Vorrichtung zur Messung des Flächengewichts eines Materials
Gegenstand vorliegender Erfindung ist eine Vorrichtung zur Messung des Flächengewichts eines Materials.
Zweck der Erfindung ist es, eine Messvorrichtung zu schaffen, die einfach in ihrer Konstruktion und ihrer Bedienung, billig in der Herstellung und zuverlässig im Betrieb ist sowie die heute z. B. in der Platten-, Papier- und Kunstharztechnik gestellben Genauigkeitsanforderungen erfüllt.
Die laut Erfindung verwendete Messvorrichtung ist gekennzeichnet durch einen Generator, der pulsförmige Energie abgibt und dadurch das Material in Schwingung versetzt, durch einen Empfänger zum Empfang eines durch Materialschwingung hervorgerufenen Signals, das für das Material kennzeichnend ist, und durch ein am Empfängerausgang angeschlossenes Messinstrument.
Zur näheren Erläuterung von Ausführungsbeispielen der Erfindung dienen beiliegende Zeichnungen.
Fig. 1 zeigt schematisch ein Beispiel für den Aufbau der Messvorrichtung, bei welchem Schallquelle und Schallempfänger an gegenüberliegenden Seiten des Materials, dessen Flächengewicht zu bestimmen ist, angeordnet sind.
Fig. 2 zeigt eine Variante der im ersten Beispiel verwendeten elektronischen Ausrüstung.
Fig. 3 zeigt schematisch ein zweites Beispiel für den Aufbau der Messvorrichtung, bei welchem Schallquelle und Empfänger auf der gleichen Seite des Materials, dessen Flächengewicht zu bestimmen ist, angeordnet sind.
Fig. 4-6 zeigen verschiedene Varianten der Anordnung von Schallquelle und Empfänger der Messvorrichtung nach Fig. 3.
Fig. 7 zeigt schematisch ein drittes Beispiel für den Aufbau der Messvorrichtung, welche neben einer Schallquelle und einem Schallempfänger auf der einen Seite noch einen Schallempfänger auf der gegenüberliegenden Seite des Materials, dessen Flächengewicht w bestimmen ist, aufweist.
Fig. 8 zeigt die Abhängigkeit des Verhältnisses Ain/Aut in dB, von e in bam", welche für eine der Messvorrichtungen charakteristisch ist, dabei bedeutet Ain die ausgesendete akustische Energie, Aut die empfangene akustische Energie und e das gesuchte Flächengewicht.
Fig. 9 und 10 zeigen schematisch Modifikationen der Messvorrichtung, bei welchen die Schallquellen direkt am zu messenden Material anliegen.
Fig. 11 zeigt schematisch eine Vorrichtung, die mit zusätzlichem Schalhsolierungsmaterial ausgestattet ist.
Fig. 12 zeigt schematisch ein weiteres Beispiel für den Aufbau der Messvorrichtung.
Die Messvorrichtung nach Fig. 1 dient der kontinuierlichen Messung des Flächengewichts von Papier in der Schlussphase der fortlaufenden Papierherstellung in bekannten Papiermaschinen. Die Papiermaschine ist in der Figur nicht ersichtlich, sondern nur ein Teil der Papierbahn 10 zusammen mit der Messvorrichtung, welche aus einer Schallquelle 11, aus einem Schallempfänger 13, aus einem rohrförmigen Teil 19, einer Energiequelle 15, einem Verstärker 16, einem Messinstrument 17 und aus einem Verstärker 18 besteht.
Die Schallquelle 11 ist in einem zylindrischen, aus Schalldämpfungsmaterial hergestellten Oberteil 12 untergebracht und der Schallempfänger in einem ebenfalls zylindrischen, aus Schalldämpfungsmate rial bestehenden Unterteil 14. Der rohrförmige Teil 19 erstreckt sich vom Schallempfänger 13 bis nahe an das Papier 10 heran. Die Energiequelle 15 liefert sinusförmigen Strom mit einer Frequenz von beispielsweise 15 kHz an den Verstärker 16, welcher eine konstante Leisuiung bei z. B. 1 V Spannung an die Schallquelle 11 weitergibt.
Die Schallquelle ihrerseits gibt primäre Schallenergie von konstantem Niveau an das Papier 10 ab. Auf Grund dieser primären Schallenergie gerät das Papier in Vibration und sendet dadurch sekundäre Schallenergie aus. Diese passiert das Rohr 19 und erreicht den Schallempfänger 13, dessen abgegebene elektrische Energie, verstärkt durch den selektiven Verstärker 18 (abgestimmt auf 15 kHz), an das Messinstrument 17 weitergeleitet wird. Dieses Messinstrument kann, wie in Fig. 1 angedeutet, ein Messinstrument sein, dessen Skala in g/m2 gradiert und geeicht ist.
Um Reflexionen und das Entstehen von stehenden Wellen dann zu verhindern, wenn die Wellenlänge des von der Schallquelle 11 (Lautsprecher) abgegebenen Schalles wesentlich kleiner ist als die Dimensionen des zylindrischen Teiles 12, muss der Teil 12 sehr gut schallisoliert sein.
Die in Fig. 2 schematisch dargestellte elektronische Ausrüstung kommt, zusammen mit t einer Schallquelle 11 und einem Schallempfänger 13 nach Fig. 1, zur Anwendung. Diese Ausrüstung besteht aus einer Energiequelle 15 und einem Messinstrument 17, wie in Fig. 1, sowie aus einem zusätzlichen Verstärker 23 für das vom Schallempfänger kommende elektrische Signal und aus einer automatischen Pegelregelung 21-20.
Die automatische Pegelregelung, gesteuert durch ein Signal vom Verstärker 23, steuert die Speisung des Leistungsverstärkers 22 und damit die Energiezufuhr zur Schallquelle so, dass die vom Schallempfänger aufgenommene Schalleistung immer die gleiche ist. Die zur Schallquelle geführte elektrische Energie ist folglich abhängig vom Flächen,, ewirchb des zu messenden n Papiers; das am Verstärker 22 angeschlossene Messinstrument kann daher in g/m2 gradiert werden.
Die Vorrichtung gemäss Fig. 3 ist ebenfalls mit einer Schallquelle 11, einem Schallempfänger 13, einer Energiequelle 15 und einem Messinstrument 17 ausgestattet, doch sind in diesem Falle Schallquelle 11 und Schallempfänger 13 in einem einzigen zylindrischen Oberteil 12 untergebracht, wobei die Schallquelle weiter von der Papierbahn entfernt ist als der Empfänger.
Parallel zur Papierbahn ist auf der gegenüberliegenden Seite ein Reflektor 35 angebracht. Die Energiequelle 15 liefert eine sinusförmige Spannung an die Impulsschaltung 31, die Impulse von genau bestimmter Amplitude und Dauer an einen Leistungsverstärker 32 weitergibt. Die Impuls schaltung 31 steuert (öffnet) ausserdem eine Torschaltung 33, welche mit bestimmter Verzögerung ein vom Schallempfänger kommendes Signal an den Verstärker 34 weiterleitet, was seinerseits einen Ausschlag des am Verstärker 34 angeschlossenen Messgerätes zur Folge hat. Die Verzögerung der Torschaltung 33 ist so gewählt, dass nur jenes vom Schallempfänger kommende Signal durchgelassen wird, welches auf Grund der Papierschwingungen entstanden ist, die durch die vom Reflektor reflektierte Schallwelle hervorgerufen wurden.
Wichtig ist dabei, dass das vom Empfänger 13 durchgelassene Signal ausschliesslich von der durch den Reflektor reflektierten Schallwelle stammt, die Schallquelle 11 darf also nicht gleichzeitig zur Papierschwingung beitragen, dadurch ist der Zusammenhang zwischen Impulsfollgiefrequenz und Impulsdauer für die Impulsschaltung 31 bestimmt.
Die in Fig. 3 beschriebene telektronische Ausrüstung kann ebensogut bei anderen Ausführungsformen der erfundenen Messvorrichtung verwendet werden, um einen Ausschlag des Messinstrumentes 17 auf Grund unerwünschter, reflektierter oder direkt übertragener akustischer Wellen zu verhindern.
Bei der in Fig. 4 dargestellten Variante sind Schallquelle 11 und Schallempfänger 13 an der gleichen Seite der Papierbahn 10 angeordnet, doch sind beide Teile in eigenen, akustisch isolierten Teilen 12, 14 untergebracht. Die durch die Schallquelle 11 abgegebene Schallenergie versetzt das Papier 10 in Schwingung, während die vom vibrierenden Papier ausgehende Schallenergie den Empfänger 13 durch das Rohr 19 erreicht.
Für den Betrieb mit diesen Einheiten 11, 13 eignet sich die elektronische Ausrüstung vom ersten Beispiel.
Die in Fig. 5 gezeigte Variante gleicht der in Fig. 4 gezeigten insofern, als Schallquelle 11 und Schallempfänger 13 an der gleichen Seite des Papiers 10 angeordnet sind, doch sind Schallquelle und Empfänger, wie in Beispiel 3 im gleichen, akustisch abgeschirmten Teil 50 so untergebracht, dass die Schallquelle näher an der Papierbahn liegt als der Empfänger. Das über eine Walze 51 laufende Papier wird durch die Schallquelle in Schwingung versetzt. Die vom Papier ausgehende Schallenergie erreicht den Empfänger 13 durch das Rohr 19, welches von der Schallquelle 11 akustisch durch Schallisolierungsmaterial 52 isoliert ist.
Das in Fig. 6 gezeigte Beispiel hat die Schallquelle 11 und den Schallempfänger in einem für beide Teile gemeinsamen G, eh ; äuse, teil 12 auf einer Seite des Papiers angeordnet. Die Schwingungen des Papiers wer den hier direlet zum Empfänger übertragen; dies ist in der Zeichnung durch einen Tonabnehmer dargestellt, doch kann auch ein optischer Interferometer zur Messung der Schwengungszampliltude des Papiers dienen.
Fig. 7 zeigt eine Anordnung mit einer Schallquelle 11 und einem Empfänger 13 auf der einen Seite und einem Schallempfänger 72 auf der anderen Seite der Papierbahn 10. Beide Schallempfänger-Ausgänge sind an einem Differentialverstärker angeschlossen, dessen Ausgang an das Instrument 17 geschaltet ist.
Die in Fig. 8 gezeigte Kurve ist charakteristisch für eine Messvorrichtung, die der Flächengewichtsmessung von Papier, Kunststoffolien u. ä., mit einem Flächengewicht, das zwischen 50 und 200 g/mS liegt, dient.
Um bei der Verwendung der Messvorrichtung in der Papierherstellung ein Verstauben jener Teile zu verhindern, welche Schallquelle und Empfänger enthalten, ist es ratsam, in diesen Teilen einen Überdruck im Verhältnis zur Umgebung aufrechtzuerhalten.
Wenn beispiellsweiisle eine Vorrichtung nach Fig. 1 bei der Papierherstellung verwendet wird, ist es zweckmässig, die Vorrichtungstefle 12-14 quer zur Papierbahn über die ganze Breite hin und her zu bewegen, um einen besseren Mittelwert des Flächengewichts des Papiers zu erhalten. Bei der Beschreibung der Vorrichtung nach Fig. 1 wurde darauf hingewiesen, dass der Verstärker 17 die von der Schallquelle 11 aufgenommene Energie konstant hält und damit die Eichung des Messgeräts 17 gültig bleibt.
Es ist weiter zu bemer- ken, dass, wenn die VorrichtungsbeilLe 12-14 quer zur Papierbahn über deren Rand hinaus bewegt werden, die Möglichkeit besteht, die direkte Übertragung der Schallwellen vom Schallgenerator zum Schallempfänger neben der Papierbahn zur mechanischen oder elektronischen Nullstellung des Messinstrumentes 17 zu benützen, eine Nullstellung also, die in kurzen Zeitabständen wiederholt werden kann und damit die Zuverlässigkeit der Vorrichtung wesenblich erhöht.
In der Beschreibung zu Fig. 1 wurde erwähnt, dass die Schallquelle 11 vom Verstärker 16 mit gleichen bleibender Leistung versorgt wird. Die Messgenauigkeit der Vorrichtung kann jedoch erhöht werden, wenn mittels einer Pegelregelung die von der Schallquelle 11 abgegebene akustische Energie anstatt die der Schallquelle zugeführte elektrische Energie konstant gehalten wird. Die Kontrolle der Amplitude der in der Schallquelle 11 schwingenden Membrane kann einfach mittels einer mechanischen Sonde, welche die Amplitude der Membrane abtastet, erreicht werden.
Bei der Verwendung jener Ausführungsformen, wo Sender und Empfänger auf verschiedenen Seiten des zu messenden Materials angeordnet sind, ist es angebracht, die Gehäuseteile von Sender und Empfänger mit voneinander wesentlich verschiedenen Dimensionen auszuführen.
Fig. 11 zeigt ein Beispiel, bei welchem das Empfängergehäuse kleinere Dimensionen aufweist als das Sendergehäuse.
Wie in Fig. 1 hat auch die in Fig. 12 gezeigte Vorrichtung eine Energiequelle 15, einen Verstärker 16, einen zylindrischen Oberteil 12 mit einer Schallquelle
11, einen Verstärker 18 und ein Messinstrmnent 17.
Überdies enthält die Vorrichtung eine Gleichspannungsquelle 121, einen Kondensator 124, einen Additiv- kreis 127, eine Amplitudenregierschaltung 125 und eine Phasenreglerschaltung 126. Die Gleichspannungsquelle 121 ist über einen Widerstand 122 zum Gehäuse 12 und einer festen, perforierten Platte 123 angeschlossen. Die Platte 123 und die Membrane 128, welche das Gehäuse 12 abschliesst, bilden zusammen einen Plattenkondeinslator 123-128. Der Kondensator 124 ist zwischen die Platte 123 und den Eingang des Verstärkers 18 geschaltet. Der Ausgang des Additivkreises 127 ist an das Messinstrument 12 angeschlossen.
Der erste der beiden Eingänge ist an den Ausgang des Verstärkers 18 geschaltet und der zweite an den Ausgang des Phasenregiers, dessen Eingang am Ausgang des Amplitudenreglers liegt. Der Amplitudenreglereingang ist zusammen mit der Schallquelle an den Verstärker 16 angeschlossen.
Die von der Schallquelle 11 ausgehende Schallwelle versetzt die Membrane 118 und das zur Membrane durch einen Luftspalt mit der Weite d akustisch gekoppelte Papier in Schwingung. Dadurch entstehen Spannungsschwankungen am Kondensator 123-128, deren Amplitude und Phase vom Luftspalt d und vom Flächengewicht des Papiers abhängig sind. Diese Wech selspannung U1 gelangt durch den Kondensator 124, verstärkt durch den Verstärker 18, zum Additivkreis 127.
Eine Wechselspannung Ue mit derartiger Phase und Amplitude wird an den zweiten Eingang des Additivkreises 127 gespeist, dass die Summe U3 = U1 + U2 am Ausgang von 127, unabhängig von d, dem Flächengewicht des Papiers entspricht. Bei Messungen an verschiedenen Papiersorten brauchen daher die Regler 125 und 126 nur einmal beim Beginn mit jeder Papiersorte eingestellt werden, wonach das Insltrument 17 fortlaufend das Flächengewicht anzeigt.