CH674262A5

CH674262A5 -

Info

Publication number: CH674262A5
Application number: CH2151/87A
Authority: CH
Inventors: Mauri Luukkala; Tapio Marttinen
Original assignee: Stroemberg Oy Ab
Priority date: 1986-06-09
Filing date: 1987-06-05
Publication date: 1990-05-15
Also published as: NO166677B; GB2191575A; SE8702244L; FI79410C; FI862446A; GB2191575B; US4833928A; FI862446A0; CA1299889C; FR2599840A1; GB8713030D0; NO166677C; DE3719110A1; FI79410B; JPS62293130A; SE8702244D0; SE463051B; FR2599840B1; NO872373D0; DE3719110C2

Description

BESCHREIBUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren gemäss io Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung eine Einrichtung zur Durchfuhrung des Verfahrens.

In der Papier- und Druckindustrie spielt die Messeinrichtung zur Erfassung der Spannung und der Spannungsverteiler in einer Papierbahn eine entscheidende Rolle für die Zuverlässigkeit der 15 Maschinen. Papierbrüche sind schwierig zu vermeiden und verursachen beträchtliche zusätzliche Kosten. Insbesondere wird die Papiergeschwindigkeit in den Papiermühlen ständig gesteigert, so dass eine Papiergeschwindigkeit von 100 km pro Stunde erreicht werden kann. Hierbei wäre eine Einrichtung zur Erfassung der 20 Papierspannung bitter nötig, speziell, wenn die Spannungsverteilung quer zur Laufrichtung der Maschine gemessen werden könnte, weil praktische Untersuchungen gezeigt haben, dass das Spannungsprofil von hohen Spitzen zu Talern völliger Entspannung wechseln kann. Wenn die Information über die Spannung 25 als elektronisches Signal vorliegt, kann die Maschine entsprechend gesteuert werden, beispielsweise um Papierbrüche zu vermeiden. Zum derzeitigen Zeitpunkt basieren die bevorzugten Methoden beispielsweise auf der Überwachung der Unterschiede in der Rotationsgeschwindigkeit zwischen den Rollen, aber 30 infolge des Schlupfs ist diese Methode der Überwachung der Rotationsgeschwindigkeit nicht imstande, direkte Informationen über die Spannung des Papierbandes zu liefern.

Zur Zeit kann die Spannungsmessung in einer Papierbahn mit drei verschiedenen Methoden durchgeführt werden. Die erste 35 Methode beruht darauf, mit Druckluft eine Einbuchtung in die Papierbahn zu blasen und dann die Tiefe der Einbuchtung zu messen. Die zweite Methode misst die gegenseitige Zugkraft zwischen den Rollen mittels Kraftwandlern, welche auf die Drehachse der Rollen montiert sind. Die dritte Methode benützt die •io Membranwellen auf der Papierbahn, welche mittels Mikrophonen gemessen werden, welche nahe der Papierbahn angeordnet sind. Das Verfahren ist detaillierter in der finnischen Patentschrift Nr. 62 419 beschrieben. Gemäss dieser Patentschrift werden Membranwellen in der Papierbahn beispielsweise mittels eines Laut-45 sprechers erzeugt, welche sich in Richtung der angelegten Spannung fortsetzen, und zwar sowohl in Laufrichtung der Papierbahn als auch in Gegenrichtung. Die Geschwindigkeit einer solchen Membranwelle wird dann dazu benutzt, um die Papierbandspannung mittels einer Formel zu berechnen. Diese ist aus der Physik so bekannt, und zeigt, dass die Spannung proportional zur Wurzel aus der Membranwellengeschwindigkeit multipliziert mit dem Basisgewicht des Papierbandes ist. Die Membranwellengeschwindigkeit kann erfasst werden mittels Mikrophonen, welche in einem vorgegebenen Abstand von der Schallquelle entfernt sind 55 und dabei die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Membranwelle bestimmen. Dieses Verfahren benutzt Vibrationen im hörbaren Frequenzbereich, beispielsweise in Form eines 400-Hz-Bündels. Ein Verfahren, welches ebenfalls auf der Verwendung von Oberflächenwellen beruht, ist in der US-Patentschrift 3 854 329 so beschrieben. Im Unterschied zum finnischen Verfahren werden hier Ultraschallvibrationen eingesetzt.

Das erstgenannte Verfahren mit der Druckluft hat sich als ziemlich unbrauchbar erwiesen, weil gemäss diesem Verfahren die Düse sehr nahe an die Papierbahn gebracht wird und infolgedes-65 sen die Reissgefahr sehr hoch ist.

Das zweite Verfahren, bei welchem die gegenseitigen Zugkräfte zwischen den Rollen gemessen werden, ist recht weit verbreitet, aber nachteilig ist beispielsweise, dass die Masse der Rol

3

674 262

len in die Hunderte von Kilogramm geht. Das Verfahren misst die Spannung über die ganze Länge der Papierbahn, wodurch z. B. das Spannungsprofil unberücksichtigt bleibt. Darüber hinaus bleiben die Spannungsspitzen, welche den Papierriss verursachen, unentdeckt.

Beim dritten Verfahren gemäss dem finnischen Patent müssen die Mikrophone, da das Signal im Hörfrequenzbereich liegt, auf diesen Frequenzbereich eingestellt werden, was zu beträchtlichen Signalgeräuschabstandsproblemen führt, da bekanntlich die Umgebung von Papiermaschinen gerade in diesem Frequenzbereich extrem hohe Geräuschpegel aufweist, welche beispielsweise ein Übersteuern der Mikrophone verursachen können. Zudem erfasst das Mikrophon neben dem gewünschten Signalbündel auf dem Luftwege auch das direkte akustische Signal vom Lautsprecher, wodurch eine beträchtliche Störung der Messung verursacht wird. Andererseits haben praktische Versuche des Verfahrens gemäss der im US-Patent beschriebenben Methode gezeigt, dass Membranwellen im Ultraschallbereich sich nicht fortsetzen können. Infolgedessen ist eine Einrichtung gemäss US-Patentschrift gar nicht funktionsfähig.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile der bekannten Verfahren und Einrichtungen des Standes der Technik zu überwinden und eine völlig neuartige Methode und ein diesbezügliches Gerät zu entwickeln, welches eine berührungslose Messung der Spannung in einer Papierbahn erlaubt.

Die Erfindung basiert auf einer Membranwelle, welche bei einer geeigneten Frequenz auf der Papierbahn mittels eines Lautsprechers und einer äquivalenten Einrichtung erzeugt wird, wobei die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Welle mit einem optischen Detektor erfasst wird, welcher sich in der Nähe der Papierbahn befindet und die physikalischen Vibrationen des Papierbandes detektiert, wenn die Membranwelle den Messbereich überquert. Da die Distanz zwischen dem optischen Messbereich und dem Ursprung der Welle bekannt ist, kann die Wellengeschwindigkeit exakt aus der gemessenen Fortpflanzungszeit berechnet werden. In der Praxis verwendet man zwei optische Detektionspunkte, deren gegenseitiger Abstand bekannt ist.

Die Erfindung weist grosse Vorteile auf. Das erfmdungsgemässe Verfahren und die diesbezügliche Einrichtung eliminiert alle Störungen der Umgebungsgeräusche sowie das direkte Lautsprechersignal. Die optische Detektions-methode verbessert demzufolge den Signalgeräuschabstand beträchtlich und macht den Einsatz der Einrichtung selbst unter solchen Umständen möglich, unter welchen die bisher bekannten Verfahren völlig unbrauchbar sind.

Die Erfindung, wie sie in den unabhängigen Ansprüchen gekennzeichnet ist, wird nachstehend anhand einer Zeichnung beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 eine teilweise schematische Seitenansicht eines erfin-dungsgemässen Messinstrumentes,

Figur 2 ein Detail der Messeinrichtung gemäss Figur 1,

Figur 3 eine schematische Seitenansicht auf eine andere Ausfuhrungsform einer erfindungsgemässen Messeinrichtung,

Figur 4 eine teilweise offene perspektivische Ansicht einer dritten Ausführungsform einer erfindungsgemässen Einrichtung,

Figur 5 eine Seitenansicht auf eine vierte Ausfuhrungsform einer erfindungsgemässen Messeinrichtung, bei welcher die Membranwelle mittels einer Interferenz erzeugenden Glasplatte sichtbar gemacht wird,

Figur 6 zeigt eine Detailansicht auf die Einrichtung gemäss Figur 5.

Figur 1 zeigt eine mögliche Ausfuhrungsform einer erfindungsgemässen Einrichtung. Mit Hilfe eines Helium-Neon-Lasers 5 und semireflektierenden Spiegeln werden auf einer Papierbahn 1 vibrierende Lichtpunkte 4 erzeugt, indem der Laserstrahl mit Hilfe von Spiegeln 6 senkrecht auf die Oberfläche der Papierbahn gerichtet wird. Ein Lautsprecher 3 erzeugt ein Tonbündel, welches auf der Papierbahn 1 eine Membranwelle 2

erzeugt, welche sich mit einer Geschwindigkeit in Abhängigkeit von der Quadratwurzel der Papierbahnspannung fortbewegt. Die Membranwelle 2 bewegt sich ausgehend vom Lautsprecher 3 nach beiden Seiten der Schaltwelle 3. Die Position der vibrieren-5 den Lichtpunkte 4 auf der Papierbahn wird mittels eines Positionsdetektors 8 erfasst, dessen optische Achse einen Winkel zum auf die Papierrbahn fokussierten Strahl 10 bildet, und der Lichtpunkt 4 wird mit einem geeigneten optischen System auf den Detektor 8 fokussiert.

i o Figur 2 zeigt etwas detaillierter die Abbildung von Lichtmustern von p und p' auf Bildpunkte P und P' auf einer Bildebene 11. Wenn die Papierbahn 1 infolge von Vibrationen von ihrer Gleichgewichtslage p zu einer neuen Position p' versetzt wird, wird simultan die Position des Bildpunktes P von der Bild-15 ebene 11 zur Position P' versetzt. Der Positions-Detektor 8 detektiert die Bewegung des Lichtpunktes 4, welcher von der Membranwelle 2 erzeugt wird, als ein periodisches Signal, dessen Frequenz deijenigen der Membranwelle 2 entspricht. Der versetzte Bildpunkt ist in der Zeichnung durch eine gestrichelte Linie dar-2o gestellt. Das Ausgangssignal des Positions-Detektors 8 wird einer elektronischen Einheit 9 zugeführt, bei welcher das erhaltene Signal zur Bestimmung der Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Membranwelle 2 verwendet wird, aus der dann die Spannung der Papierbahn 1 berechnet werden kann.

25 Bei der einfachsten Ausfuhrungsform wird die Geschwindigkeit der Oberflächenwelle 2 mit Hilfe eines einzigen Detektors 8 bestimmt. Dies macht eine Angabe über die Papiergeschwindigkeit erforderlich. Die Wellengeschwindigkeit kann gemessen werden mittels des Verhältnisses aus dem Abstand zwischen der Ton-30 quelle 3 und dem Detektor 8 einerseits und der Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Membranwelle 2 über diese Distanz andererseits.

Figur 1 zeigt Spiegelanordnungen, welche insgesamt vier Lichtpunkte auf der Papierbahn 1 erzeugen. Durch die Verwen-35 dung einer zweiten aus zwei Detektoren 8 bestehenden Detektoranordnung zusammen mit dem am nächsten beim Laser 5 befindlichen Lichtpunkt 4 werden zusätzliche Vorteile gewonnen. Es können nämlich Membranwellen detektiert werden, die sich in entgegengesetzte Richtungen bewegen. Werden nun die 40 Geschwindigkeiten beider Wellen 2 in der oben erwähnten Art erfasst und das arithmetische Mittel dieser Geschwindigkeiten gebildet, so kann die Papiergeschwindigkeit aus den Messungen eliminiert werden.

Figur 3 zeigt eine Anordnung, bei welcher der Lichtstrahl •»5 schräg von der Lichtquelle 5 auf die Papierbahn 1 einfällt. Die optische Achse des Positionsdetektors 8 ist ebenfalls schräg zur Papierbahn 1 gerichtet. Im praktischen Einsatz kann der Winkel der optischen Achse sowohl von der Lichtquelle 5 als auch vom Detektor 8 über einen weiten Bereich den Erfordernissen ange-50 passt werden.

Figur 4 zeigt eine Einrichtung, bei welcher drei Lichtpunkte 4 auf der Papierbahn 1 erzeugt werden, so dass der Laser 5 zuerst einen Lichtstrahl erzeugt, welcher durch ein erstes Prisma 12 und ein zweites Prisma 13 zu drei semireflektierenden Spiegeln 6 55 geleitet wird. Die Spiegel 6 richten Lichtstrahl 10 in einen schrägen Winkel auf die Oberfläche der Papierbahn 1. Der Lautsprecher 3 erzeugt eine Membranwelle 2 auf der Papierbahn 1. Die Welle 2 erzeugt eine vertikale Verlagerung der Papierbahn 1, welche ihrerseits eine horizontale Verlagerung des Lichtpunktes 4 60 bewirkt. Die Ablenkung wird detektiert mittels eines Positionsdetektors 8, welcher die erforderliche Optik besitzt, um den Lichtpunkt 4 auf den Sensor zu fokussieren. Es werden drei Detektoren 8 eingesetzt, deren optische Achse senkrecht zur Papierbahn I gerichtet ist. Die Detektoren 8 sind so angeordnet, dass sie in 65 einer Linie parallel zur Laufrichtung der Papierbahn 1 ausgerichtet sind. Ein Detektor 8a ist - bezogen auf den Lautsprecher 3 -in herannahender Richtung der Papierbahn I und die beiden anderen Detektoren 8b, 8c - ebenfalls auf den Lautsprecher 3

674 262

4

bezogen - in abgehender Richtung der Papierbahn angeordnet. Mit Hilfe der Detektoren 8a und 8b kann der Effekt der Bandgeschwindigkeit in oben angegebener Weise eliminiert werden. Der Detektor 8c arbeitet mit dem Detektor 8b zusammen, so dass mittels einer aus der Mathematik bekannten Korrelationsmethode die Geschwindigkeit der Membranwelle bestimmt werden kann. Die Membranwelle 2, welche sich in der Fortbewegungsrichtung des Papierbandes 1 vom Lautsprecher 3 wegbewegt, erzeugt ein Signal im Detektor 8b. Nach einer gewissen Zeit detektiert der Detektor 8c das gleiche (oder annähernd das gleiche) Signal. Beide Signale werden in einem Speicher, beispielsweise in einem Festspeicher, gespeichert. Wie oben beschrieben, speichern die beiden Speichereinheiten die beiden zeitabhängigen Funktionen annähernd ihrer Form entsprechend. Von diesen Funktionen wird beispielsweise mittels eines Computers eine Kreuzkorrelationsfunktion gebildet. Das Verhältnis, gebildet aus dem Abstand zwischen den beiden Detektoren 8b und 8c zur Zeitverschiebung T, welche man aus den Korrelationsfunktionen erhält, resultiert in der Wellengeschwindigkeit (unkorrigiert für die Geschwindigkeit der Papierbahn) der Membranwelle 2. Die beschriebene Methode ist besonders vorteilhaft, wenn die Form der Membranwelle gestört ist. In solchen Fällen versagen einfachere Methoden.

Figur 5 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei welcher das vom Laser 5 erzeugte Licht mittels eines Strahlexpanders 14 aufgeweitet und mittels einer Kondensatorlinse 15 in eine kohärente ebene Welle 16 ausgerichtet wird. Die ebene Welle 16 trifft auf eine keilförmige polierte Glasplatte 17 auf, wo sie sich, indem sie von jeder Oberfläche der Glasplatte 17 reflektiert wird, zu einem kammartigen Interferenzmuster zusammensetzt, das schräg auf die Papierbahn 1 projiziert wird. Die Veränderungen der Oberfläche erscheinen als Minima und Maxima der projizierten Interferenzmuster, welche beispielsweise mit einer Linienabtastkamera 18 detektiert werden können («row-camera» oder «line scan camera»: eine vereinfachte Kamera mit einem sensitiven Element,

das nur eine Reihe einer üblichen Halbleiter-Abtastmatrix umfasst).

Der Helium-Laser, wie er in den Ausführungsformen gemäss Figur 1 bis 3 als Lichtquelle verwendet wird, kann beispielsweise s mit einer Hochleistungs-LED-Lichtquelle (solid-state emitter oder eine äquivalente Lichtquelle) ersetzt werden, welche klein ist und deren Licht zu einem ausreichend kleinen Lichtpunkt auf der Papierbahn 1 fokussiert werden kann. Die Erzeugung des Lichtpunktes ist nicht wesentlich für die vorliegende Erfindung und io beansprucht auch keinerlei Neuheit. Ferner sind auch die Positionsdetektoren im Handel erhältlich, und demzufolge wird an dieser Stelle auf deren Charakteristik nicht mehr näher eingegangen. Die verwendete Schallquelle kann beispielsweise ein Lautsprecher, eine Druckluftpfeife oder eine vergleichbare Einrichtung 15 sein. Auch hier handelt es sich um Standardlösungen, weil die verwendeten Frequenzen in der Grössenordnung von 100 bis 500 Herz sind.

Abgesehen von der Messung von Papierbahnspannungen kann die vorliegende Erfindung auch zur Spannungsmessung in 2o anderen dünnen folienartigen Materialien verwendet werden. Die Messeinrichtung ist insbesondere zur Spannungsmessung in sehr dünnen Plastikfilmen und Metallfolien geeignet.

Der Vorteil des vorliegenden Verfahrens besteht darin, dass gemäss der verwendeten physikalischen Formel der Elastizitäts-25 modul (Young's Modul) des Materials keinen Einfluss auf die Messung hat, denn die Geschwindigkeit der Membranwelle hängt einzig vom Basisgewicht der Membran und der Spannung ab.

Abgesehen vom Gebrauch in Papiermaschinen kann die Messeinrichtung fur Längsschneider («lenghth shear» oder «slit-30 ter winden> : ein Schneidgerät, um beispielsweise Papierbänder in Längsrichtung zu schneiden), Kalibrierpressen und Druckmaschinen verwendet werden. Darüber hinaus kann die Maschine eingesetzt werden bei der Produktion von Magnetbändern aus Plastikbasis oder für sehr dünne Metallfolien.

G

3 Blatt Zeichnungen

Claims

674 262 PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zur Messung der Spannung in einer dünnen, ebenen Membran, bei welchem Verfahren

- ein Membranwellenbündel mit einem Wandlerelement erzeugt wird,

- die Geschwindigkeit der Membranwelle gemessen wird,

- aus dem Messwert der Geschwindigkeitsmessung die Quadratwurzel gezogen und mit dem Basisgewicht der Membran zwecks Bestimmung der Membranspannung multipliziert wird,

dadurch gekennzeichnet, dass

- ein Lichtstrahl mit mindestens einem lichtaussendenden Element erzeugt wird,

- jeder Lichtstrahl mit Ausrichtungsgliedern auf der Membran derart ausgerichtet wird, dass eine Lichtfigur erzeugt wird,

- zur Bestimmung der Membranwelle die auf der Membran erzeugte Lichtfigur mittels mindestens einem Detektionselement in ein von der Position der Lichtfigur abhängiges elektrisches Signal gewandelt wird und

- das Signal zur Bestimmung der Membranwellengeschwindigkeit in einem Prozessor verarbeitet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das lichtaussendende Element ein Laser ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das lichtaussendende Element eine Leuchtdiode oder ein vergleichbarer lichtaussendender Festkörper ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtstrahl annähernd senkrecht auf die Membranebene projiziert und die Position des Lichtpunktes in der Vertikalebene mit dem Detektorelement erfasst wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtstrahl schräg auf die Membranebene projiziert wird und dessen Ablenkung mittels dem Detektorelement erfasst wird.

6. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der vom Laser erzeugte Lichtstrahl mit einem Expander aufgeweitet und mit einer Kondensatorlinse gesammelt wird, derart, dass eine kohärente ebene Welle erzeugt wird, welche auf eine Interferenzen erzeugende keilförmige Glasplatte projiziert wird, so dass das zur Interferenz bestimmte Licht auf die Membran projiziert wird, und dass mittels einer Linienabtastkamera aus dem auf der Membran erzeugten Interferenzmuster ein elektrisches Signal erzeugt wird.

" 7. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einem Wandlerelement zur Erzeugung einer Membranwelle, gekennzeichnet durch

- ein lichtaussendendes Element (5) zur Erzeugung eines Lichtstrahles (10),

- Projektionselemente (6 oder 14,15, 17), mittels welchen der Lichtstrahl (10) in Form einer Lichtfigur (4 oder 19) auf die Membran projiziert werden kann,

- mindestens ein Detektorelement (8 oder 18), mittels welchem die Lichtfigur (4 bzw. 19) in ein elektrisches, von der Position der Lichtfigur (4 bzw. 19) abhängiges Signal gewandelt werden kann, so dass die Membranwelle (2) bestimmbar ist, und

- Einrichtungen (9) zur Bestimmung der Geschwindigkeit der Membranwelle (2) aus dem genannten elektrischen Signal.

8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,

dass das lichtaussendende Element (5) ein Laser ist.

9. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,

dass das lichtaussendende Element (5) eine Leuchtdiode oder ein vergleichbarer lichtaussendender Festkörper ist.

10. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Lichtstrahlexpander (14) und eine Kondensatorlinse (15) umfasst, die derart angeordnet sind, dass eine kohärente ebene Welle erzeugbar ist, dass sie ferner eine Glasplatte (17) umfasst, mittels welcher die ebene Welle (16) in der Weise auf die Membran (1) projizierbar ist, dass ein von der Membran welle (2) abhängiges Interferenzmuster (19) erzeugt wird, und dass schliesslich eine Lichtabtastkamera (18) vorgesehen ist, mittels welcher das Interferenzmuster (19) in ein elektrisches Signal gewandelt werden kann.