机界面，整机控制采用大尺寸彩色液晶触摸屏，显示直观，操作方便，状态一目了然，通过PID调节，实现不过量的最佳控制，具有高精度、高稳定性。染整机械上根据不同的工艺要求需要监控的工艺参数很多，除了一些常规的参数如速度、温度、长度外，针对织物在加工过程中最容易出现的几大质量问题：纬斜（纬弧）、色差、起皱、缩水，国际上已研制出了许多专用的在线张力监控装置等。在光电自动整纬方面，德国玛诺（Mahlo）、意大利编可（Bianco）、日本赛练（SEL-REN）的技术在世界上属于先进技术，特别是意大利编可公司的光电整纬采用了进布和出布同时监控，形成一个完整的闭环光电整纬控制系统。日本赛练的光电整纬采用智能传感，每个检测头都有独立的CPU处理。1.2.3缩小差距加大开发力度目前，我国染整设备的自动化控制水平已全面进入一个以交流变频调速、伺服传动、PLC、触摸屏人机界面为代表的数字化控制时代，该水平与国外相比已基本接近，所不足的是国外已普遍采用现场总控制系统，而我国才刚刚开始。现在我国除了一些常规的项目如速度、温度、液位等参数的测控外，专用的在线监控项目国内尚处于初步阶段，比如自动化控制和程序控制较差，在线监控没有真正解决；远程监控和故障诊断技术我国还做不到；定量滴定，自动加料没有配套，这些在很大程度上限制了染整机械机电一体化水平的提高，也影响了织物的最终加工质量。目前我国印染行业应在以下三个方面加大开发力度，具体如下：在前处理方面，开发丝光浓碱液浓度和退浆、煮练的淡碱液浓度、漂白的双氧水浓度在线检测与控制系统。保持碱液和双氧水浓度稳定，节约碱液和双氧水消耗量。并减少含碱废液和双氧水废液的排放量。进一步开发退、煮、漂高效、短流程设备的在线检测与控制系统。在染色方面，开发先进的染色布色差光学和微波轧斜在线检测系统，解决连续染色过程中的色差。并开发湿短蒸连续染色过程中温度、湿度等工艺参数检测与控制，以及染液比例泵、轧车轧液率等控制。在后整理方面，开发定型机对布面的烘房湿度，对烘房废气排放的温度、湿度，对出布回潮率进行实时检测与控制，达到热定型印染产品的优质和稳定，节约能源，减少废气排放。

第2章染整工艺流程染整工艺流程的选择，主要是根据织物的品种、规格、成品要求等，可分为练漂、染色、印花、整理等。2.1练漂天然纤维都含有杂质，在纺织加工过程中又加入了各浆料、油剂和沾染的污物等，这些杂质的存在，既妨碍染整加工的顺利进行，也影响织物的服用性能。练漂的目的是应用化学和物理机械作用，除去织物上的杂质，使织物洁白、柔软，具有良好的渗透性能，以满足要求，并为染色、印花、整理提供合格的半制品。纯棉织物练漂加工的主要过程有：原布准备、退浆、煮练、漂白、丝光。2.1.1原布准备原布准备包括原布检验、翻布和缝头。原布检验的目的是检查坯布质量，发现问题时可马上解决。检验内容包括物理指标和外观疵点两项。前者包括原布的长度、幅度、重量、经纬纱线密度和密度、强力等，后者如纺疵、织疵、各种班渍及破损等。通常抽查总量的10%左右。原布检验后，必须将原布分批、分箱，并在布头上打印，标明品种、加工工艺、批号、箱号、发布日期和翻布人代号，以便于管理。2.1.2退浆纺织厂为了顺利的织布，往往对经纱上浆以提高强力和耐磨性。坯布上的浆料即影响织物的吸水性能，还影响染整产品的质量，且会增加染化药品的消耗，故在煮练前应先去除浆料，这个过程叫退浆。棉织物上的浆料可采用碱退浆、酶退浆、酸退浆和氧化剂退浆等方法，将其从织物上退除。碱退浆使浆料膨化，与纤维粘着力下降，经水洗从织物上退除。酶、酸、氧化剂使淀粉降解，在水中溶解度增大，经水洗退除。由于酸、氧化剂对棉纤损伤大，很少单独使用，常与酶退浆、碱退浆联合使用。2.1.3煮练棉纤维生长时，有天然杂质（果胶、蜡质、棉籽壳、含氮物质等）一起伴生。棉织物经退浆后，大部分浆料及部分天然杂质已被去除，但还有少量的浆料以及大部分天然杂质还残留在织物上。这些杂质的存在，使绵织布的布面较黄，渗透性差。同时，由于有棉籽壳的存在，大大影响了棉布的外观质量。故需要将织物在高温的浓碱液中进行较长时间的煮练，以去除残留杂质。煮练是利用烧碱和其他煮练助剂与果胶质、蜡状物质、含氮物质、棉籽壳发生化学降解反应或乳化作用、膨化作用等，经水洗后使杂质从织物上退除。2.1.4漂白棉织物经煮练后，由于纤维上还有天然色素存在，其外观不够洁白，用以染色或印花，会影响色泽的鲜艳度。漂白的目的就在于去除色素，赋于织物必要的和稳定的白度，而纤维本身则不受显著的损伤。棉织物常用的漂白方法有次氯酸钠法、双氧水法和亚氯酸钠法。次氯酸钠漂白的漂液PH值为10左右，在常温下进行，设备简单，操作方便、成本低，但对织物强度损伤大，白度较低。双氧水漂白的漂液PH值为10，在高温下进行漂白，漂白织物白度高而稳定，手感好，还能去除浆料及天然杂质。缺点是对设备要求高，成本较高。在适当条件下，与烧碱联合，能使退浆、煮练、漂白一次完成。亚氯酸钠漂白的漂液PH值为4～4.5，在高温下进行，具有白度好，对纤维损伤小的优点，但漂白时易产生有毒气体，污染环境，腐蚀设备，设备需要特殊的金属材料制成，故在应用上受到一定限制。次氯酸钠和亚氯酸钠漂白后都要进行脱氯，以防织物在存在过程中因残氯存在而受损。2.1.5丝光丝光是指棉织物在室温或低温下，在经纬方向上都受到张力的情况下，用浓的烧碱溶液处理，以改善织物性能的加工过程。棉织物经过丝光后，由于纤维膨化，纤维纵向天然扭转消失，横截面成椭圆形，对光的反向更有规律，因而增进了光泽。纤维无形定区的增加，使染色时染料的上染率增加。取向度的提高，使织物强力增加，同时还有定形作用。丝光后，一定要采用冲吸去碱或蒸箱去碱，或平洗地去碱等方法充分去碱，直至织物呈中性。2.2染色2.2.1传统染色方法染色是借染料与纤维发生物理或化学的结合或用化学方法在纤维上生成颜料，使整个纺织品具有一定色泽的加工过程。染色是在一定温度、时间、PH值和所需染色助剂等条件下进行的。染色产品应色泽均匀，还需要具有良好的染色牢度。织物的染色方法主要分浸染和轧染。浸染是将织物浸渍于染液中，而使染料逐渐上染织物的方法。它适用于小批量多品种染色。绳状染色、卷染都属于此范畴。轧染是先把织物浸渍于染液中，然后使织物通过轧辊，把染液均匀轧入织物内部，再经汽蒸或热熔等处理的染色方法。它适用于大批量织物的染色。2.2.2生物酶在染整工艺的应用随全球对环保的日益重视及人们对纺织品要求的提高，纺织染整工业受到很大的挑战。传统的染整工艺需要耗用大量的水和化学物质：如强酸、强碱、氧化剂、还原剂等，不仅消耗资源，损伤纤维材料，而且产生严重污染。解决这一问题的根本途径在于寻找对纤维和环保不具有侵犯性的工业过程，即发展环境友好型染整工艺，实施绿色染整加工。生物酶是一种无毒、对环境友好的生物催化剂，其化学本质为蛋白质。酶在纺织工业中的应用也日臻成熟，由过去主要用于棉织物的退浆和蚕丝的脱胶至现在在纺织染整的各领域的广泛应用，体现了生物酶在染整工业中的优越性。现在酶处理工艺已被公认为是一种符合环保要求的绿色生产工艺，它不仅使纺织品的服用性能得到改善和提高，又因无毒无害，用量少，可生物降解废水，无污染而有利于生态环保的保护。2.2.3绞缬浸染――精致主义的写实风格绞缬浸染，是将预先设定的图案形态描红，再以传统扎染技艺的缝、绞、包、夹等“绞缬”手法“扎花”，形成的物理性防染功能使服装、面料、家纺和工艺美术品通过浸染产生出精致、写实的图形。像和服图案和艺术壁挂，运用“鱼子缬”、“鹿胎绞”等精典扎染工艺将传统花草、水纹等图案表现得栩栩如生，远看似线描写真一般流畅、自然，近观却有着更为细微、精致的“手工感”和耐人寻味的高技艺含量。这种精致、写实的“绞缬”工艺被广泛地应用在高档工艺时装、日本和服、真丝面料、高档家纺和工艺品中，形成了“华艺扎染”产品“大同小异、件件不同”的个性化特色，直追中国传统“工笔画”慎密写实之风。近年来，江苏华艺主动引入绿色生态概念和染整科技最新成果，在现代设计理念的支撑下，自主研发、生产的“艺术染整”产品在弘扬东方传统工艺文化精神的同时，更散发出迷人的现代时尚的艺术魅力。2.2.4吊染工艺――朦胧渐变的优美风格吊染作为一种特殊防染技法的扎染工艺，可以使面料、服装产生由浅渐深或由深至浅的柔和、渐进、和谐的视觉效果。简洁、优雅、淡然的审美意趣，让人体味到一缕中国传统浅降山水画的墨韵余香。近两年来，吊染工艺随着PARADA、FENDI等意大利著名品牌和时装设计大师在高级时装中的运用和发布，使这种朦胧渐变的特殊防染技法成为现代成衣和家纺设计中的一种不可或缺的“艺术染整”语言。2.2.5段染工艺――随意浪漫的乡村风格段染工艺是一种运用辅助材料和“段形”扎法防染，形成单色、多色、自由组合并有着边缘特殊肌理“残缺美”的现代扎染艺术，充满了原始、手工、随意、浪漫的乡村风情。段染工艺图形抽象、朴实、丰富，技法柔性多变，工艺设定也可以根据国际买手对图形风格的选择，与其它工艺语言进行创意、互补和整合，衍生出无数种新的方案，极具艺术表现力。近两年来，段染工艺随着PARADA、FENDI等意大利时装设计大师和世界著名品牌在高级时装中的运用，在全球范围内迅速传播，很快便在休闲工艺时装、面料、家纺和工艺美术品后整理中流行，引领着世界时尚潮流。2.2.6综合工艺――街头艺术的后现代风格随着大众传媒、通俗艺术和街头艺术的影响，现代扎染图形创意接受了这种后现代风格的影响，形成了“自然性”“生活化”“休闲风”等街头风格的流行。“华艺扎染”运用高温高压定型原理和物理防染工艺，创造性地在新型服装面料上运用这种“软雕塑”艺术语言（堆砌、折叠、喷、刷、刮、磨、高温、高压、定型）作为“艺术染整”的深加工手段，并根据市场导向研究开发出一批极具后现代风格图案的时装、面料和工艺美术品。“华艺扎染”创造性地将平面扎染形式与面料三维记忆成型技术融合而成的三维肌理创造、三维与二维平面图形交叉的混搭风格，极具前卫时尚的流行特征而倍受欧美主流市场追捧。后现代风格的现代扎染综合工艺与时俱进，引起了国内外时尚业和学术界的关注，并成为欧美新锐设计师进行视觉创意的重要设计语言。2.3印花2.3.1地色染料地色染料的要求及选用拔染印花是通过还原剂的还原作用破坏地色染料中的发色团来完成的。应用于粘胶纤维的染地染料品种较多，比如直接性、活性和不溶性偶氮染料等。但必须要求其偶氮基对还原剂敏感，而且分裂后的氨基化合物对纤维的亲和力小。选择地色染料时，判断纤维上是否还剩余裂解后的氨基方法如下：经水洗后的拔白印花样品，在5g／LNaNO2（亚硝酸钠）溶液中，室温下处理3分钟，再加入10ml／L盐酸处理5分钟，然后在拔白部位滴入10％纳夫妥溶液，观察其色泽。不显浅红棕色，则表示拔白效果良好，否则，拔白效果欠佳。2.3.2常用土林染料及其助剂的选择印花所用的还原染料要求其粒子细，能充分还原，反应速率快和固着率要高。经实验验证，土林5GK黄、GOK黄、R桃红、GGN大红、红青莲RH、2R青莲、溴靛兰2B、绿FFB、绿4G、棕RRD、大红R、桔黄RF和黑CL等适合拔染印花。但其中粒子较粗的RRD棕、2B蓝、FFB绿、RH莲等，在使用时必须充分研磨。雕白粉是最主要的印花助剂，它在汽蒸100℃时还原能力最强。汽蒸时，放出〔H〕，它使地色染料的发色基团被破坏，达到拔除底色的目的，同时使印染中的还原染料还原成隐色体而溶解并上染于纤维。决定雕白粉用量因素有：染地色的染料拔染难易的程度，地色的深度，染料的用量，还原染料还原的难易。雕白粉用量不够，一是雕不尽，另外产生深浅病疵；用量过多，将产生渗圈、搭色病疵。因此，正确合理的用量是拔染印花成败的关键。当温度上升至70℃，雕白粉随温度上升逐渐分解，在80℃左右，分解速率加快。拔染印花中的碱剂主要采用纯碱。因烧碱制成的色浆稳定性较差，雕白粉分解快，基本不采用。2.4整理粘胶织物本身的光泽不为人们所喜欢，一般采用白涂料消光，可达到改善光泽而呈现出朦胧感的目的。作为颜料使用的二氧化钛，具有较高的不透明能力。但在具体应用中，二氧化钛的颗粒细度、尺寸分布不同，消光作用也随之不同，以粒度为0.2～0.3微米的为最好。白涂料对纤维没有亲和力，其在织物上固着必须依赖粘合剂。它对粘合剂的要求为：能形成耐水洗、摩擦无色透明的薄膜，使印染产品的花色得以良好的表现；并且手感柔软，富有弹性，不吸附有色物质。柔软整理、朦胧整理对织物的手感有不利影响，为此，须对织物进行柔软整理，以提高其实物质量风格。

第3章染整设备工艺参数在线检测方法概述3.1温度的在线检测目前，最常用的温度传感器有：热电偶传感器、热电阻、热敏电阻以及最新的集成硅传感器技术。在工业生产过程中，温度是需要测量和控制的重要参数之一，在温度测量中，热电偶的应用极为广泛，它具有结构简单、制造方便、测量范围广、精度高、惯性小和输出信号便于远传等许多优点。另外，由于热电偶是一种有源传感器，测量时不需外加电源，使用十分方便，所以常被用作测量锅炉、管道内的气体或液体的温度及固体的表面温度。3.1.1热电偶的工作原理及种类当有两种不同的导体或半导体A和B组成一个回路，其两端相互连接时（见图3.1），只要两接点处的温度不同，一端温度为T（称为工作端或热端），另一端温度为Tο(称为自由端、参考端或冷端)，回路中就会产生一个电动势，该电动势的方向和大小与导体的材料及两接点的温度有关。这种现象称为“热电效应”，两种导体组成的回路称为“热电偶”，这两种导体称为“热电极”，产生的电动势则称为“热电势”。而热电偶就是利用这种热电效应来测温的，将热电偶的热端插入被测物，冷端接仪表就可测温。热电势由两部分构成：一部分是两种导体的接触电势，另一部分是单一导体的温差电势。图3.1热电偶回路当A和B两种不同材料的导体接触时，由于两者内部单位体积的自由电子数目不同（即电子密度不同），因此，电子在两个方向上扩散的速率就不一样。设导A的自由电子密度大于导体B的自由电子密度，则导体A扩散到导体B的电子数要比导体B扩散到导体A的电子数量多。所以道义A失去电子带正电荷，导体B得到电子带负电荷，于是，在A、B两导体的接触界面上便形成一个由A到B的电场。该电场的方向与扩散进行的方向相反，它将引起反方向的电子转移，阻碍扩散作用的继续进行。当扩散作用与阻碍扩散作用相等时，即自导体A扩散到导体B的自由电子数与在电场作用下自导体B到导体A的自由电子数相等时，便处于一种动态平衡状态。在这种状态下，A与B两导体的接触处就产生了电位差，称为接触电势，其大小与导体的材料及接点的温度有关，而与导体的直径、长度及几何形状无关。实践证明了，在热电偶回路中起主要作用的是接触电动势，温差电动势只占极小部分，可以忽略不计，EAB（t，to）=eAB（t）-eAB（t，to）。热电偶的主要特性有：高稳定性，指热电偶的热电特性基本不随使用时间而变化。不均匀性，指热电极的不均匀程度，所引起的附加热电势的大小，取决于沿热电极长度的温度梯度分布状态、材料的不均匀形式和不均匀程度以及热电偶在温度场中所处的位置。热惰性，指被测介质从某一温度迁到另一温度时，热电偶测量端的温度上升到整个跃迁的63.2%所需的时间，这是衡量热电偶反应速度的重要指标。热电偶是由两根一端焊接在一起的不同金属导线构成的，这种配置方式会在两根导线的非焊接端之间产生与所有结点的温度存在函数关系的电压。因此，热电偶不需要电压或电流激励。事实上，提供任何类型的激励都会向系统中引入误差。由于电压是在两种不同导线的开路端产生的，因此热电偶与外界的接口可通过测量导线之间的电压差而直接实现。热电偶的非焊接端不与另一种金属（通常是铜）相连是常见的情况。当它们与另一种金属连接时就构成了另一对热电偶，这样会向系统引入严重的误差。纠正这种误差的惟一方法是检测参考结点盒的温度，然后使用硬件解决方案或软件和硬件的组合解决方案减去由这些结点产生的误差。单纯的硬件校正技术在线性化校正方面相比软硬件组合技术局限性较大。通常，使用热敏电阻或集成硅传感器来精确测量结点的温度。理论上，热电偶可由任何两种金属构成，但事实上，由于某些金属材料的组合具有理想的线性度及其与温度成函数关系的电压降，而成为了标准。这些常见的热电偶类型有：E、J、T、K、N、S、B和R。热电偶的线性度很差，需要大量的线性化算法，我们将在后面对此进行讨论。表3-1中的Seebeck系数给出了特定热电偶在特定温度下的平均漂移。表3-1常见热电偶类型及其标准材料和性能参数热电偶类型导体温度范围（℃）Seebeck系数（μV/℃）应用环境E镍铬合金和康铜-200至+100060氧气、惰性气体J铁和康铜0至+130051惰性气体T铜和康铜-200至+40040氧化性气氛中使用，一般不超过300℃K镍铬和镍硅合金-200至+130040惰性气体N镍铬和镍硅合金0至+120038氧气S铂（含10%的铑）0至+170011氧气和惰性气体B铂（含30%的铑）铂（含6%的铑）0至+17008氧气和惰性气体R铂（含13%的铑）0至+148012氧气和惰性气体热电偶通常成本低、耐用性好，并且相对其他温度传感器具有更小的体积。由于弯曲、延伸或挤压使材料承受的任何应力都会使温度梯度特性改变。此外，腐蚀性材料会渗入绝热材料，从而导致温度特性发生改变。可以在热电偶引线上套一个保护性套管，比如陶瓷套管，用于高温保护，金属套管还可提供机械保护。它在要求高精度的系统中很难实现较高的精度和较好的线性度，因此在要求高精度的场合，其他温度传感器可能是较好的选择。3.1.2使用热敏电阻获取极大的精度热敏电阻是使用最为广泛的感温元件，它是一种利用半导体制成的敏感元件，其特点是电阻率随温度而显著变化。热敏电阻因其电阻温度系数大，灵敏度高，热惯性小，反应速度快，体积小，结构简单，使用方便，寿命长，易于实现远距离测量等特点得到广泛地应用。热敏电阻的热电特性曲线图如图3.2所示图3.2热敏电阻的热电特性根据电阻值的温度特性，热敏电阻有正温度系数、负温度系数和临界热敏电阻几种类型。热敏电阻的结构可以分为柱状、片状、珠状和薄膜状等形式。它的缺点是互换性较差，同一型号的产品特性参数有较大的差别。再就是其热电特性是非线性的，这给使用带来一定的不便。尽管如此，热敏电阻灵敏度高、便于远距离控制、成本低、适合批量生产等突出的优点使得它的应用范围越来越广泛。随着科学技术的发展，生产工艺的成熟，热敏电阻的缺点都将得到改进，在温度传感器中热敏电阻已取得了显著的优势。3.1.3选择便于使用的集成硅温度传感器集成电路温度传感器为解决温度测量问题提供了另一种选择。集成电路硅温度传感器的优点包括：便于用户识别的输出格式，以及便于安装到PCB装配环境中。由于硅温度传感器是一种集成电路，所以其他集成电路都可以很方便的在同一块硅片上实现。这一优点可允许将传感器信号调理电路中最具挑战性的部分放在IC芯片内部。因此，来自传感器的输出信号，比如大电压信号、电流或数字字信号，能够很容易地与电路中的其他元件进行接口。事实上，许多集成硅传感器中均包含可提供与单片机通信的数字I/O接口的各种信号处理电路。另一方面，该传感器的精度和温度范围也与本应用笔记中讨论的其他各类传感器不同。温度传感器IC可在标称的–55至150°C的温度范围内工作。某些器件的工作范围可能超过这个范围，但有些器件的工作范围可能更窄。表3-2常用温度传感器对照热电偶热敏电阻集成硅温度范围-270至1800-100至450-55至150灵敏度几十个μV/°C几个Ω/Ω/°C-2mV/°C线性度需要一个至少4阶的多项式或一个相当的查找表需要一个至少3阶的多项式或一个相当的查找表最好在±1°C范围内，无需线性化处理耐用性热电偶的大线规导线使这类传感器更加坚固耐用，使用绝热材料增强了热电偶的坚固性热敏电阻元件的外壳多种多样，但其中最稳定最密封的当属玻璃外壳，一般热敏电阻处理时较为困难，但不受震动影响与任何塑封的IC（如双列直插式封装和表面贴装IC）一样耐用激励不需要电压源典型供电电压输出的形式电压电阻电压、电流或数字信号3.1.4染整工艺温度的在线检测1.烘房内气氛温度和布身温度为了满足织物高效、节能的烘燥、定形，布身的温度应比烘房内气氛温度更重要。传统的热电偶或铂热电阻在烘房内采集到的是烘房内的气氛温度，其数值跟布身温度是不同的。以下是对一台montex—F／4G6K热定形机采用的三种测试方式：（1）热电偶丝测温端固定在被测试织物上，上覆盖13tex~13tex涤棉细纺布；（2）热电偶丝测温端处布面挖孔，使上下无布阻挡；（3）布面在经向挑出几根经纱，热电偶丝测温端埋在纬纱中。按上述三种不同测温端安置状态测温，另一端接入测温仪表，在线直接记录布面升温曲线，结果见表3-2所示。从测试结果可知，第（2）种测试方式由于布面挖孔，热电偶与热风直接接触，其升温速度最快，而出烘房时温度最低；第（1）种测试方法热电偶由于上下蒙布，测到的温度稍低，测试时车速为53m／min，而采用第（3）种方法测量到：车速为42m／min，对国产M751型热定形机测定时，布面最高温度与烘房指示温度相差23—26℃。而某厂将M751—180型热定形机电热风烘房改为远红外辐射加热后，结论证明：热风烘房内的织物，因车速和品种而异，布身温度比常规空间对气氛采样点处的温度低；远红外辐射烘房内，由于电磁波直接辐射织物，致使能量转换率高，情况与前者正好相反。这里就存在对同样织物采用不同烘房进行定形或染料固色时，工艺温度指令的正确性。2.烘简热辊的温度测控轧光机一般采用中空电加热方案。温度采样传感器安置在电热辊内，开环系统的惯性滞后较小，能较快地测出电热元件功率变化所引起的温度变化，调节系统易于整定，能有效地抑制电网波动所引起的温度波动。但是，由于内腔与辊面存在温差，升温达到设定温度值后，电加热转换成保温阶段，这样辊表面温度的升高，需要花费更多的非工艺等待时间。再者，当工艺车速一旦改变后，电热辊内腔温度虽能保护不变，由于热辊表面热平衡的变化，致使处理织物的热辊表面工艺段温度发生变化，旋转的热辊内腔中将温度变化成电阻信号引出。一种较为合理的轧辊表面温度传感器如下图3.3所示，图中1为热接受器(内装感温元件)；2为屏蔽罩；3为外壳；4为隔热层。该传感器利用流体力学与传热学理论，以直接测量旋转电热辊表面热边界层空气温度为基础，构成非接触式测温装置。图3.3轧辊表面温度传感器3.2织物含水率的在线检测织物的含水率在染整工艺工程中起着关键指标，它不仅衡量着产品的质量，还有利于节约能源。因此，在染整工艺中实现对织物含水率的准确测量是必不可少的。在近代物理测量技术的应用中，织物的含水率是多种多样的，总的来说可分为直接法和间接法。3.2.1直接法所谓直接法就是根据吸湿指标的定义，直接测量出公式中的各个参数，直接的关键在于烘干和称重。烘箱烘干法：它是一种利用电阻丝加热箱内的空气，使水分获得足够的汽化能，从而脱离纤维，并可根据需要调整至恒温。温度设定的依据是水分蒸发而不使纤维分解变质这一原则，所以从温度上来讲应高于水分的沸点。恒温调节利用水银触电式温度控制器来进行。烘干物至其不变质量，即可称干重。但是，如果烘干的温度太高或时间太长，纤维可能分解变质而损失质量，影响实验结果的准确性。另外，用烘箱法测量含水率耗电量大，时间长，并容易损坏试样。同时，由于纤维内的一些油脂或其他物质的挥发，影响测量的真实性。在升温情况下，称衡条件不良，也往往引起误差，而且对水分的在线检测无法对产品质量进行实时控制。3.2.2间接法目前应用最多的是间接测量法，所谓间接法就是利用某物理量，如电阻，介电系数等外来辐射的吸引与纺织材料回潮率间的关系间接测量得到。它以不必赶出材料中的水分为其特征，这类方法测量迅速，不损伤试样。主要有电阻法、电容法、红外法等，各有特点但也各有局限性。1)电阻法:电阻测湿法是应用最早的水分电测方法，是利用物体的直流电阻或电导随其含水量的不同而变化的原理设计的。在测量时，采用两个电极把被测介质加紧，或者使两个电极插入介质中，通过检测介质的电阻值而得出介质含水量。此方法结构简单，响应速度快，成本低，但由于其取样较少，适合于非在线测量。适用于低湿度场合，大多应用于测量落布时的公定回潮率。2）电容法：这种方法是把织物作为电介质，通过测量织物的介电常数来测量其含水量。由于用电容式传感器测量电容时，在电容两端还有一个并联的电导成分，因此总的变化是电容与电导的比值来反映的，只要测量出相应的值就可以测量出水分的含量，只是它可以不接触试样，便于连续测定，同时对速度的限制比较少，但这种仪器，构造上比电阻测湿仪复杂，稳定性也比较差。3）红外法：又称红外线吸收法，此法是利用材料对红外线特征吸收光谱的吸收量随含水量而变的原理测试水分的，也是利用水对红外线不同的波长有不同的吸收率，而吸收量又与材料中的含水量有关。4）微波吸收法：其原理是利用微波特性来检测织物湿度。由发射天线发出微波，此波遇到织物时将被吸收，使微波功率发生变化。该方法具有受环境因素影响小、实时性强、能实现在线测量、便于遥测和测量范围广等优点，主要适用于轧车或热熔染色剂的出布端等高湿场所。同时，此方法测量精度高，所测水分为总体积水，测量结果具有代表性，比表面测量技术要优越的多。而且，由于非接触测量，对织物不会造成破坏和污染。测量织物含水率的方法有多种，但因测量场合、范围和精确度要求不同，需要具体情况具体分析，选择一种最合适的测量方法。通过分析可知，电阻法有损检测不符合要求，而电容法在含水率过低和过高时都无法精确测量且电路复杂，红外法测量结果不稳定。作为非接触式测量的微波法，有很高的精度指标，测量速度快，是一个理想的选择。而且，在染整工艺过程中轧余率需要的测量范围为30%-80%,对织物含水率进行无损检测可以延续设备的实用寿命，而且符合在印染厂的环境中实现在线实时检测，因此，微波法是非接触式在线检测织物含水率的最佳方法。3.3张力的在线检测张力控制是整经、浆纱、织造、印染等设备中的重要控制环节，随着控制技术的发展，变频器、伺服控制等调速新技术在印染设备中的应用也日趋广泛。现在大多数印染设备张力控制方式分为三种：变频器控制、伺服控制和磁粉离合器控制。3.3.1变频器的控制原理及特点变频调速利用电机的同步转速和输入电源的频率成线性关系这一原理，将50Hz的工频市电通过整流和逆变环节转换为频率可调的交流电源，供给三相异步电动机，实现调速功能。变频器控制电动机起动时，能从低频(1～2Hz)上升到5OHz，消除了工频50Hz直接起动对电网的冲击，且变频器的输出电压随频率自动调节，可以使负载电机工作在额定电压以下，不仅节能，而且可以延长电机的使用寿命。为了减小变频器对其他设备和电网的干扰，同时防止电网其它干扰源对变频器的干扰，需要增加EMC装置或电源滤波器来抑制谐波的干扰。3.3.2伺服控制原理及特点随着微电子技术、自动控制技术的快速发展，交流伺服系统的控制方式向微机控制方向发展，使交流驱动电源、交流伺服系统的性能大大提高，交流伺服已成为发展趋势。它除克服步进电机或直流伺服电机本身的不足，它具有功能强大、控制方式灵活、技术性能好、可靠性高还具有宽广、平滑的调速范围，较硬的机械特性和良好的调节特性、快速的响应特性、抗扰能力强等特点，可以通过改变控制参数实现智能化控制。3.3.3磁粉离合器控制原理及特点磁粉离合器是由传动单元(输入轴)和从动单元(输出轴)合并而成。在两组单元之间的空间，填有粒状的磁粉（休积大约40微米）。转矩的控制范围广，控制精度高，传递转矩与激磁电流成正比，可实现高精度的速度控制且连结平滑，无冲击，连结时的冲击极小，能够实现平滑起停。具有响应速度快、结构简单、无污染、无噪音、无冲击振动节约能源等优点，是一种多用途、性能优越的自动控制元件。3.4同步传动的在线检测纺织行业自动化连续生产的要求之一是实现印染机械的高精度同引言自动化连续生产是现代生产工艺的主要特点，印染机械在体积、重量和长度等方面都比较大，通常是由单元机组成联合机，形成生产流水线，进行高速度、高效率及一体化的生产，因此对印染机械电气控制的可靠性、经济性、调速比与同步性能提出了较高的要求。在生产过程中，要求各单元电动机协调同步，使织物保持恒定的张力和线速度，同时根据织物及工艺的不同，调整整个联合机的速度及各单元问的转速比。为此，对于多目标的染整机械之间的同步控制，成为了影响染整机械工作质量和运行状态的关键因素之一。3.4.1同步控制方案传统的同步方案有模拟同步控制方案和数模结合同步控制方案。模拟同步控制方案尽管控制结构简单，但实现起来成本较高，同时同步控制的精度不高，而数模结合同步控制方案虽然同步控制精度有所提高，但是由于数字信号与模拟信号在转换传输上的时差，因而在同步控制方面还是不尽如人意，难以实现复杂的在线算法与控制方案，即使采用反馈补偿控制算法，又间接增加了控制系统的成本，因此，在这样的情况下，全数字式变频调试同步控制方案得到了广泛的关注和研究。新一代变频器内部普遍采用全数字化的控制方式，并提供了一个内置RS-485串行通信接口，以便于构成全数字式的控制系统。人机界面(或监控计算机)、变频器均通过RS-485接口与PLC的通信模块连接，由人机界面实现PLC的通信模块连接，由人机界面实现发送控制信息、设定运行参数以及读取运行状态的作用（见下图3.4）。数字测速部件采用张力传感器对染整机械的工作状态进行实时监控，通过对各同步控制单元中张力松紧状态的采集，将被测的传感物理量送至PLC的高速脉冲计数输入单元，PLC将采集到的各单元实时转速与设定运行参数综合，按既定的同步控制策略进行运算和控制，转换为各单元的电机的运行速度设定值，再通过RS-485总线写入变频器执行，最终通过变频器实现调速、达到同步控制的目的。由于PLC直接通过数字通信模式，按照一定采样周期进行信息的输入、处理和输出，简化了系统外围模块，缩短了控制周期，同时提高了在线检测、运算和驱动能力，控制精度和工作可靠性也进一步提高；另外，可以通过通信接口将变频器相关参数量如电流、转速、频率等读到人机界面上，供操作人员监视，并可根据实际情况做出相应的判断和调整，使机器的操作更加简便、直观，系统运行参数的设定也可以通过远程通信实现，从而降低操作故障，减少劳动力的投入，这是一个值得推广的高精度同步控制方案。图3.4全数字式同步控制系统框图M0VF0张力M0VF0张力传感器张力传感器张力传感器M1VF1M1VF1PLC人机界面PLC人机界面M2VF2M2VF2M3VF3M3VF33.4.2基于变频调速的同步控制系统1)同步控制系统工作原理及过程基于变频调速技术同步控制系统的工作原理和工作过程，相对传统的同步控制方案，其实现起来较为简单。虽然成本较高，但是控制精度精确，能够实现无人值守，后期运行维护任务简单，因具有突出的优势。针对多台印染机械同步控制的需求，对相关参数进行状态监测，可以设置传感器进行状态监测，由传感器将运行状态参数采集并输送到下位机PLC中，在PLC控制器内部实现相关的控制算法，并生成相应的控制决策，最后在数字量输出口输出需要变频调整的印染机械的调速