Betriebsmeßtechnik in der Textilerzeugung und -veredlung PDF
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Fachberichte Messen, Steuern, Regeln Band 1: Automatisierungstechnik im Wandel durch Mikroprozessoren INTERKAMA-Kongreß 1977 Herausgegeben von M. Syrbe, B. Will X, 675 Seiten. 1977 Band 2: Entwurf digitaler Steuerungen. Ein Kolloquiumsbericht Herausgegeben von K. H. Fasol VI, 250 Seiten. 1979 Band 3: M. Cremer: Der Verkehrsfluß auf Schnellstraßen. Modelle, Überwachung, Regelung. XVI, 203 Seiten. 1979 Band 4: Wege zu sehr fortgeschrittenen Handhabungssystemen Herausgegeben von H. SteuslotT VI, 205 Seiten. 1980 Band 5: Meß-und Automatisierungstechnik - Technologien, Verfahren, Ziele INTERKAMA-Kongreß 1980 Herausgegeben von D. Ernst und M. Thoma XI, 863 Seiten. 1980 Band 6: H. G. Jacob: Rechnergestützte Optimierung statischer und dynamischer Systeme - Beispiele mit FORTRAN-Programmen. XII, 229 Seiten. 1982 Band 7: J. P. Foith t: Intelligente Bildsensoren zum Sichten, Handhaben, Steuern und Regeln IX, 196 Seiten. 1982 Band 8: A. Korn: Bildverarbeitung durch das visuelle System VIII, 185 Seiten. 1982 Band 9: Sehr fortgeschrittene Handhabungssysteme - Ergebnisse und Anwendung Herausgegeben von P. J. Becker Band 10: Fortschritte durch digitale Meß- und Automatisierungstechnik INTERKAMA-Kongreß 1983 Herausgegeben von M. Syrbe und M. Thoma XV, 791 Seiten. 1983 Band 11: K.-F. Kraiss: Fahrzeug-und Prozeßftihrung Kognitives Verhalten des Menschen und Entscheidungshilfen VI, 138 Seiten. 1985 Band 12: Sensoren in der textilen Meßtechnik Herausgegeben von E. Schollmeyer und E. A. Hemmer X, 425 Seiten. 1985 Fachberichte Messen · Steuern · Regeln Herausgegeben von M. Syrbe und M. Thoma 16 Betriebsmeßtechnik in der Textilerzeugung und -veredlung Herausgegeben von E. Schollmeyer, D. Knittel und E. A. Hemmer Springer-Verlag Berlin Heidelberg NewYork London Paris Tokyo 1988 Wissenschaftlicher Beirat: G. Eifert, D. Ernst, E. D. Gilles, E. Kollmann, B. Will Herausgeber: Professor Dr. Eckhard Schollmeyer Priv. Doz. Dr. Dierk Knittel Deutsches Textilforschungszentrum Nord-West e.v. Institut für textile Meßtechnik Frankenring 2 4150 Krefeld 1 Professor Dr. Ernst Arnold Hemmer Universität - G H - Duisburg Fachbereich 6, Fachgebiet Physikalische Chemie Lotharstraße 1 4100 Duisburg ISBN 978-3-540-18917-6 ISBN 978-3-642-52300-7 (eBook) DOI 10.1007/978-3-642-52300-7 Das \\erk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Übersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funk sendung, der Mikroverfilmung oder der Vervielf!iltigung auf anderen Wegen und der Speicherqng in Datenverarbeitungsanlagen bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfliltigung dieses Werkes odervon Teilen dieses Werkes ist auch im einzelfall nurin den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland vom 9. September 1965 in der Fassung vom 24. Juni 1985 zulässig. Sie istgrundsätzlich vergütungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes. © Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1988 Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annnahme,daß solche Namen im Sinne der Warenzeichen-und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Sollte in diesem Werk direkt oderindnirektaufGesetze, Vorschriften oder Richtlinien (z. B. DIN, VDI, VDE) Bezug genommen oder aus ihnen zitiert worden sein, so kann der Verlag keine Gewähr rur Richtigkeit, Vollständigkeit oder Aktualität übernehmen. Es empfiehlt sich, gegebenenfalls rur die eigenen Arbeiten die vollständigen Vorschriften oder Richtlinien in derjeweils gültigen Fassung hin zuzuziehen. 2160/3020-543210 Herrn Mathias Schek, Geschäftsführer der TAG Textilausrüstungs Gesellschaft Schroers GmbH & Co. KG, Krefeld, der al s Vorsitzender des Vorstandes des Deutschen Textilforschungszentrums Nord-West die Forschungsarbeit stets wohlwollend gefördert hat, herzlich gewidmet. Vorwort Das 3. Symposium für textiles Meß- und Prüfwesen hatte die Zielsetzung, über die "Betriebsmeßtechnik" in der Textilerzeugung und -veredlung zu informieren. Ein Betrieb ist nach unserem Verständnis eine Anlage, die zur Her stellung eines bestimmten Endproduktes mit definierten Eigenschaften dient. Hierzu gehören die eigentliche Prozeßeinheit, in der die erfor derlichen chemischen und physikalischen Prozesse durchgeführt werden, aber auch die Nebeneinheiten, die sicherstellen, daß bestimmte Eigen schaften des erzeugten Produktes gewährleistet sind. Zu einem Betrieb gehören damit auch Labors, in denen die Eingangskontrollen, sowie Labors, in denen die Ausgangskontrollen zur Qualitätssicherung durchgeführt werden. Die Abb. 1 soll diesen Sachverhalt schematisch darstellen. Energie End- produkt Eingang ProzefJeinheit Umwolt 1 I I I f I I Labor I I Labor Abb. 1: Schematische Darstellung eines Betriebs. VI Oie Betriebsmeßtechnik kann man unterteilen in: - Qualitätsmeßtechnik und - Prozeßmeßtechnik. Oie Qualitätsmeßtechnik muß gewährleisten, daß die Einsatzprodukte in der erforderlichen Qualität in die Prozeßeinheit eingebracht werden. Hierzu gehört z.B. die qualitative und quantitative Erfassung einer aufge brachten Schlichte. Oie Qualitätsmeßtechnik muß aber auch überprüfen, ob das Endprodukt die gewünschten Eigenschaften wie z.B. vorgegebene Farbkoordina ten oder garantierte Festigkeiten besitzt. Ferner muß durch sie sicher gestellt werden, daß an die Umwelt abgegebene Stoffe den Richtlinien der Aufsichtsbehörden entsprechen. Für Kalkulationszwecke müssen auch die zuge führten und teilweise wieder abgeführten Energien erfaßt werden. Oie Prozeßmeßtechnik befaßt sich mit der Bestimmung der Parameter, die für den einwandfreien Prozeßablauf erforderlich sind. Solche Para meter sind z.B. Beispiel: Temperatur, Druck, Volumen, Konzentrationen bzw. Stoffmengen oder mechanische Spannung. Wichtiges Kriterium ist, daß die Meßeinrichtungen beim Einsatz in der Produktion, wo man Stör einflüsse von der Anlage her nicht vollständig ausschalten kann, verläßliche Werte liefern. Es hat wenig Sinn, die Meßgenauigkeit extrem hoch zu treiben, wenn darunter die Robustheit leidet. Weiter ist es notwendig, daß die Meßwerte über gewisse Entfernungen zu den Anzeige- bzw. Registriereinheiten in einer zentralen Meßwarte über- tragen werden können und man sie von dort aus zur Steuerung oder Regelung des Prozeßablaufs einsetzen kann. Hierzu benötigt man elek trische oder pneumatische Hilfsenergien. Ferner ist es erforderlich, Meß geräte zusätzlich zu installieren, die beim Ausfall dieser Hilfsenergien noch funktionstüchtig bleiben. Weiter ist eine Strategie notwendig, die die Funktionstüchtigkeit der Meßeinrichtungen garantiert. Oie Auswahl der Meß einrichtungen hängt sehr davon ab, ob der Prozeß kontinuierlich oder im Batch-Betrieb durchgeführt wird. In der Abb. 2 sind die Funktionselemente einer Meßeinrichtung nach VDI/VDE 2600 schematisch dargestellt [1]. VII I - - - - - - - -r-------,- - - - -------, . I I HilIsgeräte I I ..... .- -.. I -... -... I -.. I -.. I Messignal Messignal Aufnehmen Anpassen Ausgeben Rückwirkung Rück wirkung Aufnehmer Anpasser Ausgeber Messeinrichtung Abb. 2: Funktionselemente einer Meßeinrichtung nach VDI/VDE 2600 [1]. Man ersieht hieraus, daß die Wahl des Aufnehmers (Sensor) von aus schlaggebender Bedeutung ist, denn die Art des Sensors legt fest, welche Aussagekraft das Meßsignal besitzt. Man versteht unter der Sensortechnik den gesamten Komplex der Ein richtungen zur Aufnahme von Informationen aus der (meist technischen) Umwelt. Damit reicht die Spannweite der Sensorik vom Meßfühler und Aufnehmer bis zur Meßeinrichtung in digitaler Verarbeitungselektronik einschließlich Prozessor und Software, wobei in die Software auch Forderungen aus der Verfahrentechnik einfließen sollten. Für das Meßprinzip werden charakteristische physikalisch-chemische Erscheinungen benutzt. Beispielsweise ist die Meßgröße Temperatur durch das Meßprinzip Längenausdehnung, thermoelektrischer Effekt, Strahlungsemmission, Änderung des elektrischen Widerstands, magneti sche Suszeptibilität u.a. erfaßbar. Vorrang hat in der textilen Meßtechnik stets die berührungslose und zerstörungsfreie in-situ-Messung in laufenden Prozessen. Das Beispiel der Bestimmung der aufgeklotzten Farbstoffmenge nach dem Foulardieren VIII soll einige Schwierigkeiten der textilen Meßtechnik verdeutlichen: Mit Hilfe der Messung der Mikrowellenabsorption ist die aufgenommenen Wassermenge bestimmbar, die Messung der ß-Strahlenabsorption gibt die aufgeklotzte Gesamtmasse wieder. Man hat somit nur ein Maß für die Farbstoffmenge. Im ersten Fall nimmt man diese proportional zur aufge nommenen Wassermenge und im letzteren proportional zur aufgeklotzten Gesamtmasse an. Erwüns cht ist aber ein Sensor, der den Farbstoff selektiverfaßt und ein konzentrationsproportionales Meßsignal erzeugt. Hier bietet sich die Reflexionsmessung an. Bei dieser Meßmethodik hat man aber keine Aussage über die Eindringtiefe des Meßstrahles, das Ergebnis ist somit nur ein Maß für die Farbstoffkonzentration in Oberflächennähe. Ausgangspunkt für die Gestaltung von Prozeßmeßtechniken ist stets die Ver fahrenstechnik der Textilerzeugung und -veredlung. Die Verfahrenstechnik z.B. der Textilveredlung behandelt die physikalischen und chemischen Wir kungen von Behandlungsmaschinen (z.B. Spannmaschine, Foulard), Behandlungs medien (z.B. Luft, Wasser) und Veredlungsmitteln (z.B. Farbstoff, Antista tikum) auf das Textilgut. Ihre Zielsetzung ist es, sicherzustellen, daß das gewünschte Veredlungsergebnis in reproduzierbarer Qualität kostengünstig und umweltfreundlich erhalten wird. Ziel jeder verfahrenstechnischen Forschung ist die Erkennung und funktionelle Beschreibung zwischen Textilgutzustands änderungen und deren Einflußgrößen. Nur bei genauer Kenntnis dieses Zusam menhangs lassen sich die Anforderungen an Meßverfahren und gegebenenfalls Steuer- und Regelvorschriften ableiten. Dabei sind in der Textilerzeugung und -veredlung eine Vielzahl von Grundvor gängen zu berücksichtigen; beispielsweise wird der Verfahrensschritt Wa schen, der auf die Verfahrenselemente Trocknen, Quetschen und Spritzen zurückgeführt werden kann, durch eine Vielzahl von Grundvorgängen beschrie ben. Beispiele dafür sind das Netzen, Durchströmen, Verdünnen, Schrumpfen, Stauchen, Breitführen, Transportieren, Komprimieren. Nur dann, wenn die Einflüsse der einzelnen Grundvorgänge auf den Verfahrensschritt bekannt sind, lassen sich die Anforderungen an neue Meßverfahren formulieren. Dabei sind die Meßgröße, das Meßprinzip und die Meßgenauigkeit exakt festzulegen. Textile Meßtechniken und Verfahrenstechnik sind nie getrennt voneinander zu sehen. In dem vorliegenden Tagungsband des 3. Symposiums für textiles Meß- und Prüfwesen werden den Orginalbeiträgen drei Obersichtsartikel zur Einführung und Ergänzung vorangestellt. Der erste Artikel beschäftigt sich kurz mit der Bestimmung der grundlegenden thermodynamischen Prozeßgrößen Temperatur, Druck und Volumen. Der zweite Artikel befaßt sich mit ausgewählten Kapiteln der textilen Meßtechnik. In dem dritten Artikel werden elektrochemische Sensoren und elektrochemische Methoden in umfangreichem Maße dargestellt. Die Herausgeber dieses Buches danken im Namen des Deutschen Textilfor schungszentrums Nord-West e.V. allen, die zum Gelingen der Tagung beige tragen haben. Dieser Dank gilt besonders den Vortragenden und Frau Renate Wißfeld für die gewissenhafte Erstellung der Druckvorlagen. Literatur [1] E. Schollmeyer und E. A. Hemmer (Hrsg.): "Sensoren in der textilen Meßtechnik", Fachberichte Messen, Steuern, Regeln, Bd. 12. Springer Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, Tokyo 1985. Krefeld, im Dezember 1987 Eckhard Schollmeyer Dierk Knittel Ernst Arnold Hemmer Inhaltsverzeichnis Ausgewählte Kapitel der textilen Meßtechnik Bestimmung der thermodynamischen Meßgrößen Temperatur, Druck und Volumen 55 Elektrochemische Sensoren und elektrochemische Methoden 79 Lasermeßverfahren zur Steuerung textiler Prozesse 225 Entwicklungstendenzen chemischer Sensoren 275 Einsatzmöglichkeiten mechaniscner Sensoren 295 Qualitätskontrolle durch moderne Elektronik 305 Meß- und Stellgrößen beim Entschlichten 329 Meßtechnische Erfassung von Warentemperaturen bei thermischen Prozessen in der Textilveredlung 381 Messung des Langzeitverhaltens von beschichteten Geweben 399 Testmethoden in der Spinnerei 407 Messung des Abscheideverhaltens von Baumwollstaub 427
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