基于電容傳感器的醋酸纖維含油率檢測(cè)

呂漢明， 王曉葉， 馬崇啟

(1. 天津工業(yè)大學(xué) 紡織學(xué)院， 天津 300387； 2. 天津工業(yè)大學(xué) 教育部先進(jìn)紡織復(fù)合材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 天津 300387)

基于電容傳感器的醋酸纖維含油率檢測(cè)

呂漢明1,2， 王曉葉1， 馬崇啟1,2

(1. 天津工業(yè)大學(xué) 紡織學(xué)院， 天津 300387； 2. 天津工業(yè)大學(xué) 教育部先進(jìn)紡織復(fù)合材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 天津 300387)

為低成本在線檢測(cè)醋酸纖維含油率，設(shè)計(jì)了醋酸纖維含油率在線測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置，利用2個(gè)電容傳感器(0號(hào)傳感器和1號(hào)傳感器)分別檢測(cè)上油前后的醋酸纖維絲束，再根據(jù)2個(gè)傳感器的輸出電壓差值計(jì)算纖維含油率。試驗(yàn)分2步進(jìn)行：第1步為標(biāo)定傳感器；第2步為通過(guò)改變上油輥的轉(zhuǎn)速改變醋酸纖維絲束所含的乳液量，并測(cè)試傳感器輸出電壓的變化。結(jié)果表明：電容傳感器的輸出電壓與無(wú)油纖維絲束的線密度成正比；對(duì)于一定濃度的乳液，1號(hào)電容傳感器的輸出電壓與絲束攜帶的乳液量正相關(guān)。建立了含油率與2個(gè)電容傳感器輸出電壓之間的二次函數(shù)關(guān)系式，應(yīng)用該式估算的醋酸纖維含油率與烘干稱重法得到的纖維含油率之差小于5.2%。

醋酸纖維； 含油率； 電容傳感器； 在線檢測(cè)

醋酸纖維在紡絲時(shí)需要對(duì)其進(jìn)行上油處理,纖維含油率的大小會(huì)直接影響纖維的性能，檢測(cè)纖維油劑含量對(duì)其質(zhì)量控制有著極其重要的影響。

目前檢測(cè)含油率的常用方法主要有萃取法、紅外光譜分析法、核磁共振法、原子吸收法等。萃取法為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法，但耗時(shí)較長(zhǎng)，檢測(cè)過(guò)程中采用乙醚為溶劑，安全系數(shù)低[1]，工廠一般用萃取法來(lái)定期校準(zhǔn)其他的測(cè)試儀器。紅外光譜分析法具有效率高、結(jié)果精確且可無(wú)損傷分析等優(yōu)點(diǎn)[2]，但測(cè)試儀器昂貴。核磁共振法可達(dá)到很高的靈敏度和精確度，對(duì)環(huán)境無(wú)污染[3]，且分析過(guò)程簡(jiǎn)單、迅速[4]。原子吸收法分析的結(jié)果精確，分析時(shí)間短[5]，測(cè)試結(jié)果受油劑中金屬離子的制約，儀器昂貴且需要定期維護(hù)及清洗[6]。

忽略極板邊緣效應(yīng)，傳感器的電容與測(cè)試槽內(nèi)的紗線質(zhì)量近似成正比，紗線上的疵點(diǎn)經(jīng)過(guò)測(cè)試槽時(shí)，傳感器電容量發(fā)生變化[7]。利用這一原理，烏斯特公司用電容傳感器設(shè)計(jì)了條干不均勻測(cè)試儀[8]。文獻(xiàn)[9]利用電容性溫濕度傳感器設(shè)計(jì)了一套含水率的在線檢測(cè)系統(tǒng)，可根據(jù)電容的大小計(jì)算織物含水率。

本文利用電容傳感器在線檢測(cè)纖維含油率，該方法操作簡(jiǎn)單且成本較低，可較準(zhǔn)確地實(shí)時(shí)檢測(cè)醋酸纖維含油率。試驗(yàn)中所用醋酸纖維束由300根線密度為0.33 tex的醋酸纖維長(zhǎng)絲組成。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)原理

不同介質(zhì)對(duì)傳感器電容的影響程度不同。電容傳感器測(cè)試槽內(nèi)介質(zhì)成分、各成分的體積分?jǐn)?shù)發(fā)生變化時(shí)，其電容量會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化。利用這一原理檢測(cè)醋酸纖維上油前后2個(gè)電容傳感器的輸出信號(hào)，并將傳感器的電容變化轉(zhuǎn)換為電壓的變化，估算介質(zhì)各成分含量。

1.2 試驗(yàn)裝置

圖1示出試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)原理圖。如圖所示，纖維絲束由筒子被動(dòng)退繞下之后依次經(jīng)過(guò)2個(gè)張力器，進(jìn)入電容傳感器(稱為0號(hào)傳感器)的測(cè)試槽，經(jīng)過(guò)上油輥之后進(jìn)入第2個(gè)電容傳感器(稱為1號(hào)傳感器)測(cè)試槽內(nèi)，穿過(guò)導(dǎo)紗圈和移動(dòng)導(dǎo)紗器后平行卷繞在紗線框上。其中，2個(gè)電容傳感器固定在同一水平高度，保證每次絲束經(jīng)過(guò)傳感器測(cè)試槽的位置相同，為能及時(shí)檢測(cè)上過(guò)油劑的纖維束，電容傳感器安裝在緊鄰上油槽兩側(cè)的位置；上油輥通過(guò)聯(lián)軸器與伺服電動(dòng)機(jī)相連接，由Kinco伺服上位機(jī)調(diào)試軟件控制伺服電動(dòng)機(jī)來(lái)調(diào)節(jié)上油輥的轉(zhuǎn)速；移動(dòng)導(dǎo)紗器可平行于卷紗框軸線方向勻速移動(dòng)，防止絲束在卷紗框上重疊卷繞；卷紗框的轉(zhuǎn)速為100 r/min，周長(zhǎng)為1 m。

注：1—醋酸纖維絲束；2—張力器1；3—張力器2；4—0號(hào)傳感器；5—上油輥；6—上油槽；7—1號(hào)傳感器；8—導(dǎo)紗圈；9—移動(dòng)導(dǎo)紗器；10—卷紗框。圖1 醋酸纖維含油率在線檢測(cè)試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)原理圖Fig.1 Structure schematic diagram of equipment for cellulose acetate fiber oil content online test

1.3 傳感器標(biāo)定

接通電源，使傳感器預(yù)熱0.5 h。測(cè)試2個(gè)傳感器測(cè)試槽內(nèi)不含纖維時(shí)的輸出電壓，分別命名為0號(hào)傳感器空氣電壓U0-0和1號(hào)傳感器空氣電壓U1-0。準(zhǔn)備30組不同根數(shù)的無(wú)油醋酸纖維長(zhǎng)絲，取其中一組使其勻速穿過(guò)2個(gè)電容傳感器的測(cè)試槽，同時(shí)檢測(cè)2個(gè)傳感器的輸出電壓；以相同的方法測(cè)試其他組的醋酸纖維長(zhǎng)絲，得到不同纖維根數(shù)的醋酸纖維長(zhǎng)絲對(duì)應(yīng)的2個(gè)傳感器的輸出電壓，分別命名為0號(hào)傳感器測(cè)試電壓U0-i和1號(hào)傳感器測(cè)試電壓U1-i。其中i是第i組測(cè)試，i∈[1,30]。

標(biāo)定過(guò)程中纖維引起的電壓變化，稱為標(biāo)定纖維電壓U0-BD-i和U1-BD-i。

(1)

(2)

1.4 纖維含油率在線測(cè)試

測(cè)試開(kāi)始前位于上油輥及卷紗框之間的醋酸纖維絲束無(wú)法上油，因此要在卷紗框卷過(guò)2圈后再檢測(cè)傳感器的輸出信號(hào)。測(cè)試后取樣時(shí)去掉這段未上油的纖維。0號(hào)傳感器檢測(cè)未上油的醋酸纖維絲束，1號(hào)傳感器檢測(cè)上油的醋酸纖維絲束。

1.4.1 電容傳感器的含油纖維電壓檢測(cè)

用ST90油劑與去離子水按比例配制成含量為6%的乳液。將制備好的乳液倒入上油槽中，設(shè)定上油輥轉(zhuǎn)速，打開(kāi)卷紗框開(kāi)關(guān)，開(kāi)始檢測(cè)纖維上油前后經(jīng)過(guò)傳感器測(cè)試槽時(shí)傳感器的輸出電壓，分別記為0號(hào)傳感器輸出電壓U0-j和1號(hào)傳感器輸出電壓U1-j，j代表上油輥的轉(zhuǎn)速，j∈[40,45,50,…，100]。

測(cè)試過(guò)程中持續(xù)向上油槽中注入相同濃度的乳液，使其持續(xù)溢出以保證上油槽內(nèi)液面保持在同一水平面。測(cè)試完成后從卷紗框上取下檢測(cè)的200 m含油纖維垂直懸掛1 h后放入培養(yǎng)皿。

由纖維引起的電壓稱為纖維電壓，分為無(wú)油纖維電壓和含油纖維電壓。

0號(hào)傳感器的無(wú)油纖維電壓為

(3)

1號(hào)傳感器的含油纖維電壓為

(4)

在測(cè)試過(guò)程中，上油輥轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)形成高濕氣流，使得傳感器的空氣電壓偏高，但是本文式(3)、(4)中減去的是上油輥轉(zhuǎn)速為0時(shí)的空氣電壓，所以得到的纖維電壓值其實(shí)是纖維與高濕氣流及氣流中的水蒸氣共同產(chǎn)生的電壓。

1.4.2 干態(tài)纖維質(zhì)量

無(wú)油纖維干態(tài)質(zhì)量為

(5)

含油纖維干態(tài)質(zhì)量為

(6)

纖維上附著的油劑質(zhì)量為

(7)

纖維在上油輥轉(zhuǎn)速為j時(shí)的含油率為

(8)

2 測(cè)試結(jié)果

2.1 傳感器標(biāo)定結(jié)果

圖2示出30個(gè)試樣的標(biāo)定纖維電壓擬合結(jié)果。由圖可知，2個(gè)傳感器的輸出信號(hào)呈線性關(guān)系。那么在測(cè)試含油纖維的過(guò)程中利用圖2中的線性關(guān)系根據(jù)0號(hào)傳感器的無(wú)油纖維電壓可計(jì)算出相應(yīng)狀態(tài)下1號(hào)傳感器的無(wú)油纖維電壓。

圖2 傳感器標(biāo)定結(jié)果Fig.2 Result of calibrating sensors

2.2 含油纖維在線測(cè)試結(jié)果

圖3 傳感器的纖維電壓與上油輥轉(zhuǎn)速的關(guān)系Fig.3 Relation between fibers voltage from sensors and speeds of oiling roller

圖3示出纖維電壓與上油輥轉(zhuǎn)速的關(guān)系。如圖所示，在一定范圍內(nèi)，隨著上油輥轉(zhuǎn)速增加，含油纖維電壓比無(wú)油纖維電壓的值增加得越來(lái)越大。對(duì)于0號(hào)傳感器，隨著上油輥轉(zhuǎn)速增大，上油輥轉(zhuǎn)動(dòng)形成高濕氣流，使傳感器測(cè)試槽周圍空氣的濕度增大，同時(shí)加上高濕氣流產(chǎn)生的較小的影響，導(dǎo)致檢測(cè)的無(wú)油纖維電壓偏高。對(duì)于1號(hào)傳感器，上油輥轉(zhuǎn)速增加時(shí)，纖維經(jīng)過(guò)上油輥表面帶走的乳液量增大，從而1號(hào)傳感器的纖維電壓增大，上油輥轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的高濕氣流對(duì)1號(hào)傳感器也有影響。圖中橫坐標(biāo)為上油輥轉(zhuǎn)速，縱坐標(biāo)為2個(gè)傳感器的纖維電壓值。

上油輥轉(zhuǎn)速增加時(shí)，由于乳液的表面張力及分子力的作用，上油輥表面的油膜厚度有所增加，纖維經(jīng)過(guò)上油輥后附著在纖維表面的乳液增加，纖維含油率增大。如圖4所示，隨著上油輥轉(zhuǎn)速增加，纖維含油率在一定范圍內(nèi)會(huì)增加。

圖4 含油率與上油輥轉(zhuǎn)速的關(guān)系Fig.4 Relation between oil content and speeds of oiling roller

纖維上帶的乳液引起的電壓增加量稱為油劑電壓。由圖3、4可看出，油劑電壓增大說(shuō)明纖維上帶的乳液量增大，即纖維含油率增大。圖5示出纖維含油率與油劑電壓之間呈正相關(guān)關(guān)系。

圖5 纖維含油率與油劑電壓的關(guān)系Fig.5 Relation between oil content and oil voltage

為分析測(cè)試過(guò)程中傳感器輸出信號(hào)的穩(wěn)定性，表1列示出了上油輥轉(zhuǎn)速不同時(shí)0號(hào)傳感器及1號(hào)傳感器所測(cè)試數(shù)據(jù)的CV值。數(shù)據(jù)表明，傳感器輸出電壓的CV值偏小且有隨上油輥轉(zhuǎn)速增加而增加的趨勢(shì)，特別是上油后的測(cè)試信號(hào)CV值，增加比較明顯。由此推斷，測(cè)試數(shù)據(jù)較穩(wěn)定；當(dāng)上油輥的轉(zhuǎn)速增加時(shí)，乳液在絲束不同位置浸潤(rùn)量的變動(dòng)有增大的趨勢(shì)。進(jìn)行進(jìn)一步的試驗(yàn)及分析有助于研究上油輥轉(zhuǎn)速對(duì)絲束平均含油率及其不同段內(nèi)局部含油率穩(wěn)定性的影響。

表1 測(cè)量數(shù)據(jù)的CV值

3 纖維含油率的估算

3.1 多項(xiàng)式模型

由圖2可知，2個(gè)傳感器標(biāo)定纖維電壓呈線性關(guān)系，設(shè)1號(hào)傳感器對(duì)應(yīng)的無(wú)油纖維電壓為

(9)

式中a、b均為待定系數(shù)。

1號(hào)傳感器的油劑電壓為

(10)

Kausik等[10]指出，對(duì)于包含空氣、水分、聚合物的三相混合物，有效介電常數(shù)與各組分的體積分?jǐn)?shù)呈二次曲線關(guān)系，那么當(dāng)電容器體積固定，纖維絲束體積分?jǐn)?shù)不變時(shí)，介電常數(shù)與乳液含量呈二次曲線關(guān)系。由圖5也可看出，纖維含油率與傳感器的電壓正相關(guān)。設(shè)纖維含油率ωj與油劑電壓U1-Oil-j之間的關(guān)系為

(11)

式中c、d、e為待定系數(shù)。

將式(3)、(4)、(9)、(10)代入式(11)，得，

(12)

式中：m=U1-0-bU0-0+a；(U1-j-bU0-j-m)表示油劑電壓。

當(dāng)測(cè)試環(huán)境不變時(shí)，傳感器預(yù)熱一段時(shí)間后性能穩(wěn)定，測(cè)得的空氣電壓基本不變，即認(rèn)為U0-0和U1-0為常數(shù)。

令f為纖維含油率，x為0號(hào)傳感器輸出電壓，y為1號(hào)傳感器輸出電壓，式(12)可換算為

f=c+d(y-bx-m)+e(y-bx-m)2

(13)

式中c、d、b、m、e為待定系數(shù)。

3.2 多項(xiàng)式驗(yàn)證

選取20組x、y、f的值，用1stOpt對(duì)式(13)進(jìn)行擬合，結(jié)果如下：c=-4.029 26，d=-9.771 63，b=0.032 890，m=-0.001 536 3，e=22.414 73，R2=0.991 32。

綜上，求得的多項(xiàng)式為

f=22.414 73(y-0.032 890x+0.001 536 3)2-9.771 63(y-0.032 890x+0.001 536 3)-4.029 26

(14)

表2列出用于擬合的x、y、f及測(cè)試的f值與根據(jù)式(14)計(jì)算f值的對(duì)比結(jié)果。

表2 用于擬合多項(xiàng)式(13)的數(shù)據(jù)

由表2可知，f的估計(jì)值與實(shí)測(cè)值的相對(duì)誤差在0.578 20%至5.174 84%之間。該誤差的產(chǎn)生可能有以下2種原因：1)對(duì)烘干的纖維束稱量時(shí)纖維曝露在空氣中的時(shí)間長(zhǎng)短不同，使纖維有輕微的吸濕回潮，造成稱量時(shí)引起誤差；2)在退繞絲束時(shí)采用的張力控制比較簡(jiǎn)單，只采用了一支彈簧壓線器(寶塔式張力器)，可能會(huì)造成試樣長(zhǎng)度上的較小差異，但是總體的相對(duì)誤差較小，屬于可接受的范圍。

需要說(shuō)明的是，當(dāng)測(cè)試環(huán)境不同時(shí)，式(13)的擬合結(jié)果不同，所以對(duì)于一定的測(cè)試環(huán)境，應(yīng)先根據(jù)測(cè)試傳感器的測(cè)試電壓，利用烘干稱重法計(jì)算纖維的含油率及式(13)擬合出一個(gè)多項(xiàng)式，再根據(jù)該擬合多項(xiàng)式在線估測(cè)纖維含油率。實(shí)驗(yàn)表明，該測(cè)試方法效率高且估測(cè)值接近測(cè)試值。

4 結(jié) 論

1)當(dāng)乳液濃度一定時(shí)，隨著上油輥轉(zhuǎn)速增大，纖維含油率在一定范圍內(nèi)增大。

2)纖維含油率與油劑電壓在一定范圍內(nèi)正相關(guān)。

3)應(yīng)用本文的方法及提出的多項(xiàng)式，可以較準(zhǔn)確地在線檢測(cè)醋酸纖維含油率。

FZXB

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Testing of oil content of cellulose acetate fibers using capacitance sensor

Lü Hanming1,2, WANG Xiaoye1, MA Chongqi1,2

(1.CollegeofTextile,TianjinPolytechnicUniversity,Tianjin300387,China; 2.KeyLaboratoryofAdvancedTextileComposites,MinistryofEducation,TianjinPolytechnicUniversity,Tianjin300387China)

A low-cost testing apparatus used for testing the oil content of cellulose acetate fibers online was designed. Cellulose acetate fibers before and after oiling were tested, respectively, using two capacitance sensors (NO.0 sensor and NO.1 sensor). Then the oil content of fibers was calculated according to the voltages difference of two sensors. The test was divided into two steps: firstly calibrating the sensors; changing the revolving speed of the oiling roller to change the content of emulsion on cellulose acetate fibers, then measuring the change of the output voltage of the sensors. The results show that a significant linear correlation exists between the output voltage of the capacitance sensors and the linear density of oilless fibers. For the emulsion of a certain concentration, the output voltage of the NO.1 sensor is positively correlated with the emulsion volume on the fibers. Aquadratic function about the oil content and the output voltage was established. The differences between the oil content calculated using the function and that calculated using oven drying method are less than 5.2%.

cellulose acetate fiber; oil content; capacitance sensor; online test

10.13475/j.fzxb.20160703306

2016-07-13

2017-01-13

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51003075；51403152)

呂漢明(1970—)，男，副教授，博士。主要研究方向?yàn)閿?shù)字化紡織。E-mail: lvhanming@tjpu.edu.cn。

TS 141.8

A