DE10019789B4 - Vorrichtung und Verfahren zum Messen der Dicke von Folienmaterial während des Vorschubs - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren zum Messen der Dicke von Folienmaterial während des Vorschubs Download PDF

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Abstract

Vorrichtung zum Messen der Dicke von Film- oder Folienmaterial während des Vorschubs, die einen Emitter (2) von Beta-Strahlung und einen Sensor (3), der die Strahlung messen kann, umfasst, die auf den gegenüberliegenden Seiten des Films (5) angebracht sind und sich synchron entlang der Oberfläche des Folienmaterials bewegen, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor aus drei oder mehr Dioden mit großer Oberfläche besteht, wobei Vorrichtungen vorgesehen sind, die geeignet sind, die Differenz zwischen den Messungen von zwei benachbarten Dioden zu berechnen, die Summe der von den Dioden durchgeführten Messungen zu berechnen und den Wert der Summe in Abhängigkeit von der ermittelten Differenz zu verändern.

Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Messen der Dicke eines Film- oder Folienmaterials wie beispielsweise von Kunststoff- oder Papierfilmen während des Produktionszyklus, und insbesondere auf eine Messvorrichtung, die einen Abtastkopf umfasst, der sich mit alternierender Bewegung quer zur Vorschubrichtung eines zu messenden Films bewegt, wobei der Abtastkopf einen auf einer Seite des Films angebrachten Emitter von Beta-Strahlen, sowie einen auf der anderen Seite des Films angebrachten Sensor umfasst, der aus vier in Quadranten angeordneten Dioden mit großer Oberfläche besteht, die ein Signal abhängig von der Menge der erfassten Strahlung ausgeben.
  • Die Summe der von den vier Sensoren gelieferten und in geeigneter Weise verarbeiteten Signale gibt die zu messende Dicke an, während die Differenz zwischen dem von einem Sensor gelieferten Signal und den benachbarten das Erfassen einer eventuellen Achsabweichung zwischen dem Emitter und dem Empfänger ermöglicht.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht das Durchführen von Messungen von hoher Genauigkeit sowie – durch die Kenntnis über eventuelle Achsabweichungen zwischen den beiden beweglichen Elementen – eine Intervention zum Kompensieren der unterschiedlichen gelesenen Werte, die daraus entstehen können.
  • Bekannte Vorrichtungen zum Messen der Dicke von Filmen oder ähnlichem während des Vorschubs umfassen im allgemeinen einen Portalrahmen, an dem sich ein oder mehrere Abtastköpfe alternierend quer zur Vorschubrichtung des Films entlangbewegen, um eine Messung auf der gesamten Filmbreite durchzuführen.
  • Die Patentschrift DE 69417376 T2 beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Messen der Dicke von Film- oder Folienmaterial aus Polymerwerkstoff während des Vorschubs, wobei die Absorption eines Laserstrahls in einer von dem Polymermaterial absorbierten Wellenlänge relativ zu einem Referenzstrahl erfasst wird.
  • Die DE 4407215 A1 beschreibt ein Verfahren zur Messung der Dicke von bahnförmigen Materialien, welche auf einer Referenzauflage aufliegen, mit Hilfe eines optischen Triangulations-Abstandssensors, der den Abstand des Sensors von der Materialoberfläche erfasst und aus der Differenz zu dem Abstand des Messkopfes zur Referenzauflage die Materialdicke erfasst. Es ist ein Kompensationssystem zur Kompensation einer Verkippung des Messkopfes relativ zur Referenzauflage vorgesehen.
  • Die DE 3750528 T2 beschreibt einen Bestrahlungsdetektor mit vier Quadrantendioden, die es durch Addition und Subtraktion der gemessenen Intensitäten der einzelnen Quadrantendioden ermöglicht, die Position eines Strahlungsbündels relativ zum Zentrum der Quadrantendiode zu erfassen.
  • Die Abtastköpfe bestehen in der Regel aus Detektoren mit Gasen – oder Ionisationskammern – mit einem auf der einen Seite des Films befindlichen Strahlungsemitter und einem Empfänger auf der anderen Seite des Films, der ein Signal entsprechend der empfangenen Strahlungsmenge erzeugt, und so mit geeigneter Verarbeitung abhängig von der Absorption dieser Strahlung die Dicke des Films bestimmt werden kann.
  • Diese Vorrichtungen müssen Messungen im Mikrometerbereich durchführen. Von daher ist es leicht verständlich, wie die Ergebnisse von zahlreichen Faktoren beeinflusst werden können wie beispielsweise Fehlern, die auf die Eigenschaften des Detektors, auf Temperaturunterschiede oder Schwankungen in den thermodynamischen Eigenschaften des Systems oder auf mechanische Ungenauigkeiten der Messvorrichtungen zurückzuführen sind.
  • Insbesondere können eventuelle Achsabweichungen zwischen dem Emitter und dem Sensor, während diese sich bewegen, zu Messfehlern führen, die auf die Tatsache zurückzuführen sind, dass die Strahlungsempfindlichkeit des Empfängers nicht auf seiner gesamten Oberfläche konstant ist.
  • Darüber hinaus ist auch die Verteilung der ausgesandten Strahlung auf der Oberfläche des Sensors nicht gleich.
  • Auf der anderen Seite ist es jedoch auch nicht zweckmäßig, den Raumwinkel über die Maßen zu beschränken, mit dem die Strahlung auf den Sensor trifft (beispielsweise durch den Einsatz von Kollimator-Vorrichtungen oder ähnlichem), da in diesem Fall das Ergebnis ein so schwaches Signal wäre, dass es schwierig würde, dieses genau zu messen, was zu weiteren Ableseungenauigkeiten führen würde.
  • Das vom Sensor abgegebene Signal ist folglich bei gleichbleibender auftreffender Strahlung durch die Verschiebung auf den Achsen nicht gleich, sondern es verändert sich gemäß eines Wirkungsprofils, das seinerseits nicht immer gleich sein kann, sondern sich in Abhängigkeit von den Arbeitsbedingungen verändert.
  • Daraus wird deutlich, dass eine perfekte Ausrichtung zwischen dem Emitter und dem Sensor eine unabdingbare Bedingung für eine Messung von hoher Präzision und Genauigkeit ist und dass auch leichte Achsabweichungen (ein alles andere als unwahrscheinliches Ereignis bei Vorrichtungen, die sich kontinuierlich bewegen) sich negativ auf die Ergebnisse auswirken.
  • Eine Teillösung dieses Problems bietet ein Zurückgreifen auf geeignete Algorithmen, die sich zusätzlicher Kompensationsvorrichtungen bedienen wie magnetischen Sensoren, die jedoch weitere Kosten, einen komplizierteren Aufbau der gesamten Vorrichtung und das Risiko weiterer Ungenauigkeiten mit sich bringen.
  • Dagegen könnte dieses Problem dadruch gelöst werden, dass ein Sensor angebracht wird, der das Erfassen von eventuellen Achsabweichungen und folglich eine entsprechende Korrektur des Signals ermöglichte.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die vorliegende Erfindung eine Messvorrichtung gemäss Anspruch 1 und ein Messverfahren gemäss Anspruch 3 vor.
  • Diese Dioden erfassen das vom Emitter kommende Signal innerhalb eines genau definierten Raumwinkels und erzeugen jeweils ein Signal entsprechend der erfassten Strahlung, die ihrerseits direkt proportional zur getroffenen Oberfläche ist.
  • Die Summe der vier Signale liefert die gemessene Dicke, während aus der Differenz zwischem dem von einer Diode ausgegebenen Signal und den von den benachbarten Dioden ausgegebenen Signalen mögliche Achsabweichungen entlang eines rechtwinkligen Achsenpaars bestimmt und folglich die nötigen Korrekturen eingebracht werden können.
  • Die vorliegende Erfindung wird nun im Detail als den Schutzumfang nicht einschränkendes Beispiel beschrieben, wobei auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen wird, in denen:
  • 1 in perspektivischer Ansicht schematisch eine mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ausgestattete Messvorrichtung darstellt;
  • 2 eine schematische Darstellung in der Draufsicht des Sensors in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ist; und
  • 3 einen Graphen darstellt, auf dessen Abszisse die relative Position zwischen Strahlungsquelle und Emitter entlang einer Achse und auf der Ordinate die Differenz zwischen den von zwei benachbarten Sensoren gelesenen Werten aufgetragen ist.
  • Nun wird auf 1 Bezug genommen, in der eine Vorrichtung zum Messen der Dicke eines Films einen Rahmen 1 umfasst, entlang dessen sich in alternierender Bewegung ein Abtastkopf bewegt, der aus einem Strahlungsemitter 2, insbesondere einem Emitter von Beta-Strahlen, und einem Sensor 3, der sich entlang einer fest mit dem Rahmen 1 verbundenen Führungsschiene 4 bewegt, besteht.
  • Der zu messende Film – gekennzeichnet mit Bezugsziffer 5 – läuft zwischen dem Emitter und dem Sensor und bewegt sich in Richtung des Pfeils F.
  • Bekannte Antriebsvorrichtungen bewegen den Sensor und den Emitter synchron hin und her, so dass die vom Emitter 2 abgegebene Strahlung kontinuierlich vom Sensor 3 empfangen wird und auf diese Weise ausgehend von der Absorption dieser Strahlung die Dicke des gemessenen Materials bestimmt werden kann.
  • Entsprechend der vorliegenden Erfindung besteht der Sensor 3 aus einer Reihe von Dioden, insbesondere des als "Dioden mit großer Oberfläche" bezeichneten Typs. Insbesondere ist der Sensor aus drei oder mehr Dioden, vorzugsweise aus vier in Quadranten, d.h. entlang zweier Zeilen und zweier Spalten angeordneten Dioden gebildet, wie aus der Draufsicht aus 2 hervorgeht.
  • Mit der Ziffer 6 ist der Träger des Sensors bezeichnet, der vier mit den Ziffern 7, 7', 7'', 7''' bezeichnete Dioden umfasst.
  • Jede dieser Dioden, die beispielsweise eine Größe von 8–10 mm aufweisen können, erfasst einen Teil der Strahlung, die der Emitter auf den Sensor richtet.
  • Mit der Ziffer 8 wird in 2 ein Kreis bezeichnet, der den Bereich mit maximaler Intensität der abgegebenen Strahlungen im Inneren eines vorher definierten Raumwinkels darstellt.
  • Wenn Emitter und Empfänger perfekt ausgerichtet sind, verteilt sich die Oberfläche 8 zu gleichen Teilen auf die vier Sensoren, die äquivalente Signale erzeugen, deren Summe einen für die zu messende Dicke indikativen Wert liefert.
  • Wenn, aus welchen Gründen auch immer, eine Abweichung in der Achsausrichtung zwischen Emitter und Sensor auftritt, verschiebt sich der Kreis aus der angegebenen Gleichgewichtsposition und betrifft die vier Sensoren in unterschiedlichem Maße, wobei jeder Sensor dann eine unterschiedliche Strahlungsmenge erfasst.
  • Aus den durchgeführten Versuchen konnte überprüft werden, dass die entlang einer Achse gemesse Differenz zwischen den von zwei benachbarten Sensoren erzeugten Signalen eine Gerade mit einem bestimmten Winkelkoeffizienten (3) liefert.
  • Mit den durchgeführten Tests konnte festgestellt werden, dass die besten Ergebnisse dann erzielt werden, wenn der Emitter (Strahlenquelle) ungefähr die Größe des Sensors hat.
  • Im wesentlichen erhält man, wenn auf einem Graphen (3) auf der Abszisse die Werte der Achsabweichung und auf der Ordinate die Differenz zwischen den von zwei benachbarten, entlang dieser Achse angebrachten Sensoren erzeugten Signalen aufgetragen werden, eine Gerade durch Null mit einem Winkelkoeffizienten α.
  • Auf diese Weise kann unter Verwendung von dem Fachmann bekannten Algorithmen die Achsabweichung der beiden Sensoren festgestellt und so die gelesenen Werte korrigiert werden, so dass der Einfluss der Achsabweichungen bedeutend reduziert werden kann.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren sieht folglich Folgendes vor:
    • • Messen einer Menge von Strahlung, die von einem auf der anderen Seite des zu messenden Films angebrachten Emitter ausgeht, mittels eines Detektors, der vier in Quadranten angebrachte Dioden mit großer Oberfläche umfasst;
    • • Bestimmen der Achsabweichung in Abhängigkeit von der Differenz der gelesenen Werte zwischen zwei benachbarten Dioden; und
    • • Bestimmen der Dicke ausgehend von der Summe der vier gelesenen Werte, die eventuell abhängig vom Unterschied der gelesenen Werte proportional zur vorher erfassten Achsabweichung korrigiert wurde.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht daher, den Einfluss der Achsabweichung beim Messen der Dicke bedeutend zu verringern mittels einer einfachen Vorrichtung, die im Vergleich zu den derzeitig verwendeten Vorrichtungen preiswerter ist und leicht programmiert werden kann.
  • Anzumerken bleibt, dass die Verwendung von vier Sensoren eine Systemredundanz bewirkt, wodurch die Vorrichtung auch in dem Fall, dass einer der Sensoren ausfällt, weiterhin geregelt funktionieren kann.
  • Ein Fachmann kann dann zahlreiche Modifikationen und Veränderungen vorsehen, die jedoch alle in den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung fallen müssen.

Claims (4)

  1. Vorrichtung zum Messen der Dicke von Film- oder Folienmaterial während des Vorschubs, die einen Emitter (2) von Beta-Strahlung und einen Sensor (3), der die Strahlung messen kann, umfasst, die auf den gegenüberliegenden Seiten des Films (5) angebracht sind und sich synchron entlang der Oberfläche des Folienmaterials bewegen, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor aus drei oder mehr Dioden mit großer Oberfläche besteht, wobei Vorrichtungen vorgesehen sind, die geeignet sind, die Differenz zwischen den Messungen von zwei benachbarten Dioden zu berechnen, die Summe der von den Dioden durchgeführten Messungen zu berechnen und den Wert der Summe in Abhängigkeit von der ermittelten Differenz zu verändern.
  2. Vorrichtung zum Messen der Dicke gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor aus vier in Quadranten angebrachten Dioden besteht.
  3. Verfahren zum Messen der Dicke von Folienmaterial mittels eines beweglichen Abtastkopfes, der einen Emitter (2) von Beta-Strahlung und einen Sensor (3), der auf der anderen Seite des zu messenden Materials angebracht ist und aus wenigstens drei in Quadranten angeordneten Dioden mit großer Oberfläche besteht, umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Summe der von jeder Diode gelieferten gelesenen Werte verwendet wird, um die Dicke der gemessenen Folie (5) zu berechnen, und dass die Differenz zwischen den gelesenen Werten von zwei benachbarten Dioden verwendet wird, um die Achsabweichung zwischen Emitter und Sensor zu berechnen.
  4. Verfahren zum Messen der Dicke von Folienmaterial gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge der Strahlung mittels eines Detektors, der vier in Quadranten angebrachte Dioden mit großer Oberfläche umfasst, gemessen wird.
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