CH653767A5 - Verfahren zur beruehrungslosen bestimmung des flaechengewichts von duennem material. - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäss Oberbegriff des Patentanspruches 1. Ferner betrifft die Erfindung ein Prüfgerät zur Durchführung des Verfahrens.

Die Anwendung von Schallwellen zur Bestimmung der Dichte von Materialien unterschiedlichster Art ist seit längerer Zeit bekannt. Bei Papier und anderen dünnen Materialien, z.B. Folien, wird die Dichte, oder besser gesagt die flächenspezifische Masse, in Gramm pro Quadratmeter (g/m2) angegeben und als «Flächengewicht» bezeichnet.

So wird beispw. in der DE-OS 1 548 170 ein Gerät beschrieben, mit dem berührungslos die Bestimmung des Flächengewichts von Papier mit Schallwellen durchgeführt werden soll. Das zu prüfende Papier wird mit Hilfe eines Schallsenders einem Schallfeld ausgesetzt, wobei die Schallfrequenz mit 15 kHz gewählt wird. Ein gegenüber dem Sender oder auf der gleichen Seite des Senders angeordneter Empfänger nimmt den vom Papier körnenden Schallanteil auf. Die empfangene Schallintensität wird als Mass für das Flächengewicht des Papiers genutzt.

Bei der Ankopplung von Schallwellen über Luft an ein gegenüber Luft wesentlich dichteres Medium, wie beispw. Papier, ist der vom Papier reflektierte Schallanteil gerade bei höheren Schallfrequenzen sehr hoch. Das heisst, dass sich dem Primär- bzw. Direktschall des Senders, der das Papier durchdringt und auf einem auf der gegenüberliegenden Seite des Papiers angeordneten Empfänger gelangt, aufgrund von Mehrfachreflektionen zwischen Sender und Papier bzw. Papier und Empfänger Schallanteile überlagern, die in ähnlicher Grössenordnung liegen wie der Primärschall.

Abhängig von der Lage des Papiers zwischen Sender und Empfänger schwankt die Phasenlage der störenden Schallanteile relativ zur Phasenlage des Primärschalls. Das führt zu Überlagerungen mit erheblich schwankenden Amplituden des im Empfänger registrierten Signals.

Es hat sich gezeigt, dass mit den in der DE-OS vorgeschlagenen Geräten bzw. Verfahren keine ausreichend genauen und vor allem reproduzierbaren Ergebnisse erreicht werden können. Die Schallisolierung im Sender- bzw. Empfängergehäuse, wie in der DE-OS vorgeschlagen, schafft hier keine Abhilfe, da diese, abgesehen davon, dass sie nicht sehr wirksam durchgeführt werden kann, auf die Reflektion zwischen Sender und Papier bzw. Papier und Empfänger keinen Einfluss hat. Bringt man, wie in einem Ausführungsbeispiel der DE-OS gezeigt, bei gegenüberliegender Anordnung von Senderund Empfänger die Isolierung in den «Strahlengang» zwischen Sender und Empfänger, wird die Primärenergie in gleichem Masse geschwächt. Das schlechte Verhältnis zwischen Nutz- und Reflektions- bzw. Störsignal bleibt unverändert.

Das Verhältnis zwischen Nutz- und Störsignal wird noch erheblich ungünstiger, wenn, wie auch in der DE-OS vorgeschlagen, der Empfänger auf der Seite des Senders angeordnet ist. In diesem Fall wird der ohnehin sehr schwache, das Papier durchdringende Schallanteil an einer hinter dem Papier angeordneten Platte in Richtung Sender reflektiert und ein zweites Mal in gleichem Masse durch das Papier geschwächt. Mit dieser Anordnung und den in der DE-OS vorgeschlagenen Massnahmen ist eine zuverlässige Bestimmung des Flächengewichts aus den oben genannten Gründen praktisch ausgeschlossen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, ein Verfahren der obengenannten Art vorzuschlagen, mit dem eine sehr genaue und reproduzierbare Bestimmung des Flächengewichts von dünnem Material möglich ist.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.

Ferner besteht die Aufgabe darin, ein Prüfgerät zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen. Diese Aufgabe wird durch ein Prüfgerät mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 7 gelöst.

Ein wesentliches Merkmal der erfindungsgemässen Lösung besteht somit darin, dass ein Zeitintervall für die Auswertung des Empfangssignals definiert wird. Das Zeitintervall beginnt vorzugsweise abhängig von der Schallaufzeit zwischen Senderund Empfänger mit dem Eintreffen des Primärschalls am Empfänger und endet, bevor die ersten systembedingten Störanteile (reflektierte Schallanteile des Senderschalls oder Schallanteile benachbarter Sender) am Empfänger eintreffen. Damit kann das zur Auswertung gelangende Messignal frei von systembedingten Signalverfälschungen bleiben. Mit der Eliminierung der systembedingten Störanteile kann ausserdem erreicht werden, dass das Messsignal in weiten Grenzen von Schwankungen der Papierlage vollständig unbeeinflusst bleibt.

Neben den systembedingten Störanteilen können auch externe Störgeräusche das Messergebnis verfälschen. Beim erfindungsgemässen Verfahren kann die Schallfrequenz hoch gewählt werden, was neben dem, weiter unten genauer erläuterten, Auswertverfahren den Einfluss der Umweltgeräusche ebenfalls auf ein nahezu zu vernachlässigendes Mass reduziert

Weiterbildungen und weitere Vorteile der Erfindung

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ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels. Dazu zeigt:

Fig. 1 die schematische Darstellung eines Prüfgerätes zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens,

Fig. 2 die elektronischen Baugruppen des Prüfgerätes im einzelnen,

Fig. 3 ein Impuls-Ablaufplan und

Fig. 4 ein Prüfgerät zur grossflächigen Abtastung.

Die Fig. 1 zeigt beispielhaft die schematische Darstellung des Prüfgerätes zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens.

Das Gerät kann beispw. in Banknoten-Sortierautomaten eingesetzt werden, um das Flächengewicht von Banknoten zu bestimmen. Im Zuge der Flächengewichtsbestimmung ist es in diesem Anwendungsfall ebenso möglich, Klebestreifen auf Banknoten oder auch fehlende Teile an Banknoten zu erkennen. Eine weitere, bei Banknoten-Sortierautomaten wichtige Aufgabe ist die Erkennung von sogenannten Doppel- und Mehrfachabzügen, um die Zählsicherheit der Automaten zu gewährleisten. Das erfindungsgemässe Verfahren kann gerade auch für diese Funktion, wie weiter unten näher erläutert, vorteilhaft Anwendung finden.

Um bei der Prüfung eine hohe Auflösung bei möglichst hohen Banknoten-Transportgeschwindigkeiten zu erzielen, ist die Impulswiederholfrequenz, die die Anzahl der Messungen pro Längeneinheit auf der Banknote in Transportrichtung bestimmt, entsprechend hoch zu wählen.

Diese Frequenz wird jedoch begrenzt durch die Abklingdauer der Senderschwingung und der überlagerten reflektierten Schallanteile. Die Abklingdauer einer durch einen Impuls erzeugten Schallschwingung ist umgekehrt proportional der Bandbreite des die Schwingung erzeugenden Systems.

Neben der Impulswiederholfrequenz ist die Frequenz der Senderschwingung von Bedeutung.

Mit jedem Senderimpuls wird der auf dem Empfänger gelangende Schallimpuls gemäss der Erfindung innerhalb des schon oben definierten Zeitintervalls ausgewertet.

Aus Gründen eines guten Signal-Rausch-Abstandes sollte bei grosser Senderleistung die Senderfrequenz möglichst so hoch sein, dass mindestens ein Schwingungszug des Empfangssignals während des Zeitintervalls ausgewertet werden kann.

Es hat sich gezeigt, dass sich für das erfindungsgemässe Verfahren Elektret-Ultraschallwandler besonders gut eignen. Die Wandler haben bei hoher Senderleistung eine ebenfalls hohe Resonanzfrequenz mit breitbandigem Frequenzgang. Ein mit geeigneten Impulsen angeregter Elektretwandler erzeugt aufgrund seiner Bandbreite eine stark gedämpfte Schwingung bei seiner Resonanzfrequenz.

Wie in der Fig. 1 gezeigt, durchläuft die Banknote 1 die Sende-Empfangsanordnung 2,3 in mittiger Lage. In der Sendersteuerung 4 werden nach Massgabe der Ablaufsteuerung 6 in regelmässigen Abständen zur Anregung des Senders 2 geeignete Einzelimpulse erzeugt. Der dabei vom Sender ausgelöste Schallimpuls wird grösstenteils an der Banknote reflektiert. Über das durch den Schallimpuls in Bewegung gesetzte Banknotenpapier pflanzt sich der nicht reflektierte Anteil des Senderschalls auf der Empfängerseite fort.

Der Empfänger 3 erzeugt ein Analogsignal, das in der Signalaufbereitungsstufe 5 verarbeitet wird. In dieser Stufe wird der Anteil dann, wie unten näher erläutert, innerhalb eines durch die Ablaufsteuerung 6 vorgegebenen Zeitintervalls aufintegriert. Der Endwert des Integrators wird in der im Baustein 6 enthaltenen Signalauswertung bewertet und zur Anzeige gebracht. Der in der Signalaufbereitungsstufe 5 ermittelte Integrationswert ist umgekehrt proportional zur Flächendichte des Papiers, was beispielsweise in der Anzeige 7 nach geeigneter Kalibrierung direkt in den entsprechenden s Einheiten (g/m2) angezeigt werden kann.

Die Ermittlung und Bildung des Integrationsintervalls sowie weitere erfindungswesentliche Merkmale werden anhand der Figuren 2 und 3 beschrieben.

Der Beginn des Zeitintervalls zur Auswertung des Empio fängerschalls wird durch die Schallaufzeit zwischen Sender 2 und Empfänger 3 festgelegt.

Die Schallaufzeit wird in einer Baugruppe 10 der Ablaufsteuerung 6 immer dann gemessen, wenn sich kein Papier zwischen Sender 2 und Empfänger 3 befindet. Die Bau-ls gruppe 10 registriert in diesem Fall ein stark übersteuertes Signal am Ausgang des Verstärkers 11. Die Laufzeit wird daraufhin durch eine Zeitmessung zwischen dem nächsten über den Impulsgenerator 4 auf den Sender 2 gelangenden Impuls und dem nach Verzögerung am Empfänger erscheinenden 20 korrespondierenden Impuls durchgeführt. In Banknoten-Sortierautomaten kann die Laufzeitmessung jeweils in der Lücke zwischen zwei Banknoten durchgeführt werden.

Durch die Bestimmung der Laufzeit erübrigt sich eine exakte mechanische Justierung des Abstandes «d» zwischen Sender 25 und Empfänger.

Die fortlaufende Bestimmung der Laufzeit hat ausserdem den Vorteil, dass Laufzeitänderungen aufgrund von Temperaturschwankungen der Luft zwischen Sender und Empfänger automatisch berücksichtigt v/erden und somit das 30 Messergebnis nicht beeinflussen. Abhängig von der jeweils ermittelten Laufzeit wird in der Ablaufsteuerung 6 die Verzögerung eingestellt, mit der nach einem Senderimpuls die Integration des Empfangssignals beginnt.

Die Steuerung des Gerätes übernimmt ein auf die Ablauf-35 Steuerung geführter Takt «A» (siehe auch Fig. 3). Dieser kann mit der Bewegung der Banknote synchronisiert sein. Abhängig vom Takt «A» wird in der Ablaufsteuerung das Signal «B» generiert. Dieses Signal gelangt auf den Sender-Impulsgenerator 4, der die für die Ultraschallwandler geeig-40 neten Spannungsimpulse erzeugt (Signal «C»),

Die steile Anstiegsflanke der Impulse sorgt für die Anregung bei der Resonanzfrequenz des Senders. Der Senderimpuls erscheint nach der Laufzeit Td am Empfänger. Das im Baustein 11 verstärkte Empfangssignal ist als Signal «D» in 45 der Fig. 3 dargestellt. Aufgrund der vorher durchgeführten Laufzeitmessung kann nun exakt mit dem Erscheinen des Schallsignals am Empfänger das Torsignal «F» gesetzt werden. Das Signal gelangt auf den Schalter 13, der damit die Integration einleitet.

so Bei mittig zwischen Sender und Empfänger geführter Banknote erscheint der erste reflektierte Schallanteil (Sender-Banknote-Sender-Empfänger) nach der Laufzeit 2 Td, da der Weg doppelt so lang ist. Nach dem erfindungsgemässen Verfahren wird die Integration abgebrochen, bevor nach der 55 Laufzeit 2 Td der erste reflektierte Schallanteil erscheint.

In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Ende des Integrationstores (Signal «F») so gewählt, dass gerade eine Periodendauer des Empfangssignals erfasst wird. Um Schwankungen in der Lage der Banknote kompensieren zu so können, ist der Abstand «d» zwischen Senderund Empfänger abhängig von der Resonanzfrequenz so eingestellt, dass die störenden reflektierten Schallanteile erst nach einem, diese Schwankungen kompensierenden Sicherheitsabstand, nach Abschluss der Integration erscheinen. Die Integration 65 einer vollen Periode ist ein Sonderfall und in dem Ausführungsbeispiel des besseren Verhältnisses wegen gewählt. Andere Formen sind ebenso möglich.

Nach dem Zurücksetzen des Integrators 15 mit dem Signal

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«E» wird das Empfangssignal zunächst positiv aufintegriert. Nach Ablauf der halben Integrationszeit, was unter den gewählten Bedingungen im Normalfall der halben Periodendauer des Empfangssignals entspricht, wird das Signal invertiert. Dazu wird das Signal «G» einem Inverter 14 zugeführt, so dass der Integrator in der zweiten Integrationshälfte das invertierte Signal (Signal «H») aufsummiert.

Diese Art der Integration hat einerseits den Vorteil, dass Störgeräusche herausgefiltert werden. Andererseits werden bei der Integration Phasenverschiebungen des Signals berücksichtigt. Es hat sich nämlich gezeigt, dass bei einem sogenannten Doppelabzug, bei dem die Banknoten sehr eng aneinander liegen, die Phase des Empfangssignals verschoben wird, während sich die Amplitude des Signals gegenüber der Prüfung der einzelnen Note nur sehr gering verändert. In diesem speziellen Fall kommt der Integrator trotz nahezu unveränderter Eingangsamplitude aufgrund der Invertierung des Signals in der Mitte des Integrationstores zu einem geringeren Endwert, so dass auch in diesem Fall eine klare Aussage möglich wird.

Insbesondere für die Erkennung derartiger Doppelabzüge ist die Auswertung nur einer Periode des Empfangssignals sehr vorteilhaft.

Das Frequenzverhalten der Auswertstufe ist mit dem Verhalten eines Lock-IN-Verstärkers (Bandpassverhalten) vergleichbar. Externe Störgeräusche spielen daher nur im Bereich der Resonanzfrequenz eine Rolle.

Der Endwert des Integratorsignals (Signal «I») wird der in der Ablaufsteuerung 6 enthaltenen und hier nicht näher spezifizierten Auswertstufe 17 zugeführt. Er kann je nach Prüffunktion des Gerätes als Absolutwert, beispw. umgerechnet in g/m2 oder nach Vergleich mit vorgegebenen Standard-s werten in Form einer Ja/Nein Aussage, beispw. zur Anzeige eines Doppelabzuges, ausgegeben werden.

Die Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemässen Gerätes, die zur grossflächigen Abtastung von beispw. Banknoten geeignet ist. Aufgrund der oben erläu-10 terten speziellen Auswertmethode ist es möglich, die einzelnen Sender-Empfängerpaare 2,3 flächendeckend auf engem Raum nebeneinander anzuordnen, ohne dass sich die Signale der einzelnen Sender-Empfangsanordnungen gegenseitig stören.

15 Der minimale Abstand « A» der einzelnen Sender hängt vom Abstand «d» der einzelnen Sender-Empfangsanord-nungen ab. «A» wird so gross gewählt, dass der Schall eines benachbarten Senders erst nach dem Integrationstor an dem entsprechenden Empfänger ankommt. Der Laufzeitunter-20 schied des Schalls (d2-dl)/C (CÛ Schallgeschwindigkeit) muss also grösser sein als die Integrationstorlänge.

In dem erwähnten Ausführungsbeispiel wurde das erfindungsgemässe Verfahren im Zusammenhang mit der Prüfung 25 von Banknoten in Banknoten-Sortierautomaten beschrieben.

Die Erfindung kann mit gleichem Erfolg genutzt werden, um das Flächengewicht von Papier- bzw. Folienbahnen oder ähnlichen dünnen Materialien zu prüfen.

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3 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

653767 PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zur berührungslosen Bestimmung des Flächengewichts von dünnem Material, insbesondere Banknoten, wobei ein impulsförmig Ultraschallschwingungen abstrahlender Sender das Material beschallt und ein Empfänger die vom Material kommenden Schallschwingungen aufnimmt, dadurch gekennzeichnet, dass der Empfänger um die Schallaufzeit zwischen Sender und Empfänger verzögert eingeschaltet und vor dem Eintreffen systembedingter Störanteile am Empfänger wieder abgeschaltet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Empfänger die Schallschwingungen während eines Zeitintervalles aufintegriert, das mit dem Eintreffen des Primärschalles am Empfänger beginnt und endet, bevor reflektierte Schallanteile des Senderschalls oder Schallanteile benachbarter Sender den Empfänger erreichen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Zeitintervall eine oder das Vielfache einer Periode einer Empfangsschwingung erfasst.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass nach Ablauf einer halben Periode der Empfangsschwingung das zur Integration an einen Integrator geführte empfangene Signal invertiert wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schallaufzeit bestimmt wird, wenn sich kein Material zwischen Sender und Empfänger befindet.

6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei Banknoten zwischen Sender und Empfänger durchlaufen, dadurch gekennzeichnet, dass nach jeder Dickenmessung die Schallaufzeit in der Lücke zwischen zwei Banknoten neu bestimmt wird.

7. Prüfgerät zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur grossflächigen Abtastung des Materials mehrere Sender-Empfangerpaare vorgesehen sind, deren Abstand voneinander so bemessen ist, dass der Primärschall eines benachbarten Senders erst nach Beendigung des Integrationsintervalles am entsprechenden Empfänger ankommt.

8. Prüfgerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Empfänger und/oder Sender Elektretwandler vorgesehen sind.