DE102012006184A1

DE102012006184A1 - Ultraschallsende- und Empfangsvorrichtung zur Dicken- und/oder Flächengewichtsmessung

Info

Publication number: DE102012006184A1
Application number: DE102012006184A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: MESYS GMBH MESS- UND REGELSYSTEME FUER INDUSTR, DE
Priority date: 2011-03-28
Filing date: 2012-03-27
Publication date: 2012-10-04
Also published as: US20120247212A1; US8904874B2; ITMI20120481A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Ultraschallsende- und Empfangsvorrichtung (2) zur Messung der Transmission und/oder Reflektion von Ultraschallwellen bei einer dünnen Materialbahn (100), insbesondere bei einer Folienbahn, wobei die Vorrichtung aufweist: eine Vielzahl von Ultraschallsendern (10), eine Vielzahl von Ultraschallempfängern, wobei die Anzahl der Ultraschallsender der Anzahl der Ultraschallempfänger entspricht, und jeweils eine Empfangselektronik für jeden der Ultraschallempfänger oder jeweils eine Gruppenempfangselektronik für eine vorgegebene Anzahl von Utraschallempfängern. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Ultraschallabsorptions- und/oder -Transmissionsmessung, bei dem zeitgleich oder nahezu zeitgleich von mehreren Ultraschallsendern Signale ausgesendet, von Ultraschallempfängern empfangen und die empfangenen Signale parallel ausgewertet werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Ultraschallsende- und Empfangsvorrichtung zur Messung der Transmission und/oder Reflektion eines Ultraschallsignals an einer Materialbahn. Anhand der Transmissions- und/oder Reflektionsmessung lässt sich die Schichtdicke und/oder das Flächengewicht der Materialbahn absolut bestimmen.
Aus der DE 42 36 436 A1 ist ein Messverfahren zur berührungslosen Bestimmung des Flächengewichts von dünnen Materialbahnen mittels Ultraschall bekannt. Bei dem Verfahren wird berührungslos mittels eines Ultraschallsenders und eines Ultraschallempfängers die Transmissionsabsorption eines Ultraschallstrahls bei Durchtritt durch eine Materialfolie bestimmt. Anhand der Absorption und eines Kalibrierfaktors wird das Flächengewicht berechnet.
Aus der DE 201 09 119 U1 ist eine weitere Vorrichtung zum Messen der Dicke von Materialbahnen bekannt. Dort wird die Materialbahn über eine Walze gezogen, wobei zur Dickenmessung ein Sensor auf einem traversierend über die Walze hin- und herfahrenden Rollwagen angeordnet ist.
Weitere Ultraschallsensoranordnungen zur Flächengewichtsbestimmung oder zum Flächengewichtsvergleich sind bekannt aus der DE 103 27 389 B3 , DE 199 08 932 A1 , DE 10 2005 037 086 A1 , DE 203 12 388 U1 und DE 30 48 710 A1 .
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Ultraschallsende- und -empfangsvorrichtung, eine Anordnung mit der Vorrichtung sowie ein Verfahren vorzusehen, bei der bzw. bei dem die Dickenmessung und/oder Flächengewichtsmessung an einer Materialbahn verbessert ist.
Die Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1, 12 bzw. 14 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Gemäß Anspruch 1 ist eine Ultraschallsende- und Empfangsvorrichtung vorgesehen, mit der mittels Ultraschallwellen die Transmission und/oder die Reflektion der Ultraschallwellen durch oder von einer dünnen Materialbahn gemessen wird. Vorzugsweise wird anhand der gemessenen Transmission und/oder Reflektion die Dicke und/oder das Flächengewicht der Materialbahn bestimmt. Die Vorrichtung weist eine Vielzahl von Ultraschallsendern auf, wobei jeder der Ultraschallsender so ausgerichtet ist, dass ein Ultraschallsignal in Richtung einer dünnen Materialbahn abgegeben werden kann. Vorzugsweise ist das Ultraschallsignal ein Signalimpuls oder eine Folge von Signalimpulsen ('Signalburst'). Die Vorrichtungseinheit weist vorzugsweise eine Steuereinheit auf, mittels der aus der gemessenen Transmission und/oder Reflektion die absolute Schichtdicke und/oder das Flächengewicht unter Verwendung eines Kalibrierungswertes oder einer Kalibrierungskurve berechenbar und als absoluter Wert anzeigbar und/oder ausgebbar ist.
Jedem der Ultraschallsender ist ein Ultraschallempfänger zugeordnet und zu diesem so ausgerichtet, dass das von dem zugeordneten Ultraschallsender ausgesendete Ultraschallsignal empfangen werden kann. Beispielsweise ist zur Bestimmung der Transmission der Empfänger auf der dem Ultraschallsender gegenüberliegenden Seite der Materialbahn angeordnet und vorzugsweise in Richtung Ultraschallsender ausgerichtet. Beispielsweise ist zur Messung der Reflektion entweder ein separater Empfänger auf der gleichen Seite der Materialbahn angeordnet wie der Ultraschallsender oder der Ultraschallsender arbeitet als Sende-/Empfänger mit dem sowohl das Signal abgestrahlt als auch empfangen werden kann.
Jedem der Ultraschallempfänger ist eine eigene Empfangselektronik zugeordnet oder es ist jeweils einer Gruppe von Ultraschallempfängern eine Gruppenempfangselektronik zugeordnet, so dass mit der Empfangselektronik oder Gruppenempfangselektronik eine Parallelverarbeitung der von den Ultraschallempfängern empfangenen und umgewandelten Ultraschallsignale stattfinden kann. Vorzugsweise ist in der Gruppenempfangselektronik jedem Ultraschallempfänger aus der Gruppe der der Gruppenempfangselektronik zugeordneten Ultraschallempfänger jeweils eine eigene Elektronikeinheit zugeordnet, so dass auch für jedes Mitglied der Gruppe eine Parallelverarbeitung des empfangenen und vom Empfänger umgewandelten Spannungssignals stattfinden kann.
Durch die Vielzahl von Ultraschallsendern, Ultraschallempfängern und Empfangselektroniken oder Gruppenempfangselektroniken wird es ermöglicht, zeitparallel Ultraschallsignale abzugeben, zu empfangen und zumindest teilweise durch die Elektroniken aufzubereiten. Es ist daher möglich, die räumliche Dichte und/oder die Wiederholungsrate der Transmissions- und/oder Reflektionsmessungen an der Materialbahn gegenüber beispielsweise einem reversierenden System mit nur einer Sende-/Empfangseinheit wesentlich zu erhöhen. Damit lässt sich beispielsweise die Qualitätskontrolle mittels Dicken- und/oder Flächengewichtsbestimmung an einer Materialbahn wesentlich verbessern. Beispielsweise erhöht sich dadurch die Fehlererfassung bei einer Materialbahn wie einer Brennstoffzellenmembran, Batteriemembran oder dergleichen, so dass auf den gesamten Produktionsprozess bezogen die Ausschussrate aufgrund der Fehlererkennung von Materialdefekten deutlich verringert ist.
Vorteilhaft sind die Ultraschallsender an einer Halteeinrichtung derart verteilt angeordnet, dass sie sich in Querrichtung zur Materialbahn erstrecken. Dadurch ist es nicht mehr notwendig, eine Traversiervorrichtung vorzusehen, die die Ultraschallsender über die Breite (Querrichtung) der Materialbahn hin und her bewegen. Vorzugsweise sind die Ultraschallsender feststehend angeordnet, d. h. sie werden weder in Querrichtung noch in Längsrichtung zur Materialbahn bewegt, d. h. es bewegt sich während der Messungen ausschließlich die Materialbahn in Längsrichtung. Dadurch reduziert sich der Aufwand beim Vorsehen von mechanisch bewegten Teilen oder ist vollständig vermieden. In Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass die Halteeinrichtung für die Ultraschallsender über einen kleinen Querhub bewegt werden, beispielsweise einem Querhub von weniger als 1/10, 1/15, 1/20 oder 1/30 der Materialbahnbreite.
Bei einer ganz besonders vorteilhaften Ausgestaltung sind die Ultraschallsender räumlich verteilt sowohl über die Querrichtung der Materialbahn als auch über eine vorgegebene Tiefe in Längsrichtung der Materialbahn angeordnet. Durch die Verteilung der Ultraschallsender in Längsrichtung wird es möglich, bei einer getakteten, nichtkontinuierlichen Messung bei sehr hohen Bandlaufgeschwindigkeiten die Abdeckung der Messpunkte in Längsrichtung der Materialbahn bei zeitlicher Wiederholung nahezu durchgängig oder gar überlappend zu erreichen. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, bei sowohl einem Quer- als auch Längsversatz der benachbarten Ultraschallsender die Auflösung der Messstellen in Querrichtung zu erhöhen, so dass eine vollständige oder nahezu vollständige Abdeckung mit Messpunkten in Querrichtung erreicht wird.
Ganz besonders vorteilhaft sind mehrere in Querrichtung der Materialbahn verlaufende Zeilen von Ultraschallsendern vorgesehen, wobei alle Ultraschallsender einer Zeile zueinander in Querrichtung versetzt sind und die Zeilen zueinander in Längsrichtung zueinander versetzt sind. Ganz besonders vorteilhaft ist dabei der doppelte Versatz derart, dass bei Projektion der Ultraschallsender in Längsrichtung, also bei Betrachtung der Ultraschallsender in Richtung Laufrichtung der Materialbahn, die Projektion der Ultraschallsender äquidistant zueinander angeordnet ist. Dabei wird in Projektion gesehen und in Querrichtung eine gleichmäßige Abtastungsdichte in Querrichtung der Materialbahn erreicht. In alternativer oder zusätzlicher Ausgestaltung ergibt sich bei einer Projektion in Längsrichtung eine Abfolge der Ultraschallsender derart, dass in projizierter Abfolge in Querrichtung sich eine wiederholende Permutation der Zeilennummer des zugehörigen Ultraschallsenders ergibt. (Beispiel zur Veranschaulichung: Ergeben die Zeilen und Spalten ein schrägstehendes Array bzw. eine schrägstehende Matrize A_ij der Größe 3 × 3 mit der Spaltennummer i = 1, 2, 3 und der Zeilennummer j = 1, 2, 3, so ergibt sich in Längsprojektion die Perrmutationsabfolge a₁₁, a₁₂, a₁₃, a₂₁, a₂₂, a₂₃, a₃₁, a₃₂, a₃₃). Bei einer solchen Anordnung lassen sich die Ultraschallsender auf kleiner Fläche kompakt nebeneinander anordnen, während die in Längsrichtung projizierte Abdeckung mit Ultraschallsendern (bzw. den von diesen auf die Materialbahn abgestrahlten Ultraschallsignalen) in Querrichtung zur Materialbahn durchgängig oder nahezu durchgängig vorgesehen ist.
Vorzugsweise sind die Ultraschallsender derart angeordnet, dass in Längsrichtung der sich bewegenden Materialbahn nur jeweils ein Ultraschallsender gelegen ist, d. h. alle Ultraschallsender sind zueinander in Querrichtung versetzt. Dies bedeutet jedoch nicht, dass sich die aktiven Sendeflächen der Ultraschallsender in Längsprojektion nicht überlappen (siehe unten). Sind beispielsweise zwei Zeilen von Ultraschallsendern mit über die Querrichtung verteilt angeordneten Ultraschallsendern vorgesehen und sind die beiden Zeilen in Längsrichtung versetzt, so sind vorteilhaft die Ultraschallsender der zweiten Zeile gegenüber den Ultraschallsendern der ersten Zeile um den halben Abstand der Ultraschallsender der ersten Zeile in Querrichtung versetzt angeordnet. In Längsprojektion liegt damit jeder der Ultraschallsender der zweiten Zeile zwischen zwei Ultraschallsendern der ersten Zeile (abgesehen von dem letzten Ultraschallsender der zweiten Zeile).
In Ausgestaltung weist die Vorrichtung mehrere in Längsrichtung zueinander versetzt angeordnete Zeilen von Ultraschallsendern auf, wobei die Ultraschallsender der gleichen Spalte in den hintereinander liegenden Zeilen auf einer Linie liegen, die unter einem Winkel zur Längsrichtung der Materialbahn steht. Vorzugsweise liegt der Winkel dieser Linie in einem Bereich von 10° bis 80° zur Längsrichtung, bevorzugt in einem Bereich von 20° bis 70°, 30° bis 60° oder 40° bis 50°.
Jeder der Ultraschallsender hat eine aktive Sendefläche, die sich sowohl in Längsrichtung als auch in Querrichtung erstreckt. Vorteilhaft ist die Sendefläche der Ultraschallsender rund oder ellipsenförmig. In Ausgestaltung sind die Ultraschallsender so angeordnet, dass sich in Projektion der Ultraschallsender in Längsrichtung der Materialbahn die Sendeflächen der in Querrichtung nebeneinander liegenden Ultraschallsender überlappen. Dadurch wird eine nahtlose Abdeckung der Abtastung der Materialbahn in Querrichtung in Projektion erreicht. Besonders vorteilhaft ist der Überlappungsgrad zwischen jeweils zwei in projizierter Querrichtung benachbarter Ultraschallsender zumindest 10% in Querrichtung der projizierten Sendefläche, vorzugsweise zumindest 15%, 20%, 30%, 35% oder 40%.
Vorzugsweise wird mittels der Ultraschallsender bzw. des von den Ultraschallsendern ausgesendeten Ultraschallstrahls 100% der Bahnbreite abgedeckt, vorzugsweise wird (wie erwähnt) eine sich zumindest teilweise überlappende Abdeckung in Querrichtung der Materialbahn erreicht.
Eine Sensoreinheit der Vorrichtung besteht aus einem Ultraschallsender und einem oder zwei dem Ultraschallsender zugeordneten Ultraschallempfängern (zwei Empfänger im Falle der gleichzeitigen Messung von Transmission und Reflektion). Vorzugsweise ist die Abstrahlrichtung des Ultraschallsignals vom Ultraschallsender in Richtung Oberfläche senkrecht oder ungefähr senkrecht zur Materialbahn ausgerichtet. Der Empfänger der Sensoreinheit ist dabei so ausgerichtet, dass er in Transmission gegenüberliegend zum Ultraschallsender bezüglich der Materialbahn angeordnet ist und das transmittierte Signal empfängt. Alternativ oder zusätzlich ist der Ultraschallempfänger, der die Reflektion misst, auf der gleichen Seite der Materialbahn angeordnet wie der Ultraschallsender. Besonders vorteilhaft ist hierbei der Ultraschallempfänger für die Reflektion der Ultraschallsender selbst.
Wird sowohl Transmission als auch Reflektion gemessen, so ist vorzugsweise für jeden der Reflektionsempfänger und Transmissionsempfänger eine eigene Empfangselektronik oder jeweils für eine Gruppe von Reflektionsempfänger und Transmissionsempfänger eine Gruppenelektronik vorgesehen. Die beschriebene Parallelverarbeitung der empfangenen Signale betrifft dabei sowohl die Transmissions- als auch die Reflektionssignale. Vorteilhaft werden bei der Auswertung die Quotienten aus den Transmissions- und Reflektionssignalen jeweils für jede Sensoreinheit (Sender und zugeordnete Transmissions- und Reflektionsempfänger) verarbeitet (Quotient entweder T/R oder R/T).
In Ausgestaltung sind die Ultraschallempfänger an einer zweiten Halteeinrichtung gepaart zur Anordnung der Ultraschallsender an der ersten Halteeinrichtung angeordnet. Bei Transmissionsmessung ist die zweite Halteeinrichtung auf der der ersten Halteeinrichtung für die Ultraschallsender gegenüberliegenden Seite der Materialbahn angeordnet. Durch die Anordnung der Empfänger an einer gemeinsamen, zweiten Halteeinrichtung lassen sich alle Empfänger gemeinsam zu den Ultraschallsendern ausrichten, so dass eine Einzelausrichtung jedes Empfängers auf seinen zugeordneten Sender nicht erforderlich ist.
Vorteilhaft weist jede der Empfangselektroniken oder Gruppenempfangselektroniken einen Verstärker auf, bei dem die Verstärkung einstellbar ist. Insbesondere ist jeder der Verstärker in mehreren Verstärkungsstufen einstellbar und/oder die Verstärkung eines jeden der Verstärker ist unter der Steuerung einer Hauptsteuereinheit individuell aber zentral über die Steuerung oder Programmierung von der Hauptsteuereinheit einstellbar. Mittels der einstellbaren Verstärkung kann die Grundverstärkung für die Verstärkung des empfangenen und in ein Spannungssignal umgewandelten Ultraschallsignals für jeden der Ultraschallempfänger kalibriert werden. Damit wird beispielsweise eine Verstärkung des empfangenen Signals derart eingestellt, dass bei allen verstärkten Signalen bei identischen Messbedingungen das gleiche Signal (beispielsweise gleiche Signalamplitude und/oder Signalspannung) vorliegt. Eine solche einheitliche oder identische Messbedingung ist beispielsweise dann gegeben, wenn keine Materialbahn zwischen Sender und Empfänger oder in Reflektionsanordnung in Richtung des abgestrahlten Signals vorhanden ist, so dass ein Grundsignal in Luft (Transmissionssignal/Reflektionssignal gegen Luft) zu einer einheitlichen Signalstärke nach Verstärkung führt. Vorzugsweise ist auch bei einer Gruppenempfangselektronik für jeden einzelnen Ultraschallempfänger der Gruppe die Verstärkung individuell einstellbar. Damit lassen sich Unterschiede in der Sendestärke der Ultraschallsender, der Empfangsempfindlichkeiten der Signalempfänger oder unterschiedliche Dämpfungen auf den Signalwegen normieren.
Besonders vorteilhaft haben die Empfangselektroniken oder die Gruppenempfangselektroniken einen Mikrocontroller, insbesondere einen Mikrocontroller über den oder bei dem die Verstärkung des Verstärkers der Empfangselektronik einstellbar ist. Bei der Gruppenempfangselektronik gilt dies entsprechend. Vorzugsweise ist auch hier wieder für jeden der Ultraschallempfänger der Gruppe die Verstärkung einzeln und unabhängig einstellbar.
Alternativ oder zusätzlich weist jede der Empfangselektroniken oder der Gruppenempfangselektronen einen Signalprozessor zum Auswerten des vom zugehörigen Ultraschallempfängers oder der Gruppe von Ultraschallempfängern empfangenen Signals bzw. Signale auf. Mit dem Signalprozessor ist es möglich, auf der Ebene der Empfangselektronik bzw. der Gruppenempfangselektronik eine Signalverarbeitung zur Verfügung zu stellen, so dass eine Parallelverarbeitung ermöglicht wird. Vorzugsweise ist der Signalprozessor in der Gruppenempfangselektronik so schnell, dass er die Signale von den Ultraschallempfängern der Gruppe parallel oder sequentiell derart bearbeiten kann, dass beispielsweise bei getakteter Messung die Auswertung für jeden Empfänger der Gruppe abgeschlossen ist, bevor ein neuer Messtakt beginnt. Alternativ ist in der Gruppenempfangselektronik für jeden der Empfänger der Gruppe ein eigener Signalprozessor vorgesehen oder implementiert.
Ganz besonders vorteilhaft ist eine Hauptsteuereinheit vorgesehen, mittels der ein Sendesignal erzeugbar ist, das über eine Busleitung oder parallele Leitungen jedem der Ultraschallsender zugeführt wird. Besonders vorteilhaft ist die Signalerzeugung und Signalsendeverbindung zwischen der Hauptsteuereinheit und den Ultraschallsendern derart, dass die Ultraschallsender das Ultraschallsignal gleichzeitig oder mit einem geringen Zeitversatz abstrahlen. Liegt ein Zeitversatz vor, so ist dieser vorzugsweise derart, dass bei einem getakteten Messbetrieb die Zeitspanne zwischen dem frühesten von einem der Ultraschallsender abgesendeten Ultraschallsignal bis zum Zeitpunkt, bei dem der letzte Ultraschallsender im gleichen Messtakt das Signal absendet, kleiner ist als die Laufzeit von unerwünschten Schallreflektionen und/oder Laufzeiten zwischen einem Ultraschallsender und einem nicht diesem Ultraschallsender zugeordneten Signalempfänger ist (d. h. von einem Ultraschallsignal, das zwischen verschiedenen Sensoreinheiten verläuft).
Vorteilhaft ist der Vorrichtung neben den Ultraschallsender- und Empfängerpaaren noch eine Messgruppe (im Folgenden auch 'Sensoreinheit' bezeichnet) mit zumindest einem Signalsender und einem Signalempfänger zugeordnet, mit der die Schichtdicke und/oder das Flächengewicht der Materialbahn während einer reversierenden bzw. Hin- und Herbewegung der Messgruppe quer zur Materialbahn bestimmbar ist. Bei der Sensoreinheit ist ein Sensor zur Erfassung von Transmissions- und/oder Reflektionswerten der Materialbahn in Querrichtung der in Längsrichtung transportierten Materialbahn verfahrbar. Die Sensoreinheit kann mittels einer Antriebseinheit entlang der Vorrichtung (beispielsweise zwischen den äußeren Längskanten der Materialbahn) traversierend hin- und hergefahren werden. Dadurch wird beispielsweise während eines Produktionsprozesses für die Materialbahn die Querverteilung der Schichtdicke und/oder des Flächengewichts überwacht (z. B. entlang einer zickzackförmigen Messstrecke entlang der Materialbahn.
Die Vorrichtung weist eine Sensorkalibrierungsposition auf, in der die Sensoreinheit aus der Materialbahnmessstrecke herausgefahren ist. Bei der Sensorkalibrierungsposition ist eine Halteeinrichtung mit einem Kalibrierungsmuster angeordnet. In der Sensorkalibrierungsposition wird mittels eines Antriebs der Sensor relativ zum Kalibrierungsmuster und/oder das Kalibrierungsmuster relativ zum Sensor bewegt.
In Ausgestaltung erfolgt eine Rotations- und/oder Linearbewegung mittels eines Rotations- und/oder Linearantriebs, der das in der Halteeinrichtung gehaltene Kalibrierungsmessmuster relativ zum Sensor bewegt. Zusätzlich oder alternativ lässt sich der Sensor in der Sensorkalibrierungsposition flächig oder zumindest in einer Linearrichtung, vorzugsweise in der Querrichtung der Materialbahn, über das in der Halteeinrichtung gehaltene Kalibrierungsmuster bewegen.
Vorteilhaft weist die Sensoreinheit eine Ultraschallsensoreinheit auf, bei der das Messsignal zur Schichtdicken- und/oder Flächengewichtsbestimmung ein Ultraschallimpuls ist. Alternativ wird ein optischer Sensor eingesetzt, der beispielsweise einen Laserstrahl oder einen Leuchtdiodenstrahl verwendet. Weiter alternativ weist die Sensoreinheit einen Strahlensensor auf, der Gamma- oder Betastrahlen aussendet und empfängt.
In Ausgestaltung ist die Sensoreinheit ausschließlich als Transmissionseinheit aufgebaut sein, bei der lediglich die Absorption bei der Transmission des Sensorsignals durch die Materialbahn bestimmt wird. Oder die Sensoreinheit ist ausschließlich eine Reflektionseinheit, bei der die Reflektion des Messsignals von der Materialbahn oder von der Rückseite der Materialbahn erfasst wird. Oder alternativ ist die Sensoreinheit eine kombinierte Transmissions- und Reflektionsmesseinheit, bei der sowohl die Abschwächung des Sensorssignals in Reflektion als auch in Transmission bestimmt werden. Bei einer solchen Transmissions- und Reflektionsmessung kann einer der Werte zur Plausibilitätsprüfung des anderen Werts oder und/oder zur Mittelwertbildung bei der Schichtdicken- und/oder Flächengewichtsbestimmung herangezogen werden.
Vorteilhaft wird die Sensoreinheit zur Kalibrierung der Vielzahl der Ultraschallsender- und Empfängerpaare der Vorrichtung eingesetzt und/oder die Sensoreinheit wird an der Sensorkalibrierungsposition mit dem Kalibriermusterr kalibriert.
Die Anordnung gemäß Anspruch 12 weist eine Vorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ausgestaltungen und einen Extruder auf, bei dem ein Stellglied einer Extrusionsdüse des Extruders in Abhängigkeit der Schichtdicken- und/oder Flächengewichtsmessung der Vorrichtung einstellbar ist. Es wird dadurch eine Regelung der Schichtdicke bzw. des Flächengewichts bei der Herstellung einer Materialbahn, beispielsweise einer Folienbahn bereitgestellt.
Bei dem Verfahren gemäß Anspruch 14 kommt eine Ultraschallsende- und Empfangsvorrichtung mit einer Vielzahl von Sensoreinheiten zum Einsatz, wobei jede Sensoreinheit aus einem Ultraschallsender und einem diesem zugeordneten Ultraschallempfänger ausgebildet ist. Vorzugsweise ist die Vorrichtung wie oben beschrieben ausgebildet, d. h. die oben beschriebenen Elemente können einzeln oder in jeder beliebigen Kombination miteinander ebenfalls bei der Vorrichtung für das Verfahren zum Einsatz kommen.
Bei dem Verfahren wird ein Ansteuersignal allen Ultraschallsendern gleichzeitig oder mit kleinem Zeitversatz innerhalb eines Zeitfensters zugeführt, so dass die Ultraschallsender gleichzeitig oder innerhalb des Zeitfensters ihr Ultraschallsignal abgeben. Das Zeitfenster ist derart bemessen, dass in einem entsprechenden Zeitfenster der Messung des Ultraschallsignals von einem dem Ultraschallsender zugeordneten Ultraschallempfänger kein Störreflektionssignal und/oder Signal eines anderen Ultraschallsenders empfangen wird. Durch das gleichzeitige oder nahezu gleichzeitiges Senden des Ultraschallsignals wird eine Parallelmessung aller Sensoreinheiten ermöglicht, während gleichzeitig ein Übersprechen zwischen den Sensoreinheiten oder ein Fehlsignal durch Reflektion innerhalb der Messstrecke einer Sensoreinheit ausgeschlossen wird.
Weiterhin wird bei dem Verfahren eine parallele oder im Wesentlichen parallele Verarbeitung vorgesehen, wobei jedem der Ultraschallempfänger eine Empfangselektronik oder einer Gruppe von Ultraschallempfängern eine Gruppenempfangselektronik zugeordnet ist, mit der eine Auswertung oder Vorverarbeitung der Signale der Ultraschallempfänger parallel oder im Wesentlichen parallel erfolgen kann. Bei einer Gruppenempfangselektronik kann die Verarbeitung vorzugsweise ebenfalls für alle Signale der zur Gruppe gehörenden Empfänger erfolgen oder durch eine schnelle Elektronik derart, dass bei einer getakteten Messung das Verarbeitungsergebnis für alle Empfänger der Gruppe bereits vorliegt, bevor der nächste Messtakt erfolgt.
Die ausgewerteten bzw. vorverarbeiteten Signale werden der Empfangselektronik oder der Gruppenempfangselektronik einer Hauptsteuereinrichtung zugeleitet. Eine Auswertung des Signals zur Bestimmung der Dicken- und/oder Flächengewichtsbestimmung erfolgt entweder bereits auf der Ebene der Empfangselektronik oder Gruppenempfangselektronik oder nach Weiterleitung der vorverarbeiteten Signale an die Hauptsteuereinrichtung in der Hauptsteuereinrichtung.
Damit wird mittels des Verfahrens sowohl eine Parallelaussendung (mehrere Messpositionen auf der Materialbahn gleichzeitig) als auch eine Parallelverarbeitung der Signale bereitgestellt, so dass mit hoher Dichte und Wiederholrate eine intensive Erfassung der Dicke und/oder des Flächengewichts einer Materialbahn ermöglicht wird.
In Ausgestaltung werden die Sensoreinheiten kalibriert, indem eine Grundempfindlichkeit gemessen wird anhand eines durch die Luft (also ohne Materialbahn) übertragenen Signals. Vorzugsweise wird bei der Bestimmung der Empfindlichkeit dieser Wert herangezogen, um einen für die Sendeeinheit individuellen Verstärkungsfaktor in der Empfangselektronik oder der Gruppenempfangselektronik einzustellen, so dass bei identischen Bedingungen auf der Messstrecke ein Empfangssignal nach Verstärkung erhalten wird, das für alle Sendeeinheiten normiert die gleiche Größe bzw. Stärke aufweist.
Alternativ oder zusätzlich erfolgt eine Kalibrierung und Erfassung eines Umrechnungsfaktors zwischen Transmissionswert und/oder Reflektionswert und Zuordnung zu einer Dicke und/oder einem Flächengewicht einer Materialbahn durch die Kalibrierung an einem Kalibriermuster oder Kalibrierstandard, das oder der so zwischen die Sensoreinheiten angelegt wird, dass eine Messung an einer Materialbahn simuliert wird. Nach Entfernung des Kalibriermusters kann dann eine entsprechende, zu messende Materialbahn zwischen die Sensoreinheiten eingelegt werden, die Messungen an der Materialbahn ausgeführt werden und mittels des zuvor gewonnenen Kalibrierwerts die Dicke und/oder das Flächengewicht zugeordnet werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand von Figuren erläutert. Es zeigen:
1 in schematischer Darstellung eine Draufsicht auf eine Messeinheit zum Messen des Flächengewichts einer Materialbahn,
2 eine schematische Seitenansicht der Ultraschallsender und -empfänger der Messeinheit oberhalb und unterhalb der Materialbahn,
3 eine schematische Seitenansicht der Messeinheit mit dem oberhalb der Materialbahn angeordneten Sendeblock und dem unterhalb der Materialbahn angeordneten Empfangsblock,
4 ein Blockschaltbild der Sende-, Empfangs- und Steuereinheit der Messeinheit,
5 eine Gruppe von Ultraschallempfängern und deren zugeordneter Gruppencontroller,
6 ein Zeitdiagramm mit empfangenen Signalen und Messzeitfenstern,
7 die Intensitätsprofile der von den Ultraschallsendern ausgesendeten Ultraschallsignale in Projektion,
8 die Intensität des Ultraschallsignals in Transmission und Reflektion in Abhängigkeit der Dicke der Materialbahn,
9 ein Blockschaltbild der Sende-, Empfangs- und Steuereinheit in weiterer Ausgestaltung der Messeinheit,
10 in schematischer Darstellung in Draufsicht eine Messeinheit gemäß weiterer Ausgestaltung mit einer Kalibrierstation und einer traversierenden Sensoreinheit in Anordnung mit einem Folienextruder, und
11 eine schematische Darstellung der Mess- und Steueranordnung bei Positionierung der traversierenden Sensoreinheit in der Kalibrierstation von 10.
1 zeigt in schematischer Draufsicht eine Messeinheit 2 zur Dickenmessung und/oder Flächengewichtsbestimmung an einer Materialbahn 100. Bei der Messeinheit ist eine Vielzahl von Ultraschallsendern 10 und eine gleichgroße Anzahl von Ultraschallempfängern 12 in Form eines Arrays flächig über der Materialbahn (im dargestellten Beispiel die Ultraschallsender 10) und unter der Materialbahn (im dargestellten Beispiel die Ultraschallempfänger 12) angeordnet. Der Einfachheit halber ist die Transporteinrichtung zur Vorwärtsbewegung der Materialbahn 100 in deren Längsrichtung x nicht dargestellt. In den Figuren sind die Größenverhältnisse und Abstandsverhältnisse nicht maßstabsgetreu wiedergegeben, sondern sind so dargestellt, dass sie der Erläuterung der Erfindung dienen.
2 zeigt in schematischer und teil-perspektivischer Darstellung die Verteilung der Ultraschallsender 10 und die entsprechend koaxial zu jedem der Ultraschallsender gegenüberliegend angeordneten Ultraschallempfänger 12.
3 zeigt in schematischer seitlicher Ansicht ein Portal 4 der Messeinheit 2 mit einem oberen Querträger und einem unteren Querträger sowie den seitlichen Säulen, die zusammen einen in x-Richtung verlaufenden Schlitz 7 durch das Portal 4 offen lassen. Durch den Schlitz 7 wird die Materialbahn 100 in x-Richtung transportiert. Das Portal und damit die Arrayanordnung verläuft quer, also in y-Richtung, zur Materialbahn 100.
1 verdeutlicht mittels der Kreise, die die Ultraschallsender 10 darstellen, wie die Ultraschallsender drei Zeilen I, II und III ausbilden, wobei jede Zeile zur vorhergehenden in x-Richtung versetzt ist. Die Spalten des Arrays werden durch die Spalten a, b, c und d gebildet. Die Ultraschallsender 10 liegen nicht auf einer geraden Linie in x-Richtung, sondern sind zur x-Richtung unter einem Winkel α versetzt zueinander angeordnet. Zu jedem der Ultraschallsender 10 ist in z-Richtung koaxial ein Ultraschallempfänger 12 ausgerichtet. Jeweils ein Ultraschallsensor ergibt sich so durch einen der Ultraschallsender und ein in Richtung der Normale senkrecht zur Mitte der schallabsendenden Fläche des Ultraschallsenders angeordneter, gepaarter Ultraschallempfänger. D. h. bei einem Sensor ist die Mitte der Empfangsfläche eines Ultraschallempfängers 12 koaxial zur Achse eines Senders 10 ausgerichtet. Damit ergeben sich jeweils eine Paarung von Ultraschallsender und Ultraschallempfänger, wobei bei dem in den Figuren dargestellten Beispiel 4 × 3 = 12 Ultraschallsende-/empfangspaare vorgesehen sind.
Sowohl die Anzahl der Zeilen I, II, III als auch die Anzahl der Spalten a, b, c, d können in Abhängigkeit der Materialbahnbreite und der gewünschten Überlappung oder des Abstands der Messbereiche (siehe unten) anders gewählt sein. Die Ultraschallsender 10 sind mechanisch an einem Sendeblock 6 flächig verteilt gelagert, wobei der Sendeblock 6 selbst wiederum am oberen Querbalken des Portals 4 montiert ist. Weiterhin zeigt 3 unterhalb der Materialbahn 100 einen Empfangsblock 8, an dem die Ultraschallempfänger 12 flächig verteilt gelagert sind, wobei hier der Empfangsblock 8 am unteren Querbalken des Portals 4 montiert ist. Bei einer Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass sowohl der Sendeblock 6 als auch der Empfangsblock 8 synchron zueinander in Querrichtung (y-Richtung) reversierend verschoben werden, während die Materialstärke bzw. das Flächengewicht gemessen werden. Durch diese optionale Querverschiebung wird erreicht, dass die ungleichmäßige Signalverteilung des Ultraschallsignals zeitlich variiert über verschiedene 'Spuren' in x-Richtung der Materialbahn gezogen wird. Bei einer synchronen, harmonischen Querverschiebung der Blöcke 6, 8 ergibt sich somit in x-Richtung der Materialbahn ein sinusförmiger Verlauf der Messpunkte. Die reversierende, synchrone Verschiebung der Blöcke 6, 8 erfolgt derart, dass die koaxiale Ausrichtung der Ultraschallsender 10 zu den Ultraschallempfängern 12 beibehalten bleibt. Vorzugsweise sind jedoch die Blöcke 6 und 8 starr am Portal 4 oder einem Rahmen der Messeinheit 2 gelagert.
In der schematischen Seitenansicht von 2 und der Draufsicht von 1 ist der Verlauf des Hauptintensitätskegels 14 einer Ultraschallsignalverteilung dargestellt. Dabei veranschaulicht die Signalkeule 14 das seitliche Auseinanderlaufen einer Ultraschallwelle des Ultraschallsignals, das von einem Ultraschallsender 10 abgestrahlt wird. Der Durchmesser der Keule 14 ist in Höhe der Empfangsfläche der Ultraschallempfänger 12 größer als der Durchmesser der Abstrahlfläche des Ultraschallsenders 10. Wie mittels der punktierten Kreise 14 in 1 angedeutet, ist der Abstand zwischen dem benachbarten Ultraschallsendern 10 so gewählt, dass jeder Ultraschallempfänger 12 im Wesentlichen nur die Hauptintensität des Ultraschallsignals des ihm zugeordneten und gegenüberliegenden Ultraschallsenders 10 empfängt. Dadurch werden Interferenzen bzw. ein Übersprechen von einem Sender-/Empfängerpaar zum anderen Sender-/Empfängerpaar (zwischen den Sensoren) minimiert.
Der Winkelversatz α der Sende-/Empfangspaare der Spalten relativ zur x-Richtung ermöglicht es, die Flächengewichtsbestimmung in y-Richtung zumindest teilweise überlappend durchzuführen, so dass im Idealfall zu jedem Zeitpunkt die Dicken und/oder Flächengewichtsverteilung der Materialbahn 100 über die volle Breite der Materialbahn möglich ist. Diese Anordnung unterscheidet sich damit wesentlich von der aus der oben zitierten DE 201 09 119 U1 bekannten, bei der die Erfassung eines Materialbahndefekts (Dicken- und/oder Flächengewichtsabweichung) aufgrund der lediglich traversierenden Arbeitsweise des Ultraschallsenders eher dem statistischen Zufall überlassen bleibt als einer systematischen Messung, wie sie mit der vorliegenden Erfindung ermöglicht wird.
4 zeigt in Blockschaltbildweise den Aufbau der Messeinheit 2. Exemplarisch sind hier nur zwei der Ultraschallsender 10 und Ultraschallempfänger 12 dargestellt. Das Ultraschallsignal 14 breitet sich vom Sender 10 in Richtung der Materialbahn 100 aus, durchläuft diese unter Abschwächung der Intensität des Signals, welches nach Austritt auf der Unterseite der Materialbahn auf die Empfangsfläche des Empfängers 12 auftrifft. In jedem Messintervall (Zeitfenster G in 6) wird jedem Sender das als Signalfolge 24 in 4 dargestellte Signal zugeführt. Die Signalfolge 24 wird in einer Hauptsteuereinheit 22 erzeugt und über einen Übertrager 18 den Ultraschallsendern 10 parallel bzw. zeitgleich zugeführt.
Das vom Ultraschallwandler der Ultraschallempfänger 12 in ein elektrisches Signal umgewandelte Ultraschallsignal 14 wird einem Empfangscontroller 28 zugeführt. Jedem Ultraschallempfänger 12 ist ein eigener Controller 28 zugeordnet. Auf dem Empfangscontroller 28 wird das elektrische Signal mittels eines digitalen Signalprozessors verarbeitet, so dass schon auf Ebene der Controller 28 eine Signalvorverarbeitung stattfindet. Vorzugsweise erfolgt die Signalverarbeitung mittels entsprechender Kalibrierwerte derart, dass die Controller 28 über eine Empfangssignalleitung 32 an die Steuereinheit 22 bereits einen der Materialdicke oder dem Flächengewicht entsprechenden Signalwert ausgeben. Dadurch wird die Hauptsteuereinheit 22 von der Einzelsignalaufbereitung entlastet und es müssen nur noch statistische und Kontrollaufgaben von der Steuereinheit 22 übernommen werden. Durch die Parallelverarbeitung in den jeweils einem Empfänger 12 zugeordneten Controllern 28 wird eine Parallelverarbeitung bereitgestellt, die zusammen mit der flächigen Verteilung der Sensoreinheiten 10, 12 im Array eine nahezu vollständige 'in situ' Überwachung der Materialqualität der Materialbahn 100 ermöglicht. Selbst bei schnellen Herstellungsprozessen für die Materialbahn wird dadurch eine Hochgeschwindigkeitsqualitätsüberwachung hoher Dichte zur Verfügung gestellt, so dass auch Hochqualitätsmaterialbahnen wie Elektrolyt-Membrane, Brennstoffzellenmembrane oder Hochleistungsbatterie-Isolatorfolien oder -Membrane hergestellt und deren Qualität online überwacht werden können.
5 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der anstelle jeweils eines Controllers 28 je Empfänger 12 ein Gruppencontroller 29 für jeweils vier Empfänger 12 vorgesehen ist. Beim dem 3 × 4 Array von 1 werden dann anstelle von zwölf Einzelcontrollern 28 drei Gruppencontroller 29 verwendet. Die Gruppencontroller haben für jeden der Gruppe angehörenden Empfänger 12 einen eigenen Verstärkerbaustein mit individueller Verstärkung. Mittels des Signalprozessors DSP des Gruppencontrollers 29 werden die Signale der zugeordneten Empfänger 12 zwar sequentiell nacheinander ausgewertet, jedoch mit einer solchen Geschwindigkeit, dass das Rechenergebnis vorliegt, bevor das nächste Messintervall beginnt. Bezogen auf 6 bedeutet dies, dass das Ergebnis der Signalauswertung aller zugeordneten Empfänger 12 an die Hauptsteuereinheit übertragen ist, bevor das nächste Zeitfenster G startet (die Auswertezeitdauer ist also kürzer als die Summe der Zeitspannen G und U). Programmierung der Verstärkung, die Zufuhr der Versorgungsspannung(en) des Controllers 29 und Programmierung des Signalprozessors DSP des Controllers 29 erfolgt über die Ansteuerleitung 30 ausgehend von der Hauptsteuereinheit 22. Die Auswertungssignale vom Controller 29 werden über die Leitung 32 der Hauptsteuereinheit 22 zugeführt.
Das Zeitdiagramm von 6 veranschaulicht das Spannungssignal am Ausgang der Empfänger 12. Die Messung wird mit der Wiederholrate 1/(G + U) durchgeführt, also auch mit dieser Rate die Signalfolge 24 an die Sender 10 ausgegeben. G ist dabei das Zeitfenster bzw. das Zeitgate, in dem das empfangene Signal 24a ausgewertet wird, um daraus mittels der DSP die Dicke und/oder das Flächengewicht der Materialbahn zu bestimmen. U ist ein Zeitintervall bzw. eine Zeitspanne, während der das empfangene Signal nicht ausgewertet wird. Die Dauer von G ist so bemessen, dass die Auswertung mit möglichst geringem Fehler durchgeführt werden kann (mehrere Wellenzüge nach Anregung mit dem Pulsburst 24). Die Dauer von U ist so bemessen, dass in dieser Zeit unerwünschte Störsignale ausgeblendet werden. Beispielhaft dargestellte Störsignale sind hier ein Reflektionssignal 24b, das dadurch entsteht, dass das von der Senderoberfläche abgestrahlte Signal teilweise an der Materialbahnoberfläche reflektiert wird, zur Senderoberfläche zurückkehrt, dort wieder reflektiert wird und erneut durch die Materialbahn tritt und mit entsprechender Laufzeitverzögerung vom Empfänger 12 aufgezeichnet wird. Ein weiteres Störsignal 24c kommt dadurch zustande, dass das Sendesignal von einem Sender 10 seitlich in Richtung eines Nachbarempfängers 12 abgestrahlt wird und dort beim Nachbarempfänger das laufzeitverzögerte aber schwächere Signal 24c hervorruft.
7 zeigt in x-Projektion die in y-Richtung verlaufende Ultraschallsignalintensität, bis sie sich durch das Array der Sende-/Empfangspaare über die Breite der Materialbahn ergibt. In 7 sind der Einfachheit halber nur 3 der insgesamt 12 Intensitätsverläufe P dargestellt. Die Intensität P ist dabei jeweils die von einem Sender 10. Der Intensitätsverlauf ist dabei annähernd gaußförmig und bezüglich der z-Achse besteht Rotationssymmetrie der Intensitätsverteilung, da die Ultraschallsendeflächen rund sind und rotationssymmetrisch abstrahlen.
Wie aus 7 ersichtlich, überlappen sich in x-Projektion die maximalen. Durchmesserbereiche des Durchmessers D der Abstrahlflächen der Ultraschallsender 10, so dass sich bei den in y-Richtung am nächsten liegenden Sender 10 ein Überlappungsbereich O ergibt. Dadurch fällt in Verlauf der y-Richtung die Messintensität P aller Sender 10 nie auf 0 ab und in Querrichtung (y-Richtung) der Materialbahn 100 ergibt sich kein Breitenbereich, der von der Messung bzw. dem Ultraschallsignal nicht abgedeckt wird. Daher ergibt sich aufgrund des Arrays und der unter einen Winkelversatz angeordneten Spalten des Arrays keine Todzone in Querrichtung der Materialbahn.
8 zeigt schematisch den Intensitätsverlauf in Transmission T und in Reflektion R eines Ultraschallsignals in Abhängigkeit der Dicke d der Materialbahn. Anhand solcher Kalibrierkurven für eine ideale Materialprobe lassen sich dann anhand der tatsächlich gemessenen Signalveränderung die Dicke bzw. das Flächengewicht bestimmen. Bei der dargestellten Anordnung wird in Transmission gemessen, so dass bei der Dicken- oder Flächengewichtsbestimmung die Kurve T herangezogen wird.
Sollte bei der zu messenden Materialbahn aufgrund eines systematischen Herstellungsfehlers beispielsweise eine stärkere oder dünnere Materialbahn in einem Zwischenbereich zwischen den Intensitätsmaxima des Intensitätsverlaufs P zweier in y-Richtung benachbarter Sender 10 ergeben, so kann dieser systematische Fehler entweder dadurch erkannt werden, dass systematisch bei den beiden betroffenen Sender-/Empfangspaaren 10/12 ein abweichender Wert erfasst wird. Oder alternativ wird wie zu 3 beschrieben, synchron der Sendeblock und der Empfangsblock 6, 8 mit einem kurzen y-Hub in y-Richtung verschoben, so dass bei einem solchen systematischen Fehler die Messempfindlichkeit in Richtung Maximum der Intensitätskurve P verschoben ist.
9 zeigt eine weitere Ausgestaltung der Messeinheit 2 als Messeinheit 2a. Identische, gleiche oder gleichwirkende Elemente der Messeinheit 2a sind mit den gleichen Bezugszeichen oder mit Bezugszeichen ergänzt um den Zusatz 'a' bezeichnet wie die entsprechenden Element der Messeinheit 2. Bei der Messeinheit 2a ist auch das Reflektionssignal 15, das von der Materialbahn 100 zurück in Richtung Ultraschallsender 10 reflektiert wird, bezüglich der Reflektion R (vgl. 8) auswertbar oder wird ausgewertet.
Die Einheit 2a ermöglicht die folgenden Messmodi: Transmissionsmessung, Reflektionsmessung, Transmissions- und Reflektionsmessung und zusätzlich zu diesen oder alternativ zu diesen eine Laufzeitmessung zur direkten Dickenberechnung.
Bezüglich der Transmissionsmessung ist der Aufbau wie oben in Bezug auf 1 bis 8 beschrieben. Zur Reflektionsmessung arbeitet der Ultraschallsender 10a als Sende-/Empfänger, der das an der Materialbahn 100 reflektierte Ultraschallsignal 15 empfängt und in ein Spannungssignal umwandelt. Zunächst wird die von der Hauptsteuereinheit 22 erzeugte Signalfolge 24 den gegenüber den Empfangscontrollern 28 modifizierten Empfangscontrollern 28a zugeführt. Während des Sendeintervalls der Signalfolge 24 verbindet ein auf jedem Empfangscontroller 28a vorgesehener Schalter 31 den Eingang der Leitung 20 mit dem Eingang am jeweiligen Ultraschallsender 10a, so dass dieser in dieser Phase wie der Ultraschallsender 10 arbeitet und ein Ultraschallsignal 14 in Richtung Materialbahn 100 abstrahlt. Nach dem Ende der Signalfolge 24 verbindet der Schalter 31 den Ultraschallsender 10a mit dem Mikrocontroller μC + DSP auf dem Empfangscontroller 28a. Dabei wird das umgewandelte Reflektionssignal 15 dem Mikrocontroller und dessen Signalprozessor zur Auswertung zugeführt. Betreffend die Auswertung und das zeitliche Gaten des Reflektions-Empfangssignals gilt das oben bei Messeinheit 2 zur Auswertung des Transmissionssignals beschriebene.
Die Einstellung der individuell für jeden Empfangscontroller 28a programmierbaren Verstärkung und die Kalibrierung ist hier entsprechend anwendbar, wobei dies anstelle für das Transmissionssignal für das Reflektionssignal gilt. Werden Transmission und Reflektion gleichzeitig gemessen, arbeiten die Empfangscontroller 28 und 28a parallel wie dies für die Arbeitsweise der Empfangscontroller 28 oben beschrieben wurde. Die Ergebnisse der ausgewerteten Signale oder die vorverarbeiteten Signale werden über die Leitung 32a der Hauptsteuereinheit 22 zugeführt. Programmierung, Steuerung und die Stromversorgung der Empfangscontroller 28a sowie das Umschalten der Schalter 31 erfolgt von der Hauptsteuereinheit 22 über die Steuerleitung 30a.
In Ausgestaltung kann anstelle einzelner Empfangscontroller 38a ein Gruppencontroller verwendet werden, der analog zum Gruppencontroller 29 der 5 ausgestaltet ist. Der Schalter 31 kann ein ansteuerbarer Schalter sein, der je nach Ansteuerung den Sender 10a mit dem Mikrocontroller/DSP oder mit der Signalleitung 20 verbindet. Oder der Schalter 31 kann eine unidirektionale Richtungsweiche sein, die von der Leitung 20 einlaufende Signale 24 in Richtung Sender 10a leitet und rücklaufende Signale vom Sender 10a dem Mikrocontroller zuführt.
Bei der Auswertung der Signale zur Dicken und/oder Flächengewichtsbestimmung kann bei der Messeinheit 2a der Quotient der Werte aus Transmission und Reflektion (T/R) in die Berechnung einfließen. Durch die Quotientenbildung werden Messfehler, die sich proportional oder ungefähr proportional sowohl auf die Transmission als auch auf die Reflektion auswirken, herausgekürzt. Beispiele der Ursache solche Messfehler sind die Lufttemperatur, Luftdruck, Luftfeuchtigkeit.
Werden dicke oder stark absorbierende Materialien als Materialbahn gemessen, kann die Reflektionsmessung die genaueren Ergebnisse liefern. Beispielsweise ist in Transmission eine Dickenmessung ungünstig, wenn die Materialdicke an λ/4 der Wellenlänge des Ultraschalls heranreicht oder diesen Wert übersteigt. Beim Reflektionssignal ist es auch möglich, die Dicke der Materialbahn 100 direkt aus dem Laufzeitunterschied des Reflektionssignals zu bestimmen. Der Laufzeitunterschied ist der Unterschied zwischen dem zuerst reflektierten Signal, das sich beim Auftreffen des Signals 14 auf die Oberfläche der Materialbahn ergibt, und dem zuletzt (ohne Berücksichtigung von Mehrfachreflektionen) reflektierten Signal, das nach Durchtritt durch die Materialbahn an der zweiten Oberfläche oder Austrittsoberfläche des Signals 14 auftritt. Bei bekannter Schallgeschwindigkeit im Material kann dann über den mittels Signalauswertung ermittelten Laufzeitunterschied direkt die Materialdicke bestimmt werden.
10 zeigt schematisch in Draufsicht eine weitere Ausgestaltung einer Flächengewichtsmesseinheit 2b, die an einer in Längsrichtung x fortbewegten Materialbahn 100 angeordnet ist. Im Folgenden werden für gleiche oder gleichwirkende Elemente die selben Bezugszeichen benutzt, wie für die oben beschriebenen Ausführungsformen der Messeinheiten 2, 2a. Soweit nichts anderes erwähnt, treffen die obigen Ausführungen auch auf die Messeinheit 2b zu. Wie oben ist der Einfachheit halber die Transporteinrichtung zur Vorwärtsbewegung der Materialbahn 100 nicht dargestellt. Die Materialbahn wird mit der Messeinheit 2b (auch 2 oder 2a) direkt während des Herstellprozesses gemessen. Wie dargestellt, wird die Materialbahn 100 als Folie mittels einer Flachextrusionsdüse 102 extrudiert. Die weiteren Elemente des Folienextruders sind – abgesehen von der Steuereinheit 101 des Extrudes in 11 – nicht dargestellt. Anstelle der Flachextrusionsdüse kann auch ein Rundextrusionsdüse zum Einsatz kommen, bei der die Materialbahn dann beim Transport zu einer ebenen Materialbahn aufgespannt wird, bevor diese in das Portal 4b der Messeinheit 2b gelangt.
Die Flächengewichtsmesseinheit 2b hat wie oben als Grundkomponente ein Querportal 4b, das sich oberhalb und unterhalb der Materialbahn 100 über die volle Breite der Materialbahn erstreckt. In diesem Fall erstreckt sich das Querportal 4b einseitig noch deutlich über die Bahnbreite, da seitlich der Materialbahn noch eine Standby- und Kalibrierstation 116 für eine traversierende bzw. hin- und herwandernde Messgruppe bzw. Sensoreinheit 108 angeordnet ist. Am oberen Querträger des Querportals 4b (vgl. Anordnung von 3 der oben in y-Richtung verlaufende Balken) ist ein Schlittenausleger 110 auf einem in der Darstellung nicht sichtbaren Schlitten gelagert, wobei der Schlitten mittels eines Linearantriebs reversierend quer (also in y-Richtung) zur Materialbahn 100 verfahrbar ist.
Der Schlittenausleger 110 trägt einen Sendekopf 112, der mittels des Schlittenauslegers 110 über die volle Breite der Materialbahn 100 verfahrbar ist. Der Schlittenausleger 110 trägt einen Sendekopf 112, der zum Messen Ultraschallimpulse auf die Oberseite der Materialbahn abstrahlt. Das Ultraschallsignal breitet sich unter Abschwächung durch die Materialbahn 100 zu deren Unterseite aus, wo das abgeschwächte Ultraschallsignal austritt und auf einen dem Sendekopf 112 gegenüberliegenden Empfangskopf 114 auftrifft. Der Empfangskopf 114 ist auf einem nicht dargestellten Schlittenausleger angeordnet, der wiederum am unteren Balken des Querportals 4b (vgl. 3) verfahrbar ist. Der untere Schlitten mit dem Schlittenausleger für den Empfangskopf 114 wird synchron zum oberen Schlitten mit dem Ausleger 110 verfahren, so dass sich Sendekopf 112 und Empfangskopf 114 der Messgruppe 108 zu jeder Zeit beim Verfahren entlang der Materialbahn und in der Standby- und Kalibrierstation 116 (mit der Materialbahn 100 oder dem Kalibriermuster 122 dazwischen) gegenüberstehen.
An der Extrusionsdüse 102 wird die Dicke der Materialbahn mittels der schwenkbaren Düsenlippe 104 eingestellt, wobei die Verstellung mittels quer zur Bahnbreite äquidistant voneinander angeordneter Stellglieder 106 erfolgt. Die Stellglieder 106 sind beispielsweise Wärmedehnbolzen, deren Längsausdehnung durch Temperaturänderung einstellbar ist, so dass diese durch die Längenänderung den Anstellwinkel der Düsenlippe 104 verstellen. Dabei wirkt jedes Stellglied 106 lokal in seinem Breitenbereich, so dass die Dicke der Materialbahn in dem entsprechenden y-Breitenbereich im Wesentlichen durch das Stellglied 106 in diesem Breitenbereich oder in Zwischenbereichen zwischen zwei benachbarten Stellgliedern 106 durch das Zusammenwirken dieser zwei Stellglieder bestimmt wird.
An der Messeinheit 2b sind über die Breite der Materialbahn am Portal 4b Ultraschallsender 10 und gepaart hierzu Ultraschallempfänger 12 angeordnet, deren gemeinsame Messbereiche die volle Breite der Materialbahn abdecken. Die Anordnung ist wie oben beschrieben, wobei hier der Sendeblock 6 mit den Sendern 10 und der Empfangsblock 8 mit den Empfängern 12 vorzugsweise stationär am Portal 4b gelagert sind. Bei dieser Ausführung sind zwei zueinander in Querrichtung (y) versetzte Arrayzeilen I, II und sechs Arrayspalten a–f vorgesehen. Das oben zu den Sendern 10 und Empfängern 12, deren elektronische Ansteuerung und Auswertung (vgl. 4 und 9) sowie zu dem Ablauf des Sendens/Empfangen/Auswertens Gesagte gilt entsprechend.
Wie anhand der strichpunktierten Linien in Bahnlängsrichtung (x-Richtung) ersichtlich, ist in der Messeinheit 2b am Messarray je Stellglied 106 ein Sende-/Empfangspaar 10, 12 in Längsrichtung der Bahn 100 angeordnet. Der Abstand der Stellglieder liegt im Bereich von 20 bis 40 mm oder 25 bis 35 mm, typischerweise beträgt er 25,4 oder 30 mm. Entsprechend ist der Mittelabstand der Paare 10/12 in y-Richtung gleich dem Abstand der Stellglieder 106. Die Zuordnung ist beispielhaft hier von links nach rechts, wobei das Sende-/Empfängerpaar 10/12 in Zeile I und Spalte a dem ganz linken Stellglied 106 zugeordnet ist und das Sende/Empfängerpaar 10/12 in Zeile II und Reihe f dem ganz rechten Stellglied 106 zugeordnet ist. Durch diese Zuordnung ist es ermöglicht, dass die Messergebnisse der Schichtdicken- und/oder Flächengewichtsbestimmung von der Hauptsteuereinheit 22 zu der in 11 dargestellten Steuereinheit 101 für die Extrusionseinrichtung übertragen werden. Die Einstellung jedes einzelnen der Stellglieder 106 mittels der Extrudersteuereinheit 101 kann dann in Abhängigkeit davon erfolgen, welchen Wert der Dicke und/oder des Flächengewichts das zugehörige Sender/Empfängerpaar 10/12 liefert. Vorzugsweise erfolgt die Einstellung der Stellglieder 106 kontinuierlich und in Form einer rückgekoppelten Regelanordnung.
In der schematischen Querschnittsansicht von 11 sind die Anordnung von Sendekopf 112 und Empfangskopf 112 der Messgruppe 108 in seitlicher Ansicht dargestellt, wobei bei der seitlichen Ansicht die y-Richtung senkrecht zur Zeichenebene in 10 steht. Mit 136 ist anschaulich der Ultraschall-Transmissionsstrahl dargestellt, der vom Sendekopf 112 ausgeht. Der Transmissionsstrahl 136 tritt in der dargestellten Parkposition 118 der Messgruppe 108 durch ein Kalibriermuster 122 durch und trifft auf den Empfangskopf 114 auf.
Die Standby- und Kalibrierstation 116 ist seitlich zur Materialbahn versetzt, also in y-Richtung oder Querrichtung zur Materialbahn 100 versetzt. Die Standby- und Kalibrierstation 116 umfasst die Parkposition 118, in der sowohl der Sendekopf 112 als auch der gegenüberliegende Empfangskopf 114 während Messungsunterbrechungen oder zur Kalibrierung der Messgruppe 108 mit der Sende-/Empfangseinheit 112, 114 geparkt sind.
In der Standby- und Kalibrierstation 116 ist ein Klemmring 120 drehbar gelagert, der an seiner Außenseite mittels eines Ritzels 126 in Rotation versetzt wird. Wie aus 11 ersichtlich, wird das Ritzel bzw. Zahnrad 126 durch einen Antriebsmotor 124 angetrieben. Das Ritzel 126 greift in einen außen am Klemmring 120 ausgebildeten Zahnkranz, so dass mittels des Motors 124 die Drehgeschwindigkeit bzw. Winkelstellung des Klemmrings 120 gesteuert werden kann. Im Klemmring 120 ist das Kalibriermuster 122 eingeklemmt. Das Kalibriermuster 122 ist ein runder Stanzling eines für die Kalibrierung heranzuziehenden Standardmaterials. Der Stanzling hat eine Fläche von einem Quadratdezimeter, so dass mittels Auswiegens des Stanzlings auf einer Präzisionswaage das Flächengewicht des Standards auf einfache Weise ermittelt werden kann. Der Kalibrierstandard in Form des Kalibriermusters 122 stellt einen Sollwert für die Dicke und/oder das Flächegewicht der Materialbahn 100 dar und wird zur wiederholten Kalibrierung der Messgruppe 108 umfassend die Sende- und Empfangsköpfe 112, 114 herangezogen.
11 zeigt neben der schematischen seitlichen Ansicht von Sende- und Empfangskopf 112, 114 die relative Lage des Kalibriermusters 122. Ebenso ist in Form eines Blockschaltbilds die Steuer- und Kontrollelektronik für die Flächengewichtsmesseinheit 2b betreffend die Messgruppe 108 und Kalibrierstation 116 dargestellt. Die Steuerung der Messgruppe 108 und der Kalibrierstation 116 erfolgt durch die gleiche Hauptsteuereinheit 22, die auch die Ansteuerung, Versorgung und Auslesung der Sende/Empfangseinheiten 10/12 der Arrays der Messeinheiten 2 und 2a übernimmt. Bei der Einheit 2b übernimmt die Steuereinheit 22 zusätzlich die Stromversorgung, Ansteuerung, Impulsauslösung und Signalauslesung für die Messgruppe 108 und Kalibrierstation 116.
In der Standby- und Kalibrierstation 116 wird mittels eines Positionssensors 128 erfasst, ob der Sendekopf 112 und der Empfangskopf 114 in der korrekten Parkposition 118 angelangt sind, um zum Beispiel die Kalibrierung durchzuführen. Der Positionssensor 118 meldet sein Signal an die Steuereinheit 22 der Flächengewichtsmesseinheit 2b.
Die Steuereinheit 22 steuert einen Sendercontroller 132 der Messgruppe 108 an. Beispielsweise erhält der Sendecontroller 132 von der Steuereinheit 22 die Versorgungsspannung und ein Verstärkungseinstellsignal zum Einstellen der Signalverstärkung. Mit der vorgegebenen Signalverstärkung wird ein ebenfalls von der Steuereinheit 22 empfangenes Impulssignal für den Sendekopf 112 verstärkt. Der Sendercontroller 132 gibt das verstärkte Impulssignal an den Sendekopf 112 aus, der das Spannungssignal in das Ultraschallsignal 136 umwandelt.
Das am Empfangskopf 114 empfangene Ultraschallsignal wird in ein elektrisches Signal umgewandelt und einem Empfängercontroller 134 zugeführt. Der Empfängercontroller führt eine Signalaufbereitung aus und leitet das aufbereitete Empfangssignal an die Steuereinheit 22. Beispielsweise umfasst der Empfängercontroller 134 einen digitalen Signalprozessor, der durch eine entsprechende Programmierung über die Steuereinheit 22 einen Signalverarbeitungsalgorithmus bereitstellt, um die rechenintensive Signalauswertung bereits auf der Ebene des Empfängercontrollers 134 durchzuführen.
Um zum Beispiel thermische Drifts, Alterungsprozesse, Verunreinigungen auf dem Sende-/Empfangsweg des Ultraschallsignals 136 und dergleichen Effekte zu kompensieren, wird die Messung des Flächengewichts oder der Schichtdicke der Materialbahn 100 in vorgebbaren Zeitintervallen zur Kalibrierung unterbrochen. Dazu fährt der Sende- und Empfangskopf 112, 114 (Gruppe 108) seitlich aus der Messstrecke (Breite der Materialbahn 100) heraus in die Parkposition 118. Wird mittels des Positionssensors 128 die korrekte Position des Sende- und Empfangskopfs 112, 114 erfasst, steuert die Steuereinheit 22 den Motor 124 an, so dass das im Klemmring 120 eingeklemmte Kalibriermuster 122 zwischen Sendekopf und Empfangskopf durchgedreht wird. Die Mitte der Sende-/Empfangsfläche des Sende-/Empfangkopfes 112, 114 ist radial zur Mitte des Kalibriermusters 122 versetzt, so dass die Mitte des Sende-/Empfangskopfes relativ zum Kalibriermuster auf einer Kreisbahn bewegt wird.
Während des Drehens des Kalibriermusters 122 werden laufend Ultraschallsendeimpulse vom Sendekopf 112 gesendet und vom Empfangskopf 114 erfasst. Damit werden die Transmissionswerte vom Kalibriermuster 122 von verschiedenen, über die Fläche des Kalibriermusters verteilten Positionen gemessen. Die gemessenen Werte werden mittels der Steuereinheit 22 aufgezeichnet. Nach einmaligem oder nach mehrmaligem Drehen des Kalibriermusters 122 bildet die Steuereinheit 22 einen Mittelwert aus den gemessenen Transmissionswerten und verwendet diesen um die Kalibrierkurve für die Flächengewichtsbestimmung bzw. Schichtdickenbestimmung durch die traversierende Messgruppe 108 zu kalibrieren.
8 zeigt mit der Kurve T exemplarisch und schematisch eine Kalibrierkurve für die Intensität I der Transmission des Ultraschallsignals 136 (vgl. Signal 14 in 2) in Abhängigkeit der Dicke d (entsprechendes gilt auch für das Flächengewicht) der Materialbahn 100. Ergibt die Mittelwertbildung der zuvor beschriebenen ermittelten Transmissionsmessung einen abweichenden Kalibrierwert für die Schichtdicke d oder das Flächengewicht, so wird die Kalibrierkurve entsprechend nach oben oder unten korrigiert.
Damit steht nach der Kalibrierung eine neu kalibrierte Kalibrierungskurve zur Verfügung und die Schichtdickenmessung mittels der Messgruppe 108 quer zur Materialbahn 100 kann mit der neuen Kalibrierkurve fortgesetzt werden, so dass die Flächengewichts- oder Schichtdickenbestimmungen mit höherer Zuverlässigkeit durchgeführt werden können.
Wie bei der Ausgestaltung der Messeinheit 2b in 10 dargestellt, umfasst die Messeinheit sowohl die traversierende (d. h. die über der Materialbahn 100 hin- und herfahrende) Messgruppe 108 als auch das stationäre Array mit den (hier zwölf) Sende/Empfangspaaren 10/12. Die Messgruppe 108 wird in der Kalibrierstation 116 mittels des Musters 122 absolut kalibriert. Die kalibrierte Messgruppe 108 wird dann verwendet, um die Sende/Empfangspaare 10/12 wie folgt zu kalibrieren. Das Zusammenspiel von in Längsrichtung x bewegter Materialbahn 100 und in Querrichtung y hin- und herfahrender Messgruppe 108 ergibt die in 10 punktiert dargestellte, zickzackförmige Abtaststrecke t.
Entlang der Abtaststrecke t erfasst die Messgruppe 108 Messwerte der Schichtdicke und/oder des Flächengewichts mit der Wiederholrate der gepulsten Messung (vgl. 6). Dabei überstreicht die Strecke t auch die in Längsrichtung x verlaufende Mitte des Messbereichs der Sende/Empfangspaare 10/12, die strichpunktiert exemplarisch mit Linie s für das Paar 10/12 in Zeile I, Spalte d dargestellt ist (im Folgenden als ”(I, d)-Paar 10/12” bezeichnet). Es ergeben sich für dieses Beispiel die fünf Messpunkte m1 bis m5 auf den sich kreuzenden Messlinien s und t. Zur Kalibrierung dieses (I, d)-Paares 10/12 wird beispielsweise der Mittelwert der fünf Messpunkte m1–m5 für die Dicke und/oder das Flächengewicht jeweils für die Messung mittels der Messgruppe 108 und die Messung mittels des (I, d)-Paares 10/12 gebildet und, falls diese voneinander abweichen, wird der Kalibrierungswert für das (I, d)-Paares 10/12 so neu festgelegt, dass die gemittelten Werte für die Messpunkte m1 bis m5 zwischen Messgruppe 108 und (I, d)-Paar 10/12 übereinstimmen. Zumindest wird der neue Kalibrierungswert bei den folgenden Messungen für das (I, d)-Paar 10/12 so lange verwendet, bis dieses wieder gegen die Messgruppe 108 kalibriert wurde. Auf diese Weise werden die anderen Sende/Empfangspaare 10/12 mit den entsprechenden Messwerten auf den Kreuzungspunkten der Abtaststrecke t und der zugehörigen in x-Richtung laufenden Messlinie s des Sende/Empfangspaares 10/12 kalibriert. Dies stellt eine Relativkalibrierung der Sende/Empfangspaare 10/12 gegen die Messgruppe 108 dar.
Die Rückkoppelung des Messwerts der Schichtdicke oder des Flächengewichts der Materialbahn von den Sende/Empfangspaaren 10/12 über die Steuereinheit 22 und die Steuereinheit 101 zur Einstellung der Stellglieder 106 an der Extrusionsdüse 102 ermöglicht eine wesentlich schnellere Regelung, als wenn beispielsweise nur die reversierende Messgruppe 108 zur Messung und Regelung verwendet würde. Darüber hinaus ist es bei Messung an der Materialbahn 100 nur mit der reversierenden Messgruppe 108 nicht möglich, zu erkennen, ob eine Dickenschwankung im Längsprofil (Richtung x) oder Querprofil (Richtung y) der Bahn 100 aufgetreten ist. Eine Dickenschwankung im Längsprofil tritt beispielsweise auf, wenn der Bahntransport instabil abläuft oder das Folienmaterial aus der Düse 102 z. B. auf ganzer Breite aufgrund von Druckschwankungen im Extruder ungleichmäßig austritt. Eine Dickenschwankung im Querprofil tritt beispielsweise auf, wenn ein einzelnes Stellglied 106 ungleichmäßig oder abweichend arbeitet oder die Düse 102 lokal bei einem oder mehreren der Stellglieder verstopft ist.
In Ausgestaltung können auch bei der Messeinheit 2b die Sendeköpfe 112 und gegenüberliegend die Empfangsköpfe 114 auf einem synchron zueinander y-verschiebbaren Sendeblock 6 und Empfangsblock 8 wie bei der Messeinheit 2a angeordnet sein.
Bezugszeichenliste

2, 2a, 2b: Messeinheit
4, 4b: Portal
6: Sendeblock
7: Materialdurchtrittsschlitz
8: Empfangsblock
10, 10a: Ultraschallsender
12: Ultraschallempfänger
14: Ultraschallsignalkeule
15: Reflektionssignal
16: Sendecontroller
18: Übertrager
20: Signalleitung
22: Hauptsteuereinheit
24: Signalfolge
28, 28a: Empfangscontroller
29: Gruppencontroller
30, 30a: Steuerleitung
31: Signalschalter
32, 32a: Empfangssignalleitung
100: Materialbahn
101: Steuereinheit Extruder
102: Extrusionsdüse
104: Düsenlippe
106: Stellglied
108: reversierende Messgruppe
110: Schlittenausleger
112: Sendekopf
114: Empfangskopf
116: Standby- und Kalibrierstation
118: Parkposition
120: Klemmring
122: Kalibriermuster
124: Antriebsmotor
126: Zahnrad
128: Positionssensor
132: Sendercontroller
134: Empfängercontroller
136: Transmissionsstrahl
I: Intensität
P: Intensitätsprofil
D: Durchmesser Sendefläche
O: Überlapp in Projektion
T: Transmissionskurve
R: Reflektionskurve
G: Zeitfenster der Messung
U: Totintervall
d: Materialdicke
m1...m5: Kalibriermesspunkte
s: Längsmessstrecke
t: traversierende Messstrecke
x: Längsrichtung Materialbahn
y: Querrichtung Materialbahn
z: Flächennormale Materialbahn
α: Spaltenwinkel des Arrays
a, b, c, d, e: Arrayspalten
I, II, III: Arrayzeilen

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 4236436 A1 [0002]
DE 20109119 U1 [0003, 0057]
DE 10327389 B3 [0004]
DE 19908932 A1 [0004]
DE 102005037086 A1 [0004]
DE 20312388 U1 [0004]
DE 3048710 A1 [0004]

Claims

Ultraschallsende- und Empfangsvorrichtung (2, 2a) zur Messung der Transmission (T) und/oder Reflektion (R) von Ultraschallwellen bei einer dünnen Materialbahn (100) zur Bestimmung der Schichtdicke und/oder des Flächengewichts der Materialbahn, insbesondere bei einer Folienbahn, wobei die Vorrichtung aufweist: eine Vielzahl von Ultraschallsendern (10), eine Vielzahl von Ultraschallempfängern (12, 10a), wobei die Anzahl der Ultraschallempfänger der Anzahl oder der zweifachen Anzahl der Ultraschallsender entspricht, und jeweils eine Empfangselektronik (28, 28a) für jeden der Ultraschallempfänger (12, 10a) oder jeweils eine Gruppenempfangselektronik (29) für eine vorgegebene Anzahl von Ultraschallempfängern.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Vorrichtung parallel zu einer dünnen, in Längsrichtung bewegbaren, zu messenden Materialbahn (100) angeordnet ist, wobei die Ultraschallsender (10, 10a) an einer Halteeinrichtung (6) verteilt angeordnet sind, wobei sich vorzugsweise die Halteeinrichtung (6) senkrecht oder im Wesentlichen senkrecht zur Längsrichtung (also in Querrichtung y) der bewegbaren Materialbahn erstreckt.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Ultraschallsender (10, 10a) sowohl über die Querrichtung (y) der Materialbahn (100) als auch über eine vorgegebene Tiefe in Längsrichtung (x) der bewegbaren Materialbahn räumlich verteilt angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die Vorrichtung mehrere in Querrichtung (y) verlaufende Zeilen (I, II, III) der Ultraschallsender (10, 10a) aufweist und alle Ultraschallsender zueinander in Querrichtung (y) versetzt sind, wobei insbesondere die Ultraschallsender aller Zeilen (I, II, III) bei Projektion in Längsrichtung (x) in Querrichtung (y) äquidistant zueinander angeordnet sind und/oder wobei insbesondere bei Projektion in Längsrichtung (x) die Ultraschallsender in Querrichtung eine sich wiederholende Permutation der Zeilen ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Abstrahlrichtung der Ultraschallsender (10, 10a) in Richtung auf die Oberfläche der Materialbahn (100) ausgerichtet ist, insbesondere senkrecht oder ungefähr senkrecht zur Oberfläche der Materialbahn, und wobei der jeweilige, dem Ultraschallsender (10) zugeordnete Ultraschallempfänger (12, 10a) in Transmissionsrichtung des Ultraschallsenders nach Transmission durch die Materialbahn und/oder in Reflektionsrichtung nach Reflektion an der Materialbahn angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ultraschallempfänger (12) an einer zweiten Halteeinrichtung (8) gepaart zur Anordnung der Ultraschallsender (10, 10a) angeordnet sind, vorzugsweise ist die zweite Halteeinrichtung auf der der Halteeinrichtung (6) gegenüberliegenden Seite der Materialbahn (100) angeordnet.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jede der Empfangselektroniken (28, 28a) oder Gruppenempfangselektroniken (29) einen Verstärker aufweist, bei dem die Verstärkung einstellbar ist, insbesondere in mehreren Verstärkungsstufen einstellbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei jede der Empfangselektroniken (28, 28a) einen Signalprozessor zum Auswerten des vom zugehörigen Ultraschallempfänger (12, 10a) empfangenen Signals, wobei insbesondere der Signalprozessor im Mikrocontroller implementiert ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung eine Hauptsteuereinheit (22) aufweist zum Erzeugen eines Sendesignals (24), wobei die Hauptsteuereinheit mit jedem der Ultraschallsender (10, 10a) verbunden ist und das Sendesignal jedem der Ultraschallsender zuführt, wobei insbesondere das Sendesignal allen Ultraschallsendern gleichzeitig oder mit geringem Zeitversatz zugeführt wird.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung (2b) weiterhin eine Messgruppe oder Sensoreinheit (108) mit einem Sendekopf (112) und einem Empfangskopf (114) aufweist, die zur Dickenmessung und/oder Flächengewichtsmessung quer (y) zur Materialbahn (100) an einem Portal (4, 4b) der Vorrichtung (2b) verfahrbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei der Messgruppe oder Sensoreinheit (108) eine Kalibrierstation (116) zugeordnet ist, an der die Messgruppe oder Sensoreinheit mittels eines Kalibriermusters (122) kalibrierbar ist, und/oder wobei jedes der Ultraschallsender- und Empfängerpaare (10/12) mittels einer Steuereinrichtung (22) der Vorrichtung durch Auswertung der Messergebnisse der Messgruppe oder Sensoreinheit an der Materialbahn und der Messergebnisse der Ultraschallsender- und Empfängerpaare (10/12) an der Materialbahn kalibrierbar ist.
Anordnung mit einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche und einem Folienextruder mit zumindest einer Extrusionsdüse (102), wobei der Extrusionsdüse zumindest ein Stellelement (106) zum Einstellen der Foliendicke zugeordnet ist, wobei der Folienextruder eine Steuereinheit (101) zum Einstellen oder Verstellen des zumindest einen Stellelements (106) aufweist, und wobei die Steuereinheit (101) zumindest einen Messwert für die Schichtdicke und/oder das Flächengewicht von der Vorrichtung (2, 2a, 2b) empfängt, insbesondere von einer Steuereinheit (22) der Vorrichtung, und wobei die Steuereinheit (101) das zumindest eine Stellelement in Abhängigkeit des zumindest einen Messwerts einstellt oder verstellt.
Anordnung nach Anspruch 12, wobei der Extrusionsdüse (102) eine Vielzahl von Stellelementen (106) zugeordnet ist und jedem Stellelement ein Ultraschallsender- und Empfängerpaar (10/12) oder je eine Gruppe von Ultraschallsender- und Empfängerpaaren zugeordnet ist oder einer Gruppe von Stellelementen (106) je einem Ultraschallsender- und Empfängerpaar (10/12) zugeordnet ist, wobei die Steuereinheit ein Stellelement oder eine Gruppe von Stellelementen in Abhängigkeit des Messsignals oder der Messsignale von dem zugehörigen Ultraschallsender- und Empfängerpaar (10/12) oder der Gruppe der Ultraschallsender- und Empfängerpaare (10/12) einstellt oder verstellt.
Verfahren zur Ultraschalltransmissionsmessung und/oder Ultraschallabsorptionsmessung zur Dicken- und/oder Flächengewichtsbestimmung bei einer Materialbahn (100), insbesondere Vorrichtung (2, 2a) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren aufweist: Vorsehen einer Vielzahl von Ultraschallsendern (10, 10a), die sowohl in Querrichtung (y) als auch in Längsrichtung (x) der zu messenden Materialbahn (100) flächig verteilt an einer Halteeinrichtung (6) angeordnet sind, Vorsehen einer Vielzahl von Ultraschallempfängern (12, 10a), wobei die Anzahl der Ultraschallempfänger der Anzahl oder der zweifachen Anzahl der Ultraschallsender entspricht und wobei jeweils ein oder zwei Ultraschallempfänger einem der Ultraschallsender zugeordnet ist und die Empfangsfläche des Ultraschallempfängers so ausgerichtet ist, dass sie entweder die Transmission (T) des vom zugeordneten Ultraschallsenders ausgesandten Ultraschallsignals nach Transmission durch die Materialbahn (100) oder die Reflektion (R) des von der Materialbahn reflektierten Signals empfängt, Vorsehen jeweils einer Empfangselektronik (28, 28a) für jeden der Ultraschallempfänger (12, 10a) oder jeweils einer Gruppenempfangselektronik (29) für eine vorgegebene Anzahl von Ultraschallempfängern. Zuführen eines Ansteuersignals (24) zu allen Ultraschallsendern (10, 10a), wobei das Zuführen so erfolgt, dass alle Ultraschallsender gleichzeitig oder im wesentlichen gleichzeitig ein Ultraschallsignal abgeben oder alle Signale der Ultraschallsender innerhalb eines Zeitfensters abgegeben werden, wobei die Länge des Zeitfensters kleiner ist als die Laufzeit eines Störreflektionssignals und/oder des Signals von einem dem Empfänger nicht zugeordneten Ultraschallsenders, parallele oder im Wesentlichen parallele Verarbeitung des von den Ultraschallempfängern (12, 10a) empfangenen Signals mittels der Empfangselektroniken (28, 28a) oder Gruppenempfangselektroniken (29), und Weiterleiten der Verarbeitungsergebnisse an eine Hauptsteuereinrichtung (22), wobei die Dicken- und/oder Flächengewichtsbestimmung bei der parallelen Verarbeitung in den Empfangselektroniken (28, 28a) oder den Gruppenempfangselektroniken (29) oder nach der Weiterleitung der Verarbeitungsergebnisse durch die Hauptsteuereinrichtung ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei jede der Sensoreinheiten bestehend aus Ultraschallempfänger (12, 10a) und Ultraschallsender (10, 10a) kalibriert wird durch: für jede der Sensoreinheiten, Einstellen eines Verstärkungsfaktors in der dem Ultraschallempfänger zugeordneten Empfangselektronik (28, 28a) oder der Gruppenempfangselektronik (29) anhand eines durch Luft übertragenen Signals bei nicht vorhandener Materialbahn, und/oder für jede der Sensoreinheiten, Einstellen eines Materialkalibrierwertes anhand eines Transmissions- oder Reflektionssignals von einem Kalibriermuster für die zu messende Materialbahn.