DE102004061759B4 - Verfahren und Vorrichtung zur berührungslosen Detektion von geschichteten flächigen Objekten - Google Patents

Abstract

Verfahren zur berührungslosen Detektion von geschichteten flächigen Objekten, unter Verwendung eines Sensors, aufweisend einen Sender und einen Empfänger mit variablen Abstand zum Senden und Empfangen von Ultraschall, zur Detektion von Mehrfachlagen und/oder Fehllagen gegenüber der Einfachlage von Objekten, von Papierklebe- und/oder -abriss- und/oder -aufreißstellen, sowie in Kombination zur Detektion oder Zählen von auf einem Trägermaterial haftend angeordneten Objekten, durch Erkennen von zwischen benachbarten Objekten befindliche Lücken, wobei die Objekte und/oder das Trägermaterial zwischen Sender und Empfänger angeordnet sind und der Empfänger die durch die Objekte transmittierte Ultraschallwelle empfängt, welche in einer mit dem Sender und dem Empfänger elektrisch verbundenen Auswerteschaltung ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteschaltung mindestens einen Signalverstärker aufweist, welchem mindestens eine solche Korrekturkennlinie vorgegeben wird, welche eine Messwert-Kennlinie der Signalspannung bei annähernd linearer Signalverstärkung in Abhängigkeit einer Grammatur der Objekte und/oder des Trägermaterials, nämlich U = fGrammatur, über einen großen Grammaturbereich, nämlich wenigstens zwischen 8 g/m2 bis über 4000 g/m2, invers oder nahezu invers dergestalt nachbildet, so dass damit eine lineare oder nahezu lineare Abhängigkeit und damit eine der idealen Kennlinie zur Einfachobjekterkennung angenäherten Zielkennlinie zwischen dem von dem Ultraschallempfänger empfangenen Schalldruck p/Pa sowie der dazugehörigen Eingangsspannung UE/V und der Signalspannung UA/V am Ausgang des/der Signalverstärker/s erreicht wird, wodurch das Verfahren zur Detektion von Einfach-, Fehl- und Mehrfachobjekten ohne Einlernvorgang betrieben werden kann.

Description

• Technisches Gebiet:
• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur berührungslosen Detektion von geschichteten flächigen Objekten, unter Verwendung eines Senders und eines Empfängers mit variablen Abstand zum Senden und Empfangen von Ultraschall, zur Detektion von Mehrfachlagen und/oder Fehllagen gegenüber der Einfachlage von Objekten, von Papierklebe- und/oder -abriss- und/oder -aufreißstellen sowie in Kombination zur Detektion oder Zählen von auf einem Trägermaterial haftend angeordneten Objekten, durch Erkennen von zwischen benachbarten Objekten befindliche Lücken, wobei die Objekte bzw. das Trägermaterial zwischen Sender und Empfänger angeordnet sind und der Empfänger die durch die Objekte transmittierte Ultraschallwelle empfängt, welche in einer mit dem Sender und dem Empfänger elektrisch verbundenen Auswerteschaltung ausgewertet wird gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1; ebenso betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
• Stand der Technik:
• In der Druckindustrie werden häufig Vorrichtungen zur Detektion von Mehrfachbögen, speziell Doppelbögen, zum Schutz der Druckmaschine eingesetzt, weil bei einem gleichzeitigen Einzug zweier Bögen in die Druckmaschine Schäden an der Maschine auftreten können oder aber erheblicher Ausschuss erzeugt wird. Ebenso werden derartige Vorrichtungen, zum Beispiel in der Druckindustrie, auch zur Erkennung von Etiketten wie auch zur Erkennung von Klebestellen und/oder auch zur Erkennung von innig miteinander verbundnen Laminaten, wie zum Beispiel für die Aufreißfadenerkennung, eingesetzt. Bei der Etikettenerkennung werden Etiketten, welche auf ein Trägermaterial geklebt sind, erkannt; bei der Erkennung von Klebestellen wird die geklebte Stelle beim Ansatz zum Beispiel einer neuen Papierrolle erkannt. Bei der Aufreißfadenerkennung, bei der eine Schlitzblende zur Anwendung gelangt, werden auf Folien auflaminierte Folienfäden, welche auf das Trägermaterial geklebt sind, erkannt und auf Vorhandensein überprüft. Hierzu ist es notwendig, eine örtliche Auflösung des Messflecks in der gleichen Größenordnung wie die Breite des Aufreißfadens, ca. 0,5–1,5 mm, zu realisieren.
• Es sind Systeme bestehend aus einem optischen Sender und einem optischen Empfänger in einer Schrankenanordnung bekannt, wobei das Papier durchleuchtet wird. Die auf den Empfänger bezogene gemessene Bestrahlungsstärke ist von der Papierdicke bzw. der Opazität des Materials abhängig. Dieser Zusammenhang wird benutzt, um Ein- oder Mehrfachbögen zu erkennen.
• Jedoch ist das Verfahren empfindlich gegen Verschmutzungen und nicht dazu geeignet, Kartonagen und dickere Papiere bzw. Pappe in einem hohen Grammaturbereich festzustellen; auch bedruckte Papiere bereiten erhebliche Probleme. Praktisch sehr schwierig ist die Einfach- oder Mehrfachbogenerfassung von spiegelnden und/oder reflektierenden Bogenmaterialien. Ebenso wenig ist das Verfahren, ohne den Einsatz von Linsen, auf Grund des kleinen Messflecks für inhomogene Papiere geeignet.
• Durch die DE 200 18 193 U1 ist eine Vorrichtung zur Kontrolle von Bögen in einer Bogen verarbeitenden Maschine mit einem die Bögen erfassenden Sensor und einer Auswerteeinheit bekannt geworden, wobei zur Detektion von Einfachbögen oder Mehrfachbögen in der Auswerteeinheit aus den Ausgangssignalen der Sensoren ein Bogenfeststellungssignal abgeleitet wird. Als Sensoren sind ein kapazitiver Sensor und ein Ultraschallsensor vorgesehen, wobei das Bogenfeststellungssignal aus einer logischen Verknüpfung der Ausgangssignale der Sensoren abgeleitet ist und die logische Verknüpfung in Abhängigkeit der während einer Abgleichsphase ermittelten Ausgangssignale der Sensoren durch die Auswerteeinheit festgelegt ist. Die analogen Ausgangssignale der Sensoren werden jeweils mittels eines Schwellwerts bewertet und die erhaltenen binären Ausgangssignale logisch miteinander verknüpft. Dieses Verfahren mittels zweier unterschiedlicher Sensoren, nämlich Ultraschallsensor und kapazitiver Sensor, ist wohl gleichermaßen für dickere und dünnere Papiere geeignet, jedoch ist dieses Verfahren teuer und aufwändig in der Montage sowie beim Abgleich im Betrieb.
• Durch die DE 195 21 129 C1 ist eine Vorrichtung zur berührungslosen Detektion von Etiketten auf einem Trägermaterial bekannt geworden, die einen kapazitiven Sensor mit zwei Kondensatorelementen verwendet. Jedem Kondensatorelement ist ein Zeitglied zugeordnet, das mittels eines Oszillators zeitversetzt aktiviert werden kann. Die dielektrischen Eigenschaften des Papiers oder des Bogenmaterials wird in den Schwingkreis des Oszillators kapazitiv einbezogen. Da das Papier eine von eins verschiedene Dielektrizitätskonstante aufweist, hat es einen Einfluss auf die Oszillationsfrequenz des Oszillators, welche ausgewertet werden kann. Der Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, dass dünne Papiere nur schwer oder gar nicht zu detektieren sind, metallkaschierte Papiere sind nicht detektierbar bzw. auswertbar. Ebenso sind mit diesem Verfahren Folien nur schwer zu detektieren, weil diese eine zu geringe Dicke und Aufgrund der geringen von eins verschiedenen Dielektriziätskonstante eine zu marginale Verstimmung des Schwingkreises aufweisen.
• Durch die DE 199 21 217 A1 ist eine Vorrichtung zur Detektion von Etiketten auf einem Trägermaterial bekannt geworden, die einen Ultraschallwellen aussendenden Sender und einen Ultraschallwellen empfangenden Empfänger in Schrankenanordnung aufweist; das Trägermaterial mit den Etiketten ist zwischen Sender und Empfänger angeordnet. Zur Detektion der Etiketten wird das Empfangssignal am Ausgang des Empfängers mit einem Schwellwert verglichen, der während eines Abgleichvorgangs bei zwischen Sender und Empfänger angeordneten Trägermaterial oder dort angeordneter Etiketten in Abhängigkeit des dabei registrierten Empfangssignals selbsttätig bestimmt wird. Dabei emittiert der Sender Ultraschallwellen im Frequenzbereich zwischen 200 kHz und 400 kHz, welche mit einer Modulationsfrequenz im Bereich von 2 kHz bis 5 kHz Frequenz moduliert sind. Diese Vorrichtung ist durch die DE 199 27 865 A1 durch eine Vorrichtung mit Ultraschallsender und Ultraschallempfänger zur Detektion von Einfachbögen oder Mehrfachbögen, im speziellen Doppelbögen, weiter ausgestaltet worden.
• Durch die US 2003/0006550 A1 ist ein ähnliches Verfahren mittels Ultraschall bekannt geworden, bei welchem zwar keine Blende aber ein Lochblech verwendet wird, über welches der Bogen geführt wird und welches den Schall durchlässt. Dieses Verfahren dient dazu einen Bogen sauber zu führen und trotzdem einen Fehlbogen detektieren zu können.
• Durch die DE 30 487 10 C2 ist ein Verfahren zur Bestimmung des Flächengewichts von Papieren bekannt geworden, bei dem die Grammaturen/Flächengewichte bewertet werden. Auch hier geschieht die Messung mittels Ultraschall.
• Durch die EP 0997747 A2 ist ein Verfahren zur Betriebsoptimierung eines tastenden Ultraschall-Näherungsschalters bekannt geworden, welcher einen Ultraschall-Wandler, einen Oszillator, einen Verstärker und einen Mikroprozessor umfasst. Es erfolgt ein automatischer Frequenzabgleich, indem nach dem Aussenden eines Ultraschallimpulses und anschließender Reflexion an einem Objekt die optimale Sendefrequenz in Abhängigkeit der Höhe der empfangenen Ultraschall-Echoamplitude ausgewertet wird, wobei das erhaltene elektrische Signal proportional zur Amplitude des empfangenen Ultraschallechosignals ist.
• Durch die EP 0 981 202 B1 ist ein tastendes Verfahren zum Sendefrequenzabgleich eines Ultraschall-Näherungsschalters bekannt geworden, der einen Ultraschall-Wandler, einen Oszillator, einen Verstärker und einen Mikroprozessor umfasst, wobei der Oszillator den Wandler mit einer Oszillatorfrequenz anregt, die von der Amplitude einer am Oszillator angelegten Steuerspannung abhängt, und der Wandler daraufhin ein Ultraschallsignal mit entsprechender Sendefrequenz aussendet, das er nach Reflexion an einem Objekt als Ultraschall-Echosignal empfängt und in ein elektrisches Signal umwandelt, das im Ultraschall-Näherungsschalter weiterverarbeitet wird und proportional zur Amplitude des empfangenen Ultraschall-Echosignals ist. Die Steuerspannung wird durch den Mikroprozessor verändert und das daraufhin geänderte, zur Amplitude des empfangenen Ultraschall-Echosignals proportionale, weiterverarbeitete, elektrische Signal mit Hilfe des Mikroprozessors amplitudenmäßig ausgewertet. Das Auswerteergebnis sowie die zugehörigen Einstellwerte werden jeweils abgespeichert und die Einstell- und Messfunktionen durch den Mikroprozessor durch Ansteuerung eines Netzwerkes des Mikroprozessors im Zeitmultiplexverfahren realisiert.
• Durch die DE 203 12 388 U1 ist Vorrichtung zur berührungslosen Detektion von vorzugsweise dicken Bogenmaterialien bekannt geworden, bei welcher die Detektion tastend als auch auf der Grundlage einer Transmissionsmessung vorgenommen wird. Die Vorrichtung weist eine Einrichtung zum Senden und Empfangen von Ultraschall in Bezug auf die Objekte auf sowie eine mit der Einrichtung elektrisch verbundenen Auswerteelektronik auf. Die Einrichtung besteht jeweils aus einem Ultraschallwandler zum Senden und Empfangen auf jeder Seite der Objekte, wobei die Ultraschallwandler sich gegenüberstehen und im Wesentlichen senkrecht zu den Objekten gerichtet sind, und die Ultraschallwandler bzw. Empfänger sowohl zum Empfang des gesendeten Signals des eigenen, auf derselben Seite wie der Empfänger liegenden Senders als Reflektionssignale zur Dickenmessung des Objekts durch Reflektion, als auch desjenigen Signals des gegenüberliegenden Senders als zur Messung der Amplitude der transmittierten Ultraschallwelle des Objekts durch Transmission imstande sind. Die Auswerteelektronik ermittelt im Falle der Reflektion die Ultraschallaufzeiten der Reflektionssignale und bestimmt hieraus die Dicke (d) des Objektes; im Fall der Transmission wird die Amplitude des Transmissionssignal ermittelt und hieraus wenigstens die Anwesenheit eines einlagigen Objektes oder mehrerer übereinander liegender Objekte oder zweier anstoßender Objekte bestimmt. Der Nachteil dieser Messung besteht darin, dass das tastende Verfahren für dünne Materialien schwierig zu realisieren ist. Weiterhin ist die Notwendigkeit von Referenzreflektoren von praktischem Nachteil.
• Bei den vorgenannten Verfahren des Standes der Technik handelt sich um eine Ultraschall-Transmissionsmessung, wobei sich Sender und Empfänger in einer Schrankenanordnung gegenüber stehen. Die vom Sender emittierte Ultraschallwelle durchdringt das Papier, der transmittierte Anteil der Ultraschallwelle wird vom Empfänger empfangen und bezüglich seiner Amplitude bewertet. Die am Empfänger empfangene Amplitude beim Vorliegen eines Mehrfach- bzw. Doppelbogens ist wesentlich geringer als bei Vorliegen eines Einfachbogens. Der Sender kann dabei kontinuierlich oder gepulst betrieben werden. Die Ultraschall-Transmissionsmessung ist für dicke Papiere, wie Kartonagen oder Wellpappe, oftmals nicht geeignet, wobei eine gewisse Eignung für inhomogene Papiere gegeben ist. Ein kontinuierlicher Betrieb des Senders, üblicherweise mit einem Sendeübertrager und/oder andere induktive Bauelemente, hat den Nachteil einer geringeren auswertbaren Amplitude des Signals, weil die Anregungsspannung des Senders nicht so hoch sein kann als beim gepulsten Betrieb, wobei ebenso Gefahren von Interferenzen gegeben sind.
• Deshalb muss beim kontinuierlichen Betrieb der Sender bezüglich der Papiernormalen geneigt sein oder die Ultraschallwelle ist frequenzmoduliert. Der gepulste Betrieb des Senders mit dem üblichen Sendeübertrager und/oder andere induktive Bauelemente bringt wohl eine höhere auswertbare Amplitude und eine geringere Gefahr von Interferenzen, weshalb in diesem Fall der Sender parallel zur Papiernormalen gerichtet sein kann. Allerdings ist bei diesem Verfahren der gepulste Betrieb aufgrund der vorgegebenen Ausschwingzeit des Sensorelements erheblich langsamer als bei kontinuierlichem Betrieb, was bei den heutigen Geschwindigkeiten der Druckmaschinen einen erheblichen Nachteil darstellt.
• Die Ansprechzeiten von Ultraschallsensoren mit Sendeübertrager im kontinuierlichen Betrieb sind prinzipiell kürzer, da hier keine Pulspausen vorhanden sind, was einen Vorteil darstellt. Speziell wenn keine diskrete Messsignalauswertung stattfindet, bietet sich die Auswertung im kontinuierlichen Sendebetrieb ebenfalls als die Betriebsart mit der schnelleren Ansprechzeit an.
• Die vorbeschriebenen Verfahren zur Ultraschall-Transmissionsmessung verstärken die am Empfänger erhaltene Messwert-Kennlinie in der Praxis mit näherungsweise linearen Signalverstärkern oder dergestalt ähnlich ausgelegten Signalverstärkerschaltungen mit nachgeschalteten Filtern. Durch den geringen Dynamikbereich von näherungsweise linearen Signalverstärkern sind dicke Papiere, wie Kartonagen oder Wellpappe, für derartige Messungen oftmals schwierig bzw. nicht geeignet; zudem ist das Flatterverhalten – d. h. die Eignung des Verfahrens für inhomogene Papierbögen bzw. sich während der Verarbeitung in Richtung der Papiernormalen bewegende flexible Bögen ist eingeschränkt – nur unzureichend mit derartigen Verstärkern zu beherrschen.
• Zur wenigstens teilweisen Behebung dieser Schwierigkeiten wird ein Einlernverfahren bezüglich unterschiedlicher Grammaturen eingesetzt, bei welchem ein Teach-In-Signal verwendet wird, wobei vor dem Beginn von Messungen ein Teach-In-Vorgang durchgeführt wird, durch den die auf der Maschine gefahrene Grammatur/Flächengewicht bzw. Schallabsorption des Objektes, beispielsweise ein Bogen, erfasst und in der Auswerteschaltung der Ultraschalleinrichtung eingelernt wird. Beim Wechsel des Objektes und damit beim Einsatz einer unterschiedlichen Grammatur muss ein neuer Teach-In-Vorgang durchgeführt und eingelernt werden. Derartige Teach-In-Vorgänge verzögern natürlich den Wechsel unterschiedlicher Objekte mit unterschiedlichen Grammaturen/Flächengewichten auf einer Maschine, wie ebenso derartige Teach-In-Vorgänge bei ihrer Durchführung mit Fehlern behaftet sein können.
• Durch die EP 1 067 053 A2 ist eine Vorrichtung zur Detektion von Objekten bekannt geworden, mit welcher die beschriebenen Nachteile wenigstens teilweise behoben werden sollen. Die Vorrichtung weist einen Ultraschallwellen emittierenden Sender und einem Ultraschallwellen empfangenden Empfänger auf, bei welchem die Objekte Etiketten sind, wobei das Trägermaterial mit den Etiketten zwischen Sender und Empfänger angeordnet ist und zur Detektion der Etiketten das Empfangssignal am Ausgang des Empfänger mit einem Schwellwert S1 verglichen wird, welcher während eines Abgleichvorgangs bei zwischen Sender und Empfänger angeordnetem Trägermaterial und/oder dort angeordneter Etikette in Abhängigkeit des dabei registrierten Empfangssignals selbsttätig bestimmt wird. Des Weiteren ist es hieraus bekannt, die Ultraschallwellen mit einer Modulationsfrequenz zu modulieren, wobei die Objekte Bögen sind, und zur Unterscheidung von Einfach- und/oder Mehrfachbögen das Empfangssignal am Ausgang des Empfängers mit einem Schwellwert S1 verglichen wird, welcher während eines Abgleichvorgangs bei zwischen Sender und Empfänger angeordnetem Bogen in Abhängigkeit des dabei registrierten Empfangssignals selbsttätig bestimmt wird. Die Ultraschallwellen werden dabei mit einer Modulationsfrequenz ν im Bereich von 2 kHz ≤ ν ≤ 5 kHz frequenzmoduliert.
• Aus der DE 203 12 388 U1 betrifft eine Vorrichtung zur berührungslosen Detektion von Unregelmäßigkeiten der Dicke von flächigen Objekten, wie Papier, Pappe, Folien, Blechen oder Etiketten. Die Vorrichtung weist hierzu eine Einrichtung zum Senden und Empfangen von Ultraschall auf, die so ausgebildet ist, dass sowohl durch das flächige Objekt transmittierte Ultraschallwellen als auch an einer Oberfläche des flächigen Objekts reflektierte Ultraschallwellen gemessen werden können.
• Die DE 38 15 205 C2 betrifft eine Verstärkerschaltung mit regelbarem Verstärkungsfaktor, die einen Verstärker mit variablem Verstärkungsfaktor, einen Bezugssignalgenerator zur Erzeugung eines Bezugssignals und einen Fehlerverstärker aufweist, wobei das Eingangssignal des Verstärkers ein reflektiertes Ultraschallsignal ist.
• Aus der DE 26 23 893 A1 ist ein Verfahren zur Durchführung des Tiefenausgleichs bei der Ultraschall-Prüfung und ein entsprechendes Ultraschall-Prüfgerät bekannt. Das Verfahren sieht vor, einer oder mehreren Schwächungskennlinien entsprechende Amplitudenkorrekturwerte mittels einer Laufzeitadresse aus einem Tabellenspeicher abzurufen, in dem sie mit einer Laufzeitunterteilung von z. B. 133 nsec abgespeichert sind. Die von den Ultraschallköpfen empfangenen Ultraschall-Signale werden gemessen und ohne Vorverdichtung in logarithmierte binäre Amplitudenwerte mit diesen zugeordneten binären Laufzeitwerten und Takt-Blenden-Adressen gewandelt, wobei diesen binären Amplitudenwerten mittels eines schnellen Addierers die mittels der Adresse aus dem Tabellenspeicher abgerufenen Korrekturwerte mit der jeweils anstehenden Laufzeit-Takt-Blenden-Adresse hinzugerechnet werden unter Verarbeitung zu korrigierten binären Amplitudenwerten, die für die weitere Verarbeitung und Bewertung zur Verfügung stehen.
• Technische Aufgabe:
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Gattung zu schaffen, die eine sichere Detektion von flachen und flächigen Objekten über einen großen Grammaturbereich, nämlich wenigstens zwischen 8 g/m² bis zu 4000 g/m², wie dünne als auch dicke Papiere, Pappen und Wellpappen, metallkaschierte Papiere und/oder Folien, Papierklebe- und/oder -abriss- und/oder -aufreißstellen, und/oder zur Detektion und/oder Zählung von mindestens ein und/oder mehrfach ineinander verschachtelten Kunststoffverpackungen sowie in Kombination mit diesem Verfahren und der Vorrichtung von auf einem Trägermaterial haftend angeordneten geschichteten Materialien, wie Etiketten und/oder Aufreißstellen, durch Erkennen von zwischen benachbarten geschichteten Materialien befindliche Lücken und/oder der Überwachung der Aufreißstelle, insbesondere von Bögen, im Besonderen Einfach-, Fehl- und/oder Mehrfachbögen, gewährleistet, ohne dass ein Teach-In-Vorgang zum Einlernen unterschiedlicher Objekte mit voneinander verschiedenster Grammaturen/Flächengewichte durchgeführt werden muss, ausgenommen von haftend auf einem Trägermaterial aufgebrachter geschichteter Materialien, wie beispielsweise Etiketten, bei denen unter Verwendung eines zweiten Signalpfads ein Einlernvorgang stattfinden kann.
• Offenbarung der Erfindung und deren Vorteile:
• Die Lösung der Aufgabe besteht darin, dass bei dem gattungsgemäßen Verfahren die Auswerteschaltung mindestens einen Signalverstärker aufweist, welchem eine solche Korrekturkennlinie vorgegeben wird, welche die Messwert-Kennlinie der Signalspannung bei annähernd linearer Signalverstärkung, in Abhängigkeit der Grammatur/Flächengewichte der Objekte bzw. in Kombination mit dem vorgenannten Verfahren das Trägermaterial in Abhängigkeit von der Signalspannung, nämlich U = f_Grammatur, über einen großen Grammaturbereich, nämlich wenigstens zwischen 8 g/m² bis über 4000 g/m², invers zur Messwertkennlinie oder nahezu invers dergestalt nachbildet, Umkehrkennlinie bzw. Korrekturkennlinie, so dass damit mindestens eine lineare oder nahezu lineare Abhängigkeit und damit eine der idealen Kennlinie zur Einfachobjekterkennung angenäherten Kennlinie, Zielkennlinie, zwischen dem von dem Ultraschallempfänger empfangenen Schalldruck p/Pa sowie der dazugehörigen Eingangsspannung U_E/V, Messwerte, und der Signalspannung U_A/V am Ausgang des Signalverstärkers, Zielspannungswert, erreicht wird, wodurch das Verfahren zur Detektion von Einfach-, Fehl- und Mehrfachobjekten ohne Einlernvorgang betrieben werden kann.
• Als Objekte sind Bögen von Papier, Pappe, Wellpappen, Folien, Bleche und/oder ähnliche flächige Materialien sowie von mehrfach ineinander stapelbare Verpackungen sowie Etiketten oder dergestalt ähnlich haftende, auch fadenförmige, in Mehrfachschichtung liegende Objekte detektierbar.
• In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in dem/den Signalverstärker/n der Auswerteschaltung als Kennlinie wenigstens eine solche Korrekturkennlinie verwendet, deren Ausgestaltung in Form einer nichtlinearen Kennlinienapproximation zur Korrektur der Messwert-Kennlinie, vorgegeben wird, wodurch eine der Idealkennlinie zur Einfachbogenerkennung angenäherte Kennlinie, Zielkennlinie, erreicht wird. Somit wird in praktischer Ausgestaltung die nichtlineare Korrekturkennlinie in Form einer Approximation der idealen Kennlinie zur Einfachbogenerkennung, die Zielkennlinie, zum Beispiel durch eine logarithmische und/oder eine mehrfachlogarithmische und/oder dergestalt ähnlich verlaufende nichtlineare Korrekturkennlinie, vorgegeben.
• Der entscheidende Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens gegenüber dem Stand der Technik besteht darin, dass bei verschiedensten Flächengewichten, welche in einfacher Annäherung mit den Dicken bzw. der Dichte, was im speziellen eine signifikant veränderte Transmissionsdämpfung des jeweiligen Materials bedeutet, der zu messenden Objekte korrelieren, insbesondere von unterschiedlich schichtbaren Bogenmaterialien, wie Papier- und/oder Papp- und/oder Kartonsorten und/oder Wellpappsorten und/oder stapelbare Verpackungsmaterialien, völlig auf ein Teach-In-Verfahren verzichtet werden kann. Es ist also nicht mehr notwendig, die Vorrichtung auf die verschiedensten Signal-Transmissionsgrade, Flächengewichte und/oder Dicken und/oder Dichten der Objekte einzurichten und einzulernen. Weiterhin können mit dem beschriebenen Verfahren Papierdichteschwankungen, z. B. durch Unregelmäßigkeiten der Dicke oder durch Dickeschwankungen, erkannt und messtechnisch ausgeschieden und/oder völlig ausgeblendet werden, so dass sich gleichfalls auch das Flatterverhalten bei den Messungen deutlich verbessert und die Betriebssicherheit von Sensoren, welche nach diesem kennlinienkorrigierenden Prinzip arbeiten, wesentlich verbessert wird.
• Verfahrens- und vorrichtungsmäßig wird die Amplitude der transmittierten Ultraschallwelle am Eingang des Signalverstärkers, die sogenannte Messwert-Kennlinie, gemessen. Mittels eines kennlinienkorrigierenden, sogenannte Korrekturkennlinie, bzw. mittels eines an die gewünschte ideale Kennlinie zur Einfachbogenerkennung, die sogenannte Zielkennlinie, sich annähernden elektrischen Messverfahren wird erreicht, dass über ein breites Materialspektrum eine in der praktischen Ausführung lineare bzw. nahezu lineare und/oder der der idealen Kennlinie zur Einfachbogenerkennung (Zielkennlinie) angenäherte Kennlinienabhängigkeit des Ausgangssignals des Signalverstärkers in Bezug auf das Eingangssignal des Signalverstärkers erzielt wird, welches durch das verwendete Material und dem Ultraschallwandler in Form einer Messwert-Kennlinie vorgegeben wird. Es wird die Amplitude des Ultraschall-Transmissionssignals ohne einen vorherigen Teach-In-Vorgang ermittelt und hieraus wenigstens die Anwesenheit keines Objektes, eines einlagigen, gegebenenfalls bogenförmigen bzw. schichtbaren, Objektes und/oder mehrerer übereinander liegender Objekte bestimmt. Dabei können flächige Objekte über einen sehr weiten Dickenbereich/Grammatur/Flächengewichtsbereich, wie sehr dünne bzw. sehr schalltransmissive Objekte, vorzugsweise ab 8 g/m² Flächengewicht (ca. 10 μm [Mikrometer] Dicke) bis hin zu sehr dicken bzw. stark schallintransmissiven Objekten bis zu 4000 g/m², ca. 4 mm Dicke, wie Pappen, erfindungsgemäß ohne Einlernvorgang gemessen und voneinander die Fehl, Einfach- und Mehrfachlage sicher unterschieden werden.
• In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird als Korrekturkennlinie des Signalverstärkers der Auswerteschaltung dem Signalverstärker eine Kombination aus wenigstens zweier wahlweise zu kombinierenden beliebigen Kennlinien zu einer resultierenden Korrekturkennlinie zusammengestellt, so dass die der idealen Kennlinie zur Einzelbogenerkennung angenäherte Zielkennlinie daraus erzeugt wird, um eine optimale Anpassung an die vielfältigsten Bogensorten zu erreichen. Es werden somit erfindungsgemäß verschiedene Kennlinien zu einer Korrekturkennlinie kombiniert.
• In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird der Signalauswertung mit mindestens einem Signalverstärker der Auswerteschaltung eine Kennlinie zum Erreichen der idealen Kennlinie zur Einzelbogenerkennung angenäherte Kennlinie (Zielkennlinie) als Korrekturkennlinie eingeprägt.
• In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird den/m Signalverstärker/n der Auswerteschaltung als Korrekturkennlinie/n des/r Signalverstärkers eine logarithmische und/oder eine doppeltlogarithmische Kennlinie und/oder eine mehrfachlogarithmische oder dergestalt ähnlich verlaufende nichtlineare Korrekturkennlinie, als erster Signalpfad ohne Teach-In vorgegeben, um die der idealen Kennlinie angenäherte Zielkennlinie zu erreichen oder es wird den/m Signalverstärker/n in Kombination zusätzlich eine lineare oder nahezu lineare Kennlinie als zweiter Signalpfad mit Teach-In, als kombinierende Korrekturkennlinie zur weiteren Annäherung an die Zielkennlinie zur Einzelbogenkennlinie, vorgegeben, wodurch sowohl Einfach-, Fehl- und/oder Mehrfachbögen ohne Teach-In als auch in Kombination Etiketten und Klebe- und Abrißstellen und Aufreißfäden mit Teach-In mittels eines Sensors detektiert werden können.
• Es wird somit als Korrekturkennlinie des Signalverstärkers der Auswerteschaltung einem Signalverstärker, beispielsweise in einem ersten Signalpfad, eine wenigstens einfachlogarithmische Korrekturkennlinie in Kombination, beispielsweise in einem zweiten Signalpfad, mit einer nahezu linearen Signalverstärkerkennlinie wenigstens eines anderen Signalverstärkers vorgegeben. Oder es kann als Korrekturkennlinie des einen Signalverstärkers der Auswerteschaltung diesem eine doppeltlogarithmische Korrekturkennlinie in Kombination mit der linearen Kennlinie des anderen separat wählbaren Signalverstärkers vorgegeben werden um somit das grundsätzliche Verfahren der Einfach-, Fehl- und Mehrfachbogenerkennung und/oder das Verfahren zur Unterscheidung von vereinzelten sowie stapelbaren schachtelförmigen Verpackungen gegenüber einer Mehrfachstapelung und/oder mit dem Verfahren der flächig haftenden geschichteten Bögen, Etikettendetektion, und/oder der Aufriß- bzw. Abrissstellen und/oder der Detektion von auf ein Grund- oder Trägermaterial haftend aufgebrachter Materialfäden, wie auflaminierten Aufreißfäden mittels zweier verschiedener Signalpfade in einem Gerät wahlweise zu kombinieren.
• In allgemeiner Weise besteht das erfindungsgemäße Verfahren darin, dass zwei oder mehr Korrekturkennlinien eingesetzt werden in der Ausgestaltung von linear oder annähernd linear oder exponentiell oder dergestalt ähnlich ansteigend verlaufender/n Kennlinie/n kombiniert mit einfach- bzw. mehrfachlogarithmisch verlaufender/n Kennlinie/n. Die Kombination einer einfach logarithmischen und einer linearen Korrekturkennlinie ist besonders vorteilhaft, um die beiden Verfahren der Hervorbringung von unterschiedlichen Kennlinien zu kombinieren.
• Durch die Kombination der Geräteeigenschaften, nämlich sowohl Mehrfachbogenerkennung als auch Etikettenerkennung in zwei getrennten Signalpfaden, ist der grundlegende Vorteil gegeben, dass auf diese Weise Klebe-, Abrißstellen und geschichtet bzw. mehrfach aufeinander geschichtet haftende gestapelten Materialien, wie Etiketten, wie auch auf ein Grund- oder Trägermaterial haftend aufgebrachte Materialfäden, innerhalb des einen Signalpfades sicher zu erkennen sind. Etiketten, Klebestellen, Abrissstellen, Materialfäden und gegebenenfalls auch Aufreißstellen benötigen zur Ermittlung der Schwelle meist einen Teach-In-Vorgang, also einen Einlernvorgang unterschiedlicher Schwellen.
• Andererseits ist durch eine entsprechende Selektion des anderen Signalpfades eine Fehl-, Einfach-, und Mehrfachbogenerkennung mit einem Sensor durchführbar, wobei der letztere Erkennungsvorgang ohne Teach-In-Vorgang, sicher zu ermitteln ist, was nicht ausschließt, dass auch dieser Signalpfad über einen solchen verfügen kann.
• Der Vorteil des Signalverstärkers mit eingeprägter logarithmischer Korrekturkennlinie, hier im Weiteren auch logarithmischer Signalverstärker genannt, bzw. einer dergestalt ähnlichen einem Signalverstärker eingeprägten nichtlinearen Korrekturkennlinie besteht bei richtiger Auslegung darin, dass er einen sehr großen Dynamikbereich besitzt, was bedeutet, dass er ein großes Verhältnis der Spannungssignale von größtem zu kleinstem Signal verarbeiten kann.
• Ein nach dem Stand der Technik meist linearer Signalverstärker kann beispielsweise ein Spannungs-Signalverhältnis in der Größenordnung von 50:1, das entspricht 34 dB, erreichen. Mit einem logarithmischen Signalverstärker kann hingegen ein Spannungs-Signalverhältnis von 3·10⁴:1, das entspricht 90 dB, erreicht werden. Deshalb kann bei Verwendung eines logarithmischen Signalverstärkers einer Signalübersteuerung bei hohen Messsignalamplituden entgegengewirkt werden. Diese bekannte Eigenschaft logarithmischer Signalverstärker wird erfindungsgemäß in vorteilhafter Weise für die Einfach-, Fehl- bzw. Mehrfachbogenerkennung sowie der Detektion von stapelbaren Verpackungen verwendet, um einen Teach-In-Vorgang bezüglich der verschiedensten flächigen Objekte und Materialsorten zu vermeiden bzw. überflüssig zu machen. Es wird somit ein solcher Signalverstärker verwendet, welchem die zu der Messwert-Kennlinie U_m = f_Grammatur inverse und/oder nahezu inverse Kennlinie als Korrekturkennlinie eingeprägt wird, um die der idealen Kennlinie zur Einfachbogenerkennung angenäherte Kennlinie, Zielkennlinie, zu erhalten.
• Weil das Spannungssignal für einen Einfachbogen in Volt (V) oder auf den Messbereichsendwert des Signalverstärkers bezogene Einheit (p. u.) bei näherungsweiser linearer Messsignalverstärkung in Abhängigkeit vom Flächengewicht/Grammatur des Materials bzw. der Transmissionsdämpfung und damit der Verlauf der Messwert-Kennlinie hyperbelförmig, exponentiell oder dergestalt ähnlich nichtlinear abfallend verläuft, werden erfindungsgemäß insbesondere logarithmische und/oder mehrfachlogarithmische und/oder eine/n dergestalt ähnlich nichtlinear verlaufende Inverskennlinie/n bzw. Korrekturkennlinie/n verwendet, um die Idealkennlinie zur Einfachbogenerkennung angenäherten Zielkennlinie/n abzubilden; es wird ein entsprechend kennlinienkorrigierender Signalverstärker in Bezug auf die Messwert-Kennlinie verwendet.
• Das Maß für die Dämpfung wird in geeigneter Weise in dB angegeben, jedoch sind für den Anwender und Betreiber von Maschinen die Materialangabe in g/m² vor dem Hintergrund der sehr großen möglichen Materialvielfalt aussagekräftiger.
• Ein weiterer Vorteil der Verwendung von logarithmischen und/oder mehrfachlogarithmischen und/oder dergestalt ähnlich nichtlineare Signalverstärker/n besteht darin, dass das anzuwendende Materialspektrum zu dünnen bzw. leichteren Bögen hin erweitert wird, da mit zunehmendem Signalpegel bei diesen Signalverstärkern die Kennlinie der Signalverstärkung in die Sättigung geht und damit praktisch keine nennenswerte Verstärkung mehr vorhanden ist. Mit sinkender Signalverstärkung bei starken Signalen ergeben demnach selbst geringste Änderungen bei den verwendeten Materialien, wie beispielsweise bei einem sehr dünnen Papierbogen zwischen Ultraschallsender und Ultraschallempfänger, weiterhin ein deutlich auswertbares Signal.
• Ein weiterer bedeutender Vorteil der Verwendung von logarithmischen und/oder mehrfachlogarithmischen und/oder dergestalt ausgeführte nichtlineare Signalverstärkern besteht darin, dass das auswertbare Materialspektrum zu dickeren bzw. schwereren Bögen hin erweitert wird, da bei geringem Signalpegel die Verstärkung sehr hoch ist und selbst schwächste Signale die einen schweren bzw. dicken Einfachbogen noch durchdringen genügend zu verstärken und zur Auswertung heranzuziehen. Diese bekannte Eigenschaft wird hier in vorteilhafter Ausgestaltung für die Einfach-, Fehl- bzw. Mehrfachbogenerkennung und/oder der Detektion von gestapelten Verpackungsmaterial verwendet.
• Für spezifische Anwendungen sind aber auch Kombinationen von verschieden Korrekturkennlinien zur Erzeugung der benötigten resultierenden Korrekturkennlinie, um die geforderte ideale bzw. praktisch ideale oder die der idealen Kennlinie zur Einfachbogenerkennung bzw. zur Erkennung von nicht gestapelten Verpackungen angenäherte Kennlinie, Zielkennlinie, möglich und von besonderem Vorteil. Hierbei kann die Kombination der einzelnen Teilkennlinien zur Erzeugung der Korrekturkennlinie, abschnittsweise empirisch und/oder rechnerisch und/oder von einem Mikroprozessor vorgegeben erfolgen, jedoch immer im gleichen Signalpfad.
• In weiterer erfindungsgemäßer Ausgestaltung des Verfahrens wird als Korrekturkennlinie des/r Signalverstärker/s der Auswerteschaltung den/m Signalverstärkern wenigstens eine logarithmische und/oder eine mehrfachlogarithmische und/oder eine dergestalt verlaufende Korrekturkennlinie verwendet, dass die der idealen Kennlinie zur Einfachbogenerkennung angenäherte Zielkennlinie erreicht wird, in Kombination mit einer beliebig nichtlinear verlaufenden anderen Korrekturkennlinie und/oder einer anderen dergestalt verlaufend zu kombinierenden Korrekturkennlinie zur Erreichung und weiteren Annäherung an die ideale Zielkennlinie zur Fehl-, Einfach und Mehrfachbogenerkennung.
• Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen kennlinienkorrigierenden Verfahrens besteht darin, dass die Flatterempfindlichkeit durch die angepasste Korrekturkennlinie des Signalverstärkers zur Erreichung der an die ideale Kennlinie angenäherte Kennlinie zur Einfachbogenerfassung, Zielkennlinie, erheblich reduziert, d. h. verbessert wird. Unter Flatterverhalten versteht man eine Auf- und Abbewegung des Objekts, etwa in Richtung zur Normalen auf die Bogenebene, insbesondere eines flexiblen Papierbogens, was mit starken Messwertschwankungen einhergeht. Die Verringerung der Flatterempfindlichkeit bedeutet, dass sich der Papierbogen hoch und nieder bewegen kann, ohne dass es zu einer Mehrfachbogenanzeige kommt, zum Beispiel durch wegreflektierten Schall oder deutlich verändertem Transmissionsverhalten, was bei dicken Papierbögen bzw. bei Bögen mit höheren Flächengewichten häufig der Fall ist.
• In weiterer erfindungsgemäßer Ausgestaltung des Verfahrens kann zur Gewinnung der Korrekturkennlinie, Umkehrkennlinie, für den/die Signalverstärker, die Transmissionsdämpfung bzw. die daraus resultierende Signalspannung, die Messwert-Kennlinie U_m = f_Grammatur bei Kenntnis der gewünschten Zielkennlinie U_z = f_Grammatur in Abhängigkeit der Grammatur bzw. des Flächengewichts de/rs Objekts/e bzw. des Trägermaterials aufgetragen werden und dergestalt die Messwert-Kennlinien für eine Mehrzahl von unterschiedlichen Objekten bzw. Trägermaterialien ermittelt und daraus wiederum die optimale inverse und/oder nahezu inverse Umkehrkennlinie bzw. Korrekturkennlinie rechnerisch und/oder empirisch ermittelt und/oder die Korrekturkennlinie ermittelt werden, um die der idealen Kennlinie zur Einfachbogenerkennung angenäherte Zielkennlinie zu erhalten.
• Um die Messbereiche für leichte und schwere Materialsorten zu erweitern kann die Zielkennlinie und/oder die der idealen Kennlinie angenäherte Kennlinie, Zielkennlinie, für die unterschiedlichen Materialspektren in vorteilhafter Weise in mehrere Bereiche oder Abschnitte unterteilt und die Auswerte- und Empfangseinheit des Sensors optimal an die unterschiedlichen erforderlichen Bereiche mittels eines Mikroprozessors und des/r darin abgelegten unterschiedlichen Programms und/oder Programme angepasst werden. Vorzugsweise erfolgt die Unterteilung der Zielkennlinie in Bereiche bzw. Abschnitte für unterschiedliche Materialspektren in mindestens einen, vorzugsweise jedoch drei und/oder fünf, Abschnitte, welche unterschiedlichen Grammaturbereichen/Flächengewichten zugeordnet werden.
• Damit ist die Einstellung von verschiedenen Programmen für die Auswerte- und Empfangseinheit des Sensors, neben den dem Fachmann bekannten Verfahren, in besonders einfacher Weise, beispielsweise über eine Low-Level Programmierung, möglich. Dazu kann eine optische Anzeige des/r eingestellten Programms/e durch zum Beispiel eine Blinkfolge mindestens eines Leuchtmittels, insbesondere einer/mehrerer Leuchtdioden, während der Low-Level Programmierung erfolgen. Ebenso kann anschließend mindestens eine optische Anzeige des eingestellten Programms durch mindestens eine Blinkfolge im laufenden Betrieb sowohl vor- als auch nach einem Einstellvorgang zur Programmwahl erfolgen.
• Dabei eignet sich mindestens ein einzelner Grammatur-/Flächengewichtbereich für den universellen Einsatz, d. h. völlige Teach-In Freiheit über einen breiten Grammaturbereich von weniger als 10 g/m² bzw. von mehr als 3900 g/m², beispielsweise an bogenverarbeitenden Anlagen und/oder Maschinen und konsumüblichen bzw. Industrie-Druckern. In besonders vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung, lässt sich auch ein sehr enger Bereich, insbesondere für Industrie-Drucker aufgrund des eingeschränkten Materialspektrums, festlegen, um vor allem die Betriebssicherheit zur Erkennung von Fehl-, Einfach-, und Mehrfachbögen deutlich zu verbessern.
• Bei der Verwendung von drei Grammatur-/Flächengewichtbereichen kann der universelle Einsatzbereich für leichte Grammaturen-/Flächengewichtbereiche, d. h. zu sehr dünnen/transmissiven Materialien, hin erweitert werden. Ebenso kann der Einsatzbereich für schwere Grammatur-/Flächengewichtbereiche, d. h. zu sehr dicken/intransmissiven Materialen, hin erweitert werden. Bei der Verwendung von mehr als drei Programmen kann auf typische bzw. das sogenannte repräsentative Materialspektren hin optimiert werden, d. h. in Abhängigkeit von den Bedürfnissen und technischen Gegebenheiten der Anlagen für ein spezifisches Materialspektrum und/oder für mehrere Materialspektren. Die Optimierung bezieht sich hierbei erfindungsgemäß auf die Wahl der für ein Material geeigneten Schaltschwellen welche im Mikroprozessor abgelegt werden, gegebenenfalls unter verschiedenen anwählbaren Programmen, so dass ein Maximum an Betriebssicherheit und damit maximale Funktionsreserve für den einwandfreien Betrieb gegeben ist. Weiterhin ist es natürlich möglich, dass parallel dazu oder alleinig ein analoger elektronischer Schaltschwellenvergleich vorhanden ist.
• Des Weiteren können alle Programme durch einmaliges Auflegen und Abziehen und/oder durch mehrmaliges Auflegen und Abziehen eines Funktionseingangs der Auswerteschaltung abgefragt und eingestellt werden. Dabei kann in besonders vorteilhafter erfinderischer Weise das Verfahren von Impulsbetrieb auf kontinuierlichen Sendebetrieb umgestellt und n mögliche Programme ausgewählt werden, die zeitgerastert anwählbar sind und damit sowohl manuell als auch von einer übergeordneten automatischen Steuerung bedient bzw. fernbedient werden können.
• Die Umschaltung von Impuls- bzw. kontinuierlichen Betrieb bei Ansteuerung des Sensorelements ohne Sendeübertrager und/oder andere induktive Bauelemente bietet insbesondere für Ultraschallsensoren die folgenden Vorteile: Da die Sendespannung bei einer rein elektronischen Ansteuerung des Sensorelements in der Größenordnung der maximalen Versorgungsspannung bzw. zweifachen maximalen Versorgungsspannung liegt, bedeutet ein kontinuierlicher Betrieb, dass die mögliche auswertbare empfangene Signalamplitude höher ist als bei Impulsbetrieb, da hier das elektromechanische Sendeelement, zum Beispiel eine Piezokeramik, immer aufgeschwungen ist. Hingegen ist beim Impulsbetrieb ein Aufschwingen nicht vollständig innerhalb der Messzeit gewährleistet in Abhängigkeit von der zu erreichenden Ansprechzeit des Sensors. Dadurch kann erfindungsgemäß im kontinuierlichen Betrieb sowohl die Amplitude als auch die Ansprechzeit ein und desselben Sensors gegenüber dem Impulsbetrieb verbessert werden. Beim kontinuierlichen Betrieb und bei Nichtverwendung von induktiven Bauelementen zur Ansteuerung sondern allein der Versorgungsspannung oder dergestalt zur Verfügung stehenden Spannung des Sensors wird das Sensorelement, insbesondere die Piezokeramik, nicht über die Bemessungswerte hinaus überbeansprucht.
• Das Verfahren ist des Weiteren unempfindlich gegen eine Bedruckung des/r Objekts/e, gegen Farben sowie spiegelnde Oberflächen desselben. Des Weiteren ist eine senkrechte oder geneigte Montage der Ultraschallsensoren über der Bogenebene möglich. Hierbei muss die Art der Montage je nach Betriebsart und unter Berücksichtigung der verwendeten Materialien unterschieden werden. Vorzuziehen ist die geneigte Montage bei kontinuierlichem Betrieb, sofern hier keine Maßnahmen zur Vermeidung von Interferenzen ergriffen wurden. Dies gilt nicht für den kontinuierlichen Betrieb, bei dem periodisch im Vergleich zu der Auswertezeit in kurzen Zeiträumen das Signal abgeschaltet und wieder eingeschaltet wird, so dass erfindungsgemäß keine merkliche Verringerung der Ansprechzeit stattfindet, jedoch Interferenzen vermieden werden, d. h. der Sensor befindet sich im quasikontinuierlichen Betrieb.
• Die nicht oder wenig geneigte Montage gegenüber der Lotrechten zur Bogenebene kann für sehr dünne Materialien in vorteilhafter Weise eingesetzt werden und eignet sich zudem für die Detektion von flächig geschichtetem Material, wie zum Beispiel von Etiketten. Die geneigte Art der Montage ist für dickere Materialien vorzuziehen, um eine bessere Materialdurchdringung zu erreichen und um Interferenzen der Ultraschallwellen zu vermeiden. Des Weiteren ist es möglich, die gesendeten Ultraschallwellen mit einer Modulationsfrequenz, zu modulieren, um Toleranzen der Ultraschallwandler auszugleichen und um ebenfalls Interferenzen zu vermeiden. Die Umschaltung der Betriebsarten, der kontinuierliche Betrieb sowie die Modulation erfolgen durch mindestens einen elektronischen Schaltungsblock, vorzugsweise mindestens ein Mikroprozessorsystem und/oder einer einfachen elektronischen Umschaltlogik in Kombination mit mindestens einem elektronischen Potentiometer und mit mindestens einem Oszillator.
• Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur berührungslosen Detektion von geschichteten flächigen Objekten, unter Verwendung eines Senders und eines Empfängers mit variablen Abstand zum Senden und Empfangen von Ultraschall, zur Detektion von Mehrfachlagen und/oder Fehllagen gegenüber der Einfachlage von Objekten, von Papierklebe- und/oder -abriss- und/oder -aufreißstellen, sowie in Kombination zur Detektion oder Zählen von auf einem Trägermaterial haftend angeordneten Objekten, durch Erkennen von zwischen benachbarten Objekten befindliche Lücken, wobei die Objekte bzw. das Trägermaterial zwischen Sender und Empfänger angeordnet sind und der Empfänger die durch die Objekt/e transmittierte Ultraschallwelle empfängt, welche in einer mit dem Sender und dem Empfänger elektrisch verbundenen Auswerteschaltung ausgewertet wird, besteht darin, dass die Auswerteschaltung mindestens einen Signalverstärker aufweist, welchem mindestens eine solche Korrekturkennlinie vorgegeben wird, welche die Messwert-Kennlinie der Signalspannung bei annähernd linearer Signalverstärkung in Abhängigkeit der Grammatur/Flächengewichte der Objekte bzw. des Trägermaterials, nämlich U = f_Grammatur, über einen großen Grammaturbereich, nämlich wenigstens zwischen 8 g/m² bis über 4000 g/m², invers oder nahezu invers dergestalt nachbildet, Umkehrkennlinie oder Korrekturkennlinie, so dass damit mindestens eine lineare oder nahezu lineare Abhängigkeit und damit eine der idealen Kennlinie zur Einfachobjekterkennung angenäherten Kennlinie, Zielkennlinie, zwischen dem von dem Ultraschallempfänger empfangenen Schalldruck p/Pa sowie der dazugehörigen Eingangsspannung U_E/V und der Signalspannung U_A/V am Ausgang des/der Signalverstärker/s erreicht wird, wodurch Einfach-, Fehl- und Mehrfachobjekte ohne Einlernvorgang detektierbar sind.
• In erfinderischer Ausgestaltung ist/sind die Korrekturkennlinie/n des Signalverstärkers der Auswerteschaltung mindestens eine nichtlineare, insbesondere eine logarithmische und/oder eine mehrfachlogarithmische Korrekturkennlinie. Des Weiteren kann/können die Korrekturkennlinie/n der/s Signalverstärker/s der Auswerteschaltung mindestens eine nichtlineare (z. B. logarithmische) oder eine mehrfachlogarithmische Kennlinie in Kombination mit mindestens einer weiteren beliebig nichtlinearen Korrekturkennlinie und/oder einer näherungsweise linearen Kennlinie sein zur Erzeugung der gewünschten Zielkennlinie, nämlich die der idealen Kennlinie zur Einzelbogenerkennung angenäherte Zielkennlinie.
• In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Vorrichtung ist wenigstens eine Korrekturkennlinie des/der Signalverstärker/s der Auswerteschaltung in einem ersten Gerät in Form einer logarithmisch und/oder mehrfachlogarithmisch und/oder dergestalt ähnlich verlaufende nichtlineare Korrekturkennlinie in Kombination mit einem zweiten Gerät mit wenigstens einer linearen Korrekturkennlinie und/oder annähernd linearen oder exponentiell oder dergestalt ähnlich ansteigend verlaufenden Kennlinie vorgegeben, wobei die erste, nichtlineare Korrekturkennlinie des ersten Gerätes eine Teach-In Freiheit, insbesondere für Fehl-, Einfach- und Mehrfachbögen gewährleistet und die zweite Korrekturkennlinie des zweiten Gerätes eine Etikettenerkennung und/oder von Aufriß- bzw. Abrissstellen und/oder von auf ein Grund- oder Trägermaterial haftend aufgebrachter Materialfäden, wie auflaminierten Aufreißfäden, mit Teach-In ermöglicht.
• In weiterer erfindungsgemäßer Ausgestaltung der Vorrichtung sind das erste und das zweite Gerät in einer Vorrichtung gerätemäßig integriert.
• In weiterer vorteilhafter erfinderischer Ausgestaltung ist nach dem Ultraschallsender und vor dem Objekt eine Loch- und/oder eine Schlitzblende angeordnet zum gezielt vorgegebenen Durchlass der Ultraschallwellen, insbesondere zur Erkennung von auflaminierten Aufreißfäden und/oder sonstigen Fäden und/oder schmalen aufeinanderhaftenden und/oder nicht aufeinander innig haftenden und geschichteten Materialien. Insbesondere ist weiterhin die Verwendung von Loch- und/oder Schlitzblenden zur Einfach-, Fehl- und Mehrfachbogendetektion vorteilhaft, weil dadurch eine Erhöhung der örtlichen Auflösung bzw. der Fokussierung einhergeht.
• Es hat sich gezeigt, dass der Einsatz einer Loch- und/oder Schlitzblende nur in Zusammenhang mit mindestens einem nichtlinearen und/oder mindestens einen Signalverstärker dergestalt, dass kleine Messsignale sehr stark verstärkt und starke Signale wenig bzw. bei dem schwache Signale überproportional stärker als starke Signale verstärkt werden, insbesondere einem logarithmischen und/oder mehrfachlogarithmischen Signalverstärker, sinnvoll ist, weil ansonsten die erhaltenen Signale, insbesondere bei linear bzw. annähernd linear verstärkenden Signalauswerteschaltungen im Schrankenbetrieb zu schwach sind und eine praxisgemäße Einfach-, Fehl- und Mehrfachbogenerkennung gerade für schwere Grammaturen/Flächengewichte bzw. die Auswertung einer Materialverdickung nicht möglich ist, insbesondere bei einer Aufreißfadenerkennung. Die Verwendung einer Schlitz- bzw. Loch- bzw. Mehrfachlochblende dient somit in vorteilhafter Weise insbesondere auch zur Erkennung von auf ein Grund- oder Trägermaterial haftend aufgebrachter Materialfäden, wie auflaminierten Aufreißfäden.
• Bei der Anwendung des linearen und/oder eines nahezu linearen und/oder dergestalt ausgelegten Signalverstärkerprinzips (keine Korrekturkennlinie) ist die Flatterempfindlichkeit zu hoch, womit eine sichere Auswertung und Unterscheidung von Einfach-, Fehl-, und Mehrfachlagen unsicher ist. Ebenso wird beim Einsatz einer Loch- und/oder Schlitzblende die räumliche Auflösung zur Einfach-, Fehl- und Mehrfachbogendetektion bzw. Aufreißfadenerkennung verbessert.
• Des Weiteren kann mittels des Mikroprozessors oder die gleiche Funktionalität erfüllende diskrete Schaltung ein automatischer Abgleich im Produktionsprozess und/oder auch im laufenden Sensorbetrieb auf die maximale Ultraschallamplitude durch mindestens ein elektronisches Potentiometer erfolgen.
• Die Einstellung der maximalen Amplitude an der Empfangseinrichtung, d. h. die Justage der richtigen Sendefrequenz erfolgt hierbei selbsttätig in zur Sendefrequenz synchronisieren Abständen und/oder aber in definierten Pausenzeiten oder in einem Zeitraum der verglichen mit der Sendefrequenz sehr lang ist. Hierdurch können Alterungseffekte der Wandler ausgeglichen und die Produktprüfungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung bei der Serienherstellung vollautomatisiert werden.
• Ein elektronischer Selbstabgleich, der nicht zwangsweise einen Mikroprozessor erfordert, ist erfindungsgemäß auch für die beschriebenen Sensoren möglich.
• Kurzbezeichnung der Zeichnung, in der zeigen:
• 1 eine prinzipielle Anordnung insbesondere eines Ultraschallempfängers (1) und Ultraschallsenders (6) mit einer vor dem letzteren angeordneten Blende (11) zur teilweisen Abschattung der Ultraschallwellen, wobei oberhalb der Blende zwischen Sender und Empfänger beispielsweise eine Folie mit einem Folien-Aufreißstreifen als zu detektierendes Objekt angeordnet ist,
• 2 eine perspektivische Ansicht der 1 zur Darstellung eines Trägerobjektes mit einem Aufreißfaden
• 2a eine Darstellung der prinzipiellen Abhängigkeit des Ausgangsspannungssignals U_A/V oder U_A/p. u. des Signalverstärkers vom Flächengewicht bzw. der Grammatur bei Verwendung von unterschiedlichen Signalverstärkern, unter Verwendung mit unterschiedlichen Korrekturkennlinien, insbesondere linearer Signalverstärker (ohne Korrekturkennlinie) und logarithmischer Signalverstärker mit einer Zielkennlinie durch Einprägen der nichtlinearen bzw. log. Korrekturkennlinie in den Verstärker, sowie der Auswertung Einfach (I linearer Signalverstärker, II logarithmischer Signalverstärker)- oder Mehrfachbogen (Ia linearer Signalverstärker, IIa log arithmetischer Signalverstärker), insbesondere Doppelbogen,
• 2b eine Darstellung unterschiedlicher gewünschter (I, II, IIa, IIb, III) und nicht gewünschter (IV, IVa) Einfachbogenkennlinien als Zielkennlinie, wobei das Ausgangsspannungssignal U_A/V oder U_A/p. u. des Signalverstärkers über dem Flächengewicht bzw. der Grammatur aufgetragen ist,
• 3 das Ausgangsspannungssignal U_A/% oder U_A/p. u. eines Signalverstärkers mit nahezu linearer bzw. nahezu logarithmischer (Korrekturkennlinie) Signalverstärkung in Abhängigkeit der verschiedensten in der industriellen Praxis vorkommenden Grammaturen bzw. Flächengewichte für Fehl-, Einfach- und Mehrfachbogen, wobei die Abszisse linear skaliert ist,
• 4 die Ausgangsspannung U_A/% oder U_A/p. u. eines Signalverstärkers mit nahezu linearer und bzw. mit nahezu logarithmischer (Korrekturkennlinie) Signalverstärkung in Abhängigkeit der verschiedensten in der industriellen Praxis vorkommenden Grammaturen bzw. Flächengewichte für Einfach- und Mehrfachbogen, wobei die Abszisse logarithmisch skaliert ist, d. h. der Einfluss der Korrekturkennlinie als einfach, bzw. zweifachlogarithmische Kennlinie auf die Ausgangsspannung des Signalverstärkers U_A/p. u. in Abhängigkeit des Flächengewichts/Grammatur wird offenbar und
• 5 ein Blockschaltbild einer elektrischen Schaltung der Vorrichtung zur Auswertung des Ultraschalltransmissionssignals.
• Wege zur Ausführung der Erfindung:
• Die Erfindung geht aus von der Erkenntnis, dass einer gattungsgemäßen Mehrfachbogenerkennungen im Stand der Technik das nach dem Signalverstärker bei näherungsweise linearer Signalverstärkung erhaltene Spannungssignale und gegebenenfalls Filterung, in Abhängigkeit von der Grammatur bzw. des Flächengewichts, die sich ergebende linear verstärkte Messwertkennlinie, d. h. das nicht korrigierte Ausgangssignal am Signalverstärker, im Wesentlichen stark nichtlinear, insbesondere exponentialförmig, mehrfachexponentiell bzw. hyperbelförmig oder dergestalt ähnlich nichtlinear verläuft.
• Die 2a zeigt hierzu eine Darstellung der prinzipiellen Abhängigkeit des normierten Ausgangsspannungssignals U_A/p. u. eines Signalverstärkers in Abhängigkeit vom Flächengewicht bzw. der Grammatur in g/m² bei unterschiedlich dimensionierten Signalverstärkern für Einfach- und Mehrfachbogen, insbesondere Doppelbogen.
• Kennlinie I in 2a symbolisiert eine im Verlauf idealisierte Einfachbogenkennlinie in Abhängigkeit der Grammatur bei Verwendung eines näherungsweise linearen Signalverstärkers, d. h. ohne Kennlinienkorrektur, mit einem näherungsweise exponentiellen Abfall der Kennlinie. Aus dieser näherungsweise exponentiellen Kennlinie, Messwert-Kennlinie, wird durch Verwendung der dem Signalverstärker inhärenten bzw. eingeprägten nichtlinearen, insbesondere auch abschnittsweise, logarithmischen und/oder doppeltlogarithmischen Umkehrfunktion, die Korrekturkennlinie, hierbei die Zielkennlinie II für verschiedenste Materialien zur sicheren Erkennung von Einfachbögen erzeugt. Die Kurve II symbolisiert somit ein Einzelbogensignal bei Verwendung eines logarithmischen Signalverstärkers mit eingeprägter Korrekturkennlinie mit einem näherungsweise linearen Abfall der Kennlinie, welche der Zielkennlinie entspricht. Bei einer fixen und/oder variablen Wahl der Schaltschwelle besitzt der Schnittpunkt zwischen Luftschwelle und Wert des Einfachbogens noch eine ausreichend große Steilheit um einen definierten bzw. sehr kleinen Materialbereich herum.
• Weiterhin wird insbesondere der asymptotische Verlauf von Kurve I in der Nähe der Mehrfachbogenschwelle, welches i. d. R. für dicke bzw. schwere Materialien ein Teach-in erfordert, zu Kurve II) durch die Kennlinien-Korrektur transformiert, womit ein größerer Abstand des Einzelbogenwerts zur Mehrfachbogenschwelle für schwerere Flächengewichte/Grammaturen, d. h. eine sichere Detektion gegeben ist. Somit ist die Auswertung Ereignis ”Luft bzw. Fehlbogen” und/oder Ereignis ”Mehrfachbogen” über einen signifikant größeren Grammaturbereich bzw. Flächengewichtsbereich ohne Einlernvorgang eindeutig vorzunehmen. Eine konstante Signaltransmission bzw. Signaldämpfung für das Messsignal am Ausgang des Signalverstärkers, bzw. das Einfachbogensignal über den gesamten Grammaturbereich bei im Idealfall mittigen Spannungswert zwischen den beiden Schwellwerten Fehl- und Mehrfachbogenschwelle, wäre das Ideal, d. h. entspräche der idealen Zielkennlinie, vgl. 2b I).
• Die 2a, Kurve Ia symbolisiert ein Mehrfachbogensignal, insbesondere ein Doppelbogensignal bei Verwendung eines näherungsweise linearen Signalverstärkers, d. h. einem Signalverstärker ohne die erfindungsgemäße Kennlinienkorrektur zwischen Messwert-Kennlinie und Zielkennlinie mit wenigstens einem näherungsweise doppelt exponentiellen Abfall der Mehrfachbogenkennlinie. Die Kurve IIa symbolisiert ein Mehrfachbogensignal, insbesondere ein Doppelbogensignal, bei Verwendung eines Signalverstärkers mit einfachlogarithmischer Korrekturkennlinie, d. h. einem logarithmischen Signalverstärker, mit einem näherungsweise dadurch erreichten einfach logarithmischen Abfall der Mehrfachbogenkennlinie, welche immer noch ausreichend Abstand zur Zielkennlinie II) einhält um eine ausreichende Differenzierung der Messsignale vornehmen zu können.
• 2b zeigt eine Darstellung der prinzipiellen Abhängigkeit des normierten Ausgangsspannungssignals U_A/p. u. des Signalverstärkers (Zielkennlinie) in Abhängigkeit von der Grammatur bzw. des Flächengewichts in g/m² U_A = U_Z = f_Grammatur bei Verwendung unterschiedlicher Signalverstärker zur Erzeugung verschiedener Einfachbogenzielkennlinien (Zielkennlinien). Mit der obersten waagrechten, punktiert-gestrichelt gezeichneten Linie bei U_A = 1 p. u. ist die maximale Versorgungsspannung bzw. die Sättigungsgrenze des Signalverstärkers gekennzeichnet; darunter befindet sich zum Beispiel bei einem Wert U_A = 0,75 p. u. die waagrecht punktiert-gestrichelt gezeichnete Luft- bzw. Fehlbogenschwelle angedeutet;
  darunter befindet sich angedeutet zum Beispiel bei einem Wert U_A = 0,125 p. u. die waagrecht punktiert-gestrichelt gezeichneten Mehrfachbogenschwelle, insbesondere die Doppelbogenschwelle;
  darunter befindet sich angedeutet zum Beispiel bei einem Wert U_A = 0,05 p. u. die waagrecht punktiert-gestrichelt gezeichnete Rauschschwelle von Signalverstärkern.
• Kurve I in 2b kennzeichnet eine ideale Einfachbogenzielkennlinie, bei der keine Sättigung bei dünnen Materialien auftritt und die einen hohen Abstand zum Rauschen bzw. zur Mehrfachbogenschwelle, insbesondere zur Doppelbogenschwelle aufweist, d. h. welche als Signalverstärkerausgangsspannung in idealer Weise bei Eingabe verschiedenster Grammaturen bzw. Flächengewichten ein konstantes Ausgangssignal liefert.
• Die hohen Störabstände, d. h. große Abstände zu den verschiedenen gegebenen Schwellwerten, dienen einem sicheren Schalten bzw. dem sicheren Unterscheiden zwischen Fehl-, Einfach- und Mehrfachbogen. Kurve II zeigt eine nichtlineare Kennlinie, die mittels des Signalverstärkers aufgrund des Wendepunktes relativ schwierig zu realisieren ist, welche als die der idealen Kennlinie zur Einzelbogenerkennung angenäherte Kennlinie, Zielkennlinie, beschrieben wird. Die Bereiche IIa) und IIb) müssen in diesem Fall realisiert werden. Bereich IIa, leichte Grammaturen, kann man vorteilhaft über einen nahezu linearen Signalverstärker realisieren, hingegen ist der Bereich IIb für schwere Grammaturen durch einen Signalverstärker mit z. B. mehrfachlogarithmischer Signalverstärkung zu realisieren, wobei der nach unten abfallende Knick aufgrund der Dämpfungseigenschaften von Papieren nicht ohne aufwändige technische Maßnahmen realisiert werden kann.
• Kurve III ist die dem Idealfall, Kurve I), insbesondere Kurve II), nochmals auf einfachste Art- und Weise angenäherte Zielkennlinie, die durch eine 2-Punkt-Geradenverbindung anhand der Endwerte von Kurve II) erzeugt wird, im Beispiel durch die Verwendung eines mindestens einfachlogarithmischen Signalverstärkers; sie zeigt die Linearisierung der Messwerte für den Einfachbogen, durch die Korrekturkennlinie. Es ist immer noch ein eindeutiger Durchgang der Einzelbogenkennlinie durch die Fehl-(Luft-) bzw. Mehrfachbogenschwelle/Doppelbogenschwelle vorhanden und somit sind eindeutige Schaltpunkte in Bezug auf die vorgegebenen Schwellen gegeben. Aus den Kurven, bzw. Zielkennlinien, I), II) und III) ist deutlich zu erkennen, dass ein breites Materialspektrum erfassbar ist. Kurve IV zeigt schließlich eine völlig ungeeignete Einfachbogenzielkennlinie. Es tritt eine Sättigung gegenüber Luft auf, Kurvenbereich IVa, danach erfolgt ein steiler Abfall über einen sehr kleinen Grammatur-/Flächengewichtsbereich, bis hinab in den Bereich des Signalverstärkerrauschens, Kurvenbereich IVb. Die Auswertung des gewünschten Einzelbogenereignisses, zur Unterscheidung von Fehl- bzw. Mehrfachbogenereignisse, kann nur in einem kleinen Grammatur- bzw. Flächengewichtsbereich vorgenommen werden, was nicht wünschenswert ist.
• Weiterhin muss darauf geachtet werden, dass die Spannungssignale für die Materialbögen sich nicht asymptotisch einer der fixen und/oder variablen vorgegebenen Schaltschwellen annähern, da sonst ein klare Unterscheidung der Zustände aufgrund der geringen Signalunterschiede zu schwierig werden könnte.
• Das Wesen der Erfindung besteht somit darin, in der Auswerteschaltung einen Signalverstärker einzusetzen, dem eine Korrekturkennlinie vorgegeben wird, der die Messwertkennlinie der Signalspannung U_M/V in Abhängigkeit der Grammatur der Objekte bzw. des Trägermaterials nämlich U = f_Grammatur, über einen großen Grammaturbereich invers oder nahezu invers, Korrekturkennlinie abbildet, um eine der idealen Kennlinie zur Einfachbogenerkennung angenäherten Kennlinie, Zielkennlinie, in geeigneter Weise zu erhalten. So wird eine lineare bzw. nahezu lineare Abhängigkeit oder der der idealen Kennlinie zur Einfachbogenerkennung angenäherte Kennlinie, Zielkennlinie, zwischen dem von dem Ultraschallempfänger empfangenen Schalldruck p/Pa, Messwert, und der Signalspannung U_A/V oder /p. u. am Ausgang des Signalverstärkers erreicht, sogenannter Zielspannungswert.
• 1 zeigt eine im Weiteren vorteilhafte Anwendung des kennlinienkorrigierenden Signalverstärkerverfahrens zur Transmissionsmessung als prinzipielles Beispiel einer örtlich hoch aufgelösten Fehl-, Einfach-, und Mehrfachbogenvorrichtung, insbesondere zur Detektion von einem auf ein Trägermaterial aufgebrachtes Materialband, bestehend aus einem Empfänger, insbesondere einem Ultraschallempfänger 1, der in einer Halterung 2 fixiert ist, wobei der Empfänger 1 einem Sender, insbesondere einem Ultraschallsender 6 gegenübersteht, der ebenfalls geeignet an einem Maschinenbauteil 8 befestigt ist. Hierbei können Sender 6 und Empfänger 1 wahlweise auch vertauscht werden. Die Ultraschallwandler bzw. deren Wandlereinheiten 1, 6 stehen sich senkrecht und/oder geneigt zur Ebene der Objekte 4, 5 koaxial ausgerichtet gegenüber. Die Sensoren, bzw. deren Wandlereinheiten, insbesondere Ultraschallwandler 1, 6, werden von einer separaten Auswerteschaltung 7 oder integrierten Auswerteschaltung innerhalb des Empfängers 1 mit einer Auswerteelektronik angesteuert bzw. ausgewertet. Mit dem Maschinenbauteil 8 verbunden ist eine Auflageplatte 10, auf die eine Blende 11 für die Ultraschallwellen aufgenommen werden kann. Die Sensoren bzw. deren Wandlereinheiten, insbesondere Ultraschallwandler 1, 6, bilden somit eine Schrankenanordnung mit dazwischen in Richtung eines Pfeils 3 und/oder der umgekehrten Richtung durchlaufendem Objekt 4, 5, welches im praxisgemäßen Beispiel eine Folie 5 mit einem auflaminierten Aufreißfaden 4 sein kann. Die Folie läuft dabei über zwei Rollen 9, 9' und wird dadurch gespannt.
• Der Ultraschallsender 6 sendet im Transmissionsmodus ein Ultraschallsignal aus, welches die Objekte 4, 5 durchdringt, wonach der transmittierte Anteil der Ultraschallwelle vom gegenüberstehenden Empfänger 1 empfangen und durch die Auswerteelektronik 7 oder innerhalb des Empfängers 1 ausgewertet wird.
• 2 zeigt eine perspektivische Ansicht der 1 zur Darstellung der beiden Objekte 4 und 5 aus einer anderen Sicht, wobei es sich beim Objekt 5 um ein Trägermaterial und beim Objekt 4 und einen Aufreißfaden oder einen Folienstreifen handeln kann.
• In 5 ist ein Blockschaltbild der elektrischen Schaltung einschließlich einer Auswerteschaltung des transmittierten Signals gezeigt. An einen Sender, insbesondere einen Ultraschallsender 13, ist eine Treiberstufe 14 sowie ein Oszillator 15 angeschlossen. Die Ultraschallsignale des Ultraschallsenders 13 werden von einem Ultraschallempfänger 16 empfangen, dessen Ausgangssignal nach Durchlauf durch einen Begrenzungsbaustein 17 in wenigstens einem Signalsplitter 18 aufgesplittet wird und die gesplitteten Signale gleichzeitig einem nichtlinearen Signalverstärker A, insbesondere logarithmischen Signalverstärker 19, sowie einem linearen Signalverstärker B und/oder einem näherungsweise linearen und/oder dergestalt ähnlichem Signalverstärker 33 aufgegeben werden.
• Das Ausgangssignal des nichtlinearen Signalverstärkers A, 19, wird in einem Filter 51 gefiltert, in einem Gleichrichter 20 gleichgerichtet und in einem Hüllkurvendetektor 52 eine Hüllkurve erzeugt, welche einen galvanischen Entkoppler 21 durchläuft und auf einen Buffer 22 aufgegeben wird.
• Das Ausgangssignal des näherungsweise linearen Signalverstärkers B, 33, durchläuft einen Filter 34 sowie einen Gleichrichter 35, einen Hüllkurvendetektor 53, in welchem eine Hüllkurve erzeugt wird, und einen galvanischen Entkoppler 36 und wird ebenfalls einem Buffer 37 aufgegeben.
• Das Ausgangssignal des nichtlinearen Signalverstärkers A des Buffers 22 wird einem Spitzendetektor 39 sowie einer Abtast-Halteschaltung 40 aufgegeben und anschließend einem A/D–Wandler 41 zugeführt, welcher Teil eines Mikroprozessors 38 ist oder diskret vorgeschaltet werden kann. Gleichzeitig wird das Ausgangssignal des nichtlinearen Signalverstärkers A des Buffers 22 einem Schwellengenerator 42, der eine Schwellenjustierung 45 aufweist, zugeführt, wobei der Schwellengenerator 42 an einen elektronischen Schalter 43 des Mikroprozessors angeschlossen ist, der seinerseits mit einem Komparator 44 des Mikroprozessors 38 in Verbindung steht. Über den Schalter 43 und über wahlweise einen I/O-Pin des Mikroprozessors mit Rückführung auf die Schwellenjustierung 45 können softwaremäßig verschiedene Schwellen eingestellt werden. Eine optimale Anpassung der Umkehrkennlinie bzw. Korrekturkennlinie an unterschiedliche Messwert-Kennlinien unterschiedlicher Materialien wird über im Prozessor abgelegte Programme erreicht.
• Der zweite Eingang des Komparators 44 ist mit dem Ausgang des galvanischen Entkopplers 21 verbunden.
• Das näherungsweise linear verstärkte Signal aus dem Buffer 37 wird ebenfalls einem Spitzendetektor 46 und einer Abtast-Halteschaltung 47 und danach einem A/D-Wandler 48 des Mikroprozessors 38 zugeführt.
• Die direkte A/D-Wandlung der Ausgangssignale nach dem nichtlinearen Signalverstärker A 19 sowie dem linearen Signalverstärker B 33 verbessert bzw. definiert durch die festgelegten Abtastzeitpunkte exakt die mögliche Ansprechzeit des auszuwertenden Messsignals. Möglicherweise notwendige Filteralgorithmen lassen sich hierdurch mit dem Mikroprozessor in recht einfacher Weise realisieren und erhöhen die Zuverlässigkeit der Fehl-, Einfach- und Mehrfachbogenerkennung.
• Die 3 und 4 zeigen verschiedene Kurven der Signalausgangsspannungen U_A/V oder /% in Abhängigkeit der Grammaturen bzw. Flächengewichte in g/m², U_A = U_Z = f_Grammatur, verschiedener Materialien, wobei in den Schaubildern jeweils Kurven für lineare Signalverstärkung sowie logarithmische Signalverstärkung bzw. mit verschiedener Abszissenskalierung angegeben sind.
• Dabei bedeuten:

”EZB log Vt”

= Einzelbogen logarithmischer Signalverstärker

”DB log Vt”

= Doppelbogen logarithmischer Signalverstärker

”EZB lin Vt”

= Einzelbogen linearer Signalverstärker

”DB lin Vt”

= Doppelbogen linearer Signalverstärker

”fit EZB log Vt”

= Zielkennlinie Einzelbogen logarithmischer Signalverstärker

”fit EZB lin Vt”

= Erreichbare (nicht gewünschte) Zielkennlinie Einzelbogen linearer Signalverstärker

”DB Schwelle breit”

= Doppelbogen Schwelle für die Detektion eines breiten Materialspektrums.

• Daraus ist ersichtlich, dass die Messwert-Kennlinien für die Einfachbogenerkennung bei linearer Signalverstärkung einen im Wesentlichen nichtlinearen, insbesondere wenigstens einfach exponentiellen und/oder hyperbelmäßigen und/oder dergestalt ähnlichen nichtlinear abfallenden Verlauf aufweisen, welche nicht der gewünschten Zielkennlinie entspricht, welcher bei wenigstens logarithmischer Verstärkung im Wesentlichen bzw. bereits abschnittsweise zu einer Geraden mit negativer Steigung mutiert und somit der der idealen Kennlinie zu Einfachbogenerkennung angenäherten Kennlinie, der Zielkennlinie, entspricht.
• Der Grund ist, dass der nichtlineare Signalverstärker, insbesondere der logarithmische Signalverstärker, als Arbeitskennlinie eine Umkehrkennlinie bzw. Korrekturkennlinie gegenüber der praktisch vorgegebenen Messwertkennlinie am Wandlerelement erhält, so dass die Ausgangsspannung nach dem logarithmischen Signalverstärker, d. h. einem Signalverstärker mit logarithmischer Korrekturkennlinie, im Wesentlichen und in weiten Bereichen mehr oder weniger linear abfällt.
• Gewerbliche Anwendbarkeit:
• Das erfindungsgemäße Verfahren und die Vorrichtung sind dort gewerblich anwendbar, wo die Anwesenheit von kein, ein und/oder von wenigstens zwei übereinander liegenden flächigen Materialien bzw. Bögen, vorzugsweise Papiere, erkannt werden sollen, im besonderen in der Druck, Verpackungs-, Konsum- und Papierindustrie. Die Nützlichkeit der Erfindung besteht insbesondere darin, dass über einen sehr großen Grammaturbereich und für ein sehr breites Materialspektrum unterschiedlichster Materialien kein Teach-In notwendig ist und die Ultraschallwandler in einem von dem Anwender zu bestimmenden Abstand voneinander montiert werden können, welches eine große Applikationssicherheit und -verbreitung sichert. Das Materialspektrum umfasst Feinstpapiere bis hin zu dünnen Blechen und einwellige Wellpappen sowie Kunststoff- und Metallfolien.
• Der erfassbare Grammaturbereich erstreckt sich von unter 8 g/m² bis zu 4000 g/m². Das Verfahren ist unempfindlich gegen Bedruckung, Farben oder spiegelnde Oberflächen des Objekts, womit ein sehr breites industrielles Anwendungsgebiet, speziell in der Papier verarbeitenden und Verpackungen verarbeitenden Industrie offen liegt.
• Bezugszeichenliste
• Fig. 1:

1

Empfänger, insbesondere Ultraschallempfänger, wahlweise auch Sender

2

Maschinenbauteil, Halterung

3

Bewegungsrichtung

4, 5

Objekte, wie Trägerobjekt und Aufreißfaden

6

Sender, insbesondere Ultraschallsender, wahlweise auch Empfänger

7

Auswerteschaltung, abgesetzt

8

Maschinenbauteil, Halterung

9, 9'

Rollen

10

Auflageplatte

11

Blende

Fig. 5:

Verbindungspunkte, nämlich

➀-➀

Ausgang Signalverstärker A, z. B. nicht linearer Signalverstärker

➁-➁

Schwelle

➂-➂

Ausgang Signalverstärker B, z. B. linearer Signalverstärker

➃-➃

Oszillator Enable

➄-➄

Sendersignalrückführung zum Mikroprozessor

➅-➅

Stellgliedanschluss

13

Sensorsenderwandler (Sender), insbesondere auch Ultraschallsendewandler oder optischer Senderwandler

14

Treiberstufe

15

Oszillator

16

Sensorempfängerwandler (Empfänger), insbesondere auch Ultraschallempfängswandler oder optischer Empfängerwandler

17

Begrenzer

18

Signalsplitter

19

Signalverstärker A, z. B. logarithmischer Signalverstärker

20, 35

Gleichrichter

52, 53

Hüllkurvendetektoren

21, 36

galvanische Entkopplung

34, 51

Filter

22, 37

Buffer

33

Signalverstärker B, z. B. linearer Signalverstärker

38

Mikroprozessor

39, 46

Spitzenwertdetektor

40, 47

Abtast- und Halteschaltung

41, 48

A/D-Wandler

42

Schwellengenerator

43

Schalter

44

Komparator

45

Schwellenjustierung

49

Oszillatorfreigabe

50

elektronisches Potentiometer

Claims (31)

1. Verfahren zur berührungslosen Detektion von geschichteten flächigen Objekten, unter Verwendung eines Sensors, aufweisend einen Sender und einen Empfänger mit variablen Abstand zum Senden und Empfangen von Ultraschall, zur Detektion von Mehrfachlagen und/oder Fehllagen gegenüber der Einfachlage von Objekten, von Papierklebe- und/oder -abriss- und/oder -aufreißstellen, sowie in Kombination zur Detektion oder Zählen von auf einem Trägermaterial haftend angeordneten Objekten, durch Erkennen von zwischen benachbarten Objekten befindliche Lücken, wobei die Objekte und/oder das Trägermaterial zwischen Sender und Empfänger angeordnet sind und der Empfänger die durch die Objekte transmittierte Ultraschallwelle empfängt, welche in einer mit dem Sender und dem Empfänger elektrisch verbundenen Auswerteschaltung ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteschaltung mindestens einen Signalverstärker aufweist, welchem mindestens eine solche Korrekturkennlinie vorgegeben wird, welche eine Messwert-Kennlinie der Signalspannung bei annähernd linearer Signalverstärkung in Abhängigkeit einer Grammatur der Objekte und/oder des Trägermaterials, nämlich U = f_Grammatur, über einen großen Grammaturbereich, nämlich wenigstens zwischen 8 g/m² bis über 4000 g/m², invers oder nahezu invers dergestalt nachbildet, so dass damit eine lineare oder nahezu lineare Abhängigkeit und damit eine der idealen Kennlinie zur Einfachobjekterkennung angenäherten Zielkennlinie zwischen dem von dem Ultraschallempfänger empfangenen Schalldruck p/Pa sowie der dazugehörigen Eingangsspannung U_E/V und der Signalspannung U_A/V am Ausgang des/der Signalverstärker/s erreicht wird, wodurch das Verfahren zur Detektion von Einfach-, Fehl- und Mehrfachobjekten ohne Einlernvorgang betrieben werden kann.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Objekte Bögen von Papier, Pappe, Wellpappen, Folien, Blechen sowie von mehrfach ineinander stapelbare Verpackungen sowie Etiketten oder haftende, auch fadenförmige, in Mehrfachschichtung liegende Objekte detektierbar sind.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in dem/den Signalverstärker/n der Auswerteschaltung eine der Korrekturkennlinie verwendet wird, deren Ausgestaltung in Form einer nichtlinearen Kennlinienapproximation zur Korrektur der Messwert-Kennlinie vorgegeben wird, wodurch eine der Idealkennlinie zur Einfachbogenerkennung angenäherte Zielkennlinie erreicht wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Amplitude der transmittierten Ultraschallwelle mit mindestens einem Signalverstärker gemessen und mittels mindestens eines die Messwert-Kennlinie korrigierenden und/oder eines an die gewünschte ideale Zielkennlinie sich annähernden elektrischen Messwertkorrekturverfahrens erreicht wird, und dass über ein breites Materialspektrum, wenigstens zwischen 8 g/m² bis zu 4000 g/m² Grammatur, eine ideale und/oder praktisch eine lineare oder nahezu lineare und/oder einer der idealen Kennlinie zur Einfachbogenerkennung angenäherten Zielkennlinie, in Abhängigkeit des Ausgangssignals in Bezug auf das Eingangssignal des Ultraschallempfängers erzielt wird.
5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem/den Signalverstärker/n der Auswerteschaltung als Korrekturkennlinie eine logarithmische und/oder eine mehrfachlogarithmische Kennlinie und/ oder eine nichtlineare Korrekturkennlinie vorgegeben wird.
6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalauswertung mit mindestens einem Signalverstärker der Auswerteschaltung als Kennlinie eine der zu erreichenden idealen Kennlinien zur Einzelbogenerkennung angenäherten Zielkennlinien erreicht, indem die entsprechende Korrekturkennlinie in die Signalverstärker eingeprägt wird.
7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei oder mehr Korrekturkennlinien eingesetzt werden in der Ausgestaltung von linear oder annähernd linear oder exponentiell ansteigend verlaufender/n Kennlinie/n kombiniert mit einfach- oder mehrfachlogarithmisch verlaufender/n Kennlinie/n.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalauswertung aus wenigstens einer Kombination von mehreren Korrekturkennlinien besteht und diese Kombination mindestens einem Signalverstärker der Auswerteschaltung eingeprägt wird, um die der idealen Kennlinie zur Einfachbogenerkennung angenäherte Zielkennlinie zu erreichen.
9. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Signalverstärker je mit Korrekturkennlinie in Kombination verwendet werden, deren Signalpfade auf die Auswerteschaltung gegeben werden zur Erweiterung des zu erfassenden Materialspektrums des Sensors.
10. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Auswerteschaltung des Signalverstärkers wenigstens eine Korrekturkennlinie des Signalverstärkers in Form einer einfach- oder mehrfachlogarithmischen Kennlinie verlaufende nichtlineare Korrekturkennlinie in Kombination mit mindestens einer linearen oder annähernd linearen oder exponentiell ansteigend verlaufenden Kennlinie vorgegeben wird, wobei die erste nichtlineare Korrekturkennlinie eine Teach-In Freiheit gewährleistet und die zweite Kennlinie eine Gerätekombination mit dem ersten Verfahren und mit der Etikettenerkennung mit Teach-In ermöglicht.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die erste nichtlineare Korrekturkennlinie eine Teach-In Freiheit für Fehl-, Einfach- und Mehrfachbögen gewährleistet.
12. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrekturkennlinie/n aus einer Kombination von verschieden Korrekturkennlinien, wenigstens jedoch eine, zur Erzeugung der idealen oder praktisch idealen Zielkennlinie oder der der idealen Zielkennlinie angenäherten Kennlinie besteht.
13. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass den/m Signalverstärker/n der Auswerteschaltung als Korrekturkennlinie/n des/r Signalverstärker/s eine logarithmische und/oder eine doppeltlogarithmische Kennlinie und/oder eine mehrfachlogarithmische verlaufende nichtlineare Korrekturkennlinie, als erster Signalpfad ohne Teach-In, vorgegeben wird, um die der idealen Kennlinie angenäherte Zielkennlinie zu erreichen oder es wird den/m Signalverstärker/n in Kombination zusätzlich eine lineare oder nahezu lineare Kennlinie als zweiter Signalpfad mit Teach-In, als kombinierende Korrekturkennlinie zur weiteren Annäherung an die Zielkennlinie zur Einzelbogenkennlinie, vorgegeben, wodurch sowohl Einfach-, Fehl- und/oder Mehrfachbögen ohne Teach-In als auch in Kombination Etiketten und Klebe- und Abrißstellen und Aufreißfäden mit Teach-In mittels des Sensors detektiert werden können.
14. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Gewinnung der Korrekturkennlinie für den/die Signalverstärker, die vom Material vorgegebene Transmissionsdämpfung und die daraus resultierende Signalspannung, U = f_Grammatur, die Messwertkennlinie, in Abhängigkeit der Grammatur des/der Objekts/e und/oder des Trägermaterials aufgetragen wird und dergestalt die Messwert-Kennlinien für eine Mehrzahl von unterschiedlichen Objekten und/oder Trägermaterialien ermittelt und daraus die optimale inverse und/oder nahezu inverse Korrekturkennlinie rechnerisch und/oder empirisch ermittelt wird um die optimale Zielkennlinie zu erhalten, nämlich die der idealen Kennlinie zur Einfachbogenerkennung angenäherte Kennlinie.
15. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zielkennlinie für unterschiedliche Materialspektren in mehrere Abschnitte unterteilt wird und dadurch der Sensor optimal an die unterschiedlichen Abschnitte, welche unterschiedlichen Materialsorten zugeordnet sind, mittels eines Mikroprozessors und darin abgelegten unterschiedlichen Programmen angepasst wird.
16. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine Unterteilung der Zielkennlinie für unterschiedliche Materialspektren in wenigstens einen Abschnitt erfolgt, welche unterschiedlichen Grammaturbereichen des zu detektierenden Materialspektrums zugeordnet werden.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass eine Unterteilung der Zielkennlinie für unterschiedliche Materialspektren in drei oder fünf Abschnitten erfolgt.
18. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Programme des/der Mikroprozessors/en zeitgerastert angewählt und durch wenigstens einmaliges Auflegen und Abziehen wenigstens eines Funktionseingangs der Auswerteschaltung abgefragt und eingestellt werden können.
19. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorbetriebsart von Impulsbetrieb auf kontinuierlichen Betrieb umgestellt werden kann.
20. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ausschaltung von stehenden Wellen zwischen Sender und Empfänger im Transmissionsbetrieb die gesendeten Ultraschallwellen mit mindestens einer Modulationsfrequenz moduliert werden.
21. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das direktgewandelte Empfangssignal vom Mikroprozessorsystem bearbeitet und bewertet wird, so dass eine optimale Unterscheidung von Einfach-, Fehl- und Mehrfachbogen möglich ist.
22. Vorrichtung zur berührungslosen Detektion von geschichteten flächigen Objekten, unter Verwendung eines Senders und eines Empfängers mit variablen Abstand zum Senden und Empfangen von Ultraschall, zur Detektion von Mehrfachlagen und/oder Fehllagen gegenüber der Einfachlage von Objekten, von Papierklebe- und/oder -abriss- und/oder -aufreißstellen, sowie in Kombination zur Detektion oder Zählen von auf einem Trägermaterial haftend angeordneten Objekten, durch Erkennen von zwischen benachbarten Objekten befindliche Lücken, wobei die Objekte und/oder das Trägermaterial zwischen Sender und Empfänger angeordnet sind und der Empfänger die durch die Objekte transmittierte Ultraschallwelle empfängt, welche in einer mit dem Sender und dem Empfänger elektrisch verbundenen Auswerteschaltung ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteschaltung mindestens einen Signalverstärker aufweist, welchem mindestens eine solche Korrekturkennlinie vorgegeben wird, welche die Messwert-Kennlinie der Signalspannung bei annähernd linearer Signalverstärkung in Abhängigkeit der Grammatur der Objekte und/oder des Trägermaterials, nämlich U = f_Grammatur, über einen großen Grammaturbereich, nämlich wenigstens zwischen 8 g/m² bis über 4000 g/m², invers oder nahezu invers dergestalt nachbildet, so dass damit eine lineare oder nahezu lineare Abhängigkeit und damit eine der idealen Kennlinie zur Einfachobjekterkennung angenäherten Zielkennlinie zwischen dem von dem Ultraschallempfänger empfangenen Schalldruck p/Pa sowie der dazugehörigen Eingangsspannung U_E/V und der Signalspannung U_A/V am Ausgang des/der Signalverstärker/s erreicht wird, wodurch Einfach-, Fehl- und Mehrfachobjekte ohne Einlernvorgang detektierbar sind.
23. Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Korrekturkennlinie des/der Signalverstärker/s der Auswerteschaltung eine logarithmische und/oder eine doppeltlogarithmische und/oder eine mehrfachlogarithmische und/oder eine nichtlinear verlaufende nichtlineare Korrekturkennlinie ist.
24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 22 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalauswertung aus wenigstens einer Kombination von mehreren Korrekturkennlinien besteht und diese Korrekturkennlinie mindestens einem Signalverstärker der Auswerteschaltung eingeprägt wird, um die der idealen Kennlinie zur Einfachbogenerkennung angenäherte Zielkennlinie zu erreichen.
25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 22 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einem der Signalverstärker der Auswerteschaltung als Korrekturkennlinie eine wenigstens einfachlogarithmische Kennlinie in Kombination mit einer nahezu linearen Verstärkerkennlinie und/oder mit einer der idealen Kennlinie angenäherten Kennlinie vorgegeben wird.
26. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 22 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Korrekturkennlinie des/der Signalverstärker/s der Auswerteschaltung in einem ersten Gerät eine logarithmische und/oder eine mehrfachlogarithmische und/oder eine nichtlinear verlaufende Korrekturkennlinie in Kombination mit einem zweiten Gerät mit wenigstens einer linearen Korrekturkennlinie und/oder einer annähernd linearen oder einer exponentiell ansteigend verlaufenden Kennlinie vorgegeben ist, wobei die erste, nichtlineare Korrekturkennlinie des ersten Gerätes eine Teach-In Freiheit gewährleistet und die zweite Korrekturkennlinie des zweiten Gerätes eine Etikettenerkennung und/oder von Aufriß- und/oder Abrissstellen und/oder von auf ein Grund- oder Trägermaterial haftend aufgebrachter Materialfäden, wie auflaminierten Aufreißfäden, mit Teach-In ermöglicht.
27. Vorrichtung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass die erste, nichtlineare Korrekturkennlinie des ersten Gerätes eine Teach-In Freiheit für Fehl-, Einfach- und Mehrfachbögen gewährleistet.
28. Vorrichtung nach Anspruch 26 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und das zweite Gerät in einer Vorrichtung gerätemäßig integriert sind.
29. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 26 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Ultraschallsender und vor dem Objekt eine Loch- und/oder Schlitzblende und/oder Mehrfachlochblende angeordnet ist zum gezielt vorgegebenen Durchlass der Ultraschallwellen.
30. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 26 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlitz- und/oder Loch- und/oder Mehrfachlochblende zur Erkennung von auf ein Grund- oder Trägermaterial haftend aufgebrachter Materialfäden imstande ist.
31. Vorrichtung nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialfäden auflaminierte Aufreißfäden sind.

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