DE10029781A1

DE10029781A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Materialerkennung

Info

Publication number: DE10029781A1
Application number: DE2000129781
Authority: DE
Inventors: Juergen Pauly
Original assignee: Fotoelek K Pauly & Co KG GmbH
Current assignee: Fotoelek K Pauly & Co KG GmbH
Priority date: 2000-06-16
Filing date: 2000-06-16
Publication date: 2002-01-31

Abstract

Es werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Materialerkennung, insbesondere zur Erkennung einer Papierbahn auf einem Papierträger, beschrieben, Es werden mindestens zwei Lichtstrahlen unterschiedlicher Wellenlänge auf das zu überprüfende Material gerichtet. Die vom Material reflektierten Lichtstrahlen werden empfangen und die Helligkeitswerte derselben werden ermittelt. Die Verhältniswerte zwischen den Helligkeitswerten sämtlicher Lichtstrahlen werden bestimmt und mit einer vorgegebenen Toleranzgrenze verglichen. Bei Überschreiten der Toleranzgrenze wird ein Alarm- oder Schaltsignal ausgelöst.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erken nen von zwei übereinander, jedoch im wesentlichen in der gleichen Ebene angeordneten, unterschiedliche optische Eigenschaften aufweisenden Materialien, insbesondere Pa pierbahnen auf Papierträgern. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durchführung eines derartigen Verfah rens.

Ein Verfahren der vorstehend wiedergegebenen Art dient bei spielsweise dazu, Papierbahnrisse auf Papierträgern (Trockensieben) zu erfassen und beim Auftreten eines derar tigen Bahnrisses (beispielsweise fehlender Papierbahn) ein entsprechendes Signal abzugeben, das ein Alarmsignal sein kann oder zur Auslösung eines gewünschten Schaltvorganges führt.

Um eine derartige Papierbahnrißkontrolle durchzuführen, hat man bisher einen Lichtstrahl auf den Papierträger (dunkler Untergrund) und die Papierbahn gerichtet und die Hellig keitsdifferenz der reflektierten Lichtstrahlen ermittelt. Dabei wurde mit Infrarotlicht gearbeitet. Die ermittelte Helligkeitsdifferenz wurde mit einem vorgegebenen Wert ver glichen. Bei Überschreiten bzw. Unterschreiten des vorgege benen Wertes, was das Fehlen von Papier auf dem Papierträger (Bahnriß) anzeigte, wurde das erwähnte Alarmsignal oder Schaltsignal ausgelöst.

Das bekannte Verfahren hat den Nachteil, daß ein aufwendi ges Eichverfahren erforderlich ist. Darüber hinaus können bei diesem Verfahren durch Entfernungsänderungen zwischen Sender, Empfänger, Papierbahn und Papierträger die gewonne nen Meßergebnisse verfälscht werden, da sich hierdurch Än derungen in den ermittelten Helligkeitsdifferenzen ergeben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art zu schaf fen, das bzw. die sich bei einem geringen Eich/Meßaufwand durch besonders genaue Meßergebnisse auszeichnen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Verfahren der eingangs wiedergegebenen Art durch die folgenden Schritte gelöst:

a) Richten von mindestens zwei Lichtstrahlen unterschied licher Wellenlängen auf das zur Lichtquelle nächstgele gene Material;
b) Empfangen der von diesem Material reflektierten Licht strahlen und Bestimmen der Helligkeitswerte derselben;
c) Ermitteln der Verhältniswerte zwischen den Helligkeits werten sämtlicher Lichtstrahlen;
d) Festlegen einer Toleranzgrenze in bezug auf die Verhält niswerte der Helligkeitswerte; und
e) Vergleichen der Verhältniswerte der Helligkeitswerte mit der Toleranzgrenze und Abgabe eines Signales bei Über schreiten derselben.

Erfindungsgemäß wird somit nicht mehr mit einem einzigen Lichtstrahl, sondern mit mindestens zwei Lichtstrahlen un terschiedlicher Wellenlänge gearbeitet. Mit anderen Worten, es werden mindestens zwei Lichtstrahlen unterschiedlicher Farben auf das zu überprüfende Material gerichtet und die von diesem Material reflektierten Lichtstrahlen werden emp fangen. Die entsprechenden Helligkeitswerte (Amplituden werte) der einzelnen Lichtstrahlen werden ermittelt, und sämtliche ermittelten Helligkeitswerte werden zueinander ins Verhältnis gesetzt. Somit wird jeder einer Farbe zuge ordnete Amplitudenwert mit jedem Amplitudenwert der anderen Farben ins Verhältnis gesetzt, wobei die Anzahl der rele vanten Quotienten (n - 1) n/2 beträgt.

Die ermittelten Verhältniswerte werden mit einer festgeleg ten Toleranzgrenze, d. h. vorgegebenen Verhältniswerten, verglichen, und bei Überschreiten der Toleranzgrenze wird ein Signal (Alarmsignal oder Schaltsignal) abgegeben, das das Vorhandensein einer entsprechend großen Helligkeits änderung des zu prüfenden Materiales anzeigt. Diese Hellig keitsänderung entspricht bei entsprechender Einstellung der Toleranzgrenze beispielsweise einem Papierriß der zu mes senden Papierbahn, da nunmehr die Lichtstrahlen nicht mehr von der Papierbahn, sondern vom darunter angeordneten Pa pierträger reflektiert werden. Die Toleranzgrenze ist dabei vorzugsweise so eingestellt, daß kleinere Unregelmäßigkei ten auf der Papierbahn, wie Verunreinigungen, kleine Risse etc., nicht zu einem Überschreiten der Toleranzgrenze füh ren, so daß hierdurch kein Signal ausgelöst wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren hat eine Reihe von Vortei len. Durch den Vergleich der Verhältniswerte der Helligkei ten von mindestens zwei Lichtstrahlen unterschiedlicher Wellenlänge werden Helligkeitsschwankungen (Amplitudenschwankungen) durch Entfernungsunterschiede eliminiert. Mit anderen Worten, Änderungen zwischen Sender, Empfänger und den zu prüfenden Materialien führen nicht zur Auslösung eines Schalt- bzw. Alarmsignales. Ferner wird durch die Verwendung von mehreren Lichtstrahlen unterschiedlicher Wellenlänge der Spektralbereich ausgedehnt, so daß eine bessere Kontrasterfassung möglich ist. Regelmäßig ist wahrscheinlich zu erwarten, daß sich wenigstens zwei Hel ligkeitswerte gegenläufig verändern, wodurch bei Verhält nisbildung eine größere Abweichung (Empfindlichkeit) veri fizierbar ist.

Vorzugsweise wird mit vier Lichtstrahlen der Farben Grün, Rot, Gelb und IR-Rot gearbeitet. Bei dieser Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens werden vier Helligkeitswerte H₁, H₂, H₃ und H₄ ermittelt. Sämtliche Helligkeitswerte werden miteinander ins Verhältnis gesetzt, so daß folgende Quotienten gebildet werden: H₁ : H₂, H₁ : H₃, H₁ : H₄, H₂ : H₃, H₂ : H₄ und H₃ : H₄. Es ergeben sich somit (n - 1) n/2 Quotien ten, wobei n die Anzahl der Lichtstrahlen unterschiedlicher Wellenlänge ist.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren können die mindestens zwei Lichtstrahlen sowohl im Gleichtakt als auch nacheinan der abgegeben werden, wobei im letztgenannten Fall die Ab gabe möglichst rasch nacheinander erfolgt, damit die Meß werte nicht weit auseinander liegen. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, daß mit nur einem einzigen Empfänger gear beitet werden kann.

Zweckmäßigerweise werden die empfangenen Analogsignale (Am plitudenwerte) in digitale Signale überführt, bevor die Re chenoperationen zur Verhältnisbildung durchgeführt werden.

Die erhaltenen Quotienten können in Speichern, Registern etc. abgelegt und zur gegebenen Zeit mit vorgegebenen Wer ten verglichen werden.

Die Verhältniswerte der Helligkeiten werden vorzugsweise durch laufende Messungen in kurzen Zeitabständen permanent aktualisiert und verglichen, um eine kontinuierliche Mate rialüberprüfung zu ermöglichen.

Es wird vorzugsweise mit Wechsellicht gearbeitet.

Das erfindungsgemäße Verfahren hat den weiteren Vorteil, daß es mit einem geringen Aufwand durchgeführt werden kann. Es ist keine aufwendige Eichung etc. erforderlich. Nur die entsprechenden Toleranzgrenzen müssen festgelegt werden, und die Bildung der Verhältniswerte kann von einem herkömm lich ausgebildeten Prozessor übernommen werden.

In Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ersetzen die jeweils zuletzt ermittelten Helligkeitswerte die zuvor ermittelten oder seinerzeit festgelegten Helligkeitswerte und dienen als Bezugswerte zum Vergleich mit neu ermittel ten Helligkeitswerten. Mit anderen Worten, bei dieser Vari ante des Verfahrens erfolgt eine laufende Aktualisierung derjenigen Helligkeitswerte, die als Vergleichswerte für die jeweils neu ermittelten Helligkeitswerte herangezogen werden. Diese Aktualisierung geht anfangs von den ermittel ten oder festgelegten Helligkeitswerten (Toleranzgrenze) aus und wird dann kontinuierlich mit den jeweils zuletzt ermittelten Helligkeitswerten durchgeführt. Es werden daher immer die zuletzt gemessenen Helligkeitswerte als Ver gleichswerte gespeichert und mit den neu ermittelten Hel ligkeitswerten verglichen. Es erfolgt somit eine "schlei chende" Veränderung der Vergleichswerte (bei Verschmutzung oder Alterung von Bauelementen). Diese Vorgehensweise hat den Vorteil, daß hierdurch eine automatische Verschmutzungseliminierung erfolgt, da von einer zunehmenden Ver schmutzung oder Alterung der optischen Systeme/Bauelemente auszugehen ist, welche bei einer festgelegten Toleranz grenze bereits dann zu einer Auslösung eines Anzeige- oder Schaltsignales führen würde, wenn ein entsprechender Ver schmutzungsgrad oder Alterungsgrad erreicht ist. Dies wird erfindungsgemäß vermieden, weil sich mit der Zeit verän dernde Vergleichshelligkeitswerte verwendet werden.

Es erfolgt somit auch bei zunehmender Verschmutzung nur dann eine Signalauslösung, wenn tatsächlich die zu prüfende Oberfläche wechselt (von der Papierbahn auf den Papierträ ger), was einem Bahnriß entspricht.

Bei der Gefahr starker Farb- oder Helligkeitsinhomogenitä ten des Trägers wird vorzugsweise ein "teach-in"-Verfahren als wählbarer Funktionsmodus für die Papierbahn verwendet, wobei die Papierbahndaten erneuert werden, solange Papier vorhanden ist, und bei fehlender Papierbahn (Überschreiten der Toleranzgrenzen = Bahnriß) die letzten Papierbahndaten gespeichert bleiben und damit von Messung zu Messung eine Feststellung getroffen wird, daß die Toleranzgrenzen über schritten sind und keine Papierbahn vorhanden ist. Bei Meß ergebnissen, die den gespeicherten Papierbahndaten entspre chen, wird das Vorhandensein der Papierbahn wiederum fest gestellt. Die Papierbahndaten werden dann wieder stetig er neuert.

Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durchführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens.

Diese Vorrichtung umfaßt die folgenden Bestandteile:

a) eine Vorrichtung zur Abgabe von mindestens zwei Licht strahlen Unterschiedlicher Wellenlängen auf das Material;
b) eine Vorrichtung zum Empfangen der vom Material reflek tierten Lichtstrahlen und zur Umwandlung der entspre chenden Helligkeitswerte in elektrische Signale; und
c) einen Prozessor zur Ermittlung der Verhältniswerte zwi schen den Helligkeitswerten sämtlicher Lichtstrahlen, zum Vergleichen derselben mit einer vorgegebenen Tole ranzgrenze und zur Auslösung eines Signales bei Über schreiten derselben.

Die Vorrichtung zur Abgabe von mindestens zwei Lichtstrah len weist geeignete Lichtquellen auf, beispielsweise LED's für Grün, Rot, Gelb und IR-Rot. Diese Lichtquellen werden vom Prozessor angesteuert, so daß sie vorzugsweise nachein ander Lichtstrahlen unterschiedlicher Wellenlängen auf das Material abgeben. Es ist jedoch auch ein Arbeiten im Gleichtakt möglich.

Die Vorrichtung zum Empfangen der vom Material reflektier ten Lichtstrahlen weist vorzugsweise ein oder mehrere Emp fangsdioden auf. Wenn die Lichtstrahlen nacheinander abge geben werden, findet eine einzige Empfangsdiode Verwendung, die nacheinander mit den reflektierten Lichtstrahlen beauf schlagt wird. Die Empfangsdiode wandelt die entsprechenden Helligkeitswerte in elektrische Signale um, die dem Prozes sor zugeführt werden, der die entsprechenden Verhältnis werte zwischen den Helligkeitswerten sämtlicher Lichtstrah len berechnet und diese mit vorgegebenen Verhältniswerten, vorzugsweise den Verhältniswerten der zuletzt durchgeführ ten Messung, vergleicht. Bei Überschreiten der Toleranz grenze gibt der Prozessor ein Alarmsignal oder Schaltsignal ab.

Vorzugsweise sind den Lichtquellen (Sendedioden) und der Empfangsvorrichtung oder den Empfangsvorrichtungen (Emp fangsdioden), Lichtleitkabel sowie eine Sende- und Emp fangsoptik zugeordnet. Bei dieser Ausführungsform können somit Sender und Empfänger örtlich getrennt vom zu prüfen den Material angeordnet sein, wobei die Übertragung zwi schen der Optik und Sender und Empfänger mit Hilfe der Lichtleitkabel erfolgt.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungs beispieles in Verbindung mit der Zeichnung im einzelnen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrich tung zum Erkennen von zwei übereinander, je doch im wesentlichen in der gleichen Ebene angeordneten Materialien; und

Fig. 2 ein Schaltschema der Vorrichtung der Fig. 1.

Bei der in den Figuren dargestellten Vorrichtung geht es um eine solche zum Feststellen von Papierbahnrissen, die auf Papierträgern laufen. Fig. 1 zeigt schematisch eine Pa pierbahn 8, die in Richtung des Pfeiles sich auf dem Pa pierträger 9 bewegt. Die Papierbahn 8 und der Papierträger 9 haben unterschiedliche optische Eigenschaften, d. h. ihre Oberflächen besitzen unterschiedliche Helligkeiten, die von der Vorrichtung erfaßt werden. Erfaßt die Vorrichtung die Helligkeit des Papierträgers 9, ist dies ein Anzeichen für einen Papierbahnriß.

Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung umfaßt vier Sende dioden (LED's) für die Farben Grün, Rot, Gelb und IR-Rot. Diese Sendedioden emittieren nacheinander entsprechende Lichtstrahlen, die über vier Lichtleitkabel 1, 2, 3 und 4 einer an einem Gehäuse untergebrachten Sendeoptik 5 zuge führt werden. Von der Sendeoptik 5 gelangen die Lichtstrah len nacheinander auf die sich bewegende Papierbahn 8 und werden von dieser auf die im gleichen Gehäuse untergebrach te Empfangsoptik 6 reflektiert. Von dort gelangen die Lichtstrahlen nacheinander über ein Lichtleitkabel 7 zu einer Empfangsvorrichtung, die in diesem Falle als Emp fangsdiode (in Fig. 1 nicht gezeigt) ausgebildet ist.

Tritt ein Riß in der Papierbahn 8 auf, treffen die Licht strahlen auf den Papierträger 9 und werden in entsprechen der Weise auf die Empfangsoptik 6 reflektiert, jedoch mit einer anderen Helligkeit.

Fig. 2 zeigt ein schematisches Schaltschema der Vorrich tung der Fig. 1. Die vier Sendedioden für Grün, Rot, Gelb und IR-Rot sind mit 13, 14, 15 und 16 bezeichnet. Ihre Treiber werden von einem Prozessor 10 angesteuert, und zwar im taktweisen Multiplex. Je Sendediode findet zur Erfassung eines Meßwertes je Farbe eine geeignete Zahl von Impulsen Anwendung, deren Empfangssignale zugeordnet gespeichert werden. Von den jeweiligen Meßwerten je Farbe wird das arithmetische Mittel gebildet. Diese Operationen werden ebenfalls vom Prozessor 10 übernommen, dem die entsprechen den Empfangssignale der Empfangsdiode 12 über einen Ver stärker 11 zugeführt werden. Die entsprechenden Signale werden A/D-gewandelt und im Speicher des Prozessors 10 ab gelegt.

Die gemessenen und gemittelten Meßwerte (Helligkeitswerte/ Amplitudenwerte) werden vom Prozessor verarbeitet, und zwar werden die Verhältniswerte der Helligkeitswerte sämtlicher Lichtstrahlen (Sendedioden) berechnet. Im vorliegenden Fall bei vier Sendedioden entspricht dies sechs Verhältniswer ten. Diese Verhältniswerte werden mit den vorgegebenen und im Speicher bereits abgelegten, eine Toleranzgrenze bilden den Verhältniswerten verglichen. Wird die Toleranzwerte durch die zuletzt ermittelten Verhältniswerte überschrit ten, gibt der Prozessor 10 über die Ausgänge 17 ein Alarm signal oder Schaltsignal ab, das einen Papierbahnriß kenn zeichnet.

Die entsprechenden, im Speicher abgelegten Vergleichswerte werden laufend aktualisiert, um Meßverfälschungen durch Verschmutzungen auszuschalten. Hierzu werden die Ver gleichswerte permanent durch die jeweils aktuellen Verhält niswerte ersetzt.

Claims

1. Verfahren zum Erkennen von zwei übereinander, jedoch im wesentlichen in der gleichen Ebene angeordneten, unterschiedliche optische Eigenschaften aufweisenden Materialien, insbesondere Papierbahnen auf Papier trägern, mit den folgenden Schritten:

a) Richten von mindestens zwei Lichtstrahlen unter schiedlicher Wellenlängen auf das zur Lichtquelle nächstgelegene Material;
b) Empfangen der von diesem Material reflektierten Lichtstrahlen und Bestimmen der Helligkeitswerte derselben;
c) Ermitteln der Verhältniswerte zwischen den Hellig keitswerten sämtlicher Lichtstrahlen;
d) Festlegen einer Toleranzgrenze in bezug auf die Verhältniswerte der Helligkeitswerte; und
e) Vergleichen der Verhältniswerte der Helligkeits werte mit der Toleranzgrenze und Abgabe eines Signales bei Überschreiten derselben.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verhältniswerte der Helligkeiten durch laufende Messungen in kurzen Zeitabständen permanent aktuali siert werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, daß die Helligkeitswerte A/D-gewandelt werden, wonach die Verhältniswerte ermittelt werden.

4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß mit vier Lichtstrahlen der Farben Grün, Rot, Gelb und IR-Rot gearbeitet wird.

5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß die Lichtstrahlen nachein ander in kurzen Abständen abgegeben werden.

6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß mit Wechsellicht gearbeitet wird.

7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß die jeweils zuletzt ermit telten Helligkeitswerte die zuvor ermittelten oder seinerzeit festgelegten Helligkeitswerte ersetzen und als Bezugswerte zum Vergleich mit neu ermittelten Hel ligkeitswerten dienen.

8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche mit den folgenden Bestand teilen:

a) einer Vorrichtung zur Abgabe von mindestens zwei Lichtstrahlen unterschiedlicher Wellenlängen auf das Material;
b) einer Vorrichtung zum Empfangen der vom Material reflektierten Lichtstrahlen und zur Umwandlung der entsprechenden Helligkeitswerte in elektrische Signale;
c) einem Prozessor (10) zur Ermittlung der Verhältnis werte zwischen den Helligkeitswerten sämtlicher Lichtstrahlen, zum Vergleichen derselben mit einer vorgegebenen Toleranzgrenze und zur Auslösung eines Signales bei Überschreiten derselben.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtungen zur Abgabe der mindestens zwei Lichtstrahlen und zum Empfangen der reflektierten Lichtstrahlen Sendedioden (13-16), eine Empfangsdiode (12), Lichtleitkabel (1-4, 7) und eine Sende- und Empfangsoptik (5, 6) aufweisen.