基于电容传感器的醋酸纤维含油率检测

吕汉明， 王晓叶， 马崇启

(1. 天津工业大学 纺织学院， 天津 300387； 2. 天津工业大学 教育部先进纺织复合材料重点实验室， 天津 300387)

基于电容传感器的醋酸纤维含油率检测

吕汉明1,2， 王晓叶1， 马崇启1,2

(1. 天津工业大学 纺织学院， 天津 300387； 2. 天津工业大学 教育部先进纺织复合材料重点实验室， 天津 300387)

为低成本在线检测醋酸纤维含油率，设计了醋酸纤维含油率在线测试实验装置，利用2个电容传感器(0号传感器和1号传感器)分别检测上油前后的醋酸纤维丝束，再根据2个传感器的输出电压差值计算纤维含油率。试验分2步进行：第1步为标定传感器；第2步为通过改变上油辊的转速改变醋酸纤维丝束所含的乳液量，并测试传感器输出电压的变化。结果表明：电容传感器的输出电压与无油纤维丝束的线密度成正比；对于一定浓度的乳液，1号电容传感器的输出电压与丝束携带的乳液量正相关。建立了含油率与2个电容传感器输出电压之间的二次函数关系式，应用该式估算的醋酸纤维含油率与烘干称重法得到的纤维含油率之差小于5.2%。

醋酸纤维； 含油率； 电容传感器； 在线检测

醋酸纤维在纺丝时需要对其进行上油处理,纤维含油率的大小会直接影响纤维的性能，检测纤维油剂含量对其质量控制有着极其重要的影响。

目前检测含油率的常用方法主要有萃取法、红外光谱分析法、核磁共振法、原子吸收法等。萃取法为标准测试方法，但耗时较长，检测过程中采用乙醚为溶剂，安全系数低[1]，工厂一般用萃取法来定期校准其他的测试仪器。红外光谱分析法具有效率高、结果精确且可无损伤分析等优点[2]，但测试仪器昂贵。核磁共振法可达到很高的灵敏度和精确度，对环境无污染[3]，且分析过程简单、迅速[4]。原子吸收法分析的结果精确，分析时间短[5]，测试结果受油剂中金属离子的制约，仪器昂贵且需要定期维护及清洗[6]。

忽略极板边缘效应，传感器的电容与测试槽内的纱线质量近似成正比，纱线上的疵点经过测试槽时，传感器电容量发生变化[7]。利用这一原理，乌斯特公司用电容传感器设计了条干不均匀测试仪[8]。文献[9]利用电容性温湿度传感器设计了一套含水率的在线检测系统，可根据电容的大小计算织物含水率。

本文利用电容传感器在线检测纤维含油率，该方法操作简单且成本较低，可较准确地实时检测醋酸纤维含油率。试验中所用醋酸纤维束由300根线密度为0.33 tex的醋酸纤维长丝组成。

1 试验部分

1.1 试验原理

不同介质对传感器电容的影响程度不同。电容传感器测试槽内介质成分、各成分的体积分数发生变化时，其电容量会发生相应变化。利用这一原理检测醋酸纤维上油前后2个电容传感器的输出信号，并将传感器的电容变化转换为电压的变化，估算介质各成分含量。

1.2 试验装置

图1示出试验装置结构原理图。如图所示，纤维丝束由筒子被动退绕下之后依次经过2个张力器，进入电容传感器(称为0号传感器)的测试槽，经过上油辊之后进入第2个电容传感器(称为1号传感器)测试槽内，穿过导纱圈和移动导纱器后平行卷绕在纱线框上。其中，2个电容传感器固定在同一水平高度，保证每次丝束经过传感器测试槽的位置相同，为能及时检测上过油剂的纤维束，电容传感器安装在紧邻上油槽两侧的位置；上油辊通过联轴器与伺服电动机相连接，由Kinco伺服上位机调试软件控制伺服电动机来调节上油辊的转速；移动导纱器可平行于卷纱框轴线方向匀速移动，防止丝束在卷纱框上重叠卷绕；卷纱框的转速为100 r/min，周长为1 m。

注：1—醋酸纤维丝束；2—张力器1；3—张力器2；4—0号传感器；5—上油辊；6—上油槽；7—1号传感器；8—导纱圈；9—移动导纱器；10—卷纱框。图1 醋酸纤维含油率在线检测试验装置结构原理图Fig.1 Structure schematic diagram of equipment for cellulose acetate fiber oil content online test

1.3 传感器标定

接通电源，使传感器预热0.5 h。测试2个传感器测试槽内不含纤维时的输出电压，分别命名为0号传感器空气电压U0-0和1号传感器空气电压U1-0。准备30组不同根数的无油醋酸纤维长丝，取其中一组使其匀速穿过2个电容传感器的测试槽，同时检测2个传感器的输出电压；以相同的方法测试其他组的醋酸纤维长丝，得到不同纤维根数的醋酸纤维长丝对应的2个传感器的输出电压，分别命名为0号传感器测试电压U0-i和1号传感器测试电压U1-i。其中i是第i组测试，i∈[1,30]。

标定过程中纤维引起的电压变化，称为标定纤维电压U0-BD-i和U1-BD-i。

(1)

(2)

1.4 纤维含油率在线测试

测试开始前位于上油辊及卷纱框之间的醋酸纤维丝束无法上油，因此要在卷纱框卷过2圈后再检测传感器的输出信号。测试后取样时去掉这段未上油的纤维。0号传感器检测未上油的醋酸纤维丝束，1号传感器检测上油的醋酸纤维丝束。

1.4.1 电容传感器的含油纤维电压检测

用ST90油剂与去离子水按比例配制成含量为6%的乳液。将制备好的乳液倒入上油槽中，设定上油辊转速，打开卷纱框开关，开始检测纤维上油前后经过传感器测试槽时传感器的输出电压，分别记为0号传感器输出电压U0-j和1号传感器输出电压U1-j，j代表上油辊的转速，j∈[40,45,50,…，100]。

测试过程中持续向上油槽中注入相同浓度的乳液，使其持续溢出以保证上油槽内液面保持在同一水平面。测试完成后从卷纱框上取下检测的200 m含油纤维垂直悬挂1 h后放入培养皿。

由纤维引起的电压称为纤维电压，分为无油纤维电压和含油纤维电压。

0号传感器的无油纤维电压为

(3)

1号传感器的含油纤维电压为

(4)

在测试过程中，上油辊转动会形成高湿气流，使得传感器的空气电压偏高，但是本文式(3)、(4)中减去的是上油辊转速为0时的空气电压，所以得到的纤维电压值其实是纤维与高湿气流及气流中的水蒸气共同产生的电压。

1.4.2 干态纤维质量

无油纤维干态质量为

(5)

含油纤维干态质量为

(6)

纤维上附着的油剂质量为

(7)

纤维在上油辊转速为j时的含油率为

(8)

2 测试结果

2.1 传感器标定结果

图2示出30个试样的标定纤维电压拟合结果。由图可知，2个传感器的输出信号呈线性关系。那么在测试含油纤维的过程中利用图2中的线性关系根据0号传感器的无油纤维电压可计算出相应状态下1号传感器的无油纤维电压。

图2 传感器标定结果Fig.2 Result of calibrating sensors

2.2 含油纤维在线测试结果

图3 传感器的纤维电压与上油辊转速的关系Fig.3 Relation between fibers voltage from sensors and speeds of oiling roller

图3示出纤维电压与上油辊转速的关系。如图所示，在一定范围内，随着上油辊转速增加，含油纤维电压比无油纤维电压的值增加得越来越大。对于0号传感器，随着上油辊转速增大，上油辊转动形成高湿气流，使传感器测试槽周围空气的湿度增大，同时加上高湿气流产生的较小的影响，导致检测的无油纤维电压偏高。对于1号传感器，上油辊转速增加时，纤维经过上油辊表面带走的乳液量增大，从而1号传感器的纤维电压增大，上油辊转动产生的高湿气流对1号传感器也有影响。图中横坐标为上油辊转速，纵坐标为2个传感器的纤维电压值。

上油辊转速增加时，由于乳液的表面张力及分子力的作用，上油辊表面的油膜厚度有所增加，纤维经过上油辊后附着在纤维表面的乳液增加，纤维含油率增大。如图4所示，随着上油辊转速增加，纤维含油率在一定范围内会增加。

图4 含油率与上油辊转速的关系Fig.4 Relation between oil content and speeds of oiling roller

纤维上带的乳液引起的电压增加量称为油剂电压。由图3、4可看出，油剂电压增大说明纤维上带的乳液量增大，即纤维含油率增大。图5示出纤维含油率与油剂电压之间呈正相关关系。

图5 纤维含油率与油剂电压的关系Fig.5 Relation between oil content and oil voltage

为分析测试过程中传感器输出信号的稳定性，表1列示出了上油辊转速不同时0号传感器及1号传感器所测试数据的CV值。数据表明，传感器输出电压的CV值偏小且有随上油辊转速增加而增加的趋势，特别是上油后的测试信号CV值，增加比较明显。由此推断，测试数据较稳定；当上油辊的转速增加时，乳液在丝束不同位置浸润量的变动有增大的趋势。进行进一步的试验及分析有助于研究上油辊转速对丝束平均含油率及其不同段内局部含油率稳定性的影响。

表1 测量数据的CV值

3 纤维含油率的估算

3.1 多项式模型

由图2可知，2个传感器标定纤维电压呈线性关系，设1号传感器对应的无油纤维电压为

(9)

式中a、b均为待定系数。

1号传感器的油剂电压为

(10)

Kausik等[10]指出，对于包含空气、水分、聚合物的三相混合物，有效介电常数与各组分的体积分数呈二次曲线关系，那么当电容器体积固定，纤维丝束体积分数不变时，介电常数与乳液含量呈二次曲线关系。由图5也可看出，纤维含油率与传感器的电压正相关。设纤维含油率ωj与油剂电压U1-Oil-j之间的关系为

(11)

式中c、d、e为待定系数。

将式(3)、(4)、(9)、(10)代入式(11)，得，

(12)

式中：m=U1-0-bU0-0+a；(U1-j-bU0-j-m)表示油剂电压。

当测试环境不变时，传感器预热一段时间后性能稳定，测得的空气电压基本不变，即认为U0-0和U1-0为常数。

令f为纤维含油率，x为0号传感器输出电压，y为1号传感器输出电压，式(12)可换算为

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

(13)

式中c、d、b、m、e为待定系数。

3.2 多项式验证

选取20组x、y、f的值，用1stOpt对式(13)进行拟合，结果如下：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。

综上，求得的多项式为

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列出用于拟合的x、y、f及测试的f值与根据式(14)计算f值的对比结果。

表2 用于拟合多项式(13)的数据

由表2可知，f的估计值与实测值的相对误差在0.578 20%至5.174 84%之间。该误差的产生可能有以下2种原因：1)对烘干的纤维束称量时纤维曝露在空气中的时间长短不同，使纤维有轻微的吸湿回潮，造成称量时引起误差；2)在退绕丝束时采用的张力控制比较简单，只采用了一支弹簧压线器(宝塔式张力器)，可能会造成试样长度上的较小差异，但是总体的相对误差较小，属于可接受的范围。

需要说明的是，当测试环境不同时，式(13)的拟合结果不同，所以对于一定的测试环境，应先根据测试传感器的测试电压，利用烘干称重法计算纤维的含油率及式(13)拟合出一个多项式，再根据该拟合多项式在线估测纤维含油率。实验表明，该测试方法效率高且估测值接近测试值。

4 结 论

1)当乳液浓度一定时，随着上油辊转速增大，纤维含油率在一定范围内增大。

2)纤维含油率与油剂电压在一定范围内正相关。

3)应用本文的方法及提出的多项式，可以较准确地在线检测醋酸纤维含油率。

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

国家自然科学基金项目(51003075；51403152)

吕汉明(1970—)，男，副教授，博士。主要研究方向为数字化纺织。E-mail: lvhanming@tjpu.edu.cn。

TS 141.8

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