Faden-Flusen-Staubsensor-Anordnung

Abstract

 Aufgabe der Erfindung ist es, eine Faden-Flusen-Staubsensor-Anordnung zu entwickeln, die berührungslos die Erfassung der Ladung von sich vorbei bewegenden Fäden, Staubund/oder Flusen-Partikeln ermöglicht, die Geschwindigkeit mithilfe des beschriebenen Verfahrens berechnen kann und darüber hinaus auch eine schnelle, d.h. in wenigen Millisekunden getroffene, Unterscheidung zwischen Faden und Flusen (Staubpartikeln) erlaubt.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass dass sie aus mindestens einer Doppelkammanordnung (1) mit zwei hintereinander angeordneten Sensorkämmen (K1; K2) besteht, wobei jedem Sensorkamm (K1; K2) ein Vorverstärker (2) zugeordnet ist.
Die Erfindung betrifft eine Faden-Flusen-Staubsensor-Anordnung, insbesondere zum Einsatz in Webmaschinen zur Überwachung der Fadenankunft und/oder in Filteranlagen zur Reststaubüberwachung.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Faden-Flusen-Staubsensor-Anordnung, insbesondere zum Einsatz in Webmaschinen zur Überwachung der Fadenankunft und/oder in Filteranlagen zur Reststaubüberwachung.

[0002] Stand der Technik zur Erfassung der Fadenankunft ist der Einsatz eines optischen Lichtschrankensystems. Aufgabe der Lichtschranke ist die Kontrolle der Fadenankunft, d.h. das Erkennen des exakten Zeitpunktes der Fadenankunft an einem definierten Ort. Das Sensorsignal ist Bestandteil des Webprozesses und löst einen Stopp-Befehl des Fadentransports aus. Nachteilig ist der Umstand, dass keine gleichzeitige präzise Geschwindigkeitsmessung ausgeführt werden kann. Der Hauptnachteil besteht jedoch darin, dass die Anbringung des Lichtschrankensystems eine zwangsläufige Teilung des Reeds der Webmaschine erfordert, was mit erheblichem Mehraufwand verbunden ist.

[0003] Es wurden bereits ein Verfahren zur berührungslosen Kontrolle der Dicke einer auf ein Gam aufgebrachten Präparationsschicht und eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens vorgeschlagen, bei dem mithilfe einer Zeitbereichs-FrequenzbereichsTransformation aus dem Ladungsspektrum eine der Geschwindigkeit proportionale Grundfrequenz gefiltert wird. Dabei entsteht ein kontinuierliches Messsignal durch den Fadenlauf. Ein am Sensor, einer Streifenleiteranordnung, genannt Sensorkamm, sich vorbei bewegender Staubpartikel generiert aber nur eine kurze Impulsfolge. Aus dieser kurzen Impulsfolge eines einzelnen Partikels kann die Grundfrequenz kaum und vor allem nicht in Echtzeit bestimmt werden. Bei bestimmten Materialien kommt es zur fehlerhaften Sensormeldung. Ursache für diese Fehler sind Flusen, also kleine Staubpartikel, die sich im Fadenkanal (Reed-channel) bewegen und ein "Sensorsignal" generieren und somit irrtümlich die Ankunft signalisieren.

[0004] Aufgabe der Erfindung ist es, eine Faden-Flusen-Staubsensor-Anordnung zu entwickeln, die berührungslos die Erfassung der Ladung von sich vorbei bewegenden Fäden, Staubund/oder Flusen-Partikeln ermöglicht, die Geschwindigkeit mithilfe des beschriebenen Verfahrens berechnen kann und darüber hinaus auch eine schnelle, d.h. in wenigen Millisekunden getroffene, Unterscheidung zwischen Faden und Flusen (Staubpartikeln) erlaubt.

[0005] Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale des Hauptanspruchs gelöst. Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen dargestellt.

[0006] Der Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die erfindungsgemäße Faden-Flusen-Staubsensor-Anordnung auch für staubbelastete Umgebungen und/oder stauberzeugende Materialien eingesetzt werden kann und dass neben der Messung der Geschwindigkeit auch eine Erfassung von weiteren Störzuständen z.B. bei Webprozessen, z.B. zur Unterscheidung von Faden und Flusen, oder zur Feststellung eines gestörten Fadenlaufes (bezeichnet als Knäuelbildung) oder eines Fadenrisses möglich ist. Darüber hinaus eignet sich die Faden-Flusen-Staubsensor-Anordnung auch zur Kontrolle des Staubgehaltes in strömenden Gasen. Gegenüber herkömmlichen Verfahren kann gleichzeitig die Geschwindigkeit der Staubpartikel und damit annähernd die Gasströmungsgeschwindigkeit gemessen werden.

[0007] Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert. Die dazugehörige Zeichnung zeigt

Fig. 1:

die Struktur des Programmablaufs einer Faden-Flusen-Staubsensor-Anordnung,

Fig. 2:

das Blockschaltbild einer Faden-Flusen-Staubsensors-Anordnung,

Fig. 3:

Ausführungsformen von Sensorkämmen und eine Doppelkammanordnung

Fig. 4:

den prinzipiellen Aufbau eines Staubfilters mit einer Faden-Flusen-StaubsensorAnordnung.

[0008] Als Ladungssensoren dienen im Ausführungsbeispiel grundsätzlich bekannte Streifenleiteranordnungen, genannt Sensorkämme. Durch die Wirkung des elektrischen Feldes zwischen Partikel und den einzelnen Streifenleitern des Sensorkamms entsteht eine Ladungsverschiebung (Influenz) im Sensorkamm. Infolge der Partikelbewegung erzeugt diese Ladungsverschiebung ein Ladungsspektrum im Zeitbereich. Infolge der hohen Empfindlichkeit der Sensoranordnung gegenüber Staubpartikeln eignet sich die Anordnung auch zur Detektion von Staubpartikeln in strömenden Gasen. Dazu eignet sich insbesondere die erfindungsgemäße Doppelkammanordnung.

[0009] In Figur 1 ist die Struktur eines möglichen Programmablaufs zur Initialisierung und Auswertung einer Faden-Flusen-Staubsensor-Anordnung dargestellt. Varianten des Programmablaufes, z.B. durch Auslassen von bestimmten Abfragen und Unterroutinen sind möglich. Der Ablauf erfolgt folgendermaßen:

Vor dem Start des Programms können prinzipielle Einstellung vorgenommen, gespeichert oder ausgelesen werden. Zu diesen Einstellungen zählen die prozessbedingten Verzögerungs- und Wartezeiten. Der eigentliche Auswerteprozess beginnt mit dem Punkt Start. Das Programm wartet anschließend auf das Startsignal der Maschine (Faden-Start).

[0010] Nach erfolgtem Startsignal wird der Timer aktiviert. Nach einer im Initialisierungsmodus definierten Zeitspanne und keinem Sensorsignal wird an dieser Stelle der fehlerhafte Fadenlauf, Fehler 1, detektiert. Der Programmablauf wird weiter verfolgt, wenn innerhalb der Zeitspanne zuerst am Sensorkamm K1 und anschließend am Sensorkamm K2 ein Ladungssignal registriert wird. Mithilfe der Zeitdifferenz zwischen den Kammsignalen kann eine Geschwindigkeitsabschätzung erfolgen (V_Grob) Weiterhin überprüft das Ablaufprogramm, die Gleichzeitigkeit des Sensorsignals an beiden Sensorkämmen K1 und K2 (K1 & K2) oder den Fall, das die Sensorkämme K1 und K2 nacheinander ein Signal detektieren (K1\ & K2). Aus dieser Überprüfung wird das erste Kriterium zur Unterscheidung Faden oder Flusen gewonnen. Das zweite Kriterium wird aus der Geschwindigkeitsabschätzung und dem Vergleich mit einer vorher abgespeicherten Maximalgeschwindigkeit gewonnen, Fehler 2. Zusätzlich kann der Fadenabriss nach gegebenem Stoppsignal detektiert werden, Fehler 3. Für eine sichere Prozessführung stellt die Faden-Flusen-Staubsensor-Anordnung also den Unterschied zwischen Faden und Flusen mittels zweier Kriterien fest:

Kriterium 1:

Gleichzeitigkeit der Signale an Sensorkamm K1 und Sensorkamm K2. Ein Flusen erzeugt ein Signal nur an einem Sensorkamm K1 oder K2.

Kriterium 2:

Zeitunterschied zwischen Signal von Sensorkamm K1 und Sensorkamm K2. Die Flusen bewegen sich deutlich schneller als der Webfaden.

[0011] Die wichtigste Entscheidung der Faden-Flusen-Staubsensor-Anordnung, Faden oder Flusen, wird durch diese zwei Kriterien überprüft, wodurch eine hohe Zuverlässigkeit für die Unterscheidung erreicht wird. Alle weiteren Fehlersignale sind zusätzliche Informationen. Gleichzeitig kann mittels der Faden-Flusen-Staubsensor-Anordnung eine präzise Geschwindigkeitsmessung mittel Zeitbereichs-Frequenzbereichstransformation und Auswertung der Grundfrequenz realisiert werden.

[0012] Figur 2 zeigt das Blockschaltbild einer Faden-Flusen-Staubsensor-Anordnung. Sie besteht aus mindestens einer Doppelkammanordnung 1 mit zwei hintereinander angeordneten Sensorkämmen K1 und K2, wobei jedem Sensorkamm K1 und K2 ein Vorverstärker 2 zugeordnet ist. Die beiden Sensorkämme K1 und K2 dienen der Ladungsdetektion mittels Influenz.

[0013] Der Doppelkammanordnung 1 ist über ein Analogteil 3 ein Digitalteil 4 nachgeschaltet. Die Kammstrukturen, bestehen aus je zwei ineinander gesetzten Sensorkämmen K1 und K2. Die beiden Vorverstärker 2 (z.B. TLC072DGN) befinden sich mit auf einer Sensorplatine. Der Analogteil 3 besteht aus zwei Instrumentationsverstärkern 5, z.B. aus zwei Instrumentationsverstärkern vom Typ INA2128AU mit programmierbaren Potentiometern zur Einstellung der Verstärkung und der Schaltschwellen zweier Schmitt-Trigger 6.

[0014] Den Kern des Digitalteils 4 bildet zum Beispiel ein Mikroprozessor 7, z.B. einer vom Typ ATMega324p, der mit einem Display 8, z.B. einem LCD-Display, verbunden ist. Er dient der Signalauswertung. Für die Kommunikation mit dem Mikroprozessor 7 sind eine Schnittstelle 9, z.B. eine RS-232 Schnittstelle, und ein Programmiereingang 10 angeordnet. Die gesamte Elektronik kann auch mit Hilfe eines oder mehrerer ASICs (AnwendungsSpezifischer Integrierter Schaltkreis) realisiert werden.

[0015] Die beiden Sensorkämme K1 und K2, Figur 3, liegen in diesem Ausführungsbeispiel in Bewegungsrichtung der zu detektierenden Objekte hintereinander. Die Front-end Elektronik zur Signalauswertung und Aufbereitung muss relativ dicht an den Sensorkämmen K1 und K2 angebracht werden. Die Sensoranordnung bzw. die Doppelkammanordnung 1 wird von oben und an jeder beliebigen Stelle in den Fadenkanal eingepasst, die Sensorkämme K1 und K2 können streifen- oder zylinderförmig ausgebildet sein. In Figur 3 sind drei Varianten der Sensorkämme K1 und K2, die in einer Doppelkammanordnung 1 gleichartig ausgebildet sind, und die dazugehörige Vorverstärkerelektronik dargestellt. In Abhängigkeit des jeweiligen Einsatzes können sowohl der Abstand und die Breite der Streifen beider Sensorkämme K1 und K2 als auch der Abstand und die Breite der Streifen innerhalb eines Sensorkammes K1 oder K2 variieren.

[0016] Zur Unterscheidung zwischen Faden und Flusen genügt die Auswertung der Ladungssignale mittels Schwellwertschalter (Komparator). Es wird dabei der Unterschied zwischen "Signal" und "kein Signal" ausgewertet. Die Schwellen für die Entscheidung "Signal" und "Kein Signal" sind variabel und in der beschriebenen Ausführungsform programmierbar. Auf die Auswertung des Ladungsspektrums wird vorerst verzichtet, diese kann jedoch zusätzlich erfolgen. Der Verzicht der Spektrumsauswertung reduziert den Schaltungsaufwand für den Einsatzfall deutlich.

[0017] Die erfindungsgemäße Faden-Flusen-Staubsensor-Anordnung bietet gegenüber dem Stand der Technik mehrere Vorteile. Die Kammanordnung ist relativ unempfindlich gegenüber Schmutzansammlung und sie bietet eine gleichzeitige Aufnahme der Gasgeschwindigkeit. Das kann einerseits mithilfe der Zeitmessung durch die Sensorkämme und Auswertung und andererseits durch Auswertung des Ladungsspektrums erfolgen. Durch die Kombination von Partikelanzahl- und Geschwindigkeitsmessung und einer Datenbasis hinsichtlich des Zusammenhangs zwischen Ladungsspektrum und Partikelgröße/Partikelmasse, ist ein direkter Rückschluss auf den Staubgehalt pro Volumeneinheit möglich.

[0018] In den Figur 4 ist der prinzipielle Aufbau eines Staubfilters mit einer Faden-Flusen-Staubsensor-Anordnung dargestellt. Eine Filterkartusche 11 des Staubfilter filtert Partikel aus einem Schmutzluftstrom 12 der von der Rohgasseite zur Reingasseite den Staubfilter durchströmt. Die auf der Reingasseite noch im Reinluftstrom 13 enthaltenen Staubpartikel erzeugen am Reststaubsensor (wie oben beschrieben, mit Doppelkammanordnung 1) Ladungsimpulse. Mit Hilfe einer Datenbasis kann auf die Größe und somit auf die Masse der detektierten Staubpartikel geschlossen werden. Zusätzlich wird über das oben beschriebene Verfahren die Partikelgeschwindigkeit und somit die Luftgeschwindigkeit bestimmt. Bei geringer Partikelkonzentration erfolgt die Geschwindigkeitsbestimmung mit Hilfe der Doppelkammanordnung 1, bei höherer Partikelkonzentration kann die Zeitbereichs-Frequenzbereichs-Transformation aus dem Ladungsspektrum genutzt werden.

[0019] Die Reststaubkontrolle ist in der holzverarbeitenden Industrie für luftrückführende Filteranlagen seit 2008 gesetzlich vorgeschrieben. Die Überwachungspflicht für weitere Industriezweige wird erwartet. Zur Kontrolle des Staubgehaltes eignen sich verschieden Sensorprinzipien. Eine grundsätzliche Unterscheidung kann in optische Verfahren und Verfahren mit Ladungsauswertung getroffen werden. Bei den optischen Verfahren werden Streulicht und Durchlichtdetektoren verwendet. Sie erzielen eine hohe Präzision bei hohem Kostenaufwand. Die Überwachung des Partikel- und Staubgehaltes der Reingasseite einer Lüftungs- bzw. Filteranlage wird vorzugsweise mittels des triboelektrischen Effektes durchgeführt. Der Einsatz triboelektrischer Sensoren ist kostengünstig und Stand der Technik. Beim triboelektrischen Effekt findet ein Ladungsaustausch zwischen Partikel und Sensor statt. Der Sensor zeichnet somit die Partikelberührung an einem Sensorstab aus Metall durch Impulse auf. Es entsteht eine Zählimpulsfolge. Ein Zusammenhang zum Reststaubgehalt (Einheit mg/m³) kann nur über Umwege hergestellt werden. Dafür sind zusätzliche Informationen nötig, nämlich der Volumenstrom der Luft (Strömungsgeschwindigkeit und Rohrvolumen) und die mittlere Masse der Partikel.

Aufstellung der Bezugszeichen

[0020] 

1

Doppelkammanordnung

2

Vorverstärker

3

Analogteil

4

Digitalteil

5

Instrumentationsverstärker

6

Schmitt-Trigger

7

Mikroprozessor

8

Display

9

Schnittstelle

10

Programmiereingang

11

Filterkartusche

12

Schmutzluftstrom

13

Reinluftstrom

K1

erster Sensorkamm

K2

zweiter Sensorkamm

Ansprüche

1. Faden-Flusen-Staubsensor-Anordnung unter Verwendung eines Sensorkammes, dadurch gekennzeichnet, dass sie aus mindestens einer Doppelkammanordnung (1) mit zwei hintereinander angeordneten Sensorkämmen (K1; K2) besteht, wobei jedem Sensorkamm (K1; K2) ein Vorverstärker (2) zugeordnet ist.

2. Faden-Flusen-Staubsensor-Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Doppelkammeranordnung (1) über ein Analogteil (3) ein Digitalteil (4) nachgeschaltet ist, dass der Analogteil (3) aus zwei Instrumentationsverstärkern (5) mit je einem Schmitt-Trigger (6) besteht und dass der Digitalteil (4) einen Mikroprozessor (7) enthält, der mit einem Display (8) und einem Programmiereingang (10) verbunden ist und eine Schnittstelle (9) aufweist.

3. Faden-Flusen-Staubsensor-Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Vorverstärker (2) auf der Sensorplatine der Doppelkammanordnung (1) angeordnet sind.

4. Faden-Flusen-Staubsensor-Anordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil der Komponenten Analogteil (3), Digitalteil (4), Instrumentationsverstärker (5), Schmitt-Trigger (6), Mikroprozessor (7),
Schnittstelle (9) und Programmiereingang (10) oder alle Komponenten als anwendungsspezifischer Schaltkreis (ASIC) integriert ausgeführt und auf der Sensorplatine angeordnet ist.

5. Faden-Flusen-Staubsensor-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorkämme (K1; K2) streifenförmig sind.

6. Faden-Flusen-Staubsensor-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorkämme (K1; K2) zylinderförmig sind.

7. Faden-Flusen-Staubsensor-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit des jeweiligen Einsatzes der Abstand und die Breite der Streifen der Sensorkämme (K1; K2) variieren.

8. Faden-Flusen-Staubsensor-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand und die Breite der Streifen der
Sensorkämme (K1; K2) innerhalb eines Sensorkammes (K1; K2) variieren.

Zeichnung