Обоснование параметров процесса проведения испытаний при определении неровноты смешивания текстильных волокон емкостным методом

DOI:

На сегодняшний момент использование емкостного метода измерений находит широкое применение в различных отраслях науки и жизнедеятельности человека. Суть метода заключается в генерации между обкладками конденсатора электрического поля определённой частоты, помещении в него объекта контроля и определении физической величины через измерение электрической емкости, которая зависит от этой величины.

Например, в работе (Науменко, Темкин, 2023) для контроля износа моторного масла предложено использовать конденсатор с открытой областью пространства, контролируемым параметром является диэлектрическая проницаемость, на основании которой диагностируется кинематическая вязкость. Метод основан на том, что при частоте 500 Гц значение тангенса диэлектрических потерь образцов нового масла в 23,7–11,9 раз больше, чем при частоте 200 кГц, образцов отработанного масла – больше в 12,0–7,8 раз.

Емкостные датчики предлагается использовать для определения объёма жидкости в автомобильных баках и молокопроводах. В первом случае в ходе исследований доказано, что на частотах ниже 20 кГц взаимосвязь между емкостью конденсатора и объёмом измеряемой жидкости носит линейный характер (Колодкин, Серен-ков и Петрович, 2019). Во втором – подтверждено, что при использовании частот в диапазоне 750–950 кГц пропорциональна зависимость напряжения от объёма молока (Толпесов, Соловьев и Герасимова, 2025).

Интересный пример применения емкостного метода контроля в пищевой промышленности для оценки степени разделения структурных элементов коллагенсодержащей ткани емкостным способом описан в работе (Залуцкий, Котова и Поломошных, 2024). Для проведения эксперимента использовался конденсатор, обкладки которого были выполнены в виде иглообразных стальных электродов с никелевым покрытием.

На основе различия значений диэлектрической проницаемости у разных горных пород предложено использовать емкостной метод при разведке неоднородного горного массива (Бабиюк, Смекалкин и Пунтус, 2021).

В ряде случаев для получения необходимых исследователям данных емкостной метод сочетается с другими методами измерений. Например, совокупность емкостных измерений и физико-химических исследований позволила выявить необходимость предварительного механического и химического воздействия на фильтрующий материал (Мансуров и др., 2020).

На основании анализа источников можно сделать вывод о том, что емкостной метод находит применение в разнообразных процессах производства продукции и может быть использован в самых различных областях жизнедеятельности человека. Применение использование емкостного метода позволяет с достоверной точностью описывать изменение фиксируемого параметра объекта контроля, однако, данный процесс зачастую возможен только при правильно подобранных генерируемых между обкладками конденсатора частотах электромагнитного поля.

Емкостной метод измерений широко применяется и в текстильной промышленности, в первую очередь для определения неровноты пряжи и полуфабрикатов прядильного производства по линейной плотности и для выявления часто появляющихся пороков (Рыклин, Медвецкий, 2017). Применения данного метода на приборах Uster Tester и его аналогах основано на допущении о том, что существует линейная взаимосвязь массы участка волокнистого продукта, находящегося между пластинами измерительного конденсатора, и создаваемым сигналом, то есть сигнал от датчика прямо пропорционален массе отрезка продукта.

Регулярно публикуются работы, в которых при помощи прибора Uster Tester исследователи оценивают неровноту проб, полученных при различных режимах работы оборудования, в результате чего вырабатывают рекомендации по их оптимизации технологических процессов (Милеева, Казарновская, 2020; Махкамова, Матисмаилов, Валиева и Ражапов, 2019; Юсупова, 2025), предлагают методы подготовки текстильного волокна, позволяющие существенно снизить неровноту продук- тов прядения (Прохоренко и др., 2019), осуществляют оценку влияния вида исходного сырья на показатели качества полуфабрикатов и пряжи (Айтымбетов, Хожа-метова и Зайтбаев, 2025).

Одной из специфических задач, решаемых с применением емкостного метода измерений, является оценка неравномерности испытываемого материала по составу. Возможность применения данного метода для решения указанной задачи основана на том, что диэлектрические характеристики текстильных волокон зависят от природы и состава волокна и значительно снижаются с повышением частоты, о чем свидетельствуют многочисленные публикации (Almetwally and Elfowaty, 2025; Asanovic and al., 2021; Grujić, and al., 2021; Lv and Ma, 2013; Mukherjee, 2025;Wang, Liu, Yang, and Zhao, 2021). Данная закономерность напрямую связана с различной способностью волокон впитывать влагу из окружающей среды. Например, экспериментально показано, что диэлектрическая проницаемость вискозы и хлопка существенно превышает значение данного показателя для полиэфирного волокна.

Актуальность исследований по данной теме связана с постоянным расширением ассортимента материалов и повышением требований к качеству. Многообразие текстильных волокон является одной из основ создания широкого спектра материалов с заданными свойствами. Проектирование составов текстильных материалов основывается не только на информации о свойствах исходных компонентов, но и на предположении об их равномерном распределении в структуре изделий, так как наличие участков в полотне, состав которых существенно отличается от среднего (номинального), приводит к повышению неравномерности по физико-механическим, потребительским свойствам, а также сказывается на внешнем виде изделия.

Известно, что с увеличением количества смешиваемых компонентов, а также при малом процентном содержании одного из них задача обеспечения равномерности распределения волокон в смеси и в готовом полотне существенно осложняется. В случае инновационных материалов добавление в смесь волокон с особыми свойствами в небольшом количестве существенно меняет свойства пряжи и полотен из нее. При некачественном смешивании оказывается необходимым добавление в смесь дорогостоящих компонентов.

Таким образом, повышение равномерности распределения разнородных волокон в структуре текстильных материалов позволит более бережно использовать сырьевые ресурсы и повысить конкурентоспособность выпускаемой продукции.

Ранее был предложен новый метод оценки неров-ноты смешивания волокон, а за основу разработки использовать физический эффект, основанный на существенной разнице значений емкости конденсатора при испытании материалов разного состава на низких частотах и отсутствии такой разницы на высоких частотах (Рыклин и Авсеев, 2011; 2013). Приборной базой для реализации такого метода должны были выступать: широкополосный генератор частот; два плоскопараллельных конденсатора, для подключения в электрическую цепь высокой и низкой частоты. Предложенный метод был основан на априорных знаниях физики и требовал экспериментального подтверждения.

Для экспериментального подтверждения применения емкостного метода для оценки неровноты смешивания волокон в неоднородных текстильных материалах были проведены испытания образцов из хлопка и полиэфирного волокна на приборе измерителя иммитанса МНИПИ Е7-20 в диапазоне частот от 2 до 640 кГц с номинальной массой в 0,3, 0,5 и 0,7 г (Яснев и Рыклин, 2024). На основании экспериментальных данных предложена математическая модель, описывающая влияние частоты электрического поля конденсатора на соотношение значений емкости для разных видов волокон. Доказано, что различия значений емкости конденсатора, определенные для разных видов исходного сырья, существенно зависят от частоты электрического поля, создаваемого между пластинами конденсатора. Установлено, что с увеличением частоты разница существенно снижается. В результате исследований сделан вывод о том, что выявленный эффект может быть использован в качестве физической основы для разработки метода оценки неровноты смешивания волокон в неоднородных текстильных материалах. Однако технические способности используемой приборной базы не позволили это проследить выявленную тенденцию при повышении частоты электрического поля, а соответственно и провести эксперимент в области более высоких частот.

Цель настоящей работы заключается в экспериментальном подтверждении применения емкостного метода и обосновании параметров процесса проведении испытаний для оценки неровноты смешивания волокон в неоднородных текстильных материалах.

Методы и средства исследования

В качестве средств измерения для определения масс волокнистых проб различного состава были выбраны весы лабораторные электронные РА 214С, при массе пробы до 50 г погрешность измерения данных весов составляет 0,001 г.

Для фиксации значений емкости использовались измерители импеданса Agilent Е4980А и Agilent E4285А в условиях ЦКП Белорусского государственного университета «Белорусский межвузовский центр обслуживания научных исследований». Данные приборы позволяют проводить испытания в диапазоне частот 20 Гц – 30 МГц. Перед началом измерений выполнялась стандартная процедура коррекции. Сами измерения выполнялись двухзондовым методом при температуре в 25 оС.

Эксперимент проводился путём определения значений емкости конденсатора в диапазоне частот от 20 Гц – 30 МГц. Конденсатор выполнен в виде двух плоскопараллельных пластин с габаритными размерами 85,5х50 мм, установленных на расстояние 8 мм друг от друга.

Объектами исследований являлись подготовленные и предварительно кондиционированные пробы из хлопчатобумажной и полиэфирной пряжи массой от 2 до 6 г, а также пробы массой 6 г, содержащие сочетания пряжи указанных составов в соотношении компонентов

33 %/67 % и 67 %/33 %.

Статистическая обработка экспериментальных данных производилась с использованием пакета программ Statistic for Windows.

Результаты исследований

В процессе эксперимента были получены данные на всём диапазоне частот (20 Гц – 13 МГц), однако на частотах выше 13 МГц тенденция к монотонному снижению емкости нарушалась, в связи с чем было принято решение об ограничении диапазона частот, принимаемого для последующего анализа результатов. При частоте 20 Гц значение емкости конденсатора при испытаниях проб из полиэфирного волокна оказались несущественно отличающимися от результатов измерений емкости, полученные при отсутствии текстильных материалов между его пластинами. При частотах, близких к 100 Гц, выявлена существенная нелинейность зависимостей. Данные, полученные на частотах от 1 кГц до 10 МГц, отличались хорошей воспроизводимостью результатов, в связи с чем было принято решение об их использовании для последующей обработки. В таблице 1 приведены результаты эксперимента для пяти различных частот в выбранном диапазоне, позволяющие выявить основные тенденции изменения емкости конденсатора при испытании проб различных составов и массы.

Таблица 1 – Значения емкости конденсатора в процессе испытаний проб различного состава и массы, пФ

Table 1 – Capacitor capacitance values during testing of samples of different composition and mass, pF

Масса пробы, г	Частота, Гц
	990	9 900	99 000	990 000	9 900 000
Хлопковая пряжа
2	13,82	10,23	9,38	9,08	9,05
4	22,37	12,69	10,65	9,97	9,81
6	33,53	15,70	12,04	10,90	10,6
Полиэфирная пряжа
2	8,79	8,76	8,73	8,71	8,80
4	9,29	9,28	9,24	9,19	9,28
6	9,75	9,77	9,71	9,64	9,72
Проба, содержащая 67 % полиэфирных волокон и 33 % хлопка
6	15,83	11,86	10,87	10,50	10,46
Проба, содержащая 33 % полиэфирных волокон и 67 % хлопка
6	21,44	13,46	11,58	10,93	10,78

Анализ результатов

Для определения влияния состава и масс проб на емкость конденсатора при разных частотах электрического поля построены графики, представленные на рисунках 1 и 2, на которых отображены экспериментальные значения емкости конденсатора за вычетом емкости, определённого при отсутствии в нём материала, составившей 8,22 пФ.

Рисунок 1 – Влияние массы пробы хлопковой пряжи на емкость конденсатора при различных частотах электрического поля за вычетом ёмкости конденсатора, определённого при отсутствии в нём материала Figure 1 – Influence of cotton yarn sample mass on the capacitance at different frequencies of the electric field minus the capacitance of a capacitor determined without the material

Рисунок 2 – Влияние массы пробы полиэфирной пряжи на емкость конденсатора при различных частотах электрического поля за вычетом ёмкости конденсатора, определённого при отсутствии в нём материала Figure 2 – Influence of polyester yarn sample mass on the capacitance at different frequencies of the electric field minus the capacitance of a capacitor determined without the material

Анализ полученных графиков указывает на то, что состав пробы оказывает существенное влияние на значения емкости, что связано и с различными значениями их диэлектрической проницаемости при кондиционной влажности воздуха.

Анализируя представленные графики, можно отметить, что на всех исследованных частотах кроме 990 Гц емкость конденсатора находится в прямой зависимости от массы пробы. При частоте 990 Гц график приобретает кривизну, которая особенно заметна для проб из хлопчатобумажной пряжи.

Прямая зависимость подтверждается результатами статистической обработки данных, в ходе которой для каждой частоты электрического поля конденсатора были построены линейные модели следующего вида:

С = a · m , (1)

где m – масса пробы, г; а – коэффициент пропорциональности, зависящий от состава пробы и частоты электрического поля (таблица 2).

В таблице 2 t_P – расчетное значение критерия Стьюдента, сопоставление которого с табличным значением, равным 4,303 ( df = 3; p = 0,95), позволяет оценить значимость коэффициента а . Коэффициент детерминации R² для всех частот близок к 1, однако минимальное его значение получено в случае испытания проб из хлопчатобумажной пряжи при частоте 990 Гц.

По графикам на рисунке 1 видно, что с увеличением частоты электрического поля при испытаниях проб из хлопка емкость конденсатора существенно снижается. Особенно это заметно на низких частотах. На высоких частотах (990000 и 9900000 Гц) существенной разницы в зависимостях уже не наблюдается.

При испытаниях проб из полиэфирных волокон влияние частоты существенно ниже, что в значительной степени связано с низкой влажностью этих волокон.

Как указывалось ранее, в основе разрабатываемого метода лежит предположение о том, что изменение состава пробы влияет на емкость конденсатора в существенно большей степени на низких частотах, чем на высоких. В связи с этим интерес представляют зависимости емкости конденсатора от процентного содержания компонентов в пробе, представленные на рисунке 3. Анализируя представленные графики, можно отметить, что с увеличением процентного содержания полиэфирного волокна в пробах при одинаковой их массе (6 г) при частотах до 99000 Гц заметно снижение емкости конденсатора, в то время как для двух максимальных частот влияние состава становится минимальным.

Таким образом, можно утверждать, что с увеличением частоты электрического поля, создаваемого между пластинами конденсатора, влияние состава волокнистого материала и, как следствие, неравномерности его по составу минимизируется, хотя и не устраняется полностью.

Ранее было установлено, что отношение значений емкости, полученной для проб хлопка и полиэфирного волокна определенной массы, снижается с увеличением частоты электрического поля (Яснев и Рыклин, 2024). На основании данного результата сделан вывод, что именно существенное влияние состава материала на емкость конденсатора при низких частотах и значительно меньшее при высоких может являться физической основой создания метода оценки неровноты смешивания.

Таблица 2 – Результаты статистической обработки экспериментальных данных

Table 2 – Results of statistical processing of experimental data

Частота электрического поля, Гц	Состав пробы
	хлопок			полиэфирное волокно
	а	tP	R2	а	tP	R2
990	3,919186	15,53985	0,97066026	0,262101	48,65907	0,99627840
9 900	1,192822	26,81539	0,98935945	0,261646	126,5614	0,99946583
99 000	0,624634	62,34156	0,99792051	0,250973	119,2208	0,99939814
990 000	0,443365	131,0737	0,99951978	0,239539	113,2966	0,99933381
9 900 000	0,398141	142,7968	0,99958118	0,257607	37,49333	0,99363055

Содержание полиэфирного компонента в образце, %

Рисунок 3 – Влияние состава пробы на емкость конденсатора при различных значениях частоты электрического поля за вычетом ёмкости конденсатора, определённого при отсутствии в нём материала

Figure 3 – The influence of sample composition on the capacitance of a capacitor at different values of the electric field frequency minus the capacitance of a capacitor determined without the material

С учетом расширения диапазона частот электрического поля и увеличения массы проб при проведении исследований в данной работе также было принято решение построить и проанализировать зависимости отношения значений емкости конденсатора хлопчатобумажной и полиэфирной пряжи ( С_хл (f) / С_п (f) ). В данном отношении значения С(f) определены без учета емкости, измеренной при отсутствии в конденсаторе волокнистого материала, Полученные графики представлены на рисунке 4.

Можно отметить, что отношение емкостей, определенное при частоте электрического поля 990 Гц, существенно зависит от массы проб и варьируется в диапазоне от 9,7 до 14,4, а с увеличением частоты до 9 900 000 Гц оно снижается до 1,5–1,6. Такой результат свидетельствует о высоком влиянии состава пробы на емкость конденсатора на низкой частоте и о низком влиянии на высоких частотах.

Отличия отношений в несколько порядков может быть использовано для разработки критерия оценки неравномерности текстильных материалов емкостным методом.

Статистическая обработка анализа данных полученных для проб хлопковых и полиэфирных образцов позволила построить модель, использование которой дает возможность прогнозировать отношение значений емкости конденсатора при испытаниях проб из хлопка и полиэфирных волокон с учетом массы пробы и частоты электрического поля:

Y = (1 + a · m) · exp(b / f^k ) ,         (2)

где m – масса пробы, г; f – частота электрического поля конденсатора, кГц; a , b , k – коэффициенты регрессии модели.

Коэффициенты модели определялись для двух диапазонов:

– от 990 до 9 900 000 Гц;

– от 9 900 до 9 900 000 Гц.

Коэффициенты моделей представлены в таблице 3. В обоих случаях коэффициент детерминации моделей R² составил более 0,99. Однако для более широкого диапазона в 47 % случаев отклонение расчетного значения от фактического превысило 10 %, в то время как модель, полученная в результате обработки данных для второго диапазона, оказалась значительно точнее – отклонение всех расчетных значений от фактических не превышали 10 %. При этом в 14 экспериментальных точках из

Рисунок 4 – Зависимости отношения значений емкости конденсатора от частоты электрического поля конденсатора для разных масс проб за вычетом ёмкости конденсатора, определённого при отсутствии в нём материала

Figure 4 – Dependences of the relation of capacitance on the frequency of the capacitor electric field for different masses samples minus the capacitance of a capacitor determined without the material

Таблица 3 – Результаты анализа экспериментальных данных

Table 3 – Results of the experimental data analysis

Диапазон частот электрического поля, Гц	Коэффициент детерминации модели R2	Коэффициенты регрессии модели
		a	b	k
от 990 до 9 900 000	0,9929	0,1786	2,0414	0,3764
от 9 900 до 9 900 000	0,9944	0,0626	2,2894	0,2716

15 (95,3 %) отклонение составило менее 5 %.

Таки образом, экспериментально подтверждено, что предложенные ранее подходы к разработке способа оценки неровноты смешивания неоднородных текстильных волокон, базирующиеся на теоретических представлениях, являются обоснованными и могут стать основой проектирования специального испытательного оборудования.

Выводы

• 1.    В результате статистической обработки экспериментальных данных получены линейные математические зависимости емкости конденсатора от массы пробы волокнистого материала, причем коэффициенты моделей зависят от сырьевого состава пробы, а также от

• 2.    На основании анализа полученных данных рекомендовано для разработки метода оценки неровноты смешивания в качестве низкой частоты электрического поля принимать 10 кГц, а максимальную частоту устанавливать в диапазоне от 1 до 10 МГц. Указанные значения могут быть откорректированы с учетом конструкции и измерительной системы и технических характеристик ее элементов.

частоты электрического поля. Таким образом, экспериментально доказана обоснованность идеи разработки емкостного метода оценки неровноты смешивания текстильных волокон, основанного на различном влиянии состава испытуемых проб на емкость конденсатора при низких и высоких частотах электрического поля.