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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Darüber hinaus
ist auch die Verteilung der ausgesandten Strahlung auf der Oberfläche des Sensors
nicht gleich.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe schlägt
die vorliegende Erfindung eine Messvorrichtung gemäss Anspruch
1 und ein Messverfahren gemäss
Anspruch 3 vor.
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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.
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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.
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Die
vorliegende Erfindung wird nun im Detail als den Schutzumfang nicht
einschränkendes
Beispiel beschrieben, wobei auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen
wird, in denen:
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1 in
perspektivischer Ansicht schematisch eine mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ausgestattete
Messvorrichtung darstellt;
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2 eine
schematische Darstellung in der Draufsicht des Sensors in einer
erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist; und
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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.
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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.
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Der
zu messende Film – gekennzeichnet
mit Bezugsziffer 5 – läuft zwischen
dem Emitter und dem Sensor und bewegt sich in Richtung des Pfeils
F.
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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.
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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.
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Mit
der Ziffer 6 ist der Träger
des Sensors bezeichnet, der vier mit den Ziffern 7, 7', 7'', 7''' bezeichnete
Dioden umfasst.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Mit
den durchgeführten
Tests konnte festgestellt werden, dass die besten Ergebnisse dann
erzielt werden, wenn der Emitter (Strahlenquelle) ungefähr die Größe des Sensors
hat.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Ein
Fachmann kann dann zahlreiche Modifikationen und Veränderungen
vorsehen, die jedoch alle in den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung fallen
müssen.