基于電容傳感器的醋酸纖維含油率檢測

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

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)

為低成本在線檢測醋酸纖維含油率，設(shè)計(jì)了醋酸纖維含油率在線測試實(shí)驗(yàn)裝置，利用2個電容傳感器(0號傳感器和1號傳感器)分別檢測上油前后的醋酸纖維絲束，再根據(jù)2個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油纖維絲束的線密度成正比；對于一定濃度的乳液，1號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

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

目前檢測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)測試方法，但耗時較長，檢測過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定期校準(zhǔn)其他的測試儀器。紅外光譜分析法具有效率高、結(jié)果精確且可無損傷分析等優(yōu)點(diǎn)[2]，但測試儀器昂貴。核磁共振法可達(dá)到很高的靈敏度和精確度，對環(huán)境無污染[3]，且分析過程簡單、迅速[4]。原子吸收法分析的結(jié)果精確，分析時間短[5]，測試結(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)過測試槽時，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纖維含油率，該方法操作簡單且成本較低，可較準(zhǔn)確地實(shí)時檢測醋酸纖維含油率。試驗(yàn)中所用醋酸纖維束由300根線密度為0.33 tex的醋酸纖維長絲組成。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)原理

不同介質(zhì)對傳感器電容的影響程度不同。電容傳感器測試槽內(nèi)介質(zhì)成分、各成分的體積分?jǐn)?shù)發(fā)生變化時，其電容量會發(fā)生相應(yīng)變化。利用這一原理檢測醋酸纖維上油前后2個電容傳感器的輸出信號，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退繞下之后依次經(jīng)過2個張力器，進(jìn)入電容傳感器(稱為0號傳感器)的測試槽，經(jīng)過上油輥之后進(jìn)入第2個電容傳感器(稱為1號傳感器)測試槽內(nèi)，穿過導(dǎo)紗圈和移動導(dǎo)紗器后平行卷繞在紗線框上。其中，2個電容傳感器固定在同一水平高度，保證每次絲束經(jīng)過傳感器測試槽的位置相同，為能及時檢測上過油劑的纖維束，電容傳感器安裝在緊鄰上油槽兩側(cè)的位置；上油輥通過聯(lián)軸器與伺服電動機(jī)相連接，由Kinco伺服上位機(jī)調(diào)試軟件控制伺服電動機(jī)來調(diào)節(jié)上油輥的轉(zhuǎn)速；移動導(dǎo)紗器可平行于卷紗框軸線方向勻速移動，防止絲束在卷紗框上重疊卷繞；卷紗框的轉(zhuǎn)速為100 r/min，周長為1 m。

注：1—醋酸纖維絲束；2—張力器1；3—張力器2；4—0號傳感器；5—上油輥；6—上油槽；7—1號傳感器；8—導(dǎo)紗圈；9—移動導(dǎo)紗器；10—卷紗框。圖1 醋酸纖維含油率在線檢測試驗(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。測試2個傳感器測試槽內(nèi)不含纖維時的輸出電壓，分別命名為0號傳感器空氣電壓U0-0和1號傳感器空氣電壓U1-0。準(zhǔn)備30組不同根數(shù)的無油醋酸纖維長絲，取其中一組使其勻速穿過2個電容傳感器的測試槽，同時檢測2個傳感器的輸出電壓；以相同的方法測試其他組的醋酸纖維長絲，得到不同纖維根數(shù)的醋酸纖維長絲對應(yīng)的2個傳感器的輸出電壓，分別命名為0號傳感器測試電壓U0-i和1號傳感器測試電壓U1-i。其中i是第i組測試，i∈[1,30]。

標(biāo)定過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 纖維含油率在線測試

測試開始前位于上油輥及卷紗框之間的醋酸纖維絲束無法上油，因此要在卷紗框卷過2圈后再檢測傳感器的輸出信號。測試后取樣時去掉這段未上油的纖維。0號傳感器檢測未上油的醋酸纖維絲束，1號傳感器檢測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

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，打開卷紗框開關(guān)，開始檢測纖維上油前后經(jīng)過傳感器測試槽時傳感器的輸出電壓，分別記為0號傳感器輸出電壓U0-j和1號傳感器輸出電壓U1-j，j代表上油輥的轉(zhuǎn)速，j∈[40,45,50,…，100]。

測試過程中持續(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。測試完成后從卷紗框上取下檢測的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，分為無油纖維電壓和含油纖維電壓。

0號傳感器的無油纖維電壓為

(3)

1號傳感器的含油纖維電壓為

(4)

在測試過程中，上油輥轉(zhuǎn)動會形成高濕氣流，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時的含油率為

(8)

2 測試結(jié)果

2.1 傳感器標(biāo)定結(jié)果

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

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，含油纖維電壓比無油纖維電壓的值增加得越來越大。對于0號傳感器，隨著上油輥轉(zhuǎn)速增大，上油輥轉(zhuǎn)動形成高濕氣流，使傳感器測試槽周圍空氣的濕度增大，同時加上高濕氣流產(chǎn)生的較小的影響，導(dǎo)致檢測的無油纖維電壓偏高。對于1號傳感器，上油輥轉(zhuǎn)速增加時，纖維經(jīng)過上油輥表面帶走的乳液量增大，從而1號傳感器的纖維電壓增大，上油輥轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的高濕氣流對1號傳感器也有影響。圖中橫坐標(biāo)為上油輥轉(zhuǎn)速，縱坐標(biāo)為2個傳感器的纖維電壓值。

上油輥轉(zhuǎn)速增加時，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

為分析測試過程中傳感器輸出信號的穩(wěn)定性，表1列示出了上油輥轉(zhuǎn)速不同時0號傳感器及1號傳感器所測試數(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，特別是上油后的測試信號CV值，增加比較明顯。由此推斷，測試數(shù)據(jù)較穩(wěn)定；當(dāng)上油輥的轉(zhuǎn)速增加時，乳液在絲束不同位置浸潤量的變動有增大的趨勢。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個傳感器標(biāo)定纖維電壓呈線性關(guān)系，設(shè)1號傳感器對應(yīng)的無油纖維電壓為

(9)

式中a、b均為待定系數(shù)。

1號傳感器的油劑電壓為

(10)

Kausik等[10]指出，對于包含空氣、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，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)測試環(huán)境不變時，傳感器預(yù)熱一段時間后性能穩(wěn)定，測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號傳感器輸出電壓，y為1號傳感器輸出電壓，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及測試的f值與根據(jù)式(14)計(jì)算f值的對比結(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)測值的相對誤差在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)對烘干的纖維束稱量時纖維曝露在空氣中的時間長短不同，使纖維有輕微的吸濕回潮，造成稱量時引起誤差；2)在退繞絲束時采用的張力控制比較簡單，只采用了一支彈簧壓線器(寶塔式張力器)，可能會造成試樣長度上的較小差異，但是總體的相對誤差較小，屬于可接受的范圍。

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

4 結(jié) 論

1)當(dāng)乳液濃度一定時，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